DE3701604C2

DE3701604C2 -

Info

Publication number: DE3701604C2
Application number: DE3701604A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. Dr. 6800 Mannheim De Becker; Guenter H. Dipl.-Ing. Dr. 6900 Heidelberg De Gross; Josef Dipl.-Ing. Dr. 7521 Hambruecken De Schoening
Original assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Current assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1987-01-21
Filing date: 1987-01-21
Publication date: 1992-08-27
Also published as: CH676166A5; US4847040A; JPS63182596A; DE3701604A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernkraftwerk mit einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor, dessen Kern von kugelförmigen Brennelementen gebildet wird, mit einem den Hochtemperaturreaktor umschließenden Spannbetondruckbehälter, der eine mit einem Liner ausgekleidete Reaktorkaverne aufweist, mit mehreren in der Reaktorkaverne angeordneten Wärmetauschern, vorzugsweise Dampferzeugern, zur betrieblichen Wärmeabfuhr und mit mindestens zwei Hilfswärmetauschern für die Nachwärmeabfuhr, mit einem Wärmeschutzsystem für den Spannbetondruckbehälter, das aus einer Wärmedämmschicht und einem Linerkühlsystem besteht, welches eine Vielzahl von Wasser durchströmter Kühlrohre aufweist, die mit Zwischenwärmetauschern und Kühlwasserpumpen einen geschlossenen Zwischenkühlkreislauf bilden, und welches bei Ausfall der Hilfswärmetauscher zur Abfuhr der Nachwärme eingesetzt wird.

In der US-PS 45 54 129 wird ein gasgekühlter Kernreaktor beschrieben, der in der Kaverne eines Spannbetondruckbehälters installiert ist. Die in dem Reaktorkern erzeugte Wärme wird an mehrere Wärmetauscher abgegeben, die in der Kaverne oberhalb des Kernreaktors angeordnet sind. Hilfswärmetauscher für die Abfuhr von Nachwärme sind hier nicht vorgesehen. Die Nachwärme wird vielmehr über ein Linerkühlsystem abgeführt, das an den Kavernenliner angeschweißte Kühlrohre, Vor- und Rücklaufleitungen sowie eine Anzahl von Umwälzpumpen umfaßt. Der Wärmetransport aus dem Reaktorkern zu dem Linerkühlsystem erfolgt durch innerhalb der Wärmetauscher vorgesehene Zentralrohre sowie durch bei Normalbetrieb geschlossene Absperrklappen in einen an den Liner angrenzenden Ringraum. Innerhalb dieses Ringraumes stellt sich eine natürliche, nach unten gerichtete Wärmeströmung ein, so daß alle Bereiche des Liners mit dem Kühlgas beaufschlagt werden.

Aus der DE-OS 33 35 268 ist ein Hochtemperaturreaktor mit kugelförmigen Brennelementen bekannt, der mit den anderen Primärkreislaufkomponenten - Dampferzeugern und Gebläsen für die betriebliche Wärmeabfuhr sowie Hilfskühlsystemen für die Nachwärmeabfuhr bei Störfällen - in der Kaverne eines Spannbetondruckbehälters untergebracht ist. Die Kaverne ist mit einem Liner ausgekleidet, der ein Kühlsystem aufweist. Dieses Linerkühlsystem kann zur Abfuhr der Nachwärme eingesetzt werden, falls die Hilfskühlsysteme versagen sollten. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, bei Störfällen ohne Kühlmittelverlust dem Linerkühlsystem die Nachwärme durch Naturkonvektion zuzuführen.

Zum Stand der Technik wird schließlich noch die DE-OS 31 21 377 genannt, die ein Linerkühlsystem für einen Spannbetondruckbehälter zeigt, der zur Aufnahme eines Kernreaktors bestimmt ist und innen eine Wärmedämmschicht aufweist. Das Linerkühlsystem ist redundant ausgeführt, d. h. es besteht aus mehreren voneinander unabhängigen Wasserkreisläufen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kernkraftwerk mit den Merkmalen des Oberbegriffs so auszugestalten, daß in jeder Situation ein für die Nachwärmeabfuhr ausreichender Wassermassenstrom in dem Linerkühlsystem vorhanden ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die folgenden Merkmale gelöst:

