DE3640774C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine passive, mittels Strahlungskühlung arbeitende Behälterkühlvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine derartige Behälterkühlvorrichtung ist aus der US-PS 45 08 677 bekannt.

In einem Notfall während des Betriebes einer mit Natrium oder mit Natrium-Kalium-gekühlten Kernkraftanlage ist es manchmal notwendig, die Spaltungsreaktion des Reaktorkerns abzuschalten. Zum Ausführen des "Abschaltens" werden die Steuerstäbe voll zwischen die Brennstäbe in dem Reaktorkern eingeführt, um Neutronen zu absorbieren. Eine beträchtliche Wärmemenge wird jedoch durch die Spaltungsprodukte weiterhin erzeugt. Es ist notwendig, daß die Kontstruktionen, die den Reaktor umgeben, in der Lage sind, diese Restwärme ab­ zuleiten, ohne daß irgendeine Beschädigung der Konstruktion erfolgt. Die Wärmekapazität des Kühlmittels und der Gesamt­ konstruktion hilft beim Ableiten der Restwärme. Die Mate­ rialien, aus denen die umgebenden Konstruktionen herge­ stellt sind, brauchen nicht in der Lage zu sein, hohe Tem­ peraturen sicher auszuhalten. Beispielsweise werden dicke Betonwände typisch als Teil der Sicherheitshülle für einen Kernreaktor benutzt. Von Beton kann man jedoch nicht erwar­ ten, daß er hohe Temperaturen aushält, da Beton unter Be­ dingungen hoher Temperatur beginnt, sich aufzuweiten und zu reißen. Eine Hilfskühlvorrichtung zum sicheren Ableiten der Wärme aus der Reaktorkonstruktion während eines Abschaltens ist notwendig.

Bei herkömmlichen Kernreaktoren wird eine Vielzahl von auf­ wendigen, energiegespeisten Kühlvorrichtungen benutzt, um Wärme aus dem Reaktor abzuleiten. In vielen Fällen, die ein Abschalten rechtfertigen, macht die Energieversorgung der Kühlvorrichtungen die Kühlvorrichtungen selbst störanfällig. Beispielsweise können Pumpen und Belüftungssysteme zum Küh­ len des Kerns ausfallen. Weiter gibt es, wenn der Eingriff einer Bedienungsperson notwendig ist, vorhersehbare Situa­ tionen, in denen die Bedienungsperson nicht in der Lage sein wird, die richtige Entscheidung zu treffen. Die zuverlässig­ ste und erwünschteste Kühlvorrichtung wäre eine vollständig passive Vorrichtung, die die nach dem Abschalten erzeugte Restwärme kontinuierlich abführen könnte.

Für modulare, mit flüssigem Metall gekühlte Reaktoren, bei­ spielsweise von dem in der US-PS 45 08 677 beschriebenen Typ, der größenordnungsmäßig 200-500 Megawatt (thermisch) erzeugt, bietet der Einsatz von Natrium oder Natrium-Kalium als Kühlmittel zahlreiche Vorteile. Wassergekühlte Reakto­ ren arbeiten auf oder nahe dem Siedepunkt von Wasser. Jeder nennenswerte Temperaturanstieg führt zur Erzeugung von Dampf und zu erhöhtem Druck. Im Gegensatz dazu hat Natrium oder Natrium-Kalium einen extrem hohen Siedepunkt in dem Bereich von 980°C bei einem Druck von 1 bar. Die normale Betriebstemperatur des Reaktors liegt in dem Be­ reich von etwa 480°C. Wegen des hohen Siedepunktes des flüssigen Metalls sind die Druckprobleme, die bei den wassergekühlten Reaktoren auftreten, und der dadurch erzeug­ te Dampf eliminiert. Die Wärmekapazität des flüssigen Me­ talls gestattet, Natrium oder Natrium-Kalium auf mehrere hundert Grad Celsius ohne Gefahr eines Materi­ alausfalls in dem Reaktor zu erhitzen.

