DE3814691A1 - Kernkraftwerk mit einem gasgekuehlten hochtemperaturreaktor niedriger leistung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernkraftwerk mit einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor niedriger Leistung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Ein Kernkraftwerk dieser Bauweise ist aus der DE-PS 31 41 892 und der DE-PS 32 12 266 bekannt. Bei dem hier beschriebenen Hochtemperaturreaktor handelt es sich um einen sogenannten HT- Kleinreaktor mit einer Leistung bis zu 250 MW_th, dessen Stahl­ druckbehälter von einem biologischen Schild umgeben ist. Dieser dient zugleich als Sicherheitshülle, d.h. er schützt das Kern­ kraftwerk gegen Einwirkungen von außen. Um eine unzulässige Er­ wärmung des biologischen Schildes zu vermeiden, weist der Schild ein Betonkühlsystem auf, dem die Wärme von dem Stahl­ druckbehälter im wesentlichen durch Strahlung zugeführt wird.

Da ein derartiges Kernkraftwerk eine relativ geringe Gesamtlei­ stung und eine niedrige Leistungsdichte im Kern hat, ist es prinzipiell möglich, die Nachwärme (Speicherwärme und Nachzer­ fallsleistung der Brennelemente) im Störfall über den Stahl­ druckbehälter nach außen abzuführen, ohne daß im Reaktorkern selbst unzulässig hohe Temperaturen entstehen. Zur Wärmeabfüh­ rung außerhalb des Stahldruckbehälters wird das erwähnte Be­ tonkühlsystem benutzt, das durch entsprechend hohe Redundanz und/oder passive Wirkungweise (d.h. ohne aktive Steuerung) praktisch ausfallsicher ist. Hierdurch ergibt sich für die Hochtemperaturreaktoren kleiner Leistung mit Stahldruckbehälter eine sehr hohe Sicherheit.

Wie bereits erwähnt, erfolgt bei den bekannten Kernkraftwerken die Wärmeabfuhr an das Betonkühlsystem hauptsächlich über Wär­ mestrahlung. Da diese erst bei höheren als den Betriebstempera­ turen voll wirksam wird, treten beim Nachwärmeabfuhrbetrieb über das Betonkühlsystem zwangsläufig hohe Temperaturen am Stahldruckbehälter und den umliegenden Komponenten (Abschalt­ einrichtungen, Kühlgasgebläse u.a.) auf. Als Folge davon können in diesem relativ seltenen Fall (nämlich nach Ausfall der nor­ malerweise die Nachwärmeabfuhr übernehmenden Einrichtungen) unter Umständen Schäden an dem Stahldruckbehälter und den um­ liegenden Komponenten entstehen, die Reparaturen oder den Aus­ tausch von Bauteilen erforderlich machen. Um dies zu vermeiden und den Weiterbetrieb der Anlage sicherzustellen, müßten auf­ wendige Schutzeinrichtungen, die das Auftreten unzulässig hoher Temperaturen verhindern, in dem Kernkraftwerke installiert wer­ den.

Darüber hinaus treten - je nach Anlagenzustand - auch im Pri­ märkreis erhöhte Temperaturen auf, die das Wärmenutzungssystem erheblich belasten. Wird zusätzlich eine Druckentlastung des Primärkreislaufs auf Umgebungsdruck unterstellt, können im Reaktorkern Brennelementtemperaturen erreicht werden, die zu einer erhöhten Spaltproduktfreisetzung führen. Diese Problema­ tik wird noch verschärft, wenn das Kernkraftwerk mit sehr hohen Betriebstemperaturen gefahren wird, beispielsweise mit 950°C für die Erzeugung von nuklearer Prozeßwärme.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kernkraftwerk gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß sowohl bei Auslegungsstörfällen als auch bei Störfällen im hypothetischen Bereich das Auftreten unzulässig hoher Tempera­ turen an dem Stahldruckbehälter, in seiner Umgebung und im Kernreaktor selbst vermieden wird, ohne daß aufwendige Schutz­ einrichtungen in dem Stahldruckbehälter installiert werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Sprüh- oder Sprinkleranlagen sind in der Technik seit langem gebräuchlich und werden auch bereits zur Kühlung von gefährde­ ten Anlagenteilen eingesetzt. Ihre Verwendung als Sicherheits­ einrichtung in einem Kernkraftwerk, insbesondere zur Kühlung des Reaktordruckbehälters, ist bisher jedoch noch nicht vor­ geschlagen worden. Merkmale einer Sicherheitseinrichtung im Kernkraftwerksbau sind eine extrem hohe Zuverlässigkeit, Funk­ tionsfähigkeit und Wirksamkeit dieser Einrichtung.

