DE1084845B - Kernkraftanlage - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kernkraftanlage, bestehend aus einem mit natürlichem Uran betriebenen graphitmoderierten, gasgekühlten Kernreaktor, der mit einem im Kreislauf geführten gasförmigen Kühlmittel unter Überdruck arbeitet und in einem Druckbehälter angeordnet ist, welcher bei normalem Betrieb der Anlage dem vollen Druck des gasförmigen Kühlmittels ausgesetzt ist, ferner aus einem Wärmeaustauscher, der einen Teil eines Dampferzeugers bildet und Vorrichtungen zum Fortleiten erwärmten Kühlgases vom Reaktor zum Wärmeaustauscher und abgekühlten Kühlgases vom Wärmeaustauscher zum Reaktor einschließt, und aus Gebläseeinrichtungen, die zum Fördern des Kühlgases bestimmt sind. Kernkraftanlagen dieser Gattung sind bekannt, sie werden häufig als »Calder-Hall-Typ« bezeichnet. Bei den Anlagen der bekannten Gattung ist ein Reaktorgehäuse mit Reaktor und eine Vielzahl von Kesseln vorgesehen, die jeweils einen Wärmeaustauscher für die Dampferzeugung enthalten und mit dem Reaktorgehäuse durch Rohrleitungen für den Umlauf des Kühlmittels verbunden sind. Zum Ausgleich der während des Betriebes auftretenden beträchtlichen thermischen Ausdehnungen und Zusammenziehungen der Leitungen sind diese mit Absperrschiebern und Dehnungsfugen versehen. Auch das Fundament, auf dem das Reaktorgehäuse ruht, ist so ausgebildet, daß es dem Gehäuse Ausdehnungen und Zusammenziehungen gestattet und dessen waagerechte Stellung dabei sichert. Das Reaktorgehäuse selbst ist von einer dicken Betonwand als biologische Abschirmung umgeben, und die Wärmeaustauschkessel, die auf geeignetenTraggerüsten aufgestellt und mit Zugangsleitern und Galerien ausgestattet sind, stehen in verteilter Anordnung um das Gebäude mit dem abgeschirmten Reaktorgehäuse herum. Infolgedessen nimmt der Dampferzeugungsteil der Anlage eine beträchtliche Grundfläche ein und erfordert einen erheblichen Aufwand an Gebäuden, Traggerüsten und Zubehör. Durch die vielen Schweißstellen an den Rohrleitungen besteht überdies die Gefahr des Auftretens von Leckstellen, deren Überwachung wegen der flächenmäßigen Größe der Anlage sehr schwierig ist.

Es ist bereits eine Kernkraftanlage bekannt, die aus einem zur Erzeugung von Wärme geeigneten Kernreaktor, aus einem den Teil eines Dampferzeugers bildenden Wärmeaustauscher und aus einem einzigen Druckbehälter besteht, der sowohl den Wärmeaustauscher als auch den Kernreaktor enthält. Der Druckbehälter schließt in sich auch noch Vorrichtungen ein, die dazu dienen, erwärmtes Kühlmittel unter Überdruck vom Reaktor zum Wärmeaustauscher und abgekühltes Kühlmittel vom Wärmeaustauscher zum Reaktor zu leiten. Der Druckbehälter ist unter normalen Betriebsverhältnissen in seinem Innern dem Kernkraftanlage

Anmelder:
Babcock & Wilcox Limited, London

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Kühnemann, Patentanwalt,
Düsseldorf, Friedrichstr. 71

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 11. November 1955

William Robert Wootton, London,
ist als Erfinder genannt worden

vollen Druck des Kühlmittels ausgesetzt. Die Anordnung eines einzigen Druckbehälters für die Aufnahme des Wärmeaustauschers und des Kernreaktors ist bei der bekannten Anlage möglich, weil es sich bei dem Reaktor um einen schnellen Reaktor handelt, bei dem die kritische Größe und damit auch der Reaktor selbst sehr klein sind.

Bei einem Reaktor des mit natürlichem Uran arbeitenden graphitmoderierten, gasgekühlten Typs ist indes die kritische Masse des natürlichen Urans so groß, daß es unmöglich ist, einen solchen Reaktor mit einem Kern von weniger als etwa 40 t Uran und 385 t Graphit herzustellen. Die Menge des umgewälzten Kühlgases beträgt mindestens 101, beim Calder-Hall-Typ beträgt sie 20 t. Zur Umwälzung dieser Gasmenge sind Gebläse erforderlich, deren Antrieb einen erheblichen Energieaufwand nötig macht. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einer Anlage der eingangs genannten Gattung die großen Gaskanäle mit komplizierten Dehnungsfugen und großen Absperrschiebern weitestgehend zu vermeiden und eine vollständige Sicherheit gegen den Austritt von bestrahltem Kühlgas zu erreichen. Die Lösung geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß der Kernreaktor und der Wärmeaustauscher in an sich bekannter Weise, aber auch die Gebläseeinrichtungen und das Kreislaufsystem für das gasförmige Kühlmittel sämtlich innerhalb des Druckbehälters angeordnet sind. Auf diese Weise brauchen die Leitbleche lediglich die Kreislauf-Druckunterschiede auszuhalten, die in der Größenordnung von 0,4 kg/cm² liegen. Dadurch ist sowohl die Forderung nach Sicherheit erfüllt als auch vermieden, besonders große Gaskanäle vorzusehen, die in der Lage