a) die Zwischenwärmetauscher sind oberhalb der Oberkante des Spannbetondruckbehälters angeordnet;
b) das Linerkühlsystem ist hinsichtlich deren Höhenlage in mehrere Kühlrohrbereiche aufgeteilt, wobei jeweils mindestens ein Kühlrohrbereich mit niedrigerer Höhenlage mit mindestens einem solchen mit größerer Höhenlage zusammengeschaltet ist;
c) jeder Kühlwasserpumpe ist eine an ein Notstromnetz angeschlossene Zusatzpumpe mit wesentlich geringerer Leistung parallelgeschaltet;
d) zu jeder Kühlwasserpumpe ist eine Bypaßleitung vorgesehen, in welcher eine aktiv oder passiv gesteuerte Rückschlagklappe angeordnet ist, die bei nichtarbeitender Kühlwasserpumpe öffnet;
e) es ist eine mit dem Linerkühlsystem verbundene Einrichtung zur Nachwärmeabfuhr durch Naturkonvektion bei Ausfall der Zwischenwärmetauscher vorgesehen, die die folgenden Komponenten umfaßt:
- - einen an die Vorlaufleitung des Linerkühlsystems angeschlossenen Wasserbehälter mit einem Stickstoffpolster,
- - ein in dem Zwischenkreislauf angeordnetes, sich an die Rücklaufleitung des Linerkühlsystems anschließendes vertikales Siederohr, das geodätisch höher liegt als das Linerkühlsystem,
- - einen ebenfalls in dem Zwischenkühlkreislauf angeordneten, sich an das vertikale Siederohr anschließenden Wasserabscheider mit einem Stickstoffpolster,
- - ein an dem Wasserabscheider befindliches Sicherheitsabblaseventil.

Maßgeblich für das Vorhandensein eines ausreichend hohen Wassermassenstroms in dem Linerkühlsystem, der auch ohne den Einsatz aktiver Aggregate wie Pumpen oder Gebläse zur Verfügung stehen soll, ist eine genügend große treibende Druckdifferenz Δp_tr in dem Zwischenkühlkreislauf, die dem Produkt Δρ · g · H proportional ist (Δρ = Dichteunterschied, H = Höhe). Gemäß der Erfindung wird die erforderliche treibende Druckdifferenz Δp_tr durch Einflußnahme auf den Faktor H bereitgestellt, nämlich einmal durch die vorgeschlagene geometrische Anordnung der Zwischenwärmetauscher und zum anderen durch eine geeignete Zusammenschaltung von in der Höhe unterschiedlichen Kühlrohrbereichen. Letztere Maßnahme ist erforderlich, da für die Zwischenwärmetauscher nur eine begrenzte Höhe innerhalb des den Spannbetondruckbehälter einschließenden Reaktorschutzgebäudes zur Verfügung steht.

Erfindungsgemäß wird für den speziellen Fall, daß die Kühlwasserpumpen infolge Stromausfalls nicht funktionieren, die erforderliche treibende Druckdifferenz Δp_tr mit Hilfe von Zusatzpumpen sichergestellt, die jeweils den Kühlwasserpumpen parallelgeschaltet sind und mit Notstrom betrieben werden. Ein Anschluß an das Notstromnetz ist unproblematisch, da die Zusatzpumpen unter Ausnutzung einer höheren zulässigen Kühlwasseraufheizspanne und entsprechend geringerer Wasserdurchsätze eine um eine bis zwei Größenordnungen niedrigere Leistung haben können als die Kühlwasserpumpen für den Normalbetrieb.

Die Verringerung von Druckverlusten in dem Zwischenkühlkreislauf führt ebenfalls zu der gewünschten Erhöhung des Wassermassenstroms. Hohe Druckverluste treten vor allem bei Ausfall der Kühlwasserpumpen auf, also gerade in einer Situation, in der die Wärme aus dem Linerkühlsystem nur durch Naturkonvektion abgeführt werden kann, mithin das Vorhandensein eines ausreichenden Wassermassenstroms unbedingt erforderlich ist. Der hohe Druckverlust der stehenden Kühlwasserpumpen wird mittels der vorgeschlagenen Bypaßleitungen mit Rückschlagklappen auf ein Minimum reduziert.

In dem Fall, daß die Zwischenwärmetauscher des Zwischenkühlkreislaufs ausfallen, tritt eine mit dem Linerkühlsystem verbundene Einrichtung in Tätigkeit, über die mittels der in einem Wasserreservoir enthaltenen Verdampfungswärme die Nachwärme über ein Sicherheitsabblaseventil abgegeben wird.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Nachwärme auch bei Ausfall der Hilfswärmetauscher und der Zwischenwärmetauscher sowie bei Ausfall der Stromversorgung sicher abgeführt werden kann, so daß eine unzulässige Erwärmung der Primärkreiskomponenten vermieden und damit das Risiko einer Aktivitätsfreisetzung verringert wird.