Die Reaktorbehälter für mit flüssigem Metall gekühlte Schwimmbadreaktoren sind im wesentlichen glatte, abgedich­ tete Kugelschalen ohne irgendwelche die Behälterwände un­ terbrechende Perforationen. Diese Abdichtung ist wesentlich, um die Leckage von flüssigem Metall aus dem Primärbehälter zu verhindern. Die Behälteroberflächen müssen außerdem für die strengen Prüfungen, die durch Sicherheitsbestimmungen verlangt werden, zugänglich sein.

In dem typischen natriumgekühlten Reaktor werden zwei Ebenen von Natriumkreisläufen benutzt. Üblicherweise werden ein einzelner Primärkreislauf und zwei oder mehr als zwei Se­ kundärkreisläufe benutzt. Der Primärkreislauf enthält sehr radioaktives Natrium, das durch die Brennstäbe erhitzt wird. Der Primärkreislauf geht durch Wärmetauscher hindurch, um die Wärme mit einem der nichtradioaktiven Sekundärnatrium­ kreisläufe auszutauschen. Im allgemeinen sind natriumge­ kühlte Reaktoren so ausgelegt, daß sie redundante Sekundär­ kreisläufe für den Fall des Ausfalls eines Kreislaufs auf­ weisen.

Nach dem Abschalten des Reaktors durch vollständiges Ein­ führen der Steuerstäbe wird Restwärme weiterhin erzeugt und gemäß der Wärmekapazität der Anlage abgeleitet. Wenn ange­ nommen wird, daß der Reaktor für eine lange Zeitspanne auf voller Leistung gewesen ist, so wird während der ersten Stunde im Anschluß an das Abschalten ein Mittelwert von etwa 2% der vollen Leistung weiterhin erzeugt. Die Rest­ wärme, die erzeugt wird, klingt mit der Zeit fortlaufend ab.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Behälterkühlvorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe die bei nach einer Reaktorabschaltung entstehende Restwärme einfach und schnell abgeführt werden kann.

Die Aufgabe wird bei der Behälterkühlvorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 durch die Merkmale seines kennzeichnenden Teils gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Restwärme, die während der Reaktorabschaltung eines modularen, mit flüssigem Metall gekühlten Reaktors erzeugt wird, in dem äußeren Mantel passiv abgeleitet wird, der um den Reaktor- und den Sicherheitsbehälter angeordnet ist. Vorteilhafterweise vervollständigen longitudinale, radiale Rippen, die von den Wänden des Mantels nach innen gerichtet sind, die passive Wärmeableitvorrichtung. Die Rippen des Mantels vergrößern den Flächeninhalt, der zum Auffangen von Wärme zur Verfügung steht, die von den Sicherheitsbehälter­ oberflächen abgestrahlt wird. Umgebungsluft zirkuliert auf natürliche Weise aufwärts durch Luftkanäle in dem Mantel durch den Spalt zwischen dem Sicherheitsbehälter und dem Rippenmantel. Die Rippen geben durch Konvektion Wärme an die zirkulierende Luft ab, wodurch der Mantel und die Rippen ge­ kühlt werden. Als Ergebnis dieser Konvektion nimmt die Tem­ peraturdifferenz zwischen der Sicherheitshülle und dem Mantel zu. Diese Temperaturdifferenz steigert die Abstrahlung von dem Sicherheitsbehälter zu dem Mantel, da sich die Strahlung fortsetzt, solange sich der Sicherheitsbehälter einem Körper niedrigerer Temperatur "gegenübersieht". Tatsächlich ist die­ se Temperaturdifferenz die treibende Kraft in dem Prozeß des Ableitens der Restwärme aus dem Reaktorbehälter.

