DE3642542A1 - Kernkraftwerk mit einem aussermittig in einem zylindrischen spannbetondruckbehaelter angeordneten hochtemperaturreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernkraftwerk mit einem zylindrischen Spannbetondruckbehälter, der eine mit einem Liner ausgekleidete Kaverne aufweist, mit einem außermittig in der Kaverne angeordne­ ten Hochtemperaturreaktor, dessen Kern von einer von oben nach unten von Helium als Kühlgas durchströmten Schüttung kugelförmi­ ger Brennelemente gebildet wird und der einen die Kugelschüttung allseitig umgebenden Graphitreflektor sowie in die Kugelschüttung und in den seitlichen Graphitreflektor einfahrbare Absorberstäbe aufweist, mit einem oberhalb des Hochtemperaturreaktors befindli­ chen Kaltgassammelraum, mit mindestens zwei in der Kaverne ange­ ordneten Wärmetauschern und ebensovielen diesen nachgeschalteten Umwälzgebläsen, wobei die Wärmetauscher parallel zueinander neben dem Hochtemperaturreaktor in der Kaverne installiert, in bezug auf den Hochtemperaturreaktor in der Höhe nach oben versetzt und zugleich für die betriebliche Wärmeauskopplung und für die Abfuhr von Nachwärme vorgesehen sind, sowie mit einem Linerkühlsystem, das auch für die Abfuhr der Nachwärme einsetzbar ist.

Ein derartiges Kernkraftwerk ist in der deutschen Patentanmeldung P 36 21 516.3 beschrieben. Es hat eine Leistungsgröße von 50- 300 MWth, und die aus ihm mittels mehrerer Zwischenkreisläufe ausgekoppelte Wärme dient nur der Versorgung eines Fernwärmenet­ zes; d.h. das Kernkraftwerk ist als Heizwerk konzipiert. In je­ dem Zwischenkreislauf sind außerhalb des Spannbetondruckbehälters ein Zwischenwärmetauscher sowie eine Umwälzpumpe angeordnet. Je­ dem Zwischenkreislauf ist ein Hilfskreislauf parallelgeschaltet, der bei Normalbetrieb abgesperrt ist und in dem sich ein Rück­ kühlsystem befindet. Dieses umfaßt u.a. einen mit Wasser gefüll­ ten Hochbehälter, der mit einer weiteren Wärmesenke verbunden ist. Die Hilfskreisläufe und die Rückkühlsysteme dienen der Nachwärme­ abfuhr bei Störfällen.

In der deutschen Patentanmeldung P 35 34 423.7, die eine Kern­ kraftanlage mit einem HT-Kleinreaktor betrifft, wird vorgeschla­ gen, das Linerkühlsystem des den HT-Kleinreaktor aufnehmenden, aus Spannbeton hergestellten Druckbehälters an einen mit Wasser unter Atmosphärendruck gefüllten Hochbehälter anzuschließen, so daß das Linerkühlsystem im Naturumlauf betrieben werden kann.

Stand der Technik ist auch die DE-OS 34 35 255, die ebenfalls ein Kernkraftwerk mit einem HT-Kleinreaktor betrifft, der hier jedoch in einem Stahldruckbehälter angeordnet ist. Die Abfuhr der Nach­ wärme erfolgt über spezielle Nachwärmetauscher, die kühlwasser­ seitig jeweils mit einem externen, geodätisch höher liegenden Rückkühlwärmetauscher verbunden sind.

