DE3730789C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung beträgt ein Kernkraftwerk gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Kernkraftwerk dieser Bauweise ist ein in der DE-OS 27 29 984 beschriebener Kernreaktor, der zentral in der Kaverne eines zylindrischen Spannbetondruckbehälters angeordnet ist und einen im Grundriß ellipsenförmigen Kern besitzt. Die Wärmetauscher sind - auf die Hauptachse der Ellipse bezogen - beidseitig des Kernreaktors angeordnet.

Bei einem aus der DE-OS 30 47 959 bekannten Kernreaktor mit kugelförmigen Brennelementen sind für sämtliche Regel- und Abschaltvorgänge in den seitlichen Graphitreflektor einfahrbare Absorberstäbe vorgesehen. Ein zweites Abschaltsystem, das in den Kern einbringbare kleine Absorberkugeln enthält, tritt nur bei Versagen der Reflektorstäbe in Tätigkeit. Damit die Reflek­ torstäbe genügend Wirksamkeit haben, sind die Brennelemente in einem von einem Innen- und einem Außenreflektor begrenzten Ringraum aufgeschüttet.

Aus der DE-OS 32 12 264 schließlich ist ein HT-Kleinreaktor bekannt, der zur Regelung und Abschaltung ebenfalls nur Reflek­ torstäbe aufweist. Eine diversitäre Abschalteinrichtung besteht aus kleinen Absorberkugeln, die in den Kern eingespeist werden können. Eine hinreichende Abschaltreaktivität wird hier dadurch bereitgestellt, daß die Reflektorstäbe innerhalb von in die Brennelementschüttung vorspringenden Graphitnasen verfahren werden. Außerdem ist dieser Kernreaktor nur für eine Leistung von 50 bis 100 MWel konzipiert.

Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kernreaktoranlage gemäß Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß sie einen vereinfachten und platzsparenden Aufbau hat, wirtschaftlicher hergestellt und be­ trieben werden kann.

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

Durch die gewählte Kerngeometrie ist es möglich, daß sowohl Schnellabschaltungen als auch Langzeitabschaltungen ausschließ­ lich mit Reflektorstäben, also ohne Kernstäbe, vornommen werden können. Dabei kann auf in den Kern vorspringende Graphitnasen verzichtet werden, auch wenn der Hochtemperaturreaktor für höhere Leistungen konzipiert wird. Kerngeometrie und -anordnung sowie die Anordnung des Wärmenutzungssystems lassen sich inner­ halb des zylindrischen Reaktordruckbehälters dahingehend opti­ mieren, daß sich für den Reaktordruckbehälter ein relativ klei­ ner Durchmesser ergibt.

Die Konzeption, ganz ohne direkt in den Kern einzufahrende Absorberstäbe auszukommen, macht es möglich, für das primäre Kühlmedium eine Aufwärtsströmung durch den Reaktorkern zuzulas­ sen. Bei Vorhandensein von Kernstäben, die von oben eingefahren werden müssen, würde sich eine solche Störmungsrichtung verbie­ ten. Bei Aufwärtsströmung des primären Kühlmediums ergibt sich der Vorteil, daß beim Nachwärmeabfuhrbetrieb durch Naturkonvek­ tion (also bei Ausfall der Umwälzgebläse) die Strömungsrichtung beibehalten wird; somit erfahren die Kerneinbauten, da sie ohnehin für Heißgastemperaturen ausgelegt sind, keine besonde­ ren Beanspruchungen.

Von der Strömungsrichtung des primären Kühlmediums hängt auch die Strömungsrichtung des sekundären Kühlmediums durch das Wärmenutzungssystem ab. Im vorliegenden Fall kann das Wärmenut­ zungssystem eine Aufwärtsdurchströmung haben, was hinsichtlich der Minimaldurchsätze sehr günstig ist. D. h. die Wärmeabfuhr kann so angepaßt werden, daß sie der Nachzerfallswärme ent­ spricht, ohne daß es zu einer unnötigen Abkühlung des Reaktor­ kerns kommt. Ein Nachfahren von Reflektorstäben ist somit nicht erforderlich, und überdies läßt sich ein rascher Wiederstart (Heißstart) problemloser durchführen.