Im Falle des Abschaltens eines Reaktors wird, nachdem die Steuerstäbe vollständig eingeführt worden sind, die durch die Brennstäbe erzeugte Wärme über den Reaktorbehälter durch einen Inertgasspalt hindurch zu dem umgebenden Sicherheits­ behälter hauptsächlich durch Wärmestrahlung übertragen, wo­ bei ein kleiner Bruchteil der Wärme durch Leitung und Kon­ vektion in dem eingeschlossenen Inertgas übertragen wird. Oberflächen mit hohem thermischen Emissionsvermögen, die an der Außenseite des Reaktorbehälters und an der Innenseite des Sicherheitsbehälters vorgesehen sind, steigern die Wirk­ samkeit der Wärmeübertragung.

Die Wärme wird dann von der Außenoberfläche des Sicherheits­ behälters teilweise durch Wärmestrahlung und teilweise durch direkte Konvektion in die zirkulierende Luft in dem Kanal zwischen dem Sicherheitsbehälter und der Abschirmung abge­ führt. Modulare Reaktorbehälter haben ungefähr ein Drittel des Durchmessers und etwa dieselbe Höhe wie herkömmliche Kernreaktorbehälter. In modularen Reaktoren ist das Verhält­ nis des Flächeninhalts zu der erzeugten Leistung ungefähr dreimal größer als das Verhältnis von Flächeninhalt zu Lei­ stung in einem herkömmlichen und großen Reaktor. Das ergibt ausreichenden Flächeninhalt, über den die Restwärme passiv abgeleitet werden kann. Die stark abstrahlenden äußeren Oberflächen des Sicherheitsbehälters steigern ebenfalls die Wärmeübertragung. Die Erfindung eliminiert daher die Notwen­ digkeit von redundanten Sekundärnatriumkreisläufen. Ein ein­ zelner Sekundärkreislauf kann mit der passiven Hilfskühl­ vorrichtung als alternativer Kühlvorrichtung sicher arbei­ ten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Reaktorbehälters, des Sicherheits­ behälters und des Mantels,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Temperaturverteilung des Natriums als Funktion der Reaktorhöhe,

Fig. 3 eine schematische Querschnittdar­ stellung der Wärmeübertragungswege durch den Reaktorbehälter, den Sicherheitsbehälter und den Mantel,

Fig. 4 eine Querschnittansicht von befe­ stigbaren Einrichtungen zum Ver­ größern des Flächeninhalts, und

Fig. 5 eine Querschnittansicht eines ge­ wellten Einsatzes zum Vergrößern des Flächeninhalts.

Modulare, mit flüssigem Metall gekühlte Schwimmbadreaktoren haben einen ausreichenden Oberflächeninhalt zur Ableitung von Restwärme während Reaktorabschaltungen. Insgesamt hat das Reaktorsystem eine relativ geringe Wärmekapazität. Das bleibende Problem ist es, die Restwärme abzuleiten, ohne die Sicherheitskonstruktionen nennenswert zu schädigen. Eine vollständig passive Kühlvorrichtung macht energiege­ speiste Pumpen und Gebläse und die Notwendigkeit des Ein­ griffes einer Bedienungsperson überflüssig. Gleichzeitig darf der Sicherheitsbehälter selbst wegen der Größenbeschrän­ kungen von modularen Reaktoren und wegen der Notwendigkeit einer glatten, unperforierten Kugelschalenkonstruktion, um Bereiche zu verhindern, bei denen sich Spannungen ansammeln könnten, konstruktiv nicht modifiziert werden. Strikte Ins­ pektionserfordernisse verlangen außerdem, daß der Sicher­ heitsbehälter sowohl während der Fertigung als auch während der Errichtung der Konstruktion einfach inspiziert werden kann.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung der Hilfskühlvorrichtung in dem Gehäuse 1 eines modularen, natriumgekühlten Schwimmbadbrutreaktors. Die Brennstäbe und der Reaktorkern 2 sind vollständig in den zylindrischen, an den Enden insgesamt kugelförmigen Reaktorbehälter 4 einge­ schlossen. Ideal ist der Reaktorbehälter 4 eine einfache Schale, die ihre einzigen Durchdringungen an der Oberseite hat. Alle Verletzungen der Integrität des Behälters 4 stel­ len potentielle Lecks für das radioaktive Kühlmittel 5 dar, bei welchem es sich typisch um flüssiges Natrium handelt.