Von dem im Vorhergehenden genannten Stand der Technik ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kernkraftwerk gemäß Oberbegriff für eine Leistungsgröße von 100-500 MWth und vor­ nehmlich zur Stromerzeugung zu schaffen, bei dem auch bei extre­ men Störfällen eine Freisetzung von Radioaktivität ausgeschlos­ sen ist. Außerdem soll das Kernkraftwerk wirtschaftlich herge­ stellt und betrieben werden können.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die entsprechenden Einrichtungen zur Nachwärmeabfuhr - Aus­ nutzung der Naturkonvektion in Verbindung mit dem Linerkühlsy­ stem - weist das vorgeschlagene Kernkraftwerk einen passiv siche­ ren Hochtemperaturreaktor auf, so daß auch bei extremen Störfäl­ len eine Evakuierung und Umsiedlung der in der Umgebung ansässi­ gen Bevölkerung unterbleiben kann. Ein solcher Störfall liegt z.B. vor, wenn die Wärmetauscher oder die Umwälzgebläse ausfal­ len. Dann wird - bei Reaktor unter Druck - die Nachwärme allein durch das Linerkühlsystem über Naturkonvektion abgeführt, wobei der Wasservorrat des angeschlossenen Hochbehälters so bemessen ist, daß - durch Ausdampfen des Behälters - eine mehrtägige Nach­ wärmeabfuhr aufrechterhalten werden kann. Zusätzlich ist noch die Möglichkeit vorhanden, Wasser in den Hochbehälter und damit in das Linerkühlsystem einzuspeisen. Tritt in einem der genannten Störfälle noch der Verlust des Kühlmittels ein, so wird die Nach­ wärme durch Leitung und Strahlung zu dem Linerkühlsystem transpor­ tiert.

Auch bei Ausfall sämtlicher Möglichkeiten der Nachwärmeabfuhr bleibt die Radioaktivität sicher eingeschlossen, und zwar durch die Integrität des Spannbetondruckbehälters selbst bei hypothe­ tischen Störfällen.

Ein Vorteil der Erfindung muß auch darin gesehen werden, daß ein Kapitalverlustrisiko bei dem erfindungsgemäßen Kernkraftwerk nicht gegeben ist.

Weiterhin wirkt sich vorteilhaft aus, daß als Reaktordruckbehäl­ ter ein Spannbetondruckbehälter zum Einsatz kommt anstelle eines bei dieser Leistungsgröße des Reaktors üblicherweise verwendeten Stahldruckbehälters. Vor allem für solche Länder, die nicht in der Lage sind, große Stahlbehälter zu fertigen oder über weite Wegstrecken zu transportieren, ist daher das erfindungsgemäße Kernkraftwerk von Interesse. Außerdem können bei dem Kernkraft­ werk viele aus dem THTR-300 MWe bekannte Bauteile verwendet wer­ den, so daß kein Aufwand für Neuentwicklungen getrieben werden muß.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprü­ chen sowie der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der schematischen Zeichnung zu entnehmen.

Die Figur zeigt einen Vertikalschnitt durch ein Kernkraftwerk ge­ mäß der Erfindung.

Wie die Figur erkennen läßt, ist außermittig in der Kaverne 2 ei­ nes Spannbetondruckbehälters 1 ein Hochtemperaturreaktor 3 in­ stalliert, dessen Kern aus einer Schüttung kugelförmiger Brenn­ elemente besteht. Die Schüttung wird von oben nach unten von He­ lium als Kühlmittel durchströmt. Sie ist allseitig von einem Gra­ phitreflektor 4 umgeben, der seinerseits mit Abstand von einem thermischen Schild 5 umschlossen ist.

Unterhalb des Bodenreflektors befindet sich ein Heißgassammelraum 6, und zwischen dem Deckenreflektor und dem oberen thermischen Schild ist ein Kaltgasraum 7 vorgesehen, der auf erhöhte Tempera­ turen (500-600°C) ausgelegt ist (um bei Nachwärmeabfuhrbetrieb in bestimmten Fällen eine Umkehr der Strömungsrichtung zu gestat­ ten). Das kalte, verdichtete Helium tritt durch Öffnungen in dem thermischen Schild 5 in einen von diesem Schild und dem seitlichen Graphitreflektor 4 gebildeten Ringraum 8, in dem es nach oben zu dem Kaltgasraum 7 strömt.