Das erfindungsgemäße Kernkraftwerk ist derart ausgebildet, daß die Abfuhr der Nachwärme durch Naturkonvektion nicht nur im Primärkreislauf, sondern auch auf der Sekundärseite des Wärme­ nutzungssystems möglich ist. Die Einleitung der Wärmeabfuhr durch Naturkonvektion kann primär- und sekundärseitig mit weni­ gen aktiven Maßnahmen vorgenommen werden.

Die aus dem Kernkraftwerk abgeführte Wärme kann als Fernwärme, zur Stromerzeugung oder zur Erzeugung von Prozeßdampf Verwen­ dung finden. In letzterem Falle kann sie beispielsweise zur Meerwasserentsalzung oder Erdölverflüssigung herangezogen wer­ den.

Die Querschnittsfläche des Hochtemperaturreaktors kann z. B. ein Rechteck mit abgeschrägten Ecken oder eine Ellipse sein. Es kommen alle Querschnittsflächen in Betracht, die eine derar­ tige Anordnung von Reflektorstäben erlauben, daß mit ihnen alle Abschaltvorgänge durchgeführt werden können.

Das Wärmenutzungssystem kann ein oder zwei Dampferzeuger umfas­ sen, und jeder Dampferzeuger kann aus den geometrischen Ver­ hältnissen angefaßten Einzelsektionen bestehen, die nach der Montage untereinander verschaltet wurden. Als Wärmenutzungs­ system lassen sich auch zu Bündeln zusammengefaßte Wärmerohre verwenden die nach Austritt aus dem Reaktordruckbehälter ge­ sammelt werden und ihre Wärme über Rohrleitungen an eine Turbi­ ne oder einen anderen Verbraucher abgeben.

Zur Erhöhung der betrieblichen Verfügbarkeit und auch der Ver­ fügbarkeit im Nachwärmeabfuhrbetrieb ist es vorteilhaft, die beiden vorgesehenen Umwälzgebläse derart anzuordnen, daß sie aus einem gemeinsamen Kaltgassammelraum ansaugen. Dies verbes­ sert auch die Verfügbarkeit der Gebläse bei der erzwungenen Umwälzung des primären Kühlmediums im Druckentlastungsstörfall, in dem die Wärme nicht ausreichend durch Naturkonvektion abge­ führt werden kann.

Vorteilhafterweise wird der Reaktorkern so ausgelegt, daß eine längerfristige Beschickung mit Brennelementen möglich ist, ohne daß es zu Leistungseinschränkungen kommt. D. h. der Kern- und der Beschickungszyklus können bereits bei der Auslegung so eingestellt werden, daß ohne nachteilige Folgen die Beschickung für einen Zeitraum von etwa 6 Monaten ausfallen kann.

Der Hochtemperaturreaktor kann sowohl mit Mehrfachdurchlauf der Brennelemente als auch im Einfachdurchlaufverfahren betrieben werden.

Für die Abfuhr der Nachwärme können gesonderte NWA-Wärmetau­ scher vorgesehen sein, die bei Naturkonvektion den gesamten Bereich aus der Dampfphase bis zur Wasserphase abdecken sollen. Hierzu bieten sich mehrere technische Möglichkeiten an. So kann jeder NWA-Wärmetauscher primärseitig dem eigentlichen Dampfer­ zeuger vorgeschaltet sein. Zweck dieser Maßnahme ist, daß ein ständiger stand-by-Betrieb des NWA-Wärmetauschers aufrechter­ halten wird.

Die Nachwärme kann auch über die beiden betrieblichen Dampfer­ zeuger abgeführt werden, die parallelgeschaltet sind. Sie kön­ nen sowohl beim Normalbetrieb als auch beim Nachwärmeabfuhr­ betrieb über entsprechende Leitungen und Armaturen gemeinsam oder einzeln gefahren werden.