Um mögliche Kühlmittellecks eingeschlossen zu halten, ist der Reaktorbehälter 4, zumindest bis zur Höhe des Kühlmit­ tels, von einem Sicherheitsbehälter 6 etwas größeren Durch­ messers umgeben. Ebenso wie der Reaktorbehälter 4 ist die Sicherheitsbehälterkonstruktion ein ununterbrochener Behäl­ ter ohne Öffnungen zum Schaffen von potentiellen Leckagewe­ gen für das Entweichen von Kühlmittel. Der Zwischenraum 7 zwischen dem Reaktorbehälter 4 und dem Sicherheitsbehälter 6 ist im allgemeinen evakuiert und mit einem Inertgas ge­ füllt. Das Inertgas verhindert Reaktionen zwischen heraus­ leckendem Natrium und Sauerstoff, die Natriumbrände verur­ sachen. Getrennt von dem Sicherheitsbehälter 6 durch einen Umwälzluftraum 9 ist ein Mantel 8, der einen Lufteinlaß 10 am unteren Ende des Gehäuses 1 und einen Luftauslaß 12 nahe dem oberen Ende des Gehäuses hat. Gemäß der Darstellung in Fig. 3 hat der Mantel 8 innere Flächeninhaltsvergrößerer, bei denen es sich in der bevorzugten Ausführungsform um in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete, sich radial er­ streckende Längsrippen 14 handelt. Der Mantel 8 ist von ei­ nem weiteren, relativ schmalen Luftspalt 15 umgeben, an den sich eine Isoliermaterialschicht 16, ein weiterer schmaler Luftspalt 17 und eine dicke Betonwand 18 anschließen.

Fig. 2 ist neben dem Schema in Fig. 1 angeordnet, um die Na­ triumtemperatur als Funktion der Höhe längs des Reaktorbehäl­ ters 4 graphisch zu veranschaulichen. Die mit G bezeichnete Kurve stellt die normalen Betriebsbedingungen dar.

Während des normalen Betriebes hat "kühles" Natrium eine Tem­ peratur von etwa 321°C (610°F). Gemäß der Kurve G steigt die Temperatur des kühlen Natriums, wenn dieses durch den Kern erhitzt wird, auf etwa 468°C (875°F). Dieses erhitzte Natrium steigt längs des Behälternatriumkreislaufes nach oben, was durch die Pfeile N in Fig. 1 angedeutet ist, um durch die Wärmetauscher (nicht dargestellt) hindurchzugehen. Die Wärme­ tauscher übertragen Wärme von dem Primärnatriumkreislauf auf den Sekundärkreislauf, wodurch das Primärkühlmittel von 468°C (875°F) auf etwa 321°C (610°F) abgekühlt wird.

Es erfolgt eine Abschaltung. Die Steuerstäbe werden voll­ ständig eingeführt, so daß sie die Mehrheit der Neutronen absorbieren. Für etwa eine Stunde wird ein Mittelwert von etwa 2% der vollen Leistung erzeugt. Dieser klingt mit der Zeit ab, wenn der Spaltungsproduktzerfall abnimmt. Die ge­ samte Wärmekapazität des Systems absorbiert etwas von der Restwärme, wodurch das Natrium erwärmt wird. Wenn angenommen wird, daß sämtliche Pumpen vollständig ausgefallen sind, so zirkuliert das Natrium in dem Bad auf Grund natürlicher Kon­ vektion. Bei etwa 582°C (1080°F) kommt dann die Kurve H ins Spiel. Wenn das Natrium durch den Kern hindurchgeht, er­ hitzt es sich auf etwa 615°C (1140°F). Dieses Natrium geht nach oben und kühlt sich an der inneren Oberfläche des Behäl­ ters durch Wärmeaustausch über den Reaktorbehälter, den Si­ cherheitsbehälter und den Mantel wieder auf etwa 582°C (1080°F) ab. Die Fläche innerhalb der Kurve H stellt die na­ türliche Pumpwirkung der induzierten Konvektion dar.

