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Hochtemperaturreaktor mit kugelförmigen Brennelementen
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und einer druckführenden Umschließung des Primärkreises Die Erfindung
betrifft einen Hochtemperaturreaktor mit kugelförmigen Brennelementen und mit einer
druckführenden Umschließung des Primärkreises, die aus einem Spannbetondruckbehälter
mit einem seinen Innenraum auskleidenden metallischen Liner land aus mehreren Verschlußvorrichtungen
besteht, die in dem Spannbetondruckbehälter vorgesehene Durchbrüche abdichten.
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Bei den bisher bekannten Bau formen von Kernreaktoren ist der Primärkreis
von einer druckführenden Umschließung umgeben, die eine Drucktragfunktion und eine
Dichtfunktion hat und die Freisetzung von Spaltprodukten an die Umgebung bei Normalbetrieb
und bei Auslegungsstörfällen auf Werte begrenzt, die unterhalb der zulässigen Grenze
liegen.
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Bei einigen Kernreaktortypen wird außer der Drucktragfunktion auch
die Dichtfunktion für den Prim§8kreis von einem einwandigen stählernen Druckbehälter
übernommen. Der Verlust der Drucktragfunktion, der als katastrophales Versagen des
Druckbehälters bezeichnet wird, wird bei diesen Kernreaktoren durch redundante Maßnahmen
ausgeschlossen, die später noch erläutert werden. Da unterstellt wird, daß Leck
vor Bruch auftritt, ist als redundante Barriere gegen die Spaltproduktfreisetzung
ein Sicherheitsbeh
Alter erforderlich, der den Stahldruckbehälter
umschlieXtr Damit ist die druckführende Umschließung des Primärkreises auch im Hinblick
auf die Dichtfunktion versagenssicher. Das Vorhandensein eines Stahldruckbehälters
ist insbesondere dann notwendig, wenn das Kühlmittel einen relativ hohen Aktivitätsinhalt
hat. Kernreaktoren dieses Bautyps sind z.B. in der DE-AS 23 15 318 und DE-OS 23
15 319 beschrieben.
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Die oben erwähnten redundanten Maßnahmen, die die Versagenssicherheit
des stahlernen Reaktordruckbehälters gewährleisten, umfassen im wesentlichen drei
Gruppen: 1. die Auslegung nach Basissicherheit, 2. die Qualitätskontrolle, 3. die
betriebliche 0 wachungç Die erste Gruppe besteht in primären Sicherheitsmaßnahmen,
die auf die Verhinderung des Versagenseintritts gerichtet sind: Kenntnis und Kontrolle
der im System auftretenden Belastungen (Belastungsanalyse), - umfangreiche Spannungsanalyse
mit konservativer Begrenzung der auftretenden Beanspruchungen, - Berücksichtigung
definierter und begrenzter Fehlerzustände, - ausreichende Werkstoff- und Bauteil
zähigkeit und damit Sicherstellung der Belastbarkeit auch bei örtlich fehlerbehafteten
Komponenten.
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Die zweite Gruppe der Maßnahmen umfaßt Mehrfachprüfungen seitens Komponentenherstel
1er, Reaktorsystemhersteller und Gutachter: - bei der Auslegung und Werkstoffwahl
(Vorprüfung>, - bei der begleitenden Fertigungskontrolle, der zerstörenden Prüfung,
der zerstörungsfreien Prüfung und der Druckprüfung (Bauüberwachung).
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Die dritte Gruppe der Maßnahmen erstreckt sich auf Prüfungen und Überwachungen
im Betrieb ("Wiederkehrende Prtfungen"), z.B.: - Verwendung von Einhängeproben zur
voreilenden Bestimmung der Strahlenversprödung von Werkstoffen, - zerstörungsfreie
Wiederholungsprüfungen, - Wiederholungsdruckprüfungen.
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Liegen die Beanspruchungen einer Komponente auf besonders niedrigem
Niveau, so kann die betriebliche Oberwachung dieser Komponente wegfallen.