Der Hochtemperaturreaktor kann auch über gesonderte primäre Kreisläufe, sogenannte Hilfskreisläufe, zur Abfuhr der Nachwär­ me verfügen, von denen jeder einen NWA-Wärmetauscher sowie ein Gebläse enthält.

Sekundärseitig kann im Kreislauf der NWA-Wärmetauscher je ein Trenngefäß für Kondensat und Dampf vorhanden sein, das gleich­ zeitig als Anfahrentspanner funktioniert. Um die Detektion eines leckgewordenen Dampferzeugers zu ermöglichen, kann in jedem Trenngefäß eine Einrichtung zum Trennen in den Sekun­ därkreislauf gelangten Heliums von Dampf bzw. Kondensat an­ geordnet sein, die auch zum Nachweis dieses Heliums geeignet ist.

Weiterhin können die Sekundärkreisläufe je eine Einrichtung zum Nachspeisen von Wasser aufweisen, die sich von Hand betätigen läßt. Diese Einrichtung kommt nur dann zum Einsatz, wenn der in dem Sekundärkreislauf vorhandene, für etwa 24 Stunden reichende Wasservorrat durch Verdampfen verbraucht ist.

Die Wärmeabfuhr aus dem Sekundärkreislauf kann aber noch durch eine Rückkühlkette abgesichert werden. Zu diesem Zweck kann in jedem Sekundärkreislauf ein Rückkühlwärmetauscher vorhanden sein, der über einen weiteren Wasserkreislauf mit einem Kühl­ turm verbunden ist. Besondere sicherheitstechnische Anforderun­ gen brauchen an die Rückkühlketten nicht gestellt zu werden.

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele des erfin­ dungsgemäßen Kernkraftwerkes schematisch dargestellt. Die Figu­ ren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Kernkraftwerk nach der Linie I-I der Fig. 2,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein zweites Kernkraftwerk nach der Linie III-III der Fig. 4,

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 3,

Fig. 5 ein Nachwärmeabfuhrsystem für das Kernkraftwerk gemäß Fig. 3 und 4,

Fig. 6 ein anderes Nachwärmeabfuhrsystem für das Kernkraft­ werk gemäß Fig. 3 und 4,

Fig. 7 ein weiteres Nachwärmeabfuhrsystem für das Kernkraft­ werk gemäß Fig. 3 und 4.

Die Fig. 1 und 2 lassen einen zylindrischen Reaktordruckbe­ hälter 1 aus Spannbeton erkennen, der eine zentrale Kaverne 2 und verschiedene Durchbrüche aufweist. In der Kaverne 2 ist außermittig ein mit Helium gekühlter Hochtemperaturreaktor 3 für eine Leistung von 50 MWe angeordnet, dessen Kern von einer Schüttung 4 kugelförmiger Brennelemente gebildet wird. Die Schüttung 4 ist von einem Graphitreflektor 5 umgeben, der aus einem Seitenreflektor 6, einem Bodenreflektor 7 und einem Deckenreflektor 8 besteht. Der Graphitreflektor 5 ist seiner­ seits unter Bildung eines Ringraumes 11 von einem thermischen Schild 9 umschlossen. Durch den Bodenreflektor 7 führen zwei Kugelabzugsrohre 10 zur Entnahme der Brennelemente (von denen eins in die Schnittebene gelegt ist). Die (nicht dargestellten) Zugabeeinrichtungen für die Brennelemente befinden sich ober­ halb des Hochtemperaturreaktors 3.

Die Querschnittsfläche des Hochtemperaturreaktors 3 (und zwar die der Schüttung 4, des Graphitreflektors 5 und des thermi­ schen Schilds 9) ist derart geformt, daß zwei senkrecht zuein­ ander stehende Mittelachsen a und b unterschiedlich lang sind. In dem gezeigten Beispiel ist die Querschnittsfläche ein Recht­ eck mit abgeschrägten Ecken mit der längeren Mittelachse a. Wie die Fig. 2 zeigt, ist am Innenrand des Seitenreflektors 6 eine Vielzahl von Reflektorstäben 12 angeordnet, die in Bohrungen verfahrbar sind und mit denen sämtliche Regel- und Abschaltvor­ gänge durchgeführt werden.