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sein müßten, einen Innendruck von etwa 7 kg/cm² auszuhalten und große Wärmedehnungen aufzunehmen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele, die in der Zeichnung, teilweise schematisch, dargestellt sind. Es zeigt

Fig. 1 einen Aufriß einer Kernkraftanlage im Schnitt nach der Linie I-I der Fig. 2,

Fig. 2 eine Draufsicht im Schnitt nach der Linie H-II der Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht im Schnitt durch den in Fig. 1 dargestellten Druckbehälter nach der Linie III-III von Fig. 1,

Fig. 4 eine Seitenansicht eines Teils des in Fig. 2 dargestellten Druckbehälters im Schnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 2,

Fig. 5 eine Seitenansicht einer anderen Form der Kernkraftanlage im Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 6,

Fig. 6 einen Grundriß der in Fig. 5 dargestellten Anlage,

Fig. 7 eine Seitenansicht des Schnittes durch den unteren Teil einer weiteren Form der Kernkraftanlage,

Fig. 8 eine Seitenansicht des Schnittes durch eine vierte Form der Kernkraftanlage.

In der zunächst beschriebenen Ausführungsform der Erfindung, die in den Fig. 1 bis 4 der Zeichnungen dargestellt ist, ruht die komplette Kernkraftanlage 1 auf einer schweren Betonkonstruktion 2, von der ein Teil als biologischer Schutzmantel für einen Kernreaktors, der die Wärmequelle für die Kernkraftanlage darstellt, dient.

Die Betonkonstruktion 2 hat die Form eines aufrecht stehenden hohlen Zylinders und ist mit einem dicken Zwischenboden 5 versehen, der mit Stahlplatten bedeckt ist, wobei der Teil des Zylinders unterhalb des Bodens 5 einen Raum 6 zum Ab- und Antransport der Brennstoffelemente bildet. Der Raum 6 hat einen Boden 7 und einen Seiteneingang 8 für die Durchfahrt eines Fahrzeugs 9 zum An- und Abtransport der Brennstoffelemente.

Die Kernkraftanlage 1 umfaßt einen senkrecht stehenden Druckbehälter 10, der größtenteils einen kreisförmigen Querschnitt hat und dessen unterer Teil 1OA einen größeren Durchmesser aufweist als der koaxiale obere Teil 10 B. Der untere Teil 1OA ist mit Tragstützen 11 versehen, die auf dem Zwischenboden 5 ruhen und das gesamte Gewicht der Kernkraftanlage 1 auf die Betonkonstruktion 2 übertragen.

Ein oberer Teil der Konstruktion 2 in einer Höhe oberhalb des unteren Teils 10^4 des Druckbehälters ist nach innen auf den oberen Teil 10 B des Druckbehälters hin vorgezogen und bildet somit einen einwärts gerichteten Vorsprung 13 des biologischen Schutzmantels, während jener Teil der Konstruktion 2, der das obere Ende des unteren Teils 1OA umgibt, nach innen eng an den Kernreaktor 3 herangeführt ist und somit eine Verstärkung des biologischen Schutzmantels in der Zone der maximalen Strahlung des Reaktors bildet. Der nach innen gerichtete Vorsprung 13 ist so ausgebildet, daß er stückweise entfernt werden kann, damit es möglich ist, den Druckbehälter 10 aus der Konstruktion 2 herauszuheben.

Der Kernreaktor 3, der zum Typ des graphitmoderierten, gasgekühlten, mit natürlichem Uran betriebenen Reaktors gehört, weist eine große Anzahl von vertikalen Löchern 15 auf (s. Fig. 3), in denen die nuklearen Brennstoffelemente in solcher Weise untergebracht sind, daß um sie herum ringförmige Gaskanäle bestehenbleiben, und weist ferner andere vertikale Löcher 17 auf, in welche neutronenabsorbierende Regelstäbe eingesetzt werden können. Der Reaktor 3 ruht auf einem geeigneten Rost 20, der auf an die Wandung des Druckbehälterteils 1OA angeschweißte Stützen 21 montiert ist. Der Boden 23 des DruckbehäJ-ters 10 ist mit Düsen 24 versehen, die auf Löcher 25 in dem Betonboden 5 ausgerichtet sind. Die Düsen weisen gasundurchlässige Verschlußvorrichtungen auf, durch die hindurch die Brennstoffelemente von einem Arbeiter, der sich des Fahrzeugs 9 bedient, ausgewechselt werden können. Andere Düsen, die nicht in den Einzelheiten dargestellt sind, gestatten die Einregulierung der Regelstäbe.