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Bei einem Hochtemperaturreaktor mit kugelförmigen Brennelementen sind
zwei wichtige Randbedingungen vorhanden, die bei der druckführenden Umschließung
des Primärkreises berücksichtigt werden können. Diese Randbedingungen sind: 1. das
PrimtrkAhlmittel hat eine sehr geringe Aktivität; 2. der Druck auf der Sekundärseite
ist höher als auf der Primärseite, so daß bei einem Leck kein Primärkühimittel aus
dem Primärkreis austreten kann.
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Die Komponenten des Primärkreislaufs sind in einer Kaverne eines Spannbetondruckbehälters
untergebracht, der für die Montage und Demontage sowie teilweise auch für die Aufnahme
der Komponenten große Durchbrüche aufweist. Die dichte Umschließung des Primärkreises
wird im Bereich dieser DurchbrUche mit Hilfe von Verschlußvorrichtungen bewerkstelligt,
die die Durchführungen druckfest und gasdicht abschließen. Eine Kernreaktoranlage
mit einem Spannbetondruckbehälter, der solche Durchbrüche und Verschlußvorrichtungen
aufweist, ist in der DE-OS 31 41 734 dargestellt. Die Verschlußvorrichtungen bestehen
bei der bekannten
Anlage jeweils aus einem '-c .e}deckel aus Stahl,
der in den betreffenden Durchbruch eingesetzt ist. Der innere Deckel bildet jeweils
den Primärgasabschluß. Um auch bei Auftreten eines Lecks an einem der inneren Deckel
das Versagen der druckführenden Umschließung ausschließen zu können, ist ein derartiger
Hochtemperaturreaktor noch von einem dichten Reaktorschutzgebäude umgeben.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik, liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, einen Hochtemperaturreaktor des eingangs beschriebenen Bautyps so auszubilden,
daß ein Versagen der druckführenden Umschließung des Primärkreises auch bei Verzicht
auf betriebliche Überwachungsmaßnahmen, die das Abschalten des Reaktors voraussetzen,
speziell bei Verzicht auf Ultraschallprtfungen als wiederkehrende Prüfungen, ausgeschlossen
ist.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Komponenten
des Primärkreises des Hochtemperaturreaktors als redundante Konstruktion ausgeführt
sind, wodurch die an sich bekannten redundanten Maßnahmen der Auslegung nach Basissicherheit,
der Qualitätskontrolle und der betrieblichen Xberwachung ganz oder teilweise eingespart
werden können.
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Von den im Vorangegangenen beschriebenen Maßnahmen kann gemäß der
Erfindung bei Einhalten gleicher Sicherheit eine ganz weggelassen werden bzw. können
bei einigen die Anforderungen teilweise reduziert werden. Vorzugsweise sieht die
Erfindung vor, die bei einem Kernreaktor mit Stahldruckbehälter vorgesehene dritte
Gruppe von redundanten Maßnahmen zur Gewährleistung der Versagenssicherheit von
Komponenten durch die Anwendung des Prinzips der redundanten Konstruktion zu ersetzen.
D.h. an die Stelle der Durchführung von wiederkehrenden Prüfungen tritt die
redundante
Ausbildung der sicherheitstechnisch relevanten Bauteile. Durch das Prinzip der redundanten
Konstruktionen wird die Yersaçellssìcherneit der Komponenten mit mindestens dem
gleichen Erfolg erreicnt wie bei Auslegung nach Basissicherheit.
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Der Verzicht auf wiederkehrende Prüfungen bei der druckführenden Umschließung
ist gerade bei einem Hochtemperaturreaktor mit kugelförmigen Brennelementen sehr
sinnvoll und vorteilhaft, da bei diesem Reaktortyp der Brennelementwechsel während
des Betriebes durchgeführt werden kann. Ein Abschalten des P.eaxtors ist somit weder
zur Be- und Entladung des Kerns noch für die Durchführung von wiederkehrenden Prüfungen
erforderlich, so daß der Hochtemperaturreaktor gegenüber anderen Reaktoren eine
höhere Verfügbarkeit besitzt.