In einem Bereich der Kaverne 2, der neben dem von dem Hochtem­ peraturreaktor 3 eingenommenen Bereich liegt und von diesem durch eine gedachte Linie getrennt ist, befindet sich ein Wär­ menutzungssystem, das aus einem parallel zu dem Hochtemperatur 3 angeordneten Dampferzeuger 13 besteht. Dampferzeuger 13 und Hochtemperaturreakor 3 sind so zueinander positioniert, daß die Mittelachse a parallel zu der gedachten Trennlinie verläuft und die Verlängerung der Mittelachse b der Reaktor-Querschnittsflä­ che durch das Zentrum des Dampferzeugers 13 führt.

Die Schüttung 4 der Brennelemente wird von dem primären Kühlme­ dium Helium von unten nach oben durchströmt. Durch eine Heiß­ gasführung 14 wird das erhitzte Helium dem Dampferzeuger 13 zugeleitet, den es von oben nach unten durchströmt. Durch einen Ringspalt 15 gelangt das kalte Gas sodann in einen Kaltgassam­ melraum 16. Oberhalb des Dampferzeugers 13 befindet sich in dem Reaktordruckbehälter 1 ein Durchbruch 18, in dem zwei Umwälz­ gebläse 17 derart angeordnet sind, daß sie beide aus dem Kalt­ gassammelraum 16 ansaugen (es ist hier nur eins der parallel­ geschalteten Umwälzgebläse 17 gezeigt). Das verdichtete Helium wird schließlich durch den Ringraum 11 zu dem Bodenreflektor 7 geführt, durch den es unten wieder in die Schüttung 4 eintritt.

Auf seiner Sekundärseite wird der Dampferzeuger 13 von dem sekundären Medium von unten nach oben durchströmt. Das Speise­ wasser wird dem Dampferzeuger 13 durch eine Leitung 19 zuge­ führt. Der Frischdampf wird in einem zentralen Rohr 21 gesam­ melt und dann nach unten geführt, wo er durch eine unterhalb der Leitung 19 durch den Reaktordruckbehälter 1 verlegte Lei­ tung 20 diesen Behälter verläßt.

In den Fig. 3 und 4 ist ein Kernkraftwerk dargestellt, das mit dem Kernkraftwerk gemäß Fig. 1 und 2 viele gemeinsame Details hat, die mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Der für 100 MWe ausgelegte Hochtemperaturreaktor 22 ist ebenfalls außermittig in der Kaverne 2 angeordnet; seine Querschnittsfläche ist jedoch etwas anders geformt. Sie bildet im Prinzip wieder ein Rechteck mit abgeschrägten Ecken; das Längenverhältnis der Mittelachsen a und b zueinander ist jedoch ein anderes.

Das Wärmenutzungssystem besteht hier aus zwei Dampferzeugern 13 und 28, denen je ein Umwälzgebläse 17 nachgeschaltet ist. Beide Umwälzgebläse 17 saugen das kalte Helium aus dem gleichen Kaltgassammelraum 16 an. Die beiden Dampferzeuger 13, 28 sind symmetrisch zu der Verlängerung der Mittelachse b der Reaktor- Querschnittsfläche angeordnet.

In den beiden Bereichen, in denen die Heißgasführungen 14 zu den Dampferzeugern 13, 28 hinüberführen, ist der Hochtempera­ turreaktor 22 vorgewölbt, und der Graphitreflektor 23 sowie der thermische Schild 24 weisen ebenfalls diese Abweichung von der Rechteckform auf. Auch der Hochtemperaturreaktor 22 wird ledig­ lich mit Reflektorstäben 12 geregelt und abgeschaltet, die am Innenrand des Seitenreflektors 25 bewegbar angeordnet sind.