Eine intensive Kühlung mittels der erfindungsgemäßen Notküh­ leinrichtung ist nur für die Dauer einiger Stunden erforder­ lich, so daß der Wasservorrat des Hochbehälters ausreicht. Anschließend kann die Nachzerfallswärme ohne wesentlich erhöhte Temperaturen des Stahldruckbehälters allein über das Beton­ kühlsytem oder zumindest mit einer wesentlich geringeren Sprüh­ leistung der Sprühanlage abgeführt werden. Es besteht auch die Möglichkeit, wie an sich bekannt an dem Hochbehälter eine Ein­ richtung zum Nachspeisen von Wasser vorzusehen. Dadurch kann die erfindungsgemäße Notkühleinrichtung ihre Funktion beliebig lange ausüben.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteran­ sprüchen sowie der folgenden Beschreibung eines Ausführungs­ beispiels im Zusammenhang mit der schematischen Zeichnung zu entnehmen. Die Figur zeigt ein Kernkraftwerk mit einer Reak­ torleistung von 250 MW_th (100 MWe) im Längsschnitt.

Das Kernkraftwerk umfaßt einen gasgekühlten HT-Kleinreaktor 1 sowie ein Wärmenutzungssystem, das in diesem Ausführungsbei­ spiel aus einem oberhalb von dem HT-Kleinrekator angeordneten Dampferzeuger 2 besteht und zusammen mit dem HT-Kleinreaktor 1 in einem Stahldruckbehälter 3 untergebracht ist. In einem ober­ halb des HT-Kleinreaktors 1 befindlichen Bereich ist der Stahl­ druckbehälter 3 eingezogen. Oben ist der Stahldruckbehälter 3 mit einem Deckel 4 abgeschlossen, auf den zwei dem Dampferzeu­ ger 2 nachgeschaltete Kühlgasgebläse 5 aufgesetzt sind. Aus dem oberen Bereich des Stahldruckbehälters 3 treten seitlich eine Speisewasserzuführung 6 und eine Frischdampfleitung 7 des Dampferzeugers 2 aus.

Der HT-Kleinreaktor 1 weist einen aus einer Schüttung kugelför­ miger Brennelemente bestehenden Kern 8 auf, der von unten nach oben vom Kühlgas (Helium) durchströmt wird. Die Leistungserzeu­ gung kann bei Temperaturen von 250° bis 1000°C erfolgen. Der Kern 8 ist von einem Deckenreflektor 9, zylindrischen Seiten­ reflektor 10 und Bodenreflektor 11 umschlossen. Der Seitenre­ flektor 10 weist in den Kern 8 vorspringende Nasen 12 auf. Im Bodenreflektor 11 sind mehrere Abzugsrohre 13 für die Brennele­ mente vorgesehen, an die sich eine Abzugseinrichtung 14 an­ schließt. Unterhalb des Bodenreflektors 11 ist ein thermischer Bodenschild 15 angeordnet, und der Seitenreflektor 10 ist von einem thermischen Seitenschild 16 umgeben.

Für die Abschaltung des HT-Kleinreaktors 1 sind zwei diversitä­ re Einrichtungen vorgesehen. Die erste Abschalteinrichtung besteht aus einer Anzahl von in Bohrungen des Seitenreflek­ tors 10 einfahrbaren Absorberstäben 17 sowie den zugehörigen Stabantrieben 18. Letzere sind außerhalb des Stahldruckbehäl­ ters 3 im Bereich seines eingezogenen Teils angeordnet. Als zweite Abschalteinrichtung dienen kleine Absorberkugeln, die in die Nasen 12 des Seitenreflektors 10 eingebracht werden können. Sie befinden sich in Zugabebehältersn 19, die ebenfalls außer­ halb des Stahldruckbehälters 3 im Bereich seines eingezogenen Teils vorgesehen sind.