Bei der Nachwärmeabfuhr über das Linerkühlsystem und durch Naturkonvektion können vorteilhafterweise die größeren Dichteunterschiede des Kühlwassers zur Erhöhung des Wassermassenstroms ausgenutzt werden, die sich in seltenen Störfällen aufgrund von zulässigen höheren Beton- und Linertemperaturen einstellen. Es ist eine Temperatursteigerung bis zu 200°-300°C möglich, wodurch auch die Temperatur und damit der Dichteunterschied Δρ des Kühlwassers gegenüber Normalbetrieb erheblich gesteigert werden. Somit erhöht sich auch die treibende Druckdifferenz Δp_tr. Bei einphasiger Wärmeabfuhr im Linerkühlsystem kann die Temperatur des Kühlwassers bis kurz unter den Siedepunkt gesteigert werden. Eine weitere Erhöhung von Δρ läßt sich durch zweiphasige Wärmeabfuhr (Blasensieden) im Linerkühlsystem erreichen.

Eine Erhöhung des Wassermassenstroms in dem Linerkühlsystem kann zusätzlich noch durch Verringerung der Druckverluste in dem Zwischenkreiskühlkreislauf bewirkt werden. Die Druckverluste im Nachwärmeabfuhrbetrieb setzen sich zusammen aus:

wobei bedeuten:

N = Nennbetrieb
NWA = Nachwärmeabfuhrbetrieb
Δϑ = Aufheizspanne des Kühlwassers
Q = über das Linerkühlsystem abgeführte Wärmemenge
Δp_p = Druckverlust der stehenden Kühlwasserpumpen.

Aus dieser Beziehung folgt, daß es für den Nachwärmeabfuhrbetrieb vorteilhaft ist, für das Kühlwasser eine hohe Aufheizspanne zu wählen (bis zur Siedetemperatur oder kurz darunter). Das Verhältnis der abgeführten Wärmemengen ist bei Nennbetrieb und Nachwärmeabfuhrbetrieb über die sich einstellenden Temperaturen vorgegeben.

Eine Verringerung der Nenndruckverluste Δp_N kann durch entsprechende Auslegung des Linerkühlsystems und Wahl der Komponenten des Zwischenkühlkreislaufs vorgenommen werden. Beispielsweise können folgende Maßnahmen getroffen werden: weitgehende Vergleichmäßigung der Druckverluste in den einzelnen Kühlrohren, insbesondere Abbau von Spitzenwerten, Auswahl von Zwischenwärmetauschern mit geringem Druckverlust auf der Seite des Linerkühlsystems.

Die erfindungsgemäße Zusammenstellung verschiedener Kühlrohrbereiche des Linerkühlsystems wird vorteilhafterweise bereits bei Auslegung des Linerkühlsystems durch direkte Kopplung vorgenommen. Als Alternative hierzu kann vorgesehen sein, die verschiedenen Kühlrohrbereiche erst im Nachwärmeabfuhrbetrieb zusammenzuschalten, und zwar durch Kurzschließen von Vor- und Rücklaufleitungen dieser Bereiche mittels von außen zugänglicher Ventile. Die Betätigung der Ventile kann von Hand erfolgen. Auch diese sogenannte externe Kopplung wird bereits bei der Auslegung des Linerkühlsystems berücksichtigt.

Die in den Bypaßleitungen zu den Kühlwasserpumpen vorgesehenen Rückschlagklappen können auf verschiedene Weise betätigt werden; aktiv mit Steuerung über die Drehzahl der jeweiligen Kühlwasserpumpe (z. B. bleibt die betreffende Rückschlagklappe bis zu einer Drehzahl von 100 U/min geschlossen und öffnet sich bei Unterschreiten dieses Wertes) oder passiv über die an der jeweiligen Kühlwasserpumpe anliegende Druckdifferenz. In letzterem Fall kann die betreffende Rückschlagklappe, die bei Normalbetrieb geschlossen ist, bei Pumpenausfall durch ihr Eigengewicht oder durch Entspannung einer Feder geöffnet werden.

Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, bei vorgegebener Wärmeabfuhrkapazität des Linerkühlsystems für den Nachwärmeabfuhrbetrieb (bei Naturkonvektion und auch bei Zwangskonvektion) eine Optimierung des Wärmewiderstandes der Wärmedämmschicht hinsichtlich der maximal zulässigen Temperaturen des Liners, der Brennelemente und der Reaktoreinbauten vorzunehmen.