Der Kernreaktor 3 ist ein gewisses Stück unterhalb des oberen Teils 105 des Druckbehälters angeordnet, und ein biologischer Schutzschild 26 liegt innerhalb des Teiles 10^4 oberhalb des Reaktors und dient dem Zweck, den Druckbehälter in eine obere und eine untere Kammer 27 bzw. 28 zu trennen. Dieser Schutzschild ist aus hohlen, mit Beton ausgefüllten Stahlblöcken aufgebaut und weist einen nach unten gerichteten peripherischen rockartigen Vorsprung 26.4 auf, der in der Richtung der stärksten Strahlung des Reaktors liegt. Das Gewicht des Schutzschildes 26 wird durch den rockartigen Vorsprung 26^4 von Stützen 29 getragen, die an die Innenseite des Teils 1OA des Druckbehälters angeschweißt sind. Zwischen der Peripherie des Schildes 26 und der Innenfläche des Druckbehälters ist ein ringförmiger Gasdurchtrittsraum 30 frei gelassen, der nach unten eine ringförmige Fortsetzung 3OA aufweist, welche auf der Innenseite durch einen ringförmigen, stahlgepanzerten, hängenden Wärmeisolationsschurz 31 begrenzt ist. Dieser Wärmeisolationsschurz hängt an seinem oberen Ende an den Stützen 29 und ist dort in gasundurchlässiger Weise mit dem biologischen Schutzschild 26 verbunden. Das untere Ende des Wärmeisolationsschurzes 3l· Ist"-in gasundurchlässiger Weise mit dem unteren Rand des Reaktors 3 durch horizontal angeordnete, nachgiebige Platten 32 verbunden, welche sich bei ungleichmäßigen thermischen Dehnungen der Teile des Dampferzeugers verbiegen können. Die abwärts reichende Fortsetzung 30^4 des Gasdurchtrittsraumes steht in Verbindung mit einem Teil 28 A, welcher unterhalb des Reaktors liegt.

Der biologische Schutzschild 26 weist Gaskanäle 33 auf, welche, in Blickrichtung der Fig. 1 gesehen, Winkelform haben, eine Form, welche eine wirksame Abschirmung der oberen Kammer 27 des Druckbehälters 1 gegenüber dem Kernreaktor sicherstellt und andererseits das Strömen des Kühlgases mit nur einem relativ geringen Druckabfall gestattet. Der Schild 26 ist stückweise aufgebaut, so daß er Stück um Stück durch die obere Kammer 27 hindurch entfernt werden kann.

Um seinen oberen Rand ist der biologische Schild 26 mit einem stückweise aufgebauten Abschirmring 36 versehen, dessen Verbindungsstellen gegenüber denen des Schildes 26 versetzt angeordnet sind, um sicherzustellen, daß keine Strahlung vom Reaktor in die obere Kammer 27 eindringen kann. Von diesem Abschirmring 36 aus erstreckt sich ein Leitblech 37 aufwärts durch die Kammer 27 koaxial mit dem Teil 105 des Druckbehälters, und zwar in der Weise, daß sich der horizontale Querschnitt des Leitbleches über einen Teil 37^4 von einer Kreisform am unteren Ende zu einem Quadrat ändert, welches mit seinen Ecken gegen den Druckbehälter stößt. Das Leitblech 37 umschließt einen zentralen Gaskanal 39, und das obere Ende des Leitbleches hat einen gewissen Abstand vom oberen

Ende des Druckbehälterteils 105, so daß ein Raum 40

frei bleibt, durch den die Gase aus dem Gaskanal 39 in zwei segmentförmige Räume 41 (s, Fig. 2), die zwischen dem Leitblech und dem Druckbehälter liegen, hineinströmen können. Die beiden übrigen segmentförmigen Räume 42 sind an ihren oberen Enden durch Platten 43 geschlossen. Das Leitblech weist geeignete Dehnungsfugen auf, die dazu bestimmt sind, unterschiedliche Wärmeausdehnungen des Druckbehälters, des Leitbleches 37 und des biologischen Schildes 26 auszugleichen.

Innerhalb eines unteren Teils des Gaskanals 39 ist ein Röhren-Konvektionsüberhitzer 44 angeordnet, der aus einem Rohrbündel besteht, bei dem jedes der Rohre mit seinem oberen Ende mit einem von zwei Eintrittssammelrohren 45 verbunden ist, und der sich als eine Anzahl von übereinanderliegenden geraden Rohrlängen, die serienweise durch Doppelkniestücke verbunden sind, hin und her durch den Gasraum 39 erstreckt. Am unteren Ende sind die Rohre mit einem von zwei Austrittssammelrohren 46 verbunden.

Innerhalb des Gaskanals 39 oberhalb des Überhitzers 44 ist ein Röhren-Dampferzeugungsteil 48 angeordnet, der aus einem Rohrbündel besteht, bei dem jedes der Rohre mit seinem unteren Ende mit einem von zwei Eintrittssammelrohren 49 verbunden ist, und der sich als eine Anzahl von übereinanderliegenden geraden Rohrlängen, die serienweise durch Doppelkniestücke verbunden sind, hin und her durch den Gasraum 39 erstreckt. An ihrem oberen Ende sind die Rohre mit einem von zwei Austrittssammelrohren 50 verbunden.

