-
Re f lek tordeeke für Ilochtemperaturreaktor
-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen gasgekiihlten Hochtemperaturreaktor
mit gekühlter F flektordecke und einem von oben nach unten durch die Spaltzone gerichteten
ersten Kilhigasstrom. Dabei besteht die Spaltzone vorzugsweise aus einer Schüttung
von kugelförmigen Brennelemenlen, die mit Helium gekühlt werden. Das erhitzte Helium
gJbt seine Wärme in verfahrenstechnischen Anlagen oder in einer Anlage zur Stromerzeugung
wieder ab. Die Spaltzone ist in einem Druckbehälter enthalten, der zur Erzielung
der notwendigen Dichtigkeit mit einer Auskleidung versehen ist, die zum Schutz vor
der von der Spaltzone abgestrahlten Hitze, Neutronen- und Gammastrahlung isoliert
und gekühlt werden muß. Dabei stellt die Decke des Druckbehälters wegen der in ihr
angeordneten Meß- und Regelvorrichtungen ein besonderes Problem dar, zu dessen Bewältigung
eine von der Druckbehälterdecke abgehängte Reflektordecke angeordnet wird, die ihrerseits
ebenfalls gekühlt werden muß, insbesondere um ein Versagen der die Reflektordecke
tragenden Bauelemente zu vermeiden.
-
Auch bei abgeschaltetem Reaktor wird in der Spaltzone infolge Nachzerfalls
eine erhebliche Wärmemenge freigesetzt,
die über den ersten Kühlkreislauf
bei verminderter Leistung des dazugehörigen Gebläses abgeführt werden kann. Wird
jedoch ein Versagen dieses Geblä:.es unterstellt, kommt es infolge Naturkonvektion
zu einer Umkehrung der Strömung im ersten Kühlkreislauf und damit zu einer erhöhten
thermischen Belastung der nunmehr von aufgeheiztem Gas angeströmten Reflektordecke,
die im Normalbetrieb durch das verhältnismäßig kühle, in den Reaktor eintretende
Gas bestrichen wurde. In dem Vortrag von Dr. H. Reutler: "Nachwärmeabfuhr ohne Zwangsumlauf
bei Hochtemperaturreaktoren"^, gehalten auf der Reaktortagung 1976, ist eine Deckenkonstruktion
vorgeschlagen worden, bei der diese selbst als Wärmetauscher ausgestaltet ist und
die durch die Decke aufgenommene Wärme mittels eines im Naturumlauf zirkulierenden
Sekundärkühlmittels abgeführt wird. Dies bedeutet, daß das Kühlmittel eine hohe
Wärmekapazität besitzen muß, d. h., daß Gase und insbesondere Helium nicht dafür
in Frage kommen. Die Verwendung von Wasser als Kühlmittel begegnet jedoch u. a.
-
wegen der neutronenphysikalischen Folgen (Wasser wirkt als Moderator)
bei einer möglichen Beschädigung der Reflektordecke und damit des Wärmetauschers
Bedenken.
-
Äls Baustoff für eine Reflektordecke empfiehlt sich wegen seiner hohen
chemischen und Wärmebeständigkeit und wegen seiner neutronenphysikalischen Eigenschaften
in erster Linie Graphit, der in Gestalt von Formblöcken zum Einsatz kommt. Wegen
ungenügender Zugfestigkeit des Graphits muß eine daraus aufgebaute und hängend angeordnete
Decke mit einer metallenen Tragkonstruktion versehen werden, die wiederum vor hohen
Temperaturen geschtitzt werden muß.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein gasgekühlter Hochtemperaturreaktor
mit einer abgehängten Reflektordecke,
die sowohl im Normalbetrieb
als auch bei Nachwärmeabfuhr durch Naturumlauf ausreichend gekühlt wird und die
darüberhinaus eine gleichmäßige Beaufschlagung der Spaltzone mit dem aufzuheizenden
Gas bewirkt.