Bei Ausfall der Nachwärmeabfuhr über die Hilfswärmetauscher und Abfuhr der Nachwärme über das Linerkühlsystem wird der Temperaturanstieg von Bauteilen innerhalb des Spannbetondruckbehälters maßgebend von dem Wärmewiderstand (∼ Dämmdicke) der Wärmedämmschicht beeinflußt. Vorzugsweise sind bereits bei der Auslegung der Wärmedämmschicht für den Störfall "Ausfall der Einrichtungen zur Nachwärmeabfuhr" die obengenannten Komponententemperaturen zu berechnen, als Funktion des Wärmewiderstandes der Wärmedämmschicht. Das Optimum ist dann erreicht, wenn für alle Bauteile der gleiche Sicherheitsabstand zur maximal zulässigen Grenztemperatur vorliegt.

Zur Verdeutlichung dienen die beiden folgenden Extremfälle bei Ausfall der Hilfswärmetauscher und Nachwärmeabfuhr über Naturkonvektion des Linerkühlsystems (gilt auch bei Nachwärmeabfuhr über das Linerkühlsystem mit Zwangskonvektion).

- Die Dämmdicke ist zu gering:
Der Wärmetransport zum Liner und im Linerkühlsystem ist zu hoch und führt zur Überschreitung der maximal zulässigen Liner- und Betontemperaturen, während die Temperaturen der Brennelemente und der Reaktoreinbauten wegen der guten Wärmeabfuhr aus dem Primärkreis über das Linerkühlsystem weit unter ihren Grenzwerten bleiben.
- Die Dämmdicke ist zu hoch:
Die Nachwärmeabfuhr aus dem Primärkreis ist zu gering, so daß die Temperaturen der Brennelemente und der Reaktoreinbauten über eine zu hohe Kaltgastemperatur ihre Versagensgrenzwerte überschreiten, während die Linertemperatur weit unter dem zulässigen Grenzwert bleibt (und die Wärmeabfuhrkapazität des Linerkühlsystems nicht ausgenutzt wird).

Nach einer anderen Weiterentwicklung der Erfindung erfolgt für das Linerkühlsystem allein (also nicht für das gesamte Wärmeschutzsystem) eine Optimierung im Hinblick auf eine maximale Abfuhr der Nachwärme durch Naturkonvektion bzw. auf Minimierung der Linertemperatur. Als Parameter werden in diesem Fall der Kühlrohrdurchmesser und die Kühlrohrteilung verwendet. Gegenüber der herkömmlichen Auslegung eines Linerkühlsystems, bei der der Kühlwasserstrom pro m² durch die Aufheizspanne vorgegeben ist, hängt bei Naturkonvektion im Linerkühlsystem der Kühlwasserstrom und damit die abführbare Wärmemenge von der Wahl des Kühlrohrdurchmessers und der jeweiligen Kühlrohrteilung ab. Um den Kühlwasserstrom bei der Naturkonvektion zu vergrößern, wird der Kühlrohrquerschnitt proportional zur Kühlrohrteilung erhöht. Diese Maßnahme ist begrenzt durch die mit steigender Kühlrohrteilung zunehmende Maximaltemperatur des Liners. Eine Variation von Kühlrohrquerschnitt und Kühlrohrteilung führt hier zu einer Optimierung bzw. Minimierung der Linertemperatur einerseits sowie zu einer Maximierung des Kühlwasserstromes bzw. der Wärmeabfuhrkapazität durch Naturkonvektion im Linerkühlsystem andererseits und damit zu einer Verringerung des Restrisikos bei Ausfall der Nachwärmeabfuhr.

Diese Optimierung führt tendenzmäßig entweder zu

- einer Verringerung der Kühlrohrteilung am Liner (bei gleichem Kühlrohrdurchmesser) oder zu
- einer Vergrößerung des Kühlrohrdurchmessers bei entsprechend größerer Kühlrohrteilung oder
- einer Kombination von beiden Maßnahmen.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen 9 bis 11 sowie der folgenden Beschreibung von Ausführungsvarianten im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen zu entnehmen. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 ein Kernkraftwerk im Längsschnitt mit einem Hochtemperaturreaktor, jedoch ohne den Zwischenkühlkreislauf,

Fig. 2 das schematisierte Linerkühlsystem des Kernkraftwerks mit Zwischenkühlkreislauf,

Fig. 3 das Linerkühlsystem des Kernkraftwerks und den Zwischenkühlkreislauf mit Aufteilung in Kühlrohrbereiche und Zusammenschaltung verschiedener Kühlrohrbereiche,

Fig. 4 eine Variante zu der in der Fig. 3 gezeigten Zusammenschaltung von Kühlrohrbereichen,

Fig. 5 das Linerkühlsystem mit Zwischenkühlkreislauf und der Einrichtung zur Nachwärmeabfuhr durch Naturkonvektion.