Innerhalb eines oberen Teils des Gaskanals 39 ist ein Vorwärmer 52 angeordnet, der aus einem Rohrbündel besteht, bei dem jedes der Rohre mit seinem oberen Ende mit einem von zwei Eintrittssammelrohren 55 verbunden ist, und der sich als eine Anzahl von übereinanderliegenden geraden Rohrlängen, die serienweise durch Doppelkniestücke verbunden sind, hin und her durch den Gasraum 39 erstreckt. An ihrem unteren Ende sind die Rohre mit einem von zwei Austrittssammelrohren 56 verbunden.

Die Enden aller dieser Wärmeaustauschrohre sind mit Hilfe von geeigneten Wärmemuffen, wie z. B. den Muffen 58 (nur in Fig. 2 eingezeichnet), durch die Wandung des Druckbehälters hindurchgeführt.

Ein Speisewasserrohr 67 ist mit den Eintrittssammelrohren 55 des Vorwärmers verbunden, Verbindungsrohre 68 verbinden die Austrittssammelrohre 56 des Vorwärmers mit dem Wasserraum eines Dampfund Wasserkessels 69, der oberhalb der Höhenlage des Vorwärmers angeordnet ist. Der Wasserraum des Kessels ist durch, das Rohr 70, eine Zwangsumlaufpumpe 71 und die Rohre 70^ί mit den Eintrittssammelrohren 49 des Dampferzeugungsteils 48 verbunden, dessen Austrittssammelrohre 50 durch die Rohre 72 mit dem Dampfraum des Kessels verbunden sind. Die Rohre 73 verbinden den Dampf raum des Kessels mit den Eintrittssammelrohren 45 des Überhitzers, und die Rohre 74 verbinden die Austrittssammelrohre 46 des Überhitzers mit einer Hauptdampfleitung, die zu der Stelle führt, wo der überhitzte Dampf gebraucht wird.

Das obere Ende des Druckbehälters 10 ist durch einen Abschluß deckel 85 verschlossen, der entfernt werden kann, um zu Inspektions- und Reparaturzwecken Zugang zu dem Teil des Druckbehälters oberhalb des biologischen Schildes 26 zu gewinnen.

Der obere Teil 105 des Druckbehälters 10 weist vier seitliche Vorsprünge 90 auf (s. Fig. 2 und 4), von denen jeder ein Axialgebläse 91 zur Herbeiführung der Zirkulation des gasförmigen Kühlmittels, Kohlendioxyd, für den Kernreaktor enthält. Die Vorsprünge 90 sind sämtlich in gleicher Höhe im oberen Teil des Druckbehälters angebracht. Ein Leitblech 92 befindet sich in jedem der beiden Gaskanäle 41 in der Nähe der Gebläse 91 und dient dem Zweck, das gasförmige Kühlmittel vom oberen Teil des Gaskanals 41 oberhalb der Gebläse zum äußeren Ende der Vorsprünge hin zu leiten, in deren Nähe die Ansaugeöffnungen für die

ίο Gebläse liegen. Die Gebläse stoßen das Gas in den Teil des Gaskanals 41 aus, der unterhalb der Gebläse liegt. Die einzelnen Gebläse werden durch jeweils einen eigenen Elektromotor 93 angetrieben, der außerhalb des Druckbehälters liegt und in geeigneter Weise mit dem Gebläserotor gekuppelt ist.

Unterhalb des Überhitzers 44 befindet sich eine zentrale Kondensatsammelschale 95, oberhalb deren zwei konzentrische, vertikal mit Zwischenraum angeordnete, ringförmige, nach der Mitte schalenförmig abfallende, überlappende Fangbleche 96 angeordnet sind, die es in wirksamer Weise verhindern, daß Kondensattropfen von irgendeinem Teil der Wärmeübertragungsflächen oder der Innenseite des Leitbleches in den Gasraum 27 hineinfallen und trotzdem das Aufwärtsströmen der Gase von dem Raum unterhalb der Sammelschale und der Fangbleche in den Teil des Gaskanals, der die Wärmeaustauschflächen enthält, zulassen. Der unterste Punkt der Sammelschale 95 ist mit Hilfe eines Ablaufrohres 97 mit einem außerhalb des Druckbehälters angeordneten Sammelbehälter 98 verbunden, von dem das Kondensat nach Wunsch abgelassen werden kann.