-
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß unterhalb
der Reflektordecke im Abstand zu ihr eine mit Öffnungen versehene Zwischendecke
allgeordnet ist, die mit der Reflektordecke einen Eintritts- und Verteilungsraum
für den ersten Kühlgasstrom begrenzt. Das in den Reaktor eintretende, verhältnismäßig
kühle Gas wird so optimal für die Kühlung der Reflektordecke nutzbar gemacht, indem
alle Teile derselben gleichmäßig von dem Gas bestrichen werden, ehe es durch die
Öffnungen in der Zwischendecke in den Raum oberhalb der Spaltzone austritt. Durch
eine ungleichmäßige Verteilung dcr Öffnungen über die Zwischendecke kann örtlich
unterschiedlichen Wärmebelastungen der Decke entsprochen werden. Zugleich schützt
die Zwischendecke die Reflektordecke vor Wärmestrahlung aus der Spaltzone.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Oberseite der Reflektordecke
mittels eines zweiten Kühlgasstromes gekühlt, der in einem unabhängigen Kreislauf
geführt wird und vorzugsweise durch ein Gebläse aufrechterhalten wird, das mit einer
Wärmekraftmaschine betrieben wird, die ihren Wärmebedarf eben dem zweiten Kühlgasstrom
entzieht. Dieser zweite Kühlgasstrom bleibt auch bei Nachwärmeabfuhr erhalten und
kann dann sogar verstärkt werden, um die dann erhöhte Wärmebelastung der Reflektordecke
auszugleichen.
-
In vorteilhafter Ausgestaltung dieses Erfindungsgedankens sind Reflektor-
und Zwischendecke an einem gemeinsamen, durch den zweiten Kühlgasstrom gekühlten
Traggerüst aufgehängt. Die gemeinsame Aufhängung vereinfacht und verbilligt die
Konstrllktion, und die Kühlung durch den vom auptbetrieb unabhängigen zweiten Kühlgasstrom
und gewährleistet eine ausreichende Kühlung der kritischen Teile der Deckenkonstruktion
auch bei Ausfall des Hauptkühlgasstroz.les .
-
Gemäß einem weiteren Merkmalder Erfindung ist das Traggeri.ist im
Eintritts- und Verteilungsraum innerhalb von istanzstücken geführt, die den Abstand
zwischen Reflektor-und Zwischendecke überbrücken, so daß das Traggerüst der Einwirkung
des zwar relativ kühlen, absolut jedoch sehr hn-ißen (ca. 3000C) in den Reaktor
eintretenden Kühlgases entzogen ist. Diese Distanzstücke sind zweckmäßigeL:,-ise
ebenso wie die Decken selbst aus Graphit hergestellt.
-
Um die wdrmedämmung der Reflektordecke zu erhöhen und damit den Schutz
des Druckbehälters zu verbessern, wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen,
daß die Reflektordecke aus mehreren, auf dem größten Teil ihrer Fläche durch gasgefüllte
Zwischenräume voneinander getrennten Schichten besteht. Da die Decke ohnehin aus
einer Vielzahl von Graphitblöcken zusammengesetzt werden muß, kann durch entsprechende
Formgebung derselben erreicht werden, daß die geforderten Zwischenräume in Form
von Aussparungen an den Blöcken hergestellt werden.
-
Eine solche, aus einer Vielzahl von einzelnen Graphitblöcken aufgebaute
Reflektordecke ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß die Fugen zwischen den einzelnen Blöcken durch Dichtleisten verschlossen sind,
die in seitlich an den Blöcken ausgesparte Nuten fassen. Dadurch wird sowohl in
bekannter Weise eine Zirkulation des Kühlgases durch die Spalte zwischen den Blöcken
hindurch (die zu einer unerwünschten Vermischung der Gase aus dem ersten und zweiten
Kühlgasstrom führen würde) und damit eine Gefährdung der Druckbehälterwand vermieden
als auch eine zusätzliche Sicherung gegen das Herallsfallen einzelner Blöcke aus
der Decke geschaffen, falls ein Element der Tragkonstruktion versagen sollte.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt,
und zwar zeigt Figur 1 stark vereinfacht den Kernreaktor und schematisch die zum
Betrieb seiner Kühlkreisläufe nötigen Hilfsanlagen und Figur 2 in vergrößertem Maßstab
Einzelheiten der erfindungsemäßcn Deckenkonstruktion.