Für die Regelung und Abschaltung verfügt der Hochtemperaturreak­ tor 3 über zwei verschiedene Systeme. Das eine System besteht aus direkt in die Brennelementschüttung einfahrbaren Kernstäben 9, die für die Langzeitabschaltung (mit kalt unterkritschem Kern) vorge­ sehen sind. Sie befinden sich normalerweise in weit ausgefahrener Position. Das zweite System dient der Regelung und Schnellabschal­ tung. Es umfaßt Reflektorstäbe 10, d.h. in Bohrungen des seitli­ chen Graphitreflektors 4 bewegbare Absorberstäbe. Sie werden - so­ weit möglich - auch zur Langzeitabschaltung eingesetzt.

In der Kaverne 2 sind mindestens zwei im Heliumkreislauf liegende Wärmetauscher 11 angeordnet (von denen nur einer dargestellt ist). Sie werden mit Abwärtsverdampfung betrieben. Jedem Wärmetauscher 11 ist ein Umwälzgebläse 12 nachgeschaltet, das in senkrechter Stellung in einer in dem Spannbetondruckbehälter 1 vorgesehenen Durchdringung 13 installiert ist. Alle Durchdringungen 13 sind mit einem Behälterabschluß 14 versehen.

An jeden Wärmetauscher 11 schließt sich sekundärseitig ein Wasser- Dampf-Kreislauf zur Stromerzeugung an. Es sind hier nur die Spei­ sewasserzuführung 15 und die Frischdampfleitung 16 des einen Wär­ metauschers dargestellt. In der Speisewasserzuführung 15 befindet sich eine Einrichtung 17 zum Nachspeisen von Wasser. Jeder Wärme­ tauscher 11 ist zugleich für die betriebliche Wärmeauskopplung und für die Abfuhr von Nachwärme vorgesehen. Um auch Naturkonvek­ tion ausnutzen zu können, sind die Wärmetauscher 11, die parallel zu dem Hochtemperaturreaktor 3 angeordnet sind, in bezug auf die­ sen in der Höhe nach oben versetzt.

Die Kaverne 2 des Spannbetondruckbehälters 1 ist mit einem metal­ lischen Liner 18 ausgekleidet, auf dem eine Wärmeisolierung 19 an­ gebracht ist. An dem Liner 18 ist - in dem Behälterbeton eingebet­ tet - ein aus vielen Rohren bestehendes Kühlsystem 20 angeschweißt, das über einen externen Kreislauf 21 an einen mit Wasser gefüllten Hochbehälter 22 angeschlossen ist. Mit Hilfe einer Nachspeiseein­ richtung 23 kann dem externen Kreislauf 21 und damit auch dem Li­ nerkühlsystem 20 Wasser zugeführt werden.

Der Hochbehälter 22 ist über einen Rückkühlkreislauf 24 mit einer weiteren (nicht dargestellten) Wärmesenke verbunden. Außerdem weist er ein Abblaseventil 25 auf.

Die Kühlgasströmung bei Normalbetrieb wurde bereits beschrieben: abwärts durch den Kern, aufwärts durch die Wärmetauscher 11 zu den Umwälzgebläsen 12. Diese Strömungsrichtung wird auch bei ord­ nungsgemäßem Nachwärmeabfuhrbetrieb beibehalten, wenn nämlich die Wärmetauscher 11 und die Umwälzgebläse 12 zur Verfügung stehen. Da mindestens zwei Wärmetauscher 11 vorgesehen sind, ist die Ver­ fügbarkeit hinreichend groß. Die Nachwärme wird sowohl bei Reak­ tor unter Druck wie auch bei drucklosem Reaktor sicher abgeführt.

Fallen die Umwälzgebläse 12 aus, so wird bei Reaktor unter Druck die Nachwärme durch Naturkonvektion - also unter Strömungsumkehr an die Wärmetauscher 11 abgeführt. Stehen die Wärmetauscher 11 nicht zur Verfügung, so erfolgt die Abfuhr der Nachwärme bei Re­ aktor unter Druck durch Naturkonvektion über das Linerkühlsystem 20, das entsprechend ausgelegt ist. Der in dem angeschlossenen Hochbehälter 22 vorhandene Wasservorrat reicht aus, um die Nach­ wärmeabfuhr mehrere Tage lang aufrechtzuerhalten.