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Werden trotzdem noch betriebliche Überwachungen durchgeführt, die
jedoch solcher Art sind, daß keine Abschaltungen des Reaktors erforderlich sind,
und mit denen laufend kontrolliert werden kann, ob die redundanten Bauteile eingriffsbereit
und wirksam sind, so können auch Anforderungen der redundanten bSaßnahmen bezüglich
Basissicherheit und/oder Qualitätskontrolle in gewissem Umfang eingespart werden.
Es muß jedoch die gleiche Sicherheit gewährleistet sein.
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Im folgenden wird die Anwendung der Erfindung auf die Komponenten
der druckführenden Umschließung beschrieben.
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Bei dem vorgespannten Betondruckbehälter des Hochtemperaturreaktors
ist der Tragkörper im wesentlichen nur auf Druck beansprucht, wodurch er inhärent
sicher gegen Versagen ist. Daß in
lokalen Bereichen auch Zugspannungen
auftreten können, ist dabei unerheblich, da die Summe aller Spannungen über den
¢2ue-lrschnitt immer im Druckbereich legt. Ein Funktionsnachweis für die Sicherheit
des Betonkörpers ist daher nicht erforderlich.
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Der Betonkörper und die Vorspannsysteme haben zusammen die Aufgabe,
den aehalterinnendruck aufzunemen. Die Vorspannsysteme bestehen aus einer Vielzahl
voneinander un8hängiger Spannkabel, in denen durch die Vorspannung Zugbeanspruchung
erzeugt wird.
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Jedes Kabel besteht wiederum aus einer Vielzahl ebenfalls voneinander
unabhängiger Drähte, so daß es eine vielfach redundante Konstruktion darstellt.
Selbst das Versagen eines oder mehrerer dieser Spannkabel hat praktisch keinen Einfluß
auf die Tragfähigkeit des Betondruckkörpers. Die Wirksamkeit der Redundanz der Spannkabel
kann dabei während des Betriebes mit hilfe von Kraftmessungen an repräsentativen
Spannkabeln permanent berwacht werden.
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Die Dichtigkeit das Spannbetondruckbehälters gegen Primärgasleckagen
ist ebenfalls gewährleistet, da der Spannbetondruckbeæ hälter über zwei redundante
Abdichtungen verfügt, nämlich den metallischen Liner und den Betonkörper, der als
extrem starke Durchflußbegrenzung gilt Bei einem angenommenen Liner-Riß ist damit
das Prinzip der Redundanz durch den Betonkörper erfüllt.
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Die Kontrolle der Wirksamkeit der redundanten Konstruktion wird durch
Aktivitätsmessung an der Außenseite des Spannbetondruckbehälters vorgenommen, beispielsweise
in einem den Spannbetonbehälter und weitere Anlagenteile einschließenden Schutzgebäude.
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Der Liner stützt sich an dem monolithischen Betonkörper ab und ist
in diesem verankert.
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Im bereich der in dem Spannbetondruckbehälter vorgesehenen Durchbrüche
sind ebenfalls zwei redundante Abdichfrangen wirksam. Diese werden jeweils von einem
in dem Beton verankerten Panzerrohr und von dem Betonkörper des Spannbetondruckbehälters
gebildet, der eine redundante Konstruktion zu den Panzerrohren darstellt.
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Undichtigkeiten der Durchführungen können durch Aktivitgtsmessung
in dem oben erwähnten Schutzgebäude nachgewiesen werden.
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Durch die vielfach redundante Verankerung der Panzerrohre in dem Beton
durch die Bolzenfelder werden die aus dem Behälterinnendruck resultierenden Axialkräfte
in den Betondruckkörper eingeleitet.
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Bei den die Durchbrüche abdichtenden Verschlußvorrichtungen ist die
Redundanz der Konstruktion realisiert durch Ausbildung der Verschlußvorrichtungen
als stählerne Doppeldeckel bzw. als einfache Stahldeckel mit Durchflußbegrenzung,
wi an sich bekannt.