Die Fig. 1 läßt ein Reaktorschutzgebäude 1 erkennen, das einen Spannbetondruckbehälter 2 umschließt. Dieser weist eine mit einem metallischen Liner 4 ausgekleidete Reaktorkaverne 3 auf, in der ein gasgekühlter Hochtemperaturreaktor 5 installiert ist. Der Kern 6 des Reaktors wird von kugelförmigen Brennelementen gebildet. In der Reaktorkaverne 3 sind außerdem noch mehrere Dampferzeuger 7 zur betrieblichen Wärmeabfuhr sowie mindestens zwei Hilfswärmetauscher 9 für die Nachwärmeabfuhr angeordnet. Die Umwälzung des Kühlgases, das den Reaktorkern 6 von oben nach unten durchströmt, erfolgt bei Normalbetrieb mit Hilfe von Gebläsen 8 und bei Nachwärmeabfuhrbetrieb mittels der Hilfsgebläse 10.

Zur Regelung und Abschaltung des Hochtemperaturreaktors 5 ist ein Abschaltsystem 11 vorgesehen, das in den Reaktorkern 6 einfahrbare Absorberstäbe umfaßt.

Der Spannbetondruckbehälter 2 weist innen ein Wärmeschutzsystem auf, das aus einer Wärmedämmschicht 12 und einem Linerkühlsystem 13 besteht. Letzteres enthält eine Vielzahl von Wasser durchströmter Kühlrohre 14, die zu einem (in den weiteren Figuren dargestellten) geschlossenen Zwischenkühlkreislauf 15 gehören. Linerkühlsystem 13 und Zwischenkühlkreislauf 15 sind so ausgelegt, daß sie bei Ausfall der Hilfswärmetauscher 9 die gesamte Nachwärme abführen können.

Die Fig. 2 zeigt den Spannbetondruckbehälter 2 mit dem (sehr schematisch dargestellten) Linerkühlsystem 13 und den Zwischenkühlkreislauf 15, der über eine Vorlaufleitung V und eine Rücklaufleitung R mit dem Linerkühlsystem 13 verbunden ist. Zu dem Zwischenkühlkreislauf 15 gehören noch eine Anzahl von Zwischenwärmetauschern und die gleiche Anzahl von Kühlwasserpumpen, von denen in den Figuren jeweils nur ein Zwischenwärmetauscher 16 und eine Kühlwasserpumpe 17 dargestellt sind. Der Zwischenwärmetauscher 16 ist oberhalb der Oberkante des Spannbetondruckbehälters 2 angeordnet, um eine hinreichend große treibende Druckdifferenz - die von der Höhe H abhängt - zur Verfügung zu haben.

Zu jeder Kühlwasserpumpe 17 ist eine Bypaßleitung 18 vorgesehen, in der eine Rückschlagklappe 19 angeordnet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine aktiv über die Pumpendrehzahl gesteuerte Rückschlagklappe verwendet; sie kann z. B. so eingestellt sein, daß sie bei einer Drehzahl von 100 U/min öffnet.

Um die treibende Druckdifferenz auch bei Stromausfall (der ein Stillstehen der Kühlwasserpumpe 17 bedeutet) sicherzustellen, kann zu jeder Kühlwasserpumpe 17 eine Zusatzpumpe 20 parallel geschaltet sein, die eine wesentlich geringere Leistung als die Hauptpumpe hat und an das Notstromnetz angeschlossen ist.

Da innerhalb des Reaktorschutzgebäudes 1 nur eine begrenzte Höhe H zur Bereitstellung einer treibenden Druckdifferenz zur Verfügung steht, ist das Linerkühlsystem 13 in mehrere Kühlrohrbereiche aufgeteilt, die sich hinsichtlich ihrer Höhenlage unterscheiden, und es ist mindestens ein Kühlrohrbereich mit niedrigerer Höhenlage mit mindestens einem solchen mit größerer Höhenlage zusammengeschaltet. In der Fig. 3 und 4 wird je eine Alternative für die Zusammenschaltung verschiedener Kühlrohrbereiche dargestellt.

