DE1464939B1 - Gasgekühlter Atomkernreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen gasgekühlten Atomkernreaktor, dessen Spaltzone allseitig von einem thermischen Schild und in Abstand von diesem von einem Hochdruckbehälter umschlossen ist, mit an den vom thermischen Schild umschlossenen Raum angeschlossenen Zu- und Ableitungen für das die Spaltzone durchströmende Kühlgas und einer an den Zwischenraum zwischen Hochdruckbehälter und thermischem Schild angeschlossenen Saugleitung für das Gas in dem Zwischenraum, wobei das in der Spaltzone erhitzte Kühlgas, über die Ableitungen der Spaltzone, außerhalb des Hochdruckbehälters angeordneten Wärmetauschern und von da über Umwälzgebläse und die Zuleitungen zur Spaltzone derselben wieder zugeführt wird.

Bei gasgekühlten Reaktoren hoher .Leistungsdichte, insbesondere bei schnellen Reaktoren, steht das Kühlmittel unter hohem Betriebsdruck. Wird der Druckbehälter undicht, so strömt das Kühlmittel mit hoher Geschwindigkeit aus dem Behälter aus. Dieser sögenannte »Kühlmittelverlust« ist als Unfallursache sehr gefürchtet, da der Reaktor hierbei durch Kühlungsausfall unter Umständen schmilzt. Zumindest bei schnellen Reaktoren kann allein die Nachwärme so groß sein, daß sie unter Atmosphärendruck vom Kühlmittel nicht abgeführt werden kann. Wenn das Kühlsystem undicht wird, muß deshalb auch nach der Schnellabschaltung noch ein Mindestdruck von etwa 10 % des Betriebsdrucks im Reaktor aufrechterhalten werden. Wird nun zum Auffangen des Druckes eine zweite Druckschale um das Primärsystem gelegt, so werden dadurch die Baukosten der Anlage stark erhöht. Wirtschaftlich günstiger ist es, nur eine der beiden Druckschalen auf vollen Betriebsdruck auszulegen. Die zweite Druckschale soll dann lediglich dem zum Abführen der Nachwärme nötigen Notkühldruck standhalten können, d. h. sie kann verhältnismäßig dünn und relativ billig sein. Im allgemeinen ordnet man sie um den Hochdruckbehälter herum an. Der Zwischenraum ist dann während des normalen Betriebs fast drucklos und eventuell sogar begehbar. Wird nun der Hochdruckbehälter undicht, so hält der äußere Behälter den Druck auf dem für die Notkühlung notwendigen Niveau. Um das hierfür nötige große Volumen der äußeren Schale zu reduzieren, kann man bei kleineren Undichtigkeiten das Kühlgas im Auffangbehälter abpumpen, bei großen Lecks in die Atmosphäre abblasen. Bei dieser verhältnismäßig billigen Ausführungsart kann jedoch die Kühlung der Spaltzone praktisch schlagartig ausfallen, wenn die Kühlmittelführung vom Gebläse zur Spaltzone plötzlich undicht wird. Das bei dem meist herrschenden überkritischen Druck sofort mit Schallgeschwindigkeit ausströmende Gas geht dann nämlich für die Kühlung verloren. Unter Umständen fällt die Kühlung sogar so kurzfristig aus, daß die Spaltzone niederschmelzen kann. Dann kann die Spaltzone aber auch durch Schnellabschaltung des Reaktors nicht mehr vor der Zerstörung bewahrt werden. Die zweite Druckschale bleibt in diesem Falle somit ohne Wirkung, d. h., es ergeben sich im Prinzip die gleichen Verhältnisse wie bei den gasgekühlten Reaktoren bekannter Bauart (Calder Hall), wo von vornherein auf eine zweite Druckschale verzichtet wird. Allerdings führt dort infolge der geringen Leistungsdichte und der sehr hohen Wärmekapazität des Reaktorkerns ein solcher Unfall lediglich zu einer zwar unerwünschten, aber bei sorgfältiger Auslegung noch beherrschbaren Überhitzung der Spaltzone.

Es ist nun ein gasgekühlter Kernreaktor bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 086 818), bei welchem die Spaltzone von einem Hochdruckbehälter umgeben ist, aus dem das Kühlgas durch Gebläse getrennt angeordneten Wärmetauschern zugeführt wird. Der Reaktor weist darüber hinaus einen die innere Oberfläche des Druckbehälters im Bereich des eintretenden Kühlgases praktisch abdeckenden Innenmantel auf, wobei der Zwischenraum mit der Saugseite eines Gebläses in Verbindung steht. Dieser Zwischenraum dient jedoch ausschließlich zur Führung des Kühlmittels und ist daher mit einem Wärmetauscher verbunden. Bei dieser Konstruktion hat jedoch eine starke Undichtigkeit des Druckbehälters z. B. in dem Bereich, den das Kühlmittel vor Erreichen der Spaltzone durchströmt, einen sofortigen Ausfall der Spaltzonenkühlung zur Folge.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, einen Kernreaktor zu schaffen, bei dem das Kühlmittel innerhalb des Hochdruckbehälters so geführt wird, daß es selbst bei Auftreten eines Lecks im Behälter weitgehend U noch durch die Spaltzone strömt, d. h. daß ein Ausfall der Spaltzonenkühlung möglichst verhindert werden soll. Dabei soll jedoch die eingangs erwähnte Konzeption, daß der als thermischer Schild dienende innere Mantel nicht für denselben hohen Druck wie der äußere Druckbehälter ausgelegt werden muß, erhalten bleiben.

Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Saugleitung für das Kühlgas im Zwischenraum zwischen dem Hochdruckbehälter und dem thermischen Schild mit dem Ansaugraum von wenigstens einem der Umwälzgebläse, in den auch die Austrittsleitung des zugehörigen Wärmetauschers mündet, in unmittelbarer Verbindung steht. Dabei besteht der thermische Schild aus mehreren ineinanderliegenden Behältern mit konzentrisch ineinanderliegenden miteinander in Verbindung stehenden Zwischenräumen, von denen mindestens einer mit der Ansaugseite des Umwälzgebläses in Verbindung steht. Hierbei ist zweckmäßigerweise der äußerste Zwischenraum mit dem Ansaugraum des Λ Umwälzgebläses verbunden. Weiterhin sind an den ^ Behältern zu ihrer und des Hochdruckbehälters Kühlung an einer entfernt von der Saugleitung für das Gas in den Zwischenräumen zwischen Hochdruckbehälter und thermischem Schild liegenden Stelle Drosselöffnungen für das Einströmen von Kühlgas in die Zwischenräume vorgesehen. Letztlich ist die von der Spaltzone zum Wärmetauscher führende Ableitung zentrisch in der das Kühlgas vom Umwälzgebläse zum Reaktor führenden Leitung angeordnet und mantelförmig um beide Leitungen mit Abstand als Verbindungskanal des Zwischenraums mit dem Ansaugraum eine weitere Leitung gelegt.

Der Innenbehälter muß dabei keine hohen Drücke aushalten. Im normalen Betrieb ist er lediglich höchstens von einem dem Druckzuwachs des Kühlgases im Umwälzgebläse entsprechenden Druck beaufschlagt, er kann also relativ dünnwandig sein. Er muß schließlich nicht einmal gasdicht sein, so daß er leicht aufgebaut werden kann und auch die Durchführungen für die Belademaschine und die Regelstäbe keine Schwierigkeiten bereiten. Eine kleine Leckrate ist sogar erwünscht, weil dadurch die Wand des Hochdruckbehälters gekühlt wird.

Von besonderer Bedeutung ist es auch, daß als innerer Behälter der thermische Schild benutzt werden kann, der bei schnellen Brütern zum Schütze der Behälterwand auf jeden Fall eingebaut werden muß. Dieser besteht in seiner normalen Bauweise bereits aus mehreren Lagen starker Stahlbleche mit dazwischenliegenden Kühlplatten. Die Bleche müssen also nur noch so gestaltet und miteinander verbunden werden, daß sie zusammen ein geschlossenes Gefäß bilden, daß noch durch einen gasdichten Kanal mit dem Gebläse verbunden ist. Bei dieser Ausbildung kann für die Kühlung der Außenwand des Hochdruckbehälters des thermischen Schildes und der Tragkonstruktion der volle Förderdruck des Umwälzgebläses eingesetzt werden. Die dabei entstehenden Kurzschlußverluste sind unbedeutend.

Einzelheiten der Erfindung werden in den Fig. 1 und 2 näher erläutert:

F i g. 1 zeigt eine Reaktoranlage gemäß der Erfindung und

F i g. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel derselben.

In der Reaktoranlage nach der F i g. 1 bestehen die zwei Druckschalen 1 und 2, die lediglich den Notkühldruck aufnehmen sollen, sowohl für den Reaktor selbst als auch für die um ihn herum angeordneten Wärmetauscher aus Spannbeton. In der Druckschale 1 befindet sich der Hochdruckbehälter 3, der die Spaltzone 4 mit der sie umgebenden Brutzone 5 umschließt. An seinem Ende besitzt der Behälter 3 einen rohrförmigen Ansatz 7, der die Belademaschine aufnehmen soll. Der thermische Schild 6, der den Hochdruckbehälter 3 gegen die aus der schnellen Spaltung kommende Strahlung schützen soll, ist zu einem durchgehenden, aus mehreren Lagen bestehenden inneren Behälter 6 ausgestaltet. Bei der Ausführung gemäß F i g. 1 durchströmt das vom Umwälzgebläse kommende Kühlgas zunächst die ringförmige Brutzone 5 und dann die Spaltzone 4. Ein kleiner Teil des Kühlgasstroms dringt durch die z. B. gleichzeitig zum Einführen der Belademaschine vorgesehenen öffnungen 8 und durch die übrigen undichten Stellen im inneren Behälter 6 in den Raum 9 zwischen ihm und dem äußeren Druckbehälter 3 und strömt durch den Verbindungskanal 10 zur Ansaugseite 17 des Kühlgebläses 16. Durch diesen Nebenstrom wird der thermische Schild und der Druckbehälter gekühlt. Der Hauptstrom des Kühlgases durchströmt die Spaltzone 4 und wird dann durch eine Rohrleitung 11, die vorzugsweise zentral in der das Kühlgas zur Spaltzone führenden Leitung