Eine ausführlichere Darstellung der bevorzugten Ausführungs­ form der Kühlvorrichtung ist die Querschnittansicht in Fig. 3. Der Strömungsweg der Wärme aus dem Reaktorbehälter 4 wäh­ rend eines Abschaltereignisses ist schematisch durch die verschiedenen Schichten des Gehäuses 1 dargestellt. Zum Maxi­ mieren der Wirksamkeit der Wärmeübertragung sind die äußere Oberfläche des Reaktorbehälters 4, die innere Oberfläche 19 des Sicherheitsbehälters 6, dessen äußere Oberfläche 20, die inneren Rippenoberflächen 14 und die innere Oberfläche 22 des Mantels 8 mit stark thermisch abstrahlenden und/oder ab­ sorbierenden Oberflächen versehen.

Die Wärme Q, die durch die Spaltungsprodukte des Kerns er­ zeugt wird, wird von dem Natriumkühlmittel 5 durch die Reak­ torbehälterwand 4 geleitet, was durch einen Pfeil A gezeigt ist. Die äußere Oberfläche der Reaktorbehälterwand sendet die Wärme durch den Luftraum 7 hauptsächlich durch Strahlung zu der inneren Oberfläche 19 des Sicherheitsbehälters 6, was durch einen Pfeil B gezeigt ist. Falls Natrium in den Luft­ raum 7 lecken sollte, würde das Natrium die Wärmeübertragung durch Leitung zu dem Sicherheitsbehälter 6 verbessern. Diese Wärme wird dann durch die Dicke der Sicherheitsbehälterwand zu der äußeren Sicherheitsbehälterwandoberfläche 20 gelei­ tet. Auf natürliche Weise zirkulierende Luft bewegt sich über die Sicherheitsbehälterwandoberfläche 20 und nimmt durch Konvektion viel von der absorbierten Wärme mit, was durch einen Pfeil C gezeigt ist. Die äußere Sicherheitsbe­ hälterwandoberfläche 20 strahlt außerdem zu den auf niedri­ gerer Temperatur befindlichen inneren Oberflächen des Man­ tels 8 und zu dessen zugeordneten Längsrippen 14 hin ab, was durch einen Pfeil D gezeigt ist. Die Rippen 14 geben dann durch Konvektion Wärme an die zirkulierende Luft ab, was durch einen Pfeil E gezeigt ist. Die ausgedehnte Ober­ fläche der Rippen 14 absorbiert die abgestrahlte Wärme und schafft zusätzlichen Flächeninhalt, mittels welchem Restwär­ me durch Konvektion an die zirkulierende Umgebungsluft abge­ geben werden kann. Durch die Konvektion werden die Rippen ge­ kühlt, was bewirkt, daß weiterhin Wärme von dem Sicherheits­ behälter 6 zu dem Mantel 8 abgestrahlt wird. Eine minimale Wärmemenge (Pfeil F) wird schließlich durch die Mantelwände 8 hindurch zu der Isolation 16 geleitet, um an die Luft in dem Hilfskühlspalt 17 abgegeben zu werden und so eine Über­ hitzung der Betonwand 18 zu verhindern.