Der Stahldruckbehälter 3 ist mit Abstand von einem biologischen Schild 20 aus Beton umgeben (in der Figur nur auf der linken Seite dargestellt). Der biologische Schild 20 weist ein Betonkühlsystem auf, das im wesentlichen aus auf der Innenseite des biologischen Schildes 20 angebrachten Flächenkühlern 21 und einem mit Wasser gefüllten Hochbehälter 22 besteht, der mit einem Überdruckventil 23 versehen ist. Das Wasser steht bei Normalbetrieb unter dem Druck von einigen bar. In dem biologi­ schen Schild 20 sind zur Belüftung des Raumes 25 zwischen dem Schild 20 und dem Stahldruckbehälter 3 Kanäle 24 vorhanden.

Als Notkühleinrichtung für den Nachwärmeabfuhrbetrieb im Stör­ fall (d.h. bei Ausfall der normalerweise die Nachwärmeabfuhr übernehmenden Einrichtungen) ist in dem Kernkraftwerk eine Sprühanlage 26 vorgesehen, die in dem Raum 25 installiert ist. Die Anordnung der Sprühdüsen 27 ist dabei so getroffen, daß die gesamte Oberfläche des Stahldruckbehälters 3 benetzt wird (un­ benetzte Bereiche bis zu 0,5 m Breite bleiben ohne Bedeutung). Die Stärke der Sprühleistung ist dem örtlichen Wärmeanfall an­ gepaßt, d.h. im vorliegenden Fall, wo im oberen Bereich des Stahldruckbehälters 3 größere Wärmemengen anfallen, sind in diesem Bereich die Sprühdüsen mit kleinerem Abstand angeordnet oder mit einer höheren Sprühleistung ausgelegt.

Die Versorgung der Sprühanlage 26 mit Wasser erfolgt mittels redundant ausgeführter Zuleitungsrohre 28, die an den Hochbe­ hälter 22 angeschlossen sind. Jedes Zuleitungsrohr 28 weist in seinem Anschlußbereich ein von Hand zu öffnendes Einlaßven­ til 29 auf, wobei die Ventilöffnung durch Unterbrechung der Haltespannung des Einlaßventils 29 erfolgt. Es stehen hierzu 1 bis 2 Stunden Zeit zur Verfügung, da die Temperaturen des Stahldruckbehälters nach Ausfall der betrieblichen Nachwärme­ abfuhreinrichtungen erst nach Ablauf dieser Zeit ansteigen. Die betriebliche Nachwärmeabfuhr wird bei dem hier beschriebenen Kernkraftwerk mit dem Dampferzeuger 2 und seinem Sekundärkreis­ lauf vorgenommen.

Um die Kühlung des Stahldruckbehälters 3 auch bei Ausbleiben der Handauslösung der Sprühanlage 26 sicherzustellen, ist bei jedem Zuleitungsrohr 28 in einer zu dem Einlaßventil 29 par­ allelgeschalteten Überbrückungsleitung 31 eine zusätzliche Absperreinrichtung 30 angeordnet, die bei einem bestimmten Druck- oder Temperaturanstieg automatisch geöffnet wird. Diese Einrichtung kann ebenfalls ein Ventil oder auch eine Berst­ scheibe sein. In letzterem Fall wird die Auslösung der Ab­ sperreinrichtungen 30 direkt von dem in dem Hochbehälter 22 herrschenden Druck gesteuert. Soll der Temperaturanstieg zur Auslösung der Absperreinrichtungen 30 ausgenutzt werden, so sind an der Oberfläche des Stahldruckbehälters 3 entweder Tem­ peraturmeßgeräte wie Thermofühler oder Pyrometer anzubringen (die bei einem bestimmten Temperaturwert die Absperreinrichtun­ gen 30 elektrisch entriegeln), oder es kommen an dem Stahl­ druckbehälter 3 anzuordnende Schmelzsicherungen zum Einsatz. Diese unterbrechen bei Überschreiten einer vorgegebenen Maxi­ maltemperatur die Haltespannung der Absperreinrichtungen 30 und lösen damit die Sprühanlage 26 aus.

