DE3621516C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernkraftwerk nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Kernkraftwerk ist aus der DE-OS 33 44 527 bekannt. Es ist mit einer größeren Anzahl von Dampfer­ zeugern bestückt, die um den zentral angeordneten Reaktor herum gruppiert sind. Die gewonnene Wärme wird vor­ nehmlich in mehreren sekundären Wasser-Dampf-Kreisläufen zur Stromerzeugung ausgenutzt. Das Kernkraftwerk liefert eine Leistung von 300 bis 600 MWel.

Die US-PS 42 99 660 betrifft einen gasgekühlten Hoch­ temperaturreaktor mit einem sekundärseitigen Zwischenkreis­ lauf und Wärmetauschern, die zugleich für die betriebliche Wärmeauskopplung und zur Abfuhr der Nachwärme vorge­ sehen sind.

Bekannt ist ferner ein Hochtemperaturreaktor mit kugel­ förmigen Brennelementen, der besonders geeignet ist zur Erzeugung von Wärmeenergie für Heizzwecke und der eine Leistung von 10 bis 20 MWth hat. Bei diesem sogenannten Heizreaktor, der in der deutschen Offenlegungsschrift 35 18 968.1 beschrieben ist, kann auf aktive Betriebseinrich­ tungen wie Beschickungsanlage, Regelsysteme und Sicher­ heitssysteme weitgehend verzichtet werden. Der Reaktor ist in einem unterirdisch installierten Stahlbetonbehälter angeordnet. Infolge seines geringen Wartungsaufwandes ist er für den Einsatz in wenig industrialisierten und schwach besiedelten Gebieten geeignet, die einen niedrigen Wärmeenergiebedarf haben. Wird eine höhere Leistung gefordert, z.B. für den Bedarf großer Wärmenetze für die Nah- und Fernversorgung, so stößt eine Ver­ vielfachung des Heizreaktors jedoch an wirtschaftliche Grenzen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Kernkraftwerk der eingangs beschriebenen Bauart mit ver­ einfachtem Aufbau für eine Leistungsgröße von ca. 50 bis 300 MWth zu schaffen, das für die Auskopplung von Wärme für ein Versorgungsnetz geeignet ist und das sich bei Einhaltung aller Sicherheitsanforderungen wirtschaftlich betreiben läßt.

Gemäß der Erfindung ist die Lösung dieser Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gegeben.

Bei dem vorgeschlagenen Kernkraftwerk (Heizwerk), das nur für die Gewinnung von Wärme konzipiert ist und nicht der Stromerzeugung dient, ist durch das Vorhandensein mindestens zweier Wärmetauscher sichergestellt, daß eine ausreichende Verfügbarkeit gegeben ist. Durch die Hoch­ setzung der Wärmetauscher ist zudem die Möglichkeit geschaffen, daß bei Ausfall der Umwälzgebläse die Wärme durch Naturkonvektion abgeführt werden kann.

Des weiteren zeichnet sich das erfindungsgemäße Kern­ kraftwerk durch einen einfachen Aufbau und eine einfache Bedienung sowie durch eine hohe Wirtschaftlichkeit aus. Dabei weist es alle Vorteile auf, die einem Hochtemperatur­ reaktor innewohnen (negativer Temperatur- und Lei­ stungskoeffizient, Verwendung von Helium als Kühlmittel, niedriges Verhältnis von Leistungsdichte/Wärmekapazität, hohe Temperaturbeständigkeit der Kerneinbauten und der Brennelemente, niedrige Freisetzungsrate an Spaltprodukten).

