DE3814691C2 - - 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 32 12 266 bekannt. Bei dem hier beschriebenen Hochtemperaturreaktor han­ delt es sich um einen sogenannten HT-Kleinreaktor mit einer Leistung bis zu 250 MW_th, dessen Stahldruckbehälter von einem biologischen Schild umgeben ist. Dieser dient zugleich als Sicherheitshülle, d. h. er schützt das Kernkraftwerk gegen Ein­ wirkungen von außen. Um eine unzulässige Erwärmung des biologi­ schen Schildes zu vermeiden, weist der Schild ein Betonkühlsy­ stem auf, dem die Wärme von dem Stahldruckbehälter im wesentli­ chen 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.

Wie bereits erwähnt, erfolgt bei dem bekannten Kernkraftwerk die Wärmeabfuhr von dem Stahldruckbehälter hauptsächlich über Wärmestrahlung. Da diese erst bei höheren als den Betriebs­ temperaturen voll wirksam wird, treten beim Nachwärmeabfuhr­ betrieb in dem relativ seltenen Fall des Ausfalls der nor­ malerweise die Nachwärmeabfuhr übernehmenden Einrichtungen zwangsläufig hohe Temperaturen am Stahldruckbehälter und den umliegenden Komponenten (Abschalteinrichtungen, Kühlgasgebläse u. a.) auf. Dadurch können unter Umständen Schäden an dem Stahl­ druckbehälter und den umliegenden Komponenten entstehen, die Reparaturen oder den Austausch von Bauteilen erforderlich machen. Um dies zu vermeiden und den Weiterbetrieb der Anlage sicherzustellen, müßten aufwendige Schutzeinrichtungen, die das Auftreten unzulässig hoher Temperaturen verhindern, in dem Kernkraftwerk installiert werden.

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 Proble­ matik 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 sonstigen Störfällen bzw. kerntechnischen Unfällen 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 verwendet. Es ist auch bekannt, sie in Kern­ kraftwerken bei Störfällen einzusetzen. Sie dienen hier - wie z. B. in der DE-PS 28 09 076 und der EP 02 32 186 A2 beschrieben - im wesentlichen dazu, aus dem Reaktordruckbehälter in den Reak­ torsicherheitsbehälter ausgetretenen Dampf zu kondensieren und damit den Druck in dem Reaktorsicherheitsbehälter abzusenken. Die Verwendung einer Sprühanlage zur Kühlung des Reaktordruck­ behälters ist bisher jedoch noch nicht vorgeschlagen worden. Da die Sprühanlage die Funktion einer Sicherheitseinrichtung hat, wird eine extrem hohe Zuverlässigkeit, Funktionsfähigkeit und Wirksamkeit von dieser Einrichtung verlangt.

Eine intensive Kühlung mittels der o. g. Notkühl­ einrichtung ist nur für die Dauer einiger Stunden erforderlich, so daß der Wasservorrat des Versorgungssystems ausreicht. Anschließend kann die Nachzerfallswärme ohne wesentlich erhöhte Temperaturen des Stahldruckbehälters mit einer deutlich ge­ ringeren Sprühleistung der Sprühanlage abgeführt werden. Es besteht auch die Möglichkeit, in dem Versorgungssystem eine Einrichtung zum Nachspeisen von Wasser vorzusehen. Dadurch kann die Notkühleinrichtung ihre Funktion beliebig lange ausüben.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteran­ sprüchen sowie der folgenden Beschreibung eines Ausführungs­ beispiels im Zusammenhang nit 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-Kleinreaktor 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 Dampfer­ zeuger 2 nachgeschaltete Kühlgasgebläse 5 aufgesetzt sind. Aus dem oberen Bereich des 8tahldruckbehälters 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 Einrichtungen vorgesehen. Die erste Abschalteinrichtung be­ steht aus einer Anzahl von in Bohrungen des Seitenreflektors 10 einfahrbaren Absorberstäben 17 sowie den zugehörigen Staban­ trieben 18. Letztere sind außerhalb des Stahldruckbehälters 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 Zugabebehältern 19, die ebenfalls außerhalb 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 (unbenetzte Bereiche bis zu 0,5 m Breite bleiben ohne Bedeu­ tung). Die Stärke der Sprühleistung ist dem örtlichen Wärmean­ fall angepaßt, 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.