Das primäre Kühlmedium Helium wie auch das sekundäre Kühlmedium werden genau so geführt wie bei dem Kernkraftwerk gemäß Fig. 1 und 2.

In den Fig. 5, 6 und 7 sind verschiedene Varianten eines Nachwärmeabfuhrsystems für das Kernkraftwerk gemäß Fig. 3 und 4 dargestellt. Diese Systeme weisen jeweils zwei identische Kreisläufe auf, von denen immer nur einer gezeigt ist. Das gilt auch für den Primärkreis.

Die Fig. 5 läßt zunächst den Hochtemperaturreaktor 22 erkennen, der von unten nach oben von Helium durchströmt wird, sowie die beiden parallelgeschalteten Dampferzeuger 13, 28 und das ihnen nachgeschaltete Umwälzgebläse 17. Durch eine Speisewas­ serpumpe 26 werden die Dampferzeuger 13 und 28 über die Leitun­ gen 19 und 29 bespeist; der Frischdampf wird über die Leitungen 20 und 30 einer (nicht dargestellten) Turbine zugeführt. Beide Dampferzeuger sind in einem Mantel 27 angeordnet. Sie haben bei diesem Ausführungsbeispiel auch die Aufgabe, die Nachwärme ab­ zuführen, wie später noch beschrieben wird.

In dem Sekundärkreislauf der beiden Dampferzeuger 13 und 28 ist ein Rückkühlwärmetauscher 31 angeordnet, der über einen mit einer Umwälzpumpe 34 ausgerüsteten Wasserkreislauf 32 mit einem Kühlturm 33 verbunden ist. Der Rückkühlwärmetauscher 31 ist mit einem Sicherheitsventil 35 und mit einer Einrichtung 36 zum Nachspeisen von Wasser versehen. Der Sekundärkreislauf enthält schließlich noch Umwälzpumpen 38 und Absperrarmaturen 39 sowie die Reduzierventile 40 und 41. Die beiden Dampferzeuger 13 und 28 können sowohl im Normalbetrieb wie auch im Nachwärmeabfuhr­ betrieb gemeinsam oder einzeln gefahren werden, und zwar mit Hilfe der Leitungen 19 und 20 sowie 29 und 30 und der Reduzier­ ventile 40, 41 und Speisewasserpumpen 38, 39 (die nur bei NWA- Betrieb zum Einsatz kommen).

Die Fig. 6 zeigt wieder den Hochtemperaturreaktor 22 und einen der Dampferzeuger 13, dem das Umwälzgebläse 17 nachgeschaltet ist. Speisewasserpumpe 26, Speisewasserleitung 19, Frisch­ dampfleitung 20, die zu einer (nicht dargestellten) Turbine führt, sowie eine Speisewasserzuführung 43 sind ebenfalls zu erkennen. Zur Nachwärmeabfuhr ist hier jedoch ein NWA-Wärmetau­ scher 42 vorgesehen, der im Primärkreislauf dem Dampferzeuger 13 vorgeschaltet, d. h. in Serie zu ihm angeordnet ist. Er ist mit einer Speisewasserzuführung 29 und einer Dampfabführung 30 versehen. Die Wärmeabgabe des NWA-Wärmetauschers 42 erfolgt an einen betrieblichen Speisewasserbehälter 44, der durch einen Wasserkreislauf 32 mit einem Kühlturm 33 verbunden ist. In dem Wasserkreislauf 32 ist eine Umwälzpumpe 34 vorgesehen, und der Speisewasserbehälter 44 ist wieder mit einem Sicherheitsventil 35 ausgerüstet. Die Sekundärkreisläufe von Dampferzeuger 13 und NWA-Wärmetauscher 42 sind über den Speisewasserbehälter 44 mit­ einander verknüpft.