Das Kernkraftwerk eignet sich besonders für eine Leistungsgröße von 125 bzw. 250 MWth. Es ist jedoch flexibel in bezug auf die Leistungsgröße, so daß es auch für einen höheren oder nied­ rigen Leistungsbedarf eingesetzt werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteran­ sprüchen sowie der folgenden Beschreibung eines Ausführungs­ beispiels im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen zu entnehmen. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 ein Kreislaufschema für das erfindungsgemäße Kernkraftwerk (Heizwerk),

Fig. 2 einen Vertikalschnitt nach der Linie II-II der Fig. 3 durch den in dem Spannbetondruck­ behälter angeordneten Teil des Kernkraftwerks,

Fig. 3 einen Horizontalschnitt nach der Linie III-III der Fig. 2 und

Fig. 4 eine detaillierte Darstellung der in der Fig. 1 schematisch gezeigten Gebäudeeinschließung des Kernkraftwerks.

Wie die Fig. 1 erkennen läßt, sind in einem zylindrischen Spannbetondruckbehälter 1 ein von oben nach unten von Helium als Kühlgas durchströmter Hochtemperaturreaktor 2 sowie zwei in dem Heliumkreislauf liegende Wärmetauscher 3 angeordnet, denen je ein Umwälzgebläse 4 nachgeschaltet ist. An jeden der beiden Wärmetauscher 3 schließt sich sekundärseitig ein mit Wasser betriebener Zwischenkreislauf 5 an, dessen Komponenten - ein Zwischenwärmetauscher 6 und eine Umwälzpumpe 7 - außer­ halb des Spannbetondruckbehälters 1 liegen. An die Sekundär­ seite jedes Zwischenwärmetauschers 6 ist bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel ein Versorgungsnetz für Nah- oder Fernwärme an­ gekoppelt. Die aus dem Reaktor 2 abgeführte Wärme kann aber auch zur Erzeugung von Prozeßdampf genutzt werden.

Jeder Wärmetauscher 3 ist zugleich für die betriebliche Wärme­ auskopplung und für die Abfuhr von Nachwärme vorgesehen. Hier­ zu ist das Kernkraftwerk mit zwei Hilfskreisläufen 8 ausgerü­ stet, die jeweils einem der beiden Zwischenkreisläufe 5 paral­ lelgeschaltet sind. Bei Normalbetrieb sind die beiden Hilfs­ kreisläufe 8 je durch eine Absperrarmatur 9 abgesperrt. Jeder Hilfskreislauf 8 enthält ein Rückkühlsystem 10, das aus einem mit Wasser gefüllten Hochbehälter 11, einem Hilfswärmetauscher 12, einer Umwälzpumpe 13 und einem Naßkühlturm 14 besteht. Durch einen weiteren Kreislauf 15 ist der Naßkühlturm 14 mit dem in dem Hochbehälter 11 angeordneten Hilfswärmetauscher 12 verbunden. Ferner ist jeder Hochbehälter 11 mit einer Abblase­ leitung 16 ausgerüstet, in welcher sich ein Überdruckventil 17 befindet.

Die Wärmekapazität jedes der beiden Rückkühlsysteme 10 ist so ausgelegt, daß ein Rückkühlsystem ausreicht, um die in allen Betriebs- und Störfällen anfallende Wärme abzuführen. Jeder der beiden Hochbehälter 11 kann eine solche Wassermenge auf­ nehmen, daß über mehrere Stunden die Wärmeabfuhr allein durch Verdampfung, also ohne Rückkühlung durch den Hilfswärmetauscher 12, möglich ist.

Alle Komponenten des Kernkraftwerks mit Ausnahme der Naßkühl­ türme 14 sind bei diesem Ausführungsbeispiel von einem Reaktor­ schutzgebäude 18 umschlossen.

In den Fig. 2 und 3 ist im Detail der innerhalb des Spannbe­ tondruckbehälters 1 befindliche Teil des Kernkraftwerks darge­ stellt, der in einer großen Kaverne 19 installiert ist. Diese ist mit einem metallischen Liner 20 ausgekleidet. Der Liner 20 weist ein Kühlsystem 21 auf, wie in den Figuren in einem Teil­ bereich angedeutet. Dieses Kühlsystem ist derart ausgelegt, daß mit ihm die gesamte Nachwärme abgeführt werden kann. In dem Deckenteil des Spannbetondruckbehälters 1 befinden sich zwei je mit einem Deckel 23 verschlossene Durchführungen 22, in denen jeweils eins der beiden Umwälzgebläse 4 installiert ist.