Als Versorgungssystem für die Sprühanlage 26 wird das Beton­ kühlsystem benutzt. Mittels redundant ausgeführter Zuleitungs­ rohre 28, die an den Hochbehälter 22 angeschlossen sind, wird die Sprühanlage 26 mit Wasser versorgt. Jedes Zuleitungsrohr 28 weist in seinem Anschlußbereich ein von Hand zu öffnendes er­ stes Einlaßventil 29 auf, wobei die Ventilöffnung durch Unter­ brechung der Haltespannung des Einlaßventils 29 erfolgt. Es stehen hierzu 1 bis 2 Stunden Zeit zur Verfügung, da die Tempe­ raturen des Stahldruckbehälters nach Ausfall der betrieblichen Nachwärmeabfuhreinrichtungen erst nach Ablauf dieser Zeit an­ steigen. Die betriebliche Nachwärmeabfuhr wird bei dem hier beschriebenen Kernkraftwerk mit dem Dampferzeuger 2 und seinem Sekundärkreislauf 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 ein zweites Einlaß­ ventil 30 angeordnet, das bei einem bestimmten Druck- oder Temperaturanstieg automatisch geöffnet wird. Statt eines Ven­ tils kann auch eine Berstscheibe vorgesehen sein. In letzterem Fall wird die Auslösung direkt von dem in dem Hochbehälter 22 herrschenden Druck gesteuert. Soll der Temperaturanstieg zur Auslösung der zweiten Einlaßventile 30 ausgenutzt werden, so sind an der Oberfläche des Stahldruckbehälters 3 entweder Temperaturmeßgeräte wie Thermofühler oder Pyrometer anzubringen (die bei einem bestimmten Temperaturwert die Einlaßventile 30 elektrisch entriegeln), oder es kommen an dem Stahldruckbehäl­ ter 3 anzuordnende Schmelzsicherungen zum Einsatz. Diese unter­ brechen bei Überschreiten einer vorgegebenen Maximaltemperatur die Haltespannung der Einlaßventile 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 biologischen 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 abströmen.

Im folgenden wird im Zusammenhang die Funktionsweise einer Sprühanlage 26 beschrieben, deren Auslösung automatisch (bei Versagen der Handauslösung) durch Druckanstieg im Hochbehälter 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 Einlaßventile 30 (oder Berstscheiben) geöffnet. Zur Verhinderung eines Temperaturanstiegs im oberen Behälterbereich und für eine zusätzliche Abkühlung des Stahl­ druckbehälters 3 um etwa 100°C/h ist in diesem Bereich eine Sprühwassermenge je Quadratmeter von ca. 40 l/h erforderlich. Im unteren Bereich wird entsprechend weniger Sprühwasser benö­ tigt. Für einen Stahldruckbehälter 3 mit einer Oberfläche von ca. 500 m² sind demnach etwa 10 m³/h Sprühwasser erforderlich. Nach einigen Stunden intensiver Sprühkühlung kann die Sprühwas­ sermenge auf ca. 2 m³/h reduziert werden, oder die Nachwärme kann allein über das Betonkühlsystem abgeführt werden.

Mit dieser 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 (7)

1. Kernkraftwerk mit einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor (1) niedriger Leistung, dessen Kern (8) von kugel- oder blockförmigen Brennelementen gebildet wird, mit einem Wärmenutzungssystem (2) und mit einem Stahldruckbehälter (3) zur Aufnahme des Hochtemperaturreaktors und des Warme­ nutzungssystems, dem Kühlgasgebläse (5) nachgeschaltet sind und mit einem den Stahldruckbehälter (3) mit Abstand umgebenden biologischen Schild (20) aus Beton, gekenn­ zeichnet 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) angeordnete Sprühanlage (26) vorgesehen;
• b) die Anordnung der Sprühdüsen (27) der Sprühanlage (26) ist so getroffen, daß die gesamte Oberfläche des Stahldruckbehälters (3) benetzt wird;
• c) die Sprühanlage (26) ist mittels redundant ausgeführ­ ter, mit Absperrarmaturen (29, 30) bestückter Zulei­ tungsrohre (28) an ein Versorgungssytem angeschlos­ sen.

2. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Zuleitungsrohr (28) ein von Hand zu öffnendes erstes Einlaßventil (29) vorgesehen ist und daß zu jedem ersten Einlaßventil (29) ein zweites Einlaßventil (30) parallelgeschaltet ist, dessen Öffnung bei Erreichung eines bestimmten Druckes in dem Versorgungssystem oder einer bestimmten Oberflächentemperatur des Stahldruckbe­ hälters (3) automatisch erfolgt.

3. Kernkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem Versorgungssystem befind­ liche Wasser unter einem geringen Überdruck steht und die Sprühdüsen (27) so ausgelegt sind, daß dieser Überdruck zum Versprühen ausreicht.

4. Kernkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühleistung der Sprühanlage (26) dem zu erwartenden örtlichen Wärmeanfall am Stahl­ druckbehälter (3) angepaßt ist.

5. Kernkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Sprühdüsen (27) so getroffen ist, daß bei Ausfall mehrerer Sprühdüsen (27) die Kühlfunktion der Sprühanlage (26) nicht beeinträchtigt wird.

6. Kernkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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.

7. Kernkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Stahldruckbehälters (3) in dem biologischen Schild (20) eine Auffangwanne (32) für Kondenswasser vorgesehen ist, die über mindestens eine mit einer Pumpe (34) ausgestattete Rohrleitung (33) mit dem Versorgungssystem in Verbindung steht.