Fallen die Umwälzgebläse 12 und/oder die Wärmetauscher 11 bei drucklosem Reaktor aus, so wird - wie bereits erwähnt - die Nach­ wärme durch Leitung und Strahlung an das Linerkühlsystem 20 abge­ geben.

Claims (6)

1. Kernkraftwerk mit einem zylindrischen Spannbetondruckbehäl­ ter, der eine mit einem Liner ausgekleidete Kaverne aufweist, mit einem außermittig in der Kaverne angeordneten Hochtempe­ raturreaktor, dessen Kern von einer von oben nach unten von Helium als Kühlgas durchströmten Schüttung kugelförmiger Brennelemente gebildet wird und der einen die Kugelschüttung allseitig umgebenden Graphitreflektor sowie in die Kugel­ schüttung und in den seitlichen Graphitreflektor einfahrba­ re Absorberstäbe aufweist, mit einem oberhalb des Hochtempe­ raturreaktors befindlichen Kaltgassammelraum, mit mindestens zwei in der Kaverne angeordneten Wärmetauschern und ebenso­ vielen diesen nachgeschalteten Umwälzgebläsen, wobei die Wär­ metauscher parallel zueinander neben dem Hochtemperaturreak­ tor in der Kaverne installiert, in bezug auf den Hochtempe­ raturreaktor in der Höhe nach oben versetzt und zugleich für die betriebliche Wärmeauskopplung und für die Abfuhr von Nachwärme vorgesehen sind, sowie mit einem Linerkühlsystem, das auch für die Abfuhr der Nachwärme einsetzbar ist, gekenn­ zeichnet durch die folgenden Merkmale:

• a) jeder Wärmetauscher (11) ist in an sich bekannter Weise sekundärseitig Teil eines Wasser-Dampf-Kreislaufs zur Stromerzeugung;
• b) der Kaltgasraum (7) ist auf Heißgastemperatur ausgelegt;
• c) das Linerkühlsystem (20) und eine innen an dem Spannbe­ tondruckbehälter (1) angebrachte Wärmeisolierung (19) sind zur Nachwärmeabfuhr bei erhöhtem Temperaturniveau ausgelegt;
• d) das Linerkühlsystem (20) ist in an sich bekannter Weise über einen externen Kreislauf (21) an einen mit Wasser gefüllten Hochbehälter (22) angeschlossen, der über einen Rückkühlkreislauf (24) mit einer weiteren Wärme­ senke verbunden ist;
• e) es ist eine Einrichtung (23) vorgesehen, mit der über den externen Kreislauf (21) Kühlwasser in das Liner­ kühlsystem (20) eingespeist werden kann.

2. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzgebläse (12) in an sich bekannter Weise senkrecht angeordnet sind, wobei jedes Umwälzgebläse (12) oberhalb des zugehörigen Wärmetauschers (11) in einer Durchdringung (13) des Spannbetondruckbehälters (1) installiert ist.

3. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Wärmetauscher (11) eine externe Einrichtung (17) zum Einspeisen von Speisewasser vorgesehen ist.

4. Kernkraftwerk nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Aufbau und Spannsystem des Spannbetondruckbe­ hälters (1) so ausgeführt sind, daß die für die Behälter­ durchdringungen (13) vorgesehenen Abschlüsse (14) nicht un­ zulässig beansprucht werden.

5. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeisolierung (19) hinsichtlich eines minimalen Wär­ medurchgangs beim Leistungsbetrieb und eines optimalen Wär­ medurchgangs beim Nachwärmeabfuhrbetrieb optimiert ist.

6. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des Kernkraftwerks bei unveränderter Grundkon­ zeption allein durch eine Vervielfachung der Wärmetauscher/ Gebläse-Einheiten (11/12) gesteigert wird.