Der Raum innerhalb des Druckbehälters 10 ist mit dem gasförmigen Kühlmittel, Kohlendioxyd, unter einem geeigneten Druck gefüllt. Wenn der Kernreaktor durch Bewegung der Regelstäbe kritisch gemacht wird, wird ständig in ihm Wärme erzeugt. Immer wenn der Reaktor kritisch ist, werden die Motoren 93, welche die Gebläse 91 antreiben, erregt, so daß die Gebläse ein Fließen des gasförmigen Kühlmittels bewirken, und zwar durch die Gebläse, die unteren Teile der Gaskanäle 41 hinab durch den Gasdurchtrittsraum 30 und seine Fortsetzung 30^4 hindurch in den Teil 28.4 der Gaskammer, von dort aufwärts durch die vertikalen Löcher 15 im Reaktor, durch die Gaskanäle 33 in dem biologischen Schild 26 in den Gaskanal 39 hinein, zwischen den Abschnitten der Kondensatsammeivorrichtung hindurch und von dort aufwärts zunächst über den Überhitzer 44, dann den Dampferzeugungsteil 48 und schließlich über den Vorwärmer 52, wonach die abgekühlten Gase durch den Raum 40 und wieder abwärts durch den oberen Teil der Kanäle 41 zu den Ansaugeöffnungen der Gebläse 91 gelangen.

Während des Betriebes der Anlage wird Speisewasser unter Druck durch das Rohr 67 in den Vorwärmer 52 geleitet, von wo eine Dampf-Wasser-Mischung durch die Rohre 68 in den Kessel 69 gelangt. Wasser wird von dem Kessel 69 durch die Rohre 70 und 70^4 mit Hilfe der Pumpe 71 in den Dampferzeugungsteil 48 geleitet, von wo eine Dampf-Wasser-Mischung durch die Rohre 72 in den Dampfraum des Kessels 62 abgegeben wird, und Dampf wird von dem Dampfraum des Kessels durch die Rohre 73 und den Überhitzer 44 zu den Rohren 74 geleitet und gelangt weiter zu der Stelle, wo der überhitzte Dampf verwendet wird.

Die in dem Reaktor 3 erzeugte Wärme wird auf das gasförmige Kühlmittel und dann von dem gasförmigen Kühlmittel auf die verschiedenen Wärmeaustauschflächen im Gasraum 39 übertragen.

Wenn der Dampferzeuger relativ kalt ist, z. B. wenn man den Reaktor vom kalten Zustand anlaufen läßt, kann sich unter Umständen Feuchtigkeit aus dem gasförmigen Kühlmittel auf den kalten Metallflächen der Wärmeaustauscher niederschlagen. Alles in dieser Weise entstehende Kondensat wird von den Fangblechen 96 und der Kondensatschale 95 aufgefangen und aus dem Druckbehälter in den Sammelbehälter 98 hinausgeleitet. Abgesehen davon, daß auf diese Weise die Möglichkeit einer Verunreinigung des Reaktorkerns durch Kondensat von den Wärmeaustauschern ausgeschaltet ist, stellt die Kondensatsammelvorrichtung sicher, daß in dem unwahrscheinlichen Fall eines Gas- oder Wasseraustrittes aus den Röhren des Dampferzeugungsteils das ausgetretene Wasser in den Sammelbehälter abgeleitet wird, ohne den Kreislauf des Kühlmittels durch den Reaktor zu behindern. Etwaiges Kondensat, welches sich auf der Innenfläche des Druckbehälters bildet, wird in den Boden des Behälters ablaufen, wo geeignete Ablaßvorrichtungen vorgesehen sind.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu ersehen, daß der beschriebene Reaktor eine kompakte Form hat, die Verwendung von äußeren Rohrleitungen für das gasförmige Kühlmittel vermieden ist und ein ungefährlicher Zugang zu dem Wärmeaustauscher zum Zwecke der Inspektion oder Reparatur möglich ist. Da die Gebläse ein Abwärtsströmen des Kühlmittels in den Räumen zwischen dem Leitblech und der Wand des Druckbehälters bewirken, nachdem das Kühlmittel vom Kernreaktor aus durch die Wärmeaustauscher aufwärts geströmt ist, kommen die Wände des Druckbehälters lediglich mit gasförmigem Kühlmittel von nur mäßiger Temperatur in Berührung.

Die Fig. 5 und 6 stellen eine andere Form der Anlage dar, bei welcher der Druckbehälter eine Kugelform aufweist. Ein sphärischer Druckbehälter ergibt für eine gegebene Größe der Wandfläche den maximalen Rauminhalt, was aus technischen Gründen wichtig ist.

Gewisse Änderungen in der Form und der Anordnung der Teile des Dampferzeugers sind notwendig in Anpassung an die Änderung der Form des Druckbehälters, aber viele der Teile der Ausführungsform gemäß Fig. 5 und 6 entsprechen ähnlichen Teilen in der Ausführungsform der Fig. 1 bis 4. Solche sieh entsprechende Teile sind mit der gleichen Bezugsnummer wie bei der ersten Ausführungsform, jedoch mit dem Zusatzbuchstaben Z bezeichnet.