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Die beiden Deckel eines Doppeldeckels sind jeweils hintereinander
angeordnet und unabhängig voneinander im Beton verankert.
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Die inneren Deckel bilden einen ersten und die äußeren Deckel einen
zweiten, redundanten Primärgasabschluß. Durch Druckmessung in den Zwischenräumen
der Doppeldeckel bzw. durch Aktivitätsmessung im Schutzgebäude bei einfachen Deckeln
mit Durchflußbegrenzung wird de Funktionsnachweis der Verschlußvorrichtungen erbracht.
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Bei einfachen Deckeln mit Durchflußbegrenzung sind die Deckel mit
Doppeldichtungen versehen, und der Zwischenraum zwischen den Doppeldichtungen wird
zusätzlich auf Leckage überwacht. Infolge des geringen Aktivitätsinhalts des Primärkühimitteis
bei einem Hochtsmperaturreaktor kann auch eine Tötung angewendet werden, bei welcher
der theoretisch maximal mögliche Leckquerschnitt durch die Durchflußbegrenzung praktisch
konstruktiv begrenzt wird. Das austretende Primärkühlmittel kann dann im Reaktorschutzgebäude
auf
gefangen oder aus diesem an die Umgebung abgegeben werden.
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Anstelle von Stahideckeln können als Verschlußvorrichtungen auch Betondeckel
vorgesehen sein. Bei diesen ist der Tragkörper inhärent sicher gegen Versagen, da
er den Innendruck vor allem über Gewölbewirkung abträgt und der Beton somit Aberwiegend
auf Druck beansprucht wird. Zur Abstützung des Betontragkörpers sind Pendel stützen
oder Spannkabel vorgesehen, die in großer Anzahl redundant vorhanden sind. Die Funktionsweise
der Pendel stützen kann von außen visuell überwacht werden; das Funktionieren der
Spannkabel kann durch Kraftmessungen während des Betriebs überprüft werden.
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Zur Aufrechterhaltung einer vorgegebenen Betriebs temperatur des Spannbetondruckbehälters
ist eine innen an dem Liner angebrachte thermische Isolierung vorgesehen. Sie ist
so ausgelegt, daß ihre Tragstruktur auf einem niedrigen Niveau beansprucht wird.
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Aus diesem Grund sind keine wiederkehrenden Prüfungen an der thermischen
Isolierung erforderlich.
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Die Befestigung kann auch redundant ausgeführt sein, vorzugsweise
durch Befestigungsbolzen und redundante Haltehülsen. Die Funktionstüchtigkeit der
Isolierung wird während des Betriebes permanent überwacht, und zwar durch Messung
der Kühlwassertemperatur des Kühlsystems (das nachfolgend beschrieben wird).
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Die durch die thermische Isolierung hindurchtretende Wärme wird von
einem Kühl system abgeführt, das aus zwei voneinander unabhängigen, redundanten
Leitungssystemen besteht. Zusammen mit der thermischen Isolierung bildet das Kühl
system das Wärmeschutzsystem des Spannbetondruckbehälters, das für die Einhaltung
der Betriebstemperatur des Spannbetondruckbehälters sorgt.
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Durch Messung der Ktlhlwassertemperatur und des -volXImenstroms wird
der Funktionsnachweis der beiden redundanten Leitungssysteme erbracht.
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Die im Vorhergehenden beschriebene Anwendung des Prinzips der redundanten
Konstruktion anstelle der Durchführung von wiederkehrenden Ultraschallprüfungen
als betriebliche Oberwachungsmaßnahmen läßt sich nicht nur bei der druckführenden
Umschlie-Bung des Primärkreises eines Hochtemperaturreaktors verwirklichen, sondern
auch bei einer ganzen Reihe von Komponenten des Hochtemperaturreaktors, beispielsweise
bei den Reaktoreinbauten.