Alternative Ausführungsformen für die Rippen als Flächenin­ haltsvergrößerungen sind in den Querschnittansichten in den Fig. 4 und 5 gezeigt. In Fig. 4 ist der Mantel 8 einfach ein glattwandiger Zylinder, der den Sicherheitsbehälter 6 um­ gibt. Longitudinale Flächeninhaltsvergrößerer sind an dem Mantel 8 befestigt. Die Flächeninhaltsvergrößerer sind im Querschnitt insgesamt V-förmige Profilstreifen 24, die einen abgeflachten Mittelteil an ihrem Scheitel haben, wo Befesti­ gungselemente 26 die Profilstreifen 24 an dem Mantel 8 fest­ halten.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, in der ein gewellter Einsatz 28 als Flächeninhaltsvergrößerer dient. Der ge­ wellte Einsatz 28 ist ein ziehharmonikaartig gefalteter Streifen, der zwischen dem Sicherheitsbehälter 6 und dem Mantel 8 installiert ist und zwei getrennte Luftströme erzeugt - einen inneren Luftstrom 30 und einen äußeren Luftstrom 32 - aus denen der gewellte Einsatz 28 durch Konvektion Wärme ableiten kann.

Claims (5)

1. Passive, mittels Strahlungskühlung arbeitende Behälterkühlvorrichtung für mit flüssigem Metall gekühlte, modulare Schwimmbadkernreaktoren mit einem Reaktorbehälter (4) und einem diesen mit Abstand umgebenden Sicherheitsbehälter (6), zwischen denen ein erster Zwischenraum (7) gebildet ist, der ein Inertgas enthält, sowie einer Einrichtung zur Vergrößerung des Flächeninhaltes der Oberfläche der Strahlungskühlfläche, gekennzeichnet durch: einen äußeren Mantel (8) mit Abstand um den Sicherheitsbehälter (6) zum Bilden eines zweiten Zwischenraumes (9), der einen Zirkulationsluftkanal aufweist, welcher einen Lufteinlaß (10) in einer ersten Position und einen Luftauslaß (12) in einer zweiten Position, die vertikal höher als die erste Position ist, hat, wobei der zweite Zwischenraum (9) zwischen dem Mantel (8) und dem Sicherheitsbehälter (6) liegt; und wobei die Einrichtung (14) zur Vergrößerung des Flächeninhaltes in dem Mantel (8) in Längsrichtung in dem zweiten Zwischenraum (9) mit Abstand von der äußeren Oberfläche des Sekundärsicherheitsbehälters (6) angeordnet ist.

2. Behälterkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Vergrößerung des Flächeninhaltes Längsrippen (14) aufweist, die sich radial nach innen erstrecken und längs der Innenoberfläche des Mantels (8) angeordnet sind.

3. Behälterkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Vergrößerung des Flächeninhaltes mehrere Profilstreifen (24) aufweist, die im Querschnitt insgesamt V-förmig sind und längs der inneren Wände des Mantels (8) in Längsrichtung befestigt sind.

4. Behälterkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Vergrößerung des Flächeninhaltes einen gewellten Einsatz (28) aufweist, der aus einem Faltenstreifen gebildet ist, welcher in Längsrichtung in thermischem Kontakt mit dem Mantel (8) installiert ist.

5. Passive Behälterkühlvorrichtung für Natrium- oder Natrium-Kalium-gekühlte, modulare Schwimmbadkernreaktoren mit einem Primärbehälter (4) und einem diesen mit Abstand umgebenden Sekundärsicherheitsbehälter (6), die zwischen sich einen ersten Zwischenraum (7) bilden, welcher ein Inertgas enthält, gekennzeichnet durch: einen äußeren Mantel (8) mit Abstand um den Sicherheitsbehälter (6) zum Bilden eines zweiten Zwischenraums (9) zwischen dem Sicherheitsbehälter (6) und dem Mantel (8), wobei der Mantel weiter einen Lufteinlaß (10) in einer ersten Position und einen Luftauslaß (12) in einer zweiten Position, die vertikal höher als die erste Position ist, und sich in Längsrichtung, radial und nach innen erstreckende Rippen (14) in gegenseitigem Abstand längs der inneren Oberfläche des Mantels (8), welche in den zweiten Zwischenraum (9) hinein vorstehen, aufweist.