Somit hat die Betonkonstruktion 2 Z einen Boden 5 X oberhalb eines Raumes 6 X zum An- und Abtransport der Brennstoffelemente, und der Druckbehälter 1X umfaßt einen kugelförmigen Druckbehälter 10 X₁ der mit Hilfe der Tragstützen HZ auf dem Boden 5X ruht. Ein oberer Teil 13 X der Betonkonstruktion 2X springt nach innen gegen die obere Fläche des Druckbehälters hin vor, wobei dieser Teil 13 X stückweise ausgebildet ist, damit er entfernt und der Druckbehälter als Ganzes aus der Konstruktion 2 X herausgehoben werden kann. In dem unteren Teil des Behälters 10 X ist ein Kernreaktor 3 X angeordnet und ruht auf einem Rost 20 X, der auf an den Druckbehälter angeschweißten Stützen 21X montiert ist. Die Düsen 24 X ermöglichen die Auswechslung der verbrauchten Brennstoffelemente.

Ein biologischer Schutzschild 26 X ist innerhalb des Druckbehälters oberhalb des Reaktors 3 X angeordnet und dient dem Zweck, den Druckbehälter in eine obere und eine untere Kammer 27 X bzw. 28 X zu trennen. Der Schutzschild 26 X weist einen nach unten gerichteten, peripherischen rockartigen Vorsprung 26AX auf und ruht mit Hilfe dieses Vorsprunges auf Stützen 29 Xj die an die Innenseite des Druckbehälters angeschweißt sind. Zwischen der Peripherie des Schutz-Schildes 26 Z und der Innenfläche des Druckbehälters ist ein ringförmiger Gasdurchtrittsraum 30 X frei gelassen, und eine ringförmige, nach unten gerichtete Fortsetzung 30AX des Gasdurchtrittsraumes 3OZ wird auf ihrer Innenseite durch einen hängenden ίο Schurz 31Z begrenzt, der an seinem oberen Ende an dem Schild 26 Z hängt und dort in gasundurchlässiger Weise angebracht ist. Das untere Ende des Schurzes 31Z ist in gasundurchlässiger Weise mit dem unteren Rand, des Reaktors durch horizontale Platten 32 Z verbunden. Der Teil 28^4Z der Gaskammer 28 X, der unterhalb des Reaktors 3 Z liegt, steht mit dem unteren Ende der Fortsetzung 30AX des Gasraumes 3OZ in Verbindung.

Winkelförmig ausgebildete Gaskanäle 33 Z sind im Schutzschild 26 X, der zur Erleichterung seines Ausbaues stückweise aufgebaut ist, vorhanden. Von der oberen Fläche des Schildes 26Z aus erstreckt sich ein Leitblech 37 Z aufwärts in die Kammer 27 Z hinein. Der horizontale Querschnitt des Leitbleches ist quadratisch, und das Leitblech umschließt einen zentralen Gaskanal 39 Z. Das obere Ende des Leitbleches hat von der gekrümmten oberen Wand des Druckbehälters einen gewissen Abstand, so daß ein Raum 4OZ frei bleibt, durch den die Gase aus dem Kanal 39 Z in die oberen Enden von vier segmentförmigen Räumen 41Z eintreten können, die zwischen dem Leitblech 37 Z und der Wandung des Druckbehälters liegen.

Der Dampferzeuger 1Z arbeitet mit einmaligem Durchgang und liefert Dampf an einen getrennt befeuerten Endüberhitzer. Eine Speisewasserpumpe (nicht dargestellt) ist mit den Eintrittssammelrohren 55 Z eines Vorwärmers 52 Z verbunden, der innerhalb eines oberen Teils des Gaskanals 39 Z angeordnet ist und aus einem Rohrbündel besteht, bei dem jedes der Rohre mit seinem oberen Ende mit einem von zwei Eintrittssammelrohren verbunden ist, und der sich als eine Anzahl von übereinanderliegenden geraden Rohrlängen, die serienweise durch Doppelkniestücke verbunden sind, hin und her durch den Gaskanal 39 Z erstreckt. An ihrem unteren Ende sind die Rohre mit einem von zwei Austrittssammelrohren 56 Z verbunden.

In einem unteren Teil des Gaskanals 39 Z ist ein Röhren-Dampferzeugungsteil 48 Z angeordnet, der aus einem Rohrbündel besteht, bei dem jedes der Rohre mit seinem unteren Ende mit einem von zwei Eintrittssammelrohren 49 Z verbunden ist, und der sich als eine Anzahl von übereinanderliegenden geraden Rohrlängen, die serienweise durch Doppelkniestücke

verbunden sind, hin und her durch den Gasraum 39 Z erstreckt. An ihrem oberen Ende sind die Rohre mit einem von zwei Austrittssammelrohren 50 Z verbunden. Die Austrittssammelrohre des Vorwärmers 56 Z sind in geeigneter Weise mit den Eintrittssamraelrohren 49 Z verbunden.

Infolge der Verwendung eines sphärischen Druckbehälters ist die Stützweite der Wärmeaustauschrohre groß. Daher ist ein Rohrtragkonstruktion 101 vorgesehen, die in geeigneter Weise auf dem biologischen Schutzschild 26 Z ruht und die Rohre des Vorwärmers sowie des Dampferzeugungsteils ungefähr in der Mitte der Stützweite unterstützt.