Bei dem in der Fig. 7 dargestellten Kernkraftwerk sind zur Ab­ fuhr der Nachwärme zusätzliche primäre Kreisläufe, sogenannte Hilfskreisläufe, vorgesehen, die den Hauptkreisläufen parallel­ geschaltet sind. Der hier gezeigte Hauptkreislauf enthält wie­ der den Dampferzeuger 13, das Umwälzgebläse 17 und eine dem Umwälzgebläse 17 nachgeschaltete Absperrarmatur 47. Sekundär­ seitig sind die Leitungen 19 und 20 sowie die Speisewasserpumpe 26 vorhanden.

Im Hilfskreislauf sind ein NWA-Wärmetauscher 48, ein Umwälzgeb­ läse 49 und eine Absperrarmatur 50 angeordnet. Ferner besitzt der NWA-Wärmetauscher 48 die Speisewasserzuführung 29 und die Dampfabführung 30. Der Sekundärkreislauf, der hier ganz von demjenigen des Dampferzeugers getrennt ist, enthält wieder den Rückkühlwärmetauscher 31 mit Sicherheitsventil 35 und Einrich­ tung 36 zum Nachspeisen von Wasser. Der Wasserkreislauf 32 mit Kühlturm 33 und Umwälzpumpe 34 ist ebenfalls vorhanden. Dem Rückkühlwärmetauscher 31 sind hier jedoch in Parallelanordnung zwei Absperrarmaturen 51 und 52 vorgeschaltet.

In Strömungsrichtung hinter dem Rückkühlwärmetauscher 31 befin­ det sich wieder das Trenngefäß 37 zum Trennen von Wasser und Dampf, dem die Umwälzpumpe 38 und die Absperrarmaturen 39 nach­ geschaltet sind.

Claims (3)

1. Kernreaktoranlage mit einem außermittig in der Kaverne (2) eines zylindrischen Reaktordruckbehälters (1) aus Spannbeton angeordneten, gasgekühlten Hochtemperaturreaktor (3),

• a) dessen Kern von einer Schüttung (4) kugelförmiger Brennelemente gebildet wird, mit einem die Kugelschüttung allseitig umgebenden Graphitreflektor (5),
• b) mit einem parallel zu dem Hochtemperaturreaktor installierten Wärmenutzungssystem und mit einem Wärmetauscher (42) zur Abfuhr der Nachwärme,
• c) wobei die Querschnittsfläche des Hochtemperaturreaktors derart geformt ist, daß er in Richtung zweier rechtwinklig durch die Querschnittsfläche verlaufender Mittelachsen (a, b) unterschiedliche Abmessungen aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

• d) daß der Hochtemperaturreaktor (3) lediglich mit Reflektorstäben (12) ausgestattet ist, mit denen alle Abschaltvorgänge ausgeführt werden, und die in am Innenrand des seitlichen Graphitreflektors (6) vorgesehenen Bohrungen angeordnet sind;
• e) daß die Schüttung (4) der kugelförmigen Brennelemente von unten nach oben von Helium als primärem Kühlmedium durchsetzt wird,
• f) daß das Wärmenutzungssystem wird von dem primären Kühlmedium von oben nach unten und von dem sekundären Kühlmedium von unten nach oben durchströmt wird,
• g) daß das Wärmenutzungssystem ist auf seiner Sekundärseite derart ausgebildet, daß eine Wärmeabfuhr durch Naturkonvektion möglich ist.
• h) daß die Querschnittsfläche des Hochtemperaturreaktors (3) ein Rechteck mit abgeschrägten Ecken ist, daß der Hochtemperaturreaktor außermittig in der Kaverne (2) angeordnet ist,
• i) daß das Wärmenutzungssystem aus einem Dampferzeuger (13) besteht, der in Verlängerung der kürzeren Mittelachse (b) der Reaktor-Querschnittsfläche innerhalb der Kaverne (2) angeordnet ist,
• j) und daß der Nachwärmeabfuhr-Wärmetauscher (32) primärseitig dem Dampferzeuger (13) vorgeschaltet ist.

2. Kernreaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• k) daß der Dampferzeuger (13) mehrere den geometrischen Verhältnissen angepaßte Einzel-Sektionen umfaßt.