Da an kälteren Oberflächenteilen des Flächenkühlers 21 das verdampfte Sprühwasser wieder kondensiert, befindet sich auf dem Boden des bilogischen Schilds 20 unterhalb des Stahldruck­ behälters 3 eine Auffangwanne 32 für Kondenswasser. Diese steht über mindestens eine Rohrleitung 33 mit dem Hochbehälter 22 in Verbindung. In der Rohrleitung 33 ist eine selbstversorgte Pumpe 34 (z.B. mit Dieselantrieb) angeordnet, mit welcher das Kondenswasser wieder in den Hochbehälter 22 befördert werden kann. Der sich im oberen Bereich des Raumes 25 sammelnde Dampf kann problemlos über die der Belüftung dienenden Kanäle 24 ab­ strömen.

Im folgenden wird im Zusammenhang die Funktionsweise einer Sprühanlage 26 beschrieben, deren Auslösung automatisch (bei Versagen der Handauslösung) durch Druckanstieg im Hochbehäl­ ter 22 erfolgt.

Nach dem Abschalten des HT-Kleinreaktors 1 mittels der Absor­ berstäbe 17 wird die Nachwärme normalerweise über den Dampfer­ zeuger 2, die Zuführung 6 und Abführung 7 sowie seinen Sekun­ därkreislauf abgeführt. Sind diese Einrichtungen jedoch nicht verfügbar, so wird die Nachwärme von dem Stahldruckbehälter 3 an die Flächenkühler 21 des Betonkühlsystems abgestrahlt. Der mit den Flächenkühlern 21 verbundene Hochbehälter 22, der als Wasserreservoir dient, ist so ausgelegt, daß die Wassermenge für eine hinreichende Zeitdauer für die Nachwärmeabfuhr aus­ reicht.

Beim Nachwärmeabfuhrbetrieb über das Betonkühlsystem steigt der Druck im Hochbehälter 22 an. Der Transport von Wärme aus dem Reaktorkern 8 zu der Wand des Stahldruckbehälters 3 erfolgt im vorliegenden Fall durch Naturkonvektion; in anderen Anlagen kann auch Wärmeleitung oder -strahlung vorliegen. Dabei stellen sich in der Behälterwand, aber auch in seiner Umgebung (z.B. an den Stabantrieben 18 der Absorberstäbe 17 und den Zugabebehäl­ tern 19 für die kleinen Absorberkugeln) erhöhte Temperaturen ein. Der Temperaturanstieg ist am höchsten in dem oberen Be­ reich des Stahldruckbehälters 3; hier muß mit einem anfängli­ chen Anstieg von ca. 100°C/h gerechnet werden. Im unteren Behälterbereich dürfte der Temperaturanstieg nur ca. 10°C/h betragen.

Um eine Temperaturerhöhung im Stahldruckbehälter 3 und in sei­ ner Umgebung zu verhindern, kommt als Notkühleinrichtung die Sprühanlage 26 zum Einsatz. Ihre Auslösung erfolgt über den Druckanstieg im Hochbehälter 22; d.h. bei einem bestimmten Druckwert werden die Absperreinrichtungen 30, z.B. Berstschei­ ben, geöffnet. Zur Verhinderung eines Temperaturanstiegs im oberen Behälterbereich und für eine zusätzliche Abkühlung des Stahldruckbehälters 3 um etwa 100°C/h ist in diesem Bereich eine Sprühwassermenge je Quadratmeter von ca. 40 l/h erforder­ lich. Im unteren Bereich wird entsprechend weniger Sprühwasser benötigt. Für einen Stahldruckbehälter 3 mit einer Oberfläche von ca. 500 m² sind demnach etwa 10 m³/h Sprühwasser erforder­ lich. Nach einigen Stunden intensiver Sprühkühlung kann die Sprühwassermenge auf ca. 2 m³/h reduziert werden, oder die Nachwärme kann allein über das Betonkühlsystem abgeführt wer­ den.