Der Hochtemperaturreaktor 2 ist außermittig in der Kaverne 19 angeordnet, wie die Fig. 3 zeigt. Die beiden Wärmetauscher 3 sind parallel zueinander neben dem Hochtemperaturreaktor 2 auf­ gestellt bzw. aufgehängt. Dabei sind sie in bezug auf die Höhe des Reaktorkerns nach oben versetzt. Dies hat den Vorteil, daß bei Ausfall der Umwälzgebläse 4 eine Abfuhr der Wärme durch Naturkonvektion möglich ist.

Über eine Zuführungsleitung 24 und eine Abführungsleitung 25 für das Sekundärmedium ist jeder Wärmetauscher 3 mit seinem außerhalb des Spannbetondruckbehälters 1 befindlichen Zwischen­ kreislauf 5 verbunden. Das heiße Helium wird den Wärmetauschern 3 durch je eine Gasführung 26 von unten zugeführt. Durch Gas­ leiteinrichtungen 27 wird das abgekühlte und in den Umwälzge­ bläsen 4 verdichtete Helium dem Hochtemperaturreaktor 2 von unten wieder zugeleitet.

Der Kern des Hochtemperaturreaktors 2 besteht aus einer Schüt­ tung 28 von kugelförmigen Brennelementen, die allseitig von ei­ nem Graphitreflektor 29 umschlossen ist. Dieser wiederum ist von einem thermischen Schild 30 umgeben. Der Bodenteil des thermischen Schildes 30 stützt sich über eine Vielzahl von La­ gern 31 auf dem Bodenteil des Spannbetondruckbehälters 1 ab. Unterhalb des Bodenteils des Graphitreflektors 29 befindet sich ein Heißgassammelraum 32, an den sich die Gasführungen 26 anschließen. Das kalte, verdichtete Helium tritt durch Öffnun­ gen im thermischen Schild 30 in einen von diesem Schild und dem seitlichen Teil des Graphitreflektors 29 gebildeten Ring­ raum 33, in dem es nach oben zu einem Kaltgassammelraum 34 strömt.

Für die Beschickung der Schüttung 28 mit Brennelementen sind oberhalb des Kerns mehrere Zugaberohre vorgesehen (nicht dar­ gestellt). Das Abziehen der Brennelemente aus der Schüttung 28 erfolgt über ein Kugelabzugsrohr 35, das sich durch den Bo­ denteil des Graphitreflektors 29 sowie durch den Spannbeton­ druckbehälter 1 erstreckt. Die Beschickung erfolgt vorzugswei­ se in der Art, daß die Brennelemente nach einmaligem Durchlau­ fen der Schüttung 28 ihren Endabbrand erreicht haben; d.h. sie werden nur einmal in den Reaktor eingegeben.

Für die Abschaltung und Regelung verfügt der Hochtemperatur­ reaktor 2 über zwei verschiedene Systeme. Das eine System be­ steht aus direkt in die Schüttung 28 einfahrbaren Kernstäben 36, die oberhalb des Deckenteils des Graphitreflektors 29 in Rohren 37 geführt sind; die Kernstäbe 36 sind für die Langzeit­ abschaltung vorgesehen. Das zweite System dient der Regelung und Schnellabschaltung des Hochtemperaturreaktors 2. Es umfaßt sogenannte Reflektorstäbe 38, d.h. in Bohrungen des seitlichen Graphitreflektors bewegbare Absorberstäbe, wie in der Fig. 2 angedeutet.