In der Fig. 3 wird eine direkte Kopplung von einzelnen Kühlrohrbereichen gezeigt, d. h. die Zusammenschaltung der Kühlrohrbereiche ist bereits bei der Auslegung des Linerkühlsystems 13 erfolgt. Wie die Fig. 3 erkennen läßt, ist das Linerkühlsystem 13 in sechs Bereiche I . . . VI aufgeteilt, von denen die Bereiche IV und V die Decke mit geringerem Δp_tr und die Bereiche II und III die Seitenwand mit größerem Δp_tr betreffen. Um ein ausreichendes mittleres Δp_tr zu erreichen, sind die Kühlrohrbereiche IV und V mit den Kühlrohrbereichen II und III gekoppelt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die mit 19′ bezeichnete Rückschlagklappe des Zwischenkühlkreislaufs 15 passiv über die an der Kühlwasserpumpe 17 anliegende Druckdifferenz gesteuert. Hierzu wird die Rückschlagklappe 19′ beim Anfahren der Kühlwasserpumpe 17 durch einen einmaligen elektromagnetischen Impuls (z. B. Einschaltstrom) in Zu-Stellung gebracht und bleibt im Normalbetrieb geschlossen durch die erwähnte Druckdifferenz. Bei Ausfall der Kühlwasserpumpe 17 geht die Druckdifferenz etwa auf 0 zurück, und die Rückschlagklappe 19′ öffnet ohne Zusatzenergie allein durch Schwerkraft über ihr Eigengewicht.

In der Fig. 4, in der dargestellt ist, wie verschiedene Kühlrohrbereiche I . . . VI mittels von außen zugänglicher Ventile 22 zusammengeschaltet werden können, ist ebenfalls eine passiv gesteuerte Rückschlagklappe 19′′ in dem Zwischenkühlkreislauf 15 vorgesehen. Auch diese Klappe wird durch einen elektromagnetischen Impuls in Zu-Stellung gebracht und bleibt aufgrund der an der Kühlwasserpumpe 17 anliegenden Druckdifferenz in dieser Stellung. Das Öffnen der Rückschlagklappe 19′′ bei Ausfall der Kühlwasserpumpe 17 wird hier jedoch nicht durch die Schwerkraft bewirkt, sondern über eine Zugfeder 21, die bei geschlossener Klappe gespannt ist und sich bei Wegfall der Druckdifferenz entspannt.

Auch bei der in der Fig. 4 gezeigten Variante wird das Linerkühlsystem 13 bereits bei der Planung derart eingerichtet, daß ein Kurzschließen von Vorlaufleitungen V 1, V 2 . . . V 5 und Rücklaufleitungen R 1, R 2 . . . R 5 der betreffenden Kühlrohrbereiche im Störfall möglich ist, und zwar mit Hilfe der Ventile 22. So können z. B. die im Normalbetrieb einzeln versorgten Kühlrohrbereiche II und V oder auch III und IV durch Ventilbetätigung zusammengeschaltet werden, und zwar auf folgende Weise:

- Zusammenschaltung von Kühlrohrbereich II und V durch Verbindung von Rücklauf R 2 und Vorlauf V 5 und
- Zusammenschaltung von Kühlrohrbereich III und IV durch Verbindung von R 3 mit V 4.

Die Fig. 5 zeigt neben dem Linerkühlsystem 13 mit Zwischenkühlkreislauf 15 eine Einrichtung zur Nachwärmeabfuhr durch Naturkonvektion, die dann in Tätigkeit tritt, wenn die Zwischenwärmetauscher 16 ausfallen. Die Einrichtung besteht im wesentlichen aus einem an die Vorlaufleitung V des Linerkühlsystems 13 angeschlossenen Wasserbehälter 23 mit einem Stickstoffpolster, aus einem in dem Zwischenkühlkreislauf 15 angeordneten vertikalen Siederohr 24, das geodätisch höher liegt als das Linerkühlsystem 13 und sich an die Rücklaufleitung R des Linerkühlsystems 13 anschließt, aus einem ebenfalls in dem Zwischenkühlkreislauf 15 angeordneten Wasserabscheider 25 mit einem Stickstoffpolster, der sich an das vertikale Siederohr 24 anschließt, sowie aus einem an dem Wasserabscheider 25 befindlichen Sicherheitsabblaseventil 26. Das Stickstoffpolster im Wasserbehälter 23 und im Wasserabscheider 25 hat einen Druck von 1,5 bar.

Die Einrichtung arbeitet in der folgenden Weise:

Das Sicherheitsabblaseventil 26 ist z. B. auf 2 bar eingestellt. Im Normalbetrieb sorgen das Stickstoffpolster von 1,5 bar und die Einstellung des Sicherheitsabblaseventiles 26 dafür, daß der Druck am obersten Punkt des Zwischenkühlkreislaufes 15 (Wasserabscheider 25) zwischen 1,5 bar und 2 bar liegt. Der Wasserabscheider 25 verhindert beim Auftreten von Blasensieden eine Abgabe eines Wasserdampfgemisches über das Sicherheitsabblaseventil 26 und somit ein zu schnelles Entleeren des Zwischenkühlkreislaufes 15 ohne vollständige Ausnutzung der Verdampfungswärme.