-
Der erfindungsgemäße Kernreaktor besteht aus einem Druckbehälter 1,
der eine Spaltzone 2 umschließt, die aus einer Vielzahl von lose aufeinandergeschütten
sphärischen Brennelementen besteht und die in bekannter Weise mit Hilfe hier nicht
dargestellter Vorrichtungen geregelt und abgeschaltet werden kann. Der Druckbehälter,
der aus Spannbeton oder aus einer Anzahl von Graugußblöcken gebildet sein kann,
ist auf seiner Innenseite mit einer Wärmeisolierung 3 (z. B. aus hohlen Keramikkörpern)
versehen, die einen Teil seines Schutzes vor der in der Spaltzone 2 entwickelten
Wärme bildet. Die Dichtigkeit des Druckbehälters 1 wird durch eine dünne stählerne
Auskleidung 4 (sogenannter Liner) gewährleistet, die aus einzelnen, dicht miteinander
verschweißten Blechen aufgebaut ist. Von der Decke des Druckbehälters 1 ist eine
aus Graphit hergestellte Reflektordecke 5 abgehängt. Die Spaltzone 2 wird durch
einen Strom von Helium gekühlt, das in einem ersten Kühlkreislauf 7 mit Hilfe eines
ersten Gebläses 9 umgewälzt wird, seine Wärme in einem Wärmetauscher 8 an hier nur
angedeutete sekundäre Kreisläufe abgibt, wo sie als Prozeß»§rme oder zur Dampferzeugung
verwendet wird und das schließlich abgekühlt am oberen Ende des Reaktordruckbehälters
1 wieder in diesen eintritt. Dabei bestreicht das kohle
Gas die
Unterseite der Reflektordecke 5 und trägt so zu deren Kühlung bei. Eine unterhalb
der Reflektordecke 5 angeordnete, ebenfalls aus Graphit hergestellte und mit Öffnungen
versehene Zwischendecke 27 sorgt für eine gleichmäßige Verteilung des Kühlgases
und damit für eine gleichmäßige Beaufschlagung der Spaltzone 2. Dabei bildet ein
Zwischenraum 29 zwischen Reflektordecke 5 und Zwischendecke 27 den Eintritts- und
Verteilungsraum für das Kühlgas. Der Zwischenraum zwischen der Reflektordecke 5
und dem Druckbehälter 1 bildet einen Teil eines zweiten Kühlkreislaufes 10, durch
den die Reflektordecke 5 und insbesondere ihre weiter unten beschriebene Tragkonstruktion
auf zulässige Tempergaturen her.sbgekühlt werden. Der zweite Kühlkreislauf 10 wird
durch ein zweites Gebläse 11 in Gang gehalten. Da der zweite Kühlkreislauf 10 unter
einem höheren Druck als der erste Kühlkreislauf 7 steht, wenn er auch ebenfalls
mit Helium betrieben wird, wirken sich kleine Undichtigkeiten in der Reflektordecke
5 dahingehend aus, daß Gas aus dem zweiten Yühlkreislauf in den ersten Kühlkreislauf
7 sickert. Ein Eindringen radioaktiver Stoffe aus dem ersten Kühlkreislauf 7 in
den zweiten Kühlkreislauf 10 wird so vermieden. Ersterer weist eine Reinigungsanlage
12 auf, in der das Gas von solchen Spaltprodukten befreit werden kann und die über
eine Umgehungsleitung 25 zum ersten Kühlkreislauf 7 parallel geschaltet ist. Der
Großteil des gereinigten Gases wird über eine Leitung 26 wieder in den ersten Kühlkreislauf
7 eingespeist, wogegen der Überschuß mittels eines Kompressors in einen Gasvorratsbehälter
14 gepumpt wird, der wiederum unter höherem Druck steht als der zweite Kühlkreislauf
10 und aus dem dessen Gasverluste ersetzt werden, und zwar über die gesamte Abklingperiode
der Brennelemente bei einem Störfall
auch dann, wenn infolge falls
des ersten Kühikreislaufes 7 der Vorratsbehälter 14 in dieser Zeit nicht nachgefüllt
werden kann. Das im zweiten Kühlkreislauf 10 zirkulierende Gas treibt entweder eine
hier nicht dargestellte Gasturbine, die an die Stelle der weiter unten angeführten
Dampfturbine treten würde oder aber wird, wie hier dargestellt, in einem Dampferzeuger
15 zur Dampferzeugung genutzt. Mit dem Dampf wird eine Turhine 16 betrieben, die
ihrerseits das zweite Gebläse 11 antreibt. Der aus der Turbine 16 austretende Dampf
wird in einem Kondensator 17 kondensiert und in einem Wasservorratsbehälter 22 gespeichert,
aus dem Wasserverluste des Wasser-/Dampfkreislaufes 21 ausgeglichen werden können,
damit seine Funktionsfähigkeit über längere Zeiträume sichergestellt ist, wie sie
bis zum Abklingen der N3-c--rTallswYrme auf einen geringen Wert verstreichen können.