Die Fig. 4 zeigt detailliert die in der Fig. 1 schematisch dargestellte Umschließung des Kernkraftwerks mit einem Reaktor­ schutzgebäude. Der Hochtemperaturreaktor 2 und die Wärmetau­ scher 3 sind wieder nebeneinander in der einzigen Kaverne 19 des Spannbetondruckbehälters 1 installiert. Alle Gebäude, die keine wichtigen Systeme enthalten, sind in konventioneller Bau­ weise ausgeführt. Hierzu gehört die Reaktorhalle 39, in der ein auf Schienen 40 laufender Kran 41 für Montage- und Demonta­ gearbeiten vorgesehen ist. Ein weiteres Gebäude 42 dieser Bau­ weise kann einen Werkstatt- oder Betriebsraum enthalten. Wich­ tige Systeme wie die Zwischenkreisläufe 5 und die Hilfskreis­ läufe 8 sind durch eine Bunkerung 43 gegen Einwirkungen von au­ ßen geschützt. Die den Spannbetondruckbehälter 1 und diese Sy­ steme enthaltenden Anlagenteile sind teilweise unter der Erd­ oberfläche 44 installiert.

Claims (7)

1. Kernkraftwerk mit einem zylindrischen Spann­ betondruckbehälter, der eine mit einem Liner ausgekleidete Kaverne aufweist,

• a1) mit einem Hochtemperaturreaktor, dessen Kern (2) von einer von oben nach unten von Helium als Kühlgas durch­ strömten Schüttung kugelförmiger Brennelemente gebildet wird,
• b1) sowie mit in der Kavene angeordneten Wärmetau­ schern und diesen nachgeschalteten Umwälzgebläsen und
• b2) mindestens zwei Wärmetauschern (3), denen je ein Umwälzgebläse (4) zugeordnet ist, die parallel zu­ einander neben dem Hochtemperaturreaktor (2) in der Kaverne (19) installiert sind,

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• a2) der Hochtemperaturreaktor (2) ist außermittig in der Kaverne (19) angeordnet,
• b3) wobei die Wärmetauscher (3), in der Höhe nach oben versetzt sind,
• b4) jeder Wärmetauscher (3) ist sekundärseitig an einen mit Wasser betriebenen Zwischenkreislauf (5) ange­ schlossen, der außerhalb des Spannbetondruckbehäl­ ters (1) einen Zwischenwärmetauscher (6) sowie eine Umwälzpumpe (7) umfaßt,
• b5) die Wärmetauscher (3) sind zugleich für die betrieb­ liche Wärmeauskopplung über die Zwischenkreis­ läufe (5) und für die Abfuhr von Nachwärme vorgesehen,
• c1) jedem Zwischenkreislauf (5) ist ein bei Normalbe­ trieb abgesperrter Hilfskreislauf (8) parallelge­ schaltet, der ein Rückkühlsystem (10) enthält,
• c2) jedes Rückkühlsystem (10) umfaßt einen in dem Hilfskreislauf (8) liegenden, mit Wasser gefüllten Hochbehälter (11), einen mit dem Hochbehälter (11) in Wärmetauscher stehenden Hilfswärmetauscher (12) sowie einen über einen weiteren Kreislauf (15) mit dem Hilfswärmetauscher (12) verbundenen Naßkühlturm (14).

2. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• c3) die Wärmekapazität der Rückkühlsysteme (10) derart ausgebildet ist, daß ein Rückkühlsystem (10) in allen Betriebs- und Störfällen die Wärme abführen kann.

3. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet,

• b5) daß an die Sekundärseite jedes Zwischenwärmetauschers (6) ein Versorgungsnetz für Nah- und Fernwärme angekoppelt ist.

4. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet,

• b6) daß über die Sekundärseite jedes Zwischenwärmetauschers Prozeßdampf aus dem Kernkraftwerk ausge­ koppelt wird.

5. Kernkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

• d) daß wichtige Systeme des Kernkraftwerks, wie z. B. die Zwischen- und Hilfskreisläufe (5, 8), verbunkert sind, während die übrigen Anlagenteile in Gebäuden (39, 42) in konventioneller Bauweise untergebracht sind.

6. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet,

• e) daß das Kühlsystem (21) des Kavernenliners (20) derart ausgelegt ist, daß mit ihm die gesamte Nach­ wärme abgeführt werden kann.