Die Naturkonvektion im Zwischenkühlkreislauf 15 erfolgt zunächst im einphasigen Bereich. Bis zu einer Temperatur von ca. 111°C 1,5 bar Sättigungsdruck wird der Druck in der Wasservorlage des Kreislaufs 15 über das Stickstoffpolster auf 1,5 bar geregelt. Steigt die Kühlwasseraustrittstemperatur weiter an, bestimmt der jeweils zugehörige Sättigungsdruck den Druck im Wasserabscheider 25 (eine am Wasserabscheider 25 vorgesehene Rückschlagklappe 28 zur N₂-Versorgung schließt). Bei einer Kühlwasseraustrittstemperatur von 120°C 2,0 bar Sättigungsdruck erfolgt der Siedebeginn an der Wasseroberfläche des Wasserabscheiders 25. Bei weiter ansteigender Wasseraustrittstemperatur bis auf ca. 130°C verlagert sich der Siedebeginn bis an das untere Ende des vertikalen Siederohres 24, das ca. 5-10 m hoch ist. Ist die Wärmezufuhr über das Linerkühlsystem 13 größer als die im Siederohr 24 durch Verdampfung abgegebene Wärmemenge, so verlagert sich der Siedebeginn auch in die geodätisch tieferliegenden Bereiche des Linerkühlsystems 13.

Zur Erhöhung der im Zwischenkühlkreislauf 15 enthaltenen Verdampfungsenergie dient der Wasserbehälter 23. Dieser kann in geschlossener oder in offener Bauweise ausgeführt sein.

In der Fig. 5 ist ein Wasserbehälter 23 in geschlossener Bauweise gezeigt. In diesem Fall muß er durch eine Verbindungsleitung 27 auf den gleichen Druck wie der Wasserabscheider 25 gebracht sein. Die geodätische Höhe des Wasserbehälters 23 muß so vorgesehen sein, daß sich die Wasserpegel im Wasserabscheider 25 und im Wasserbehälter 23 auf gleiche Höhe einstellen können. Nach unten ist eine Verlängerung des Wasserbehälters 23 bis zum tiefsten Punkt des Linerkühlsystems 13 nutzbar und sinnvoll. Zweckmäßigerweise wird als Wasserbehälter eine Batterie stehender Rohre verwendet.

Wird der Wasserbehälter in offener Bauweise ausgeführt, so muß er geodätisch so hoch angeordnet sein, daß bei Ansteigen des Druckes im Zwischenkühlkreislauf 15 auf den Ansprechdruck des Sicherheitsabblaseventiles 26 ein Ausblasen des Zwischenkühlkreislaufes 15 über den offenen Wasserbehälter verhindert wird (nicht dargestellt). Bei einem Ansprechdruck des Sicherheitsabblaseventiles 26 von z. B. 2 bar muß der Wasserpegel im Wasserbehälter also mindestens 10 m über dem Wasserpegel des Wasserabscheiders 25 liegen. Diese Anforderungen an die geodätische Höhe eines Wasserbehälters innerhalb des Reaktorschutzgebäudes 1 sind oftmals nicht zu erfüllen.

Claims

1. Kernkraftwerk mit einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor, dessen Kern von kugelförmigen Brennelementen gebildet wird, mit einem den Hochtemperaturreaktor umschließenden Spannbetondruckbehälter, der eine mit einem Liner ausgekleidete Reaktorkaverne aufweist, mit mehreren in der Reaktorkaverne angeordneten Wärmetauschern, vorzugsweise Dampferzeugern, zur betrieblichen Wärmeabfuhr und mindestens zwei Hilfswärmetauschern für die Nachwärmeabfuhr, mit einem Wärmeschutzsystem für den Spannbetondruckbehälter, das aus einer Wärmedämmschicht und einem Linerkühlsystem besteht, welches eine Vielzahl von Wasser durchströmter Kühlrohre aufweist, die mit Zwischenwärmetauschern und Kühlwasserpumpen einen geschlossenen Zwischenkühlkreislauf bilden, und welches bei Ausfall der Hilfswärmetauscher zur Abfuhr der Nachwärme eingesetzt wird, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) die Zwischenwärmetauscher (16) sind oberhalb der Oberkante des Spannbetondruckbehälters (2) angeordnet;
b) das Linerkühlsystem (13) ist hinsichtlich deren Höhenlage in mehrere Kühlrohrbereiche (I . . . VI) aufgeteilt, wobei jeweils mindestens ein Kühlrohrbereich mit niedrigerer Höhenlage mit mindestens einem solchen mit größerer Höhenlage zusammengeschaltet ist;
c) jeder Kühlwasserpumpe (17) ist eine an ein Notstromnetz angeschlossene Zusatzpumpe (20) mit wesentlich geringerer Leistung parallelgeschaltet;
d) zu jeder Kühlwasserpumpe (17) ist eine Bypaßleitung (18) vorgesehen, in welcher eine aktiv oder passiv gesteuerte Rückschlagklappe (19, 19′, 19′′) angeordnet ist, die bei nichtarbeitender Kühlwasserpumpe (17) öffnet;
e) es ist eine mit dem Linerkühlsystem (13) verbundene Einrichtung zur Nachwärmeabfuhr durch Naturkonvektion bei Ausfall der Zwischenwärmetauscher (16) vorgesehen, die die folgenden Komponenten umfaßt:
- - einen an die Vorlaufleitung (V) des Linerkühlsystems (13) angeschlossenen Wasserbehälter (23) mit einem Stickstoffpolster,
- - ein in dem Zwischenkühlkreislauf (15) angeordnetes, sich an die Rücklaufleitung (R) des Linerkühlsystems (13) anschließendes vertikales Siederohr (24), das geodätisch höher liegt als das Linerkühlsystem (13),
- - einen ebenfalls in dem Zwischenkühlkreislauf (15) angeordneten, sich an das vertikale Siederohr (24) anschließenden Wasserabscheider (25) mit einem Stickstoffpolster,
- - ein an dem Wasserabscheider (25) befindliches Sicherheitsabblaseventil (26).

2. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Auslegung des Linerkühlsystems (13) und Wahl der Komponenten des Zwischenkühlkreislaufs (15) eine Verringerung von Nenndruckverlusten bewirkt wird.

3. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammenschaltung von verschiedenen Kühlrohrbereichen (I . . .VI) des Linerkühlsystems (13) bereits bei Auslegung des Linerkühlsystems (13) durch direkte Kopplung vorgenommen ist.

4. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Kühlrohrbereiche (I, . . . VI) durch Kurzschließen von Vorlaufleitungen (V 1 . . . V 5) und Rücklaufleitungen (R 1, . . . R 5) dieser Bereiche mittels von außen zugänglicher Ventile (22) zusammengeschaltet sind.

5. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eigengewicht der Rückschlagklappe (19′) so gewählt ist, daß sie bei Ausfall der Kühlwasserpumpe (17) in Offen-Stellung bringbar ist.

6. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückschlagklappe (19′′) eine vorgespannte Feder (21) zugeordnet ist, deren Vorspannung so ausgelegt ist, daß bei Ausfall der Kühlwasserpumpe (17) die Rückschlagklappe (19′′) in Offen-Stellung gelangt.

7. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei vorgegebener Wärmeabfuhrkapazität des Linerkühlsystems (13) für den Nachwärmeabfuhrbetrieb eine Optimierung des Wärmewiderstandes der Wärmedämmschicht (12) hinsichtlich der maximal zulässigen Temperaturen des Liners (4), der Brennelemente und der Reaktoreinbauten vorgenommen ist.

8. Kernkraftwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Linerkühlsystem (13) im Hinblick auf eine maximale Abfuhr der Nachwärme durch Naturkonvektion bzw. auf Minimierung der Linertemperatur mit Hilfe der Parameter Kühlrohrdurchmesser und Kühlrohrteilung optimiert ist.

9. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Einrichtung zur Nachwärmeabfuhr bei Zwischenwärmetauscher- Ausfall der Druck des Stickstoffpolsters in dem Wasserabscheider (25) und der Ansprechdruck des Sicherheitsabblaseventils (26) derart abgestimmt sind, daß die Wärmeabfuhr aus dem Zwischenkühlkreislauf (15) bis zu einer vorgegebenen Kühlwassertemperatur zunächst im einphasigen Bereich erfolgt und erst dann in den zweiphasigen Bereich übergeht, wenn der Sättigungsdruck im Wasserabscheider (25) den Ansprechdruck des Sicherheitsabblaseventils (26) erreicht.

10. Kernkraftwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserbehälter in offener Bauweise ausgeführt und geodätisch so hoch angeordnet ist, daß bei Ansteigen des Druckes im Zwischenkühlkreislauf (15) auf den Ansprechdruck des Sicherheitsabblaseventils (26) ein Ausblasen über den offenen Wasserbehälter nicht möglich ist.

11. Kernkraftwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserbehälter (23) in geschlossener Bauweise ausgeführt und durch eine Verbindungsleitung (27) zu dem Wasserabscheider (25) auf den gleichen Druck wie dieser gebracht ist, und daß seine geodätische Höhe so festgelegt ist, daß sich in dem Wasserabscheider (25) und in dem Wasserbehälter (23) der gleiche Wasserpegel einstellen kann.