Eine Hauptdampfleitung (nicht dargestellt) verbindet die Austrittssammelrohre 50 Z mit dem getrennt befeuerten Endüberhitzer (nicht dargestellt), der

außerhalb des Druckbehälters angeordnet ist und durch Gase aus einem ölbefeuerten Ofen beheizt wird. Die Austrittssammelrohre des Überhitzers sind durch eine zweite Hauptdampfleitung mit der Verbrauchsstelle für den Dampf verbunden.

Das obere Ende des Druckbehälters 1OZ ist durch einen "Verschlußdeckel 85 X geschlossen, und es sind Kondensatsammeivorrichtungen 115 vorhanden, ähnlich der Kondensatsammeivorrichtung in Fig. 1, jedoch in doppelter Ausführung und mit Zusatz von Tropfenauffangtrichtern 116 unterhalb der Sammelrohre 49X, 5QX und 56 X. Sie sind so angeordnet, daß das Kondensat zu einem gesonderten Kessel (nicht dargestellt) außerhalb des Druckbehälters abgeleitet werden kann.

Der Druckbehälter 10 X weist zwei seitliche Vor-Sprünge 9OX (s. Fig. 6) auf, die Gebläse für die Rückführung des abgekühlten Kühlmittels vom oberen Teil der Kammer 27 X zum unteren Teil 28AX der Kammer 28 X enthalten. Eine horizontale Trennwand 117 liegt zwischen dem Leitblech 37 X und der Innenfläche des Druckbehälters 1OX und trennt die oberen Teile der vier Gaskanäle 41X von den unteren Teilen derselben. Die Ansaugeöffnungen der Gebläse sind mit den oberhalb der Trennwand 117 gelegenen Teilen der Gaskanäle verbunden, während die Austrittsöffnungen der Gebläse mit den unterhalb der Trennwand liegenden Teilen der Gaskanäle verbunden sind. Zum Abzug des Kondensats, das sich auf der Trennwand 117 sammelt, sind geeignete Ableitungsvorrichtungen vorhanden.

Wie bei der zuerst geschilderten Ausführungsform wird Kohlendioxyd als Kühlmittel verwendet, und die Arbeitsweise des Dampferzeugers ist in jeder Hinsicht der der ersten Ausführungsform entsprechend, mit der einen Ausnahme, daß die endgültige Überhitzung des in dem Dampferzeugungsteil 48 X gebildeten und dort bereits teilweise überhitzten Dampfes in dem getrennt befeuerten Endüberhitzer erfolgt, bevor der Dampf an die Verbrauchsstelle gelangt.

Bei jeder der bisher beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ist der Hauptteil der biologischen Abschirmung außerhalb des Druckbehälters 10 bzw. 1OX angeordnet. Es hat sich herausgestellt, daß ein wirtschaftlicher Vorteil zu erzielen ist, wenn die Gesamtheit der biologischen Abschirmung innerhalb des Druckbehälters untergebracht wird. Für eine gegebene Größe des Reaktors und des Dampferzeugers werden zwar die Größe und die Kosten des benötigten Druckbehälters höher, andererseits aber werden Menge und Kosten des für die biologische Abschirmung benötigten Betons sehr stark reduziert, und selbst wenn man berücksichtigt, daß der Betonschild, wenn er innerhalb des Druckbehälters und in Kontakt mit dem gasförmigen Kühlmittel untergebracht wird, die Form von mit Beton gefüllten hohlen Stahlblöcken annehmen muß, hat sich ergeben, daß die vollständige Anlage billiger wird, wenn die gesamte Abschirmung innerhalb des Druckbehälters liegt.

Fig. 7 gibt eine Konstruktion ähnlich der Fig. 1 wieder, bei der aber die gesamte biologische Abschirmung 26 Y innerhalb des Druckbehälters 10 Y liegt, wobei sich das Leitblech 37 Y, welches den zentralen Gaskanal 39 Y begrenzt, abwärts bis zum oberen Außenrand des Reaktors 3 Y erstreckt und ein ringförmiger Kanal 30 Y zwischen den Seitenwänden der Abschirmung und der Wand des Druckbehälters das Abwärtsströmen des abgekühlten Kühlgases zu Gaskanälen 210 ermöglicht, durch die die Gase in die Kammer 28AY unterhalb des Reaktors gelangen können, bevor sie durch den Reaktor hindurch nach oben strömen. Wie bei den anderen Ausführungsformen sind in dem biologischen Schutzschild winkelförmige Gaskanäle 33 Y vorhanden, die das Weiterströmen des Kühlgases aus dem Raum unmittelbar oberhalb des Reaktors in das untere Ende des Gaskanals 39 Y gestatten, und die oberen Teile der biologischen Abschirmung sind stückweise aufgebaut, so daß sie auseinandermontiert und durch den oheren Teil des Druckbehälters (nicht dargestellt) hindurch entfernt werden können. Die Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Teilen der Abschirmschilde sind in geeigneter Weise gegeneinander versetzt, um das Austreten von Neutronen durch die Abschirmung nach außen zu verhindern.