Die Versorgung des Dampferzeugers 15 mit Speisewasser wird durch eine ebenfalls
durch die Dampfturbine 16 angetriebene Speisewasserpumpe 20 sichergestellt.
-
Wird in einem Störfall der Reaktor abgeschaltet und verzogen sämtliche
erste Kühlkreisläufe 7 (von denen hier nur einer dargestellt ist), beispielsweise
infolge Ausfalls der ersten Gebläse 9, kehrt sich infolge der natürlichen Konvektion
die Richtung der Gasströmung im Druckbehälter um, und das durch die Nachzerfallswärme
in der Spaltzone 2 aufgeheizte Helium trifft unmittelbar auf die Reflektordecke
5. Durch den Wärmeübergang durch diese wird auch das Gas im zweiten Kühlkreislauf
10 stärker aufgeheizt und gibt im Dampferzeuger 15 eine größere Wärmemenge durch
erhöhte Dampferzeugung ab. Dadurch läuft die Dampfturbine 16 schneller, treibt das
zweite Gebläse 11 mit erhöhter Drehzahl und sorgt so für eine für die Kühlung
der
Reflektordecke 5 ausreichende Umwälzung des Gases im zweiten Kühlkreislauf 10. Ebenso
läuft eine gleichfalls durch die Dampfturbine 16 angetriebene Pumpe 19 schneller,
wodurch ein erhöhter Wasserdurchsatz durch einen dritten Kühlkreislauf 18 erfolgt,
durch den eine sichere Kühlung der Druckbehälterausklr>idung 4 gewährleistet
wird. Der dritte Kühlkreislauf 18 schließt eine externe Wärmesenke 23, beispielsweise
einen Kühlturm ein. Der zweite Kühlkreislauf 10 kann, wenn der Wärmeentzug im Wärmetauscher
15 nicht ausreichen sollte, zusätzlich mit einem Luftkühler 24 versehen werden.
-
Wie die Figur 2 näher zeigt, ist die Druckbehälterauskleidung 4 an
ihrer Außenseite mit einer Anzahl von Kühlrohren 34 versehen, die immer abwechselnd
einen nicht mehr dargestellten, mit gleichbleibender Kühlleistung betriebenen Grundlastkühlkreis
und dem dritten Kühlkreislauf 18 angehören, der mit unterschiedlicher Kühlleistung
entsprechend dem wechselnden Wärmeanfall als Regellastkühlkreis betrieben wird.
Zusätzlich zu der keramischen Isolierung 3 ist ein aus Gußstahlblöcken aufgebauter
thermischer Schild 35 vorgesehen. Die Reflektordecke 5, die Zwischendecke 27 und
ein seitlicher Reflektorschild 36 sind aus einzelnen Graphitblöcken 32 aufgebaut.
-
Die beiden ersteren werden durch ein stählernes, aus Rohren gebildetes
Traggerüst 6 gehalten, das seinerseits durch Strcben 37 und Anker 38 am Druckbehälter
1 befestigt ist.
-
Die Reflektordecke 5 und Zwischendecke 27 werden durch Distanzstücke
30 (die, wie hier gezeigt,an letztere angeformt sein können) auf Abstand gehalten,
so daß der Eintritts- und Verteilungsraum 29 für das abgekühlte Kühlgas gebildet
wird, aus dem es durch Öffnungen 28 in der Zwischendecke 27 der Spaltzone 2 zugeführt
wird.
-
Zugleich bewirken die Distanzstücke 30 den Schutz der entsprechenden
Teile der Tragkonstruktion 6 vor dem Gas des ersten Kühlkreislaufes 7. Die einzelnen
Blöcke der Reflektordecke 5 sind mit Aussparungen versehen, die einmal die Bildung
von Zwischenräumen 31 ermögichen, die mit stagnierendem Gas gefüllt sind und den
Wärmeübergang durch die Reflektordecke weiter herabsetzen, und die andererseits
das Einlegen von ebenfalls aus Graphit hergestellten Dichtleisten 33 ermöglichen,
durch die einerseits die hier übertrieben groß gezeichneten Spalte zwischen den
einzelnen Blöcken 32 abgedichtet werden und andererseits dieselben so miteinander
verbunden werden, daß sie auch bei Ausfall eines einzelnen Elementes der Tragkonstruktionen
6 noch gehalten werden.
-
Um den Wärmeübergang von der Zwischendecke 27 auf die Tragkonstruktion
6 möglichst herabzusetzen, sind zwischen beiden keramische Unterlegscheiben 39 angeordnet.
-
L e e r s e i t e