Mit der erfindungsgemäßen Notkühleinrichtung läßt sich in allen Störfällen die Temperatur des Stahldruckbehälters 3 auf Werte von < 350°C begrenzen. Zugleich sind die außerhalb des Stahl­ druckbehälters 3 liegenden Teile der Abschalteinrichtungen so­ wie die Antriebsmotoren der Kühlgasgebläse 5 vor erhöhten Tem­ peraturen geschützt. Auch in dem Extremfall, daß keine aktive Nachwärmeabfuhreinrichtung funktioniert und gleichzeitig der HT-Kleinreaktor 1 druckentlastet ist, kann die Maximaltempera­ tur im Reaktorkern 8 um ca. 200°C gesenkt werden. Damit ist die Gefahr einer erhöhten Spaltproduktfreisetzung aus den Brennelementen unterbunden.

Claims (10)

1. Kernkraftwerk mit einem gasgekühlten Hochtemperaturreak­ tor (1) niedriger Leistung, dessen Kern (8) von kugel- oder blockförmigen Brennelementen gebildet wird, mit einem Wärmenutzungssystem (2) und mit einem Stahldruckbehäl­ ter (3) zur Aufnahme mindestens des Hochtemperaturreak­ tors, mit dem Wärmenutzungssystem nachgeschalteten Kühl­ gasgebläsen (5) und mit einem den Stahldruckbehälter (3) mit Abstand umgebenden biologischen Schild (20) aus Beton, der ggf. ein in Naturumlauf betriebenes und einen wasser­ gefüllten Hochbehälter (22) enthaltendes Betonkühlsystem aufweist, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• a) als Notkühleinrichtung für den Nachwärmeabfuhrbetrieb ist zur Kühlung des Stahldruckbehälters (3) eine zwi­ schen dem Stahldruckbehälter (3) und dem biologischen Schild (20) angeordneten Sprühanlage (26) vorgesehen;
• b) die Anordnung der Sprühdüsen (27) ist so getroffen, daß möglichst die gesamte Oberfläche des Stahldruck­ behälters (3) benetzt wird;
• c) die Sprühanlage (26) ist mittels redundant ausgeführ­ ter, mit Absperrarmaturen (29, 30) bestückter Zulei­ tungsrohre (28) an ein Versorgungssystem, ggf. an den Hochbehälter (22) angeschlossen.

2. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Zuleitungsrohr (28) ein von Hand zu öffnendes Einlaßventil (29) vorgesehen ist und daß zu jedem Einlaß­ ventil (29) eine Absperreinrichtung (30) parallelgeschal­ tet ist, deren Öffnung bei einem bestimmten Druck- oder Temperaturanstieg automatisch erfolgt.

3. Kernkraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung der Absperreinrichtungen (30) durch den in dem Hochbehälter (22) anstehenden Druck gesteuert wird.

4. Kernkraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung der Absperreinrichtungen (30) mittels auf die Oberflächentemperatur des Stahldruckbehälters (3) anspre­ chender Apparaturen erfolgt.

5. Kernkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem Hochbehälter (22) befindli­ che Wasser unter einem geringen Überdruck steht und die Sprühdüsen (27) so ausgelegt sind, daß dieser Überdruck zum Versprühen ausreicht.

6. Kernkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühleistung der Sprühanlage (26) dem zu erwartenden örtlichen Wärmeanfall am Stahldruckbe­ hälter (3) angepaßt ist.

7. Kernkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Sprühdüsen (27) und Zuleitungsrohre (28) so getroffen ist, daß bei Ausfall mehrerer Sprühdüsen (27) oder Zuleitungsrohre (28) die Kühlfunktion der Sprühanlage (26) nicht beeinträchtigt wird.

8. Kernkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Sprühkühlung verlegte elektrische Leitungen und Aggregate mit einer Schutzvor­ richtung gegen Sprüh- und Kondenswasser versehen oder im Störfall entbehrlich sind.

9. Kernkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der bei der Sprühkühlung entstehende Dampf über Kanäle (24) abgeführt wird, die zur Belüftung des zwischen dem biologischen Schild (20) und dem Stahl­ druckbehälter (3) vorhandenen Raumes (25) vorgesehen sind.

10. Kernkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Stahldruckbehälters (3) in dem biologichen Schild (20) eine Auffangwanne (32) für Kondenswasser vorgesehen ist, die über mindestens eine mit einer Pumpe (34) ausgestattete Rohrleitung (33) mit dem Hochbehälter (22) in Verbindung steht.