DE3923962A1 - Hochtemperaturreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochtemperaturreaktor mit wenigstens einem Reaktorkern, der mit Brennelementen versehen ist und einen untenseitigen Kühlgaszutritt und einen obenseitigen Kühlgasaustritt für die Durchströmung des Reaktorkerns mit Kühlgas von unten nach oben aufweist.

Hochtemperaturreaktoren, die nach dem Prinzip des aufwärts durchströmten Reaktorkerns betrieben werden, sind durch den AVR-Versuchsreaktor der Kernforschungsanlage Jülich GmbH bekanntgeworden. Dieses Prinzip wird auch bei dem HTR-100 angewendet, der für die Versorgung größerer Industriebetriebe mit Strom und Wärme bestimmt ist. Beide Reaktoren besitzen oberhalb des Deckenreflektors einen Dampferzeuger, in dem das nach oben aus dem Reaktorkern ausströmende und erhitzte Kühlgas - hierfür wird in der Regel Helium verwendet - seine Wärme an einen Wasserdampfkreislauf abgibt. Der Wasserdampf kann dann für gewünschte Zwecke verwendet werden.

Bei einer Reaktorabschaltung muß die dann noch entstehende Wärme in einem kontrollierten Nachwärmeabfuhrbetrieb zuverlässig abgeführt werden. Bei den vorgenannten Hochtemperaturreaktoren bleibt die Aufwärtsströmung des Kühlgases im Reaktorkern auf Grund von Naturkonvektion erhalten. Die Wärmeabfuhr geschieht dann über den Dampferzeuger. Bei Ausfall des Dampferzeugers bleibt nur die Wärmeabfuhr durch Abstrahlung, Leitung und Konvektion. Bei größeren Leistungseinheiten reicht dies jedoch nicht aus.

Bei Hochtemperaturreaktoren, deren Reaktorkern von oben nach unten, d. h. abwärts durchströmt ist, werden separate Nachwärmeabfuhr-Kreislaufsysteme vorgesehen (DE-PS 36 43 929). Dieses System besteht aus einem vertikal angeordneten Steigrohr und einem sich daran anschließenden, ebenfalls vertikal angeordneten Fallrohr, das zu einem mit einem Absperrventil versehenen Ausgang führt. Im oberen Teil des Fallrohrs ist ein Kühler vorgesehen. Im Normalbetrieb wird dieses Nachwärmeabfuhrsystem nicht durchströmt.

Bei Ausfall des Hauptgebläses im Primärkreislauf des Kühlgases wird ein Hilfsgebläse in Gang gesetzt, das das Kühlgas von der Unterseite des Reaktorkerns in die Steigleitung ansaugt, wo es sich im Kühler des anschließenden Fallrohrs abkühlt. Auf diese Weise wird ein Hilfskreislauf in Gang gesetzt, sofern der Kühler im Fallrohr hoch genug sitzt und die Temperaturdifferenz zwischen Steigleitung und Fallrohr groß genug ist. Nach kurzzeitigem Betrieb wird das Hilfsgebläse wieder abgeschaltet und eine Bypassklappe zur Umgehung des Hilfsgebläses geöffnet. Auf Grund von Naturkonvektion hält sich der Hilfskreislauf des Kühlmittels selbsttätig und in der geforderten Richtung mit Abwärtsströmung im Reaktorkern trotz der dortigen Aufheizung des Kühlgases aufrecht. Die Nachwärmeabfuhr geschieht über den Kühler im Fallrohr.

Um den Nachwärmeabfuhr-Kreislauf auch bei einem Ausfall des Hilfsgebläses sicherzustellen, ist unterhalb des Kühlers im Fallrohr ein Gasstrahlgebläse vorgesehen, das von außerhalb des Hochtemperaturreaktors gespeist wird, beispielsweise mit Flaschengas. Hierdurch wird im Fallrohr ein Sog erzeugt, der das Kühlmittel aus dem Reaktorkern in die Steigleitung und anschließend durch den Kühler in das Fallrohr treibt. Das Gasstrahlgebläse dient - wie das Hilfsgebläse - nur der Initiierung des Nachwärmeabfuhr-Kreislaufs. Nach Beendigung der Funktion des Gasstrahlgebläses stellt sich auch hier ein auf Grund Naturkonvektion aufrechterhaltener Kreislauf ein.

Durch die Anordnung eines solchen Gasstrahlgebläses kann auf das Hilfsgebläse verzichtet werden. Im allgemeinen wird jedoch das Hilfsgebläse beibehalten, um eine Nachwärmeabfuhr auch bei druckentlastetem Reaktor, bei dem die Kühlung des Reaktorkerns allein durch natürliche Konvektion ungenügend ist, sicherzustellen.

Das vorbeschriebene Nachwärmeabfuhrsystem hat wegen der Anordnung einer Steigleitung, eines Fallrohrs, eines Hilfsgebläses und eines Gasstrahlgebläses einen relativ komplizierten Aufbau. Außerdem muß der Kühler im Fallrohr so hoch angeordnet und so groß ausgelegt sein, daß die notwendige Temperaturdifferenz zur Aufrechterhaltung des Nachwärmeabfuhr- Kreislaufs auch tatsächlich erreicht wird. Hieran bestehen deshalb erhebliche Zweifel, weil sich das Kühlgas bei der Abwärtsströmung durch den Reaktorkern aufheizt und damit eher die Tendenz hat, seine Strömungsrichtung in diesen Bereich umzukehren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Nachwärmeabfuhrsystem für Hochtemperaturreaktoren der eingangs genannten Gattung bereitzustellen, das für eine zuverlässige Nachwärmeabfuhr unabhängig dafür sorgt, für welche Zwecke das Kühlgas verwendet wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Bypasskanal vorgesehen ist, dessen unteres Ende mit dem Kühlgaszutritt und dessen oberes Ende mit dem Kühlgasaustritt in Verbindung stehen, und daß in dem Bypasskanal ein Kühler zur Abkühlung eines durch den Bypasskanal strömenden Kühlgasteilstroms wenigstens im Nachwärmeabfuhrbetrieb angeordnet ist.

Erfindungsgemäß ist also parallel zum Reaktorkern ein Bypasskanal vorgesehen, durch den im Normalbetrieb ein Kühlgasteilstrom von unten nach oben strömt. Dieser Kühlgasteilstrom erhitzt sich nur unwesentlich und wird an dem Kühler noch etwas abgekühlt. Er vereinigt sich dann im Bereich des Kühlgasaustrittes wieder mit dem aus dem Reaktorkern kommenden Kühlgas. Nach einer Reaktorabschaltung bleibt die Aufwärtsströmung im Reaktorkern auf Grund von Naturkonvektion erhalten. Dagegen kommt die Aufwärtsströmung des vergleichsweise kalten Kühlgases in dem Bypasskanal zum Stillstand und kehrt sich von selbst um, weil das Kühlgas im Bypasskanal auf Grund der Naturkonvektion im Reaktorkern nach dorthin angesaugt wird. Gleichzeitig tritt hierdurch ein Teil des im Reaktorkern erhitzten Kühlgases im Bereich des Kühlgasaustrittes in den Bypasskanal ein und wird dort durch den Kühler abgekühlt, d. h. auch im Bypasskanal wird eine Naturkonvektionsströmung erzeugt. Der Nachwärmeabfuhr-Kreislauf durch den Bypasskanal wird auf diese Weise problemlos aufrechterhalten, denn die im Bypasskanal erzeugte Naturkonvektion wird durch die im Reaktorkern bewirkte Naturkonvektion unterstützt, d. h. die Naturkonvektionskräfte wirken an beiden Stellen in Kreislaufrichtung. Es bedarf somit weder für die Initiierung noch für die Aufrechterhaltung des Nachwärmeabfuhr-Kreislaufs eines zusätzlichen Gebläses mit Bypassklappe und/oder eines Gasstrahlgebläses, wie dies bei dem Nachwärmeabfuhr-System für Kernreaktoren mit abwärts durchströmtem Reaktorkern notwendig ist. Deshalb zeichnet sich das erfindungsgemäße Nachwärmeabfuhr-System durch hohe Funktionssicherheit und durch geringen konstruktiven Aufwand aus.

Dies schließt nicht aus, daß zur Steuerung des Kühlgasteilstroms im Bypasskanal zusätzlich Einrichtungen, wie z. B. Klappen, Hilfsgebläse oder dergleichen vorgesehen werden, wenn dies zweckmäßig ist, z. B. zur Unterstützung der Nachwärmeabfuhr bei drucklosem Reaktor.

Es versteht sich, daß auch mehrere solche Bypasskanäle vorgesehen sein können. Es liegt gleichfalls im Rahmen der Erfindung, wenn im Bypasskanal nicht nur ein, sondern mehrere Kühler angeordnet werden. Soweit hinsichtlich dieser Einrichtungen in den Ansprüchen nur die Einzahl verwendet wird, dient dies nur der sprachlichen Vereinfachung.

Vorzugsweise ist der Kühler im oberen Bereich des Bypasskanals, also so hoch wie möglich, angeordnet, weil hierdurch die Naturkonvektion im Bypasskanal gefördert wird.

Die Auslegung des Bypasskanals und des Kühlers hinsichtlich Strömungswiderstand und Querschnitt sollte danach ausgerichtet werden, daß im Nachwärmeabfuhrbetrieb ein hinreichend großer Kühlgasteilstrom durch den Bypasskanal geht, um eine ausreichende Nachwärmeabfuhrleistung zu gewährleisten, damit es allenfalls zu einer unwesentlichen Temperaturerhöhung im Reaktorkern kommt. Vorzugsweise sollte die Auslegung so geschehen, daß im Nachwärmeabfuhrbetrieb maximal bis zu 5% des gesamten Kühlgasmassenstroms im Normalbetrieb durch den Bypasskanal strömt, wobei Werte von ca. 1 bis 2% schon ausreichen. Im Normalbetrieb sollten maximal bis zu 10%, vorzugsweise bis zu 5% des Kühlgasmassenstroms durch den Bypasskanal gehen.

Von besonderem Vorteil ist, wenn der Kühler von einem gasförmigen Kühlmedium durchströmt wird und der Transport dieses Kühlmediums ebenfalls über Naturkonvektion erfolgt. Solche Kühler sind an sich bekannt (J. Singh, H. Barnert, H. Hohn, M. Mondry in STEAM GENERATOR CONCEPT OF A SMALL HTR FOR REHEATING AND FOR REMOVEL OF THE RESIDUAL HEAT im Tagungsbericht TECHNOLOGY OF STEAM GENERATORS FOR GAS-COOLED REACTORS, März 1987). Bei Verwendung eines solchen Kühlsystems ist das Nachwärmeabfuhr-System völlig passiv, d. h. seine einzelnen Teile funktionieren ohne äußere Energiezufuhr nur auf Grund der veränderten Bedingungen beim Abschalten des Kernreaktors.

Bei der Anordnung des Bypasskanals in Bezug auf den Reaktorkern muß darauf geachtet werden, daß der aus dem Bypasskanal kommende Kühlgasteilstrom gleichmäßig, d. h. über den Querschnitt verteilt in den Reaktorkern eintritt. Soweit es sich um einen Reaktorkern mit kreisförmigen oder einem ähnlichen Querschnitt handelt, sollten über dessen Umfang verteilt mehrere Bypasskanäle vorgesehen sein. Von besonderem Vorteil ist jedoch, wenn der Reaktorkern im Querschnitt ringförmig ausgebildet ist und einen zentralen Bypasskanal aufweist.

In der Zeichnung ist die Erfindung eines schematisch gehaltenen Ausführungsbeispiels näher veranschaulicht. Sie zeigt in einem Vertikalschnitt einen Hochtemperaturreaktor (1), wobei alle für das Verständnis der vorliegenden Erfindung unwesentlichen Bauteile weggelassen sind. In seinem Grundaufbau hat der Hochtemperaturreaktor (1) einen im Horizontalschnitt ringförmigen Reaktorkern (2), der eine Mittelsäule (3) umgibt. Im Reaktorkern befindet sich eine Kugelschüttung (4) aus kugelförmigen Brennelementen.

Der Reaktorkern (2) ist von einem Seitenreflektor (5), einem Bodenreflektor (6) und einem Deckenreflektor (7) umgeben. Sie bestehen sämtlich aus Graphitsteinen. Obenseitig wird der Hochtemperaturreaktor (1) durch eine Deckenplatte (8) und untenseitig durch eine Bodenplatte (9) abgeschlossen.

Der Reaktorkern (2) weist zwei Kühlgaszutritte (10, 11) und zwei Kühlgasaustritte (12, 13) auf. Die Kühlgaszutritte (10, 11) verlaufen zunächst horizontal und biegen dann nach oben um, wo sie über Durchströmkanäle (14, 15, 16, 17) durch den Bodenreflektor (6) bis in den Reaktorkern (2) reichen. Die Durchströmkanäle (14, 15, 16, 17) sind so ausgebildet, daß durch sie keine Brennelemente nach unten herausfallen können. Der Deckenreflektor (7) ist ebenfalls mit Durchströmkanälen (18, 19, 20, 21) durchsetzt, die Teile der Kühlgasaustritte (12, 13) sind. Diese führen horizontal nach außen heraus.

In der Mittelsäule (3) verläuft ein vertikakler Bypasskanal (22). An seinem oberen Ende hat er Verbindung zu beiden Kühlgasaustritten (12, 13), während er am unteren Ende zu den Kühlgaszutritten (10, 11) offen ist. Am oberen Ende ist der Bypasskanal (22) erweitert. Dort ist ein Kühler (23) angeordnet, der auf der einen Seite mit einem Kühlmediumzutritt (24) und auf der anderen Seite mit einem Kühlmediumaustritt (25) verbunden ist. Als Kühlmedium wird Gas, beispielsweise Stickstoff oder Helium verwendet. Der Transport des Kühlmediums geschieht auf Grund von Naturkonvektion in einem Kühlmediumkreislauf. Die anderen Teile dieses Kreislaufs sind hier nicht näher dargestellt. Die konstruktive Gestaltung eines solchen Kühlsystems auf der Basis von Naturkonvektion ist jedoch im Stand der Technik bekannt.

Der vorstehend beschriebene Hochtemperaturreaktor (1) arbeitet wie folgt.

Im Normalbetrieb strömt das von einem Hauptgebläse angetriebene Kühlgas - entsprechend der durch die weißen Pfeile angegebenen Richtung - über die Kühlgaszutritte (14, 15) in den Hochtemperaturreaktor (1) ein. Auf Grund einer entsprechenden Auslegung von Querschnitt und Strömungswiderstand im Bypasskanal (22) strömt ein Hauptkühlgasmassenstrom über die Durchströmkanäle (14, 15, 16, 17) in den Reaktorkern (2) ein und durchströmt dann die Kugelschüttungen (4). Hierdurch wird der mit ca. 400°C eintretende Hauptkühlgasmassenstrom - je nach Auslegung - bis auf ca. 1000°C aufgeheizt. Über die Kühlgasaustritte (12, 13) gelangt das so erhitzte Kühlgas nach draußen und kann dann in nachgeschalteten, hier nicht näher dargestellten Einrichtungen für verschiedene Zwecke genutzt werden, beispielsweise für die Dampferzeugung, die Prozeßwärmeanwendung oder die Energiegewinnung in einer Heliumgasturbine.

Auf Grund der Verbindung mit den Kühlgaszutritten (10, 11) wird ein Nebenkühlgasmassenstrom abgezweigt und strömt - ebenfalls mit einer Temperatur von ca. 400°C - in den Bypasskanal (22) nach oben. Dort trifft es auf den Kühler (23), wo es noch etwas abgekühlt wird. Danach vereinigt sich dieser Nebenkühlgasmassenstrom wieder mit dem aus dem Reaktorkern (2) austretenden Hauptkühlgasmassenstrom und verläßt den Hochtemperaturreaktor (1) über die Kühlgasaustritte (12, 13). Sowohl die Strömung durch den Reaktorkern (2) als auch die durch den Bypasskanal (22) wird somit durch die Zwangsumwälzung mittels des Hauptgebläses im Primärkreislauf des Kühlgases aufrecherhalten.

Nach einer Reaktorabschaltung - beispielsweise auf Grund des Ausfalls des Hauptgebläses - ist diese Zwangsumwälzung unterbrochen. Die Aufwärtsströmung im Reaktorkern (2) bleibt jedoch erhalten, weil dem Kühlgas durch die Aufheizung in der Kugelschüttung (4) eine Naturkonvektionsströmung von unten nach oben aufgeprägt wird. Dagegen kommt die Aufwärtsströmung des Nebenkühlgasmassenstroms im Bypasskanal (22) mangels Zwangskräften und mangels Erwärmung von selbst zum Stillstand. Auf Grund der von der Naturkonvektion im Reaktorkern (2) ausgehenden Sogwirkung kommt es dann zwangsläufig zu einer Umkehrung der Strömung im Bypasskanal (22), d. h. der - vergleichsweise kühle - Nebenkühlgasmassenstrom im Bypasskanal (22) strömt jetzt nach unten - entsprechend den schwarzen Pfeilen -, vereinigt sich mit den Hauptkühlgasmassenströmen im Bereich der Kühlgaszutritte (10, 11) und gelangt auf diese Weise in den Reaktorkern (2). Dies wiederum bewirkt ein Nachströmen von Kühlgas aus den Kühlgasaustritten (12, 13) in den Bypasskanal (22). Der mit hoher Temperatur bei 1000°C eintretende Nebenkühlgasmassenstrom wird am Kühler (23) abgekühlt, wodurch auch im Bypasskanal (22) eine Quelle für Naturkonvektion - hier jedoch in Abwärtsrichtung - gebildet ist. Es stellt sich - entsprechend den schwarzen Pfeilen - eine sekundäre Kreislaufströmung ein, wobei die Anordnung und Dimensionierung des Kühlers (23), die Querschnittsgestaltung und der Strömungswiderstand des Bypasskanals (22) so ausgelegt sind, daß im stationären Nachwärmeabfuhrbetrieb ein Nebenkühlgasmassenstrom entsteht, der etwa 1 bis 2% des gesamten Kühlgasmassenstroms beträgt. Dies gewährleistet eine ausreichende Nachwärmeabfuhr ohne wesentliche Temperaturerhöhung im Reaktorkern (2).

Was die Kühlleistung durch das zum Kühler (23) gehörende Kühlsystem angeht, wird der Kühler (23) im Normalbetrieb mit einer maximalen Temperatur von 400°C beaufschlagt. Diese Temperatur steht einer Zutrittstemperatur des Kühlmediums von praktisch Umgebungstemperatur gegenüber, wobei die Temperaturdifferenz für die Naturkonvektion im Kühlsystem sorgt. Im Nachwärmeabfuhrbetrieb ist der Kühler (23) mit dem erhitzten Nebenkühlgasmassenstrom mit einer Temperatur von ca. 1000°C beaufschlagt, was zu einer entsprechenden Aufheizung des Kühlmediums im Kühler (23) führt. Hierdurch entsteht eine gegenüber dem Normalbetrieb wesentlich höhere Temperaturdifferenz, was zur Folge hat, daß der Massenstrom im Kühlmediumkreislauf sich entsprechend erhöht. Dies wiederum bewirkt einen entsprechend vergrößerten Wärmetransport aus dem Nebenkühlgasmassenstrom über den Kühler (23) in das durch ihn hindurchströmende Kühlmedium. Dies bedeutet, daß der Kühler (23) wunschgemäß im Nachwärmeabfuhr-Betrieb besonders wirksam arbeitet.

Das erfindungsgemäße Nachwärmeabfuhr-System arbeitet vollkommen passiv und zeichnet sich deshalb durch hohe Funktionssicherheit aus. Es ist völlig unabhängig von der Ausgestaltung und Funktion der nachgeschalteten Einrichtung zur Nutzung der im Kühlgas enthaltenen Wärmeenergie. Der erfindungsgemäße Hochtemperaturreaktor (1) läßt sich deshalb auch dort verwenden, wo im Primärkreislauf des Kühlgases keine Dampferzeuger oder besondere Kühleinrichtungen vorhanden sind.

Claims (7)

1. Hochtemperaturreaktor mit wenigstens einem Reaktorkern, der mit Brennelementen versehen ist und einen untenseitigen Kühlgaszutritt und einen obenseitigen Kühlgasaustritt für die Durchströmung des Reaktorkerns mit Kühlgas von unten nach oben aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bypasskanal (22) vorgesehen ist, dessen unteres Ende mit dem Kühlgaszutritt (10, 11) und dessen oberes Ende mit dem Kühlgasaustritt (12, 13) in Verbindung stehen, und daß in dem Bypasskanal (22) wenigstens ein Kühler (23) zur Abkühlung eines durch den Bypasskanal (22) strömenden Kühlgasteilstroms zumindest im Nachwärmeabfuhrbetrieb angeordnet ist.

2. Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler (23) im oberen Bereich des Bypasskanals (22) angeordnet ist.

3. Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Strömungswiderstand und Querschnitte des Bypasskanals (22) so ausgelegt sind, daß im Nachwärmeabfuhrbetrieb bis zu 5% des gesamten Kühlgasmassenstroms im Normalbetrieb durch den Bypasskanal (22) abwärts strömen.

4. Hochtemperaturreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Strömungswiderstand und Querschnitte des Bypasskanals (22) so ausgelegt sind, daß im Normalbetrieb bis zu 10% des gesamten Kühlgasmassenstroms durch den Bypasskanal (22) aufwärts strömt.

5. Hochtemperaturreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler (23) von einem gasförmigen Kühlmedium durchströmt ist und der Transport des Kühlmediums über Naturkonvektion erfolgt.

6. Hochtemperaturreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorkern (2) kreisförmigen Querschnitt hat und über seinen Umfang verteilt mehrere Bypasskanäle vorgesehen sind.

7. Hochtemperaturreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorkern (2) im Querschnitt ringförmig ausgebildet ist und einen zentralen Bypasskanal (22) aufweist.