Fig. 8 gibt eine Konstruktion ähnlich der Fig. 5 wieder, bei der aber die gesamte biologische Abschirmung 26 Z innerhalb des Druckbehälters 1OZ liegt. Ein ringförmiger Kanal 3OZ zwischen den Seitenwänden der Abschirmung und der Wand des Druckbehälters ermöglicht das Abwärtsströmen des abgekühlten Kühlgases zu den Gaskanälen 310, durch die die Gase in die Kammer 28AZ unterhalb des Reaktors gelangen können, bevor sie durch den Reaktor hindurch nach oben strömen. Wie bei den anderen Ausführungsformen sind in dem biologischen Schutzschild winkelförmige Gaskanäle 33 Z vorhanden, die das Weiterströmen des Kühlgases aus dem Raum unmittelbar oberhalb des Reaktors in das untere Ende des Gaskanals 39 Z gestatten, und die oberen Teile der biologischen Abschirmung sind stückweise aufgebaut, so daß sie auseinandermontiert und durch eine im oberen Teil des Druckbehälters vorhandene ZugangsöfFnung 320 hindurch entfernt werden können. Die Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Teilen des Abschirmschildes sind in geeigneter Weise gegeneinander versetzt, um das Austreten von Neutronen durch die Abschirmung hindurch nach außen zu verhindern.

Bei jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ist die Anordnung so gewählt, daß die Löcher im Reaktor, welche die Brennstoffelemente und die Regelstäbe enthalten, vertikal verlaufen. Falls gewünscht, können diese Löcher auch von einer oder mehreren Seiten in den Reaktor hineinführen, wobei dann der Raum, der dem Einführen der Brennstoffelemente dient, seitlich vom Reaktor anzuordnen wäre.

Nach Wunsch kann auch der Druckbehälter stückweise aufgebaut werden, um eine Werksmontage des Wärmeaustauschers in bezug auf den Druckbehälter zu ermöglichen oder zu erleichtern.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Kernkraftanlage, bestehend aus einem mit natürlichem Uran betriebenen graphitmoderierten, gasgekühlten Kernreaktor, der mit einem im Kreislauf geführten gasförmigen Kühlmittel unter Überdruck arbeitet und in einem Druckbehälter angeordnet ist, welcher bei normalem Betrieb der Anlage dem vollen Druck des gasförmigen Kühlmittels ausgesetzt ist, ferner aus einem Wärmeaustauscher, der einen Teil eines Dampferzeugers bildet und Vorrichtungen zum Fortleiten erwärmten Kühlgases vom Reaktor zum Wärmeaustauscher und abgekühlten Kühlgases vom Wärmeaustauscher zum Reaktor einschließt, und aus Gebläseeinrichtungen, die zum Fördern des Kühlgases bestimmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernreaktor und der Wärmeaustauscher in an sich bekannter Weise, aber auch die Gebläseeinrichtungen und das Kreislaufsystem für das gas-

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förmige Kühlmittel sämtlich innerhalb des Druckbehälters angeordnet sind.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein biologischer Schutzschild-Abschnitt das Innere des Druckbehälters in zwei Kammern teilt, von denen die eine den Kernreaktor und die andere den Wärmeaustauscher enthält, und dieser Abschnitt des biologischen Schutzschildes so geformt ist, daß er das Hindurchströmen des gasförmigen Kühlmittels gestattet, jedoch eine direkte Strahlung vom Kernreaktor zum Wärmeaustauscher verhindert.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der biologischen Abschirmung außerhalb des Druckbehälters angeordnet ist, daß dieser Teil die Kammer, welche den Kernreaktor enthält, umgibt und daß dieser Teil den biologischen Abschirmschild, der innerhalb des Druckbehälters angeordnet ist, überlappt.

4. Anlage nach einem der vorangehenden An- ao Sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher innerhalb von Leitflächen untergebracht ist, welche einen inneren Strömungsweg, der von dem Kernreaktor wegführt, und einen äußeren Strömungsweg zwischen den Leitflächen

und der Innenfläche des Druckbehälters, der auf den Kernreaktor hinführt, bilden.

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb der Leitflächen der äußere Strömungsweg zwischen einem inneren Teil des den Reaktor vom Wärmeaustauscher trennenden biologischen Schildes und der Innenfläche des Druckbehälters sowie zwischen einem Leitblech, welches den Kernreaktor umgibt, und der Innenfläche des Druckbehälters zu einem Raum unterhalb des Kernreaktors hin verläuft.

6. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter seitliche Vorsprünge aufweist, die je ein Gebläse zur Herbeiführung der Zirkulation des gasförmigen Kühlmittels enthalten.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Münzinger, »Atomkraft«, Springer Verlag, 1955, S. 24, Abb. 22;

»Technische Rundschau«, August 1954, Nr. 35, S. 3;

»Brennstoff, Wärme, Kraft«, Bd. 6, Nr. 8, August 1954, S.333;

»Electrical Engineering«, Vol. 73, 1954, Bd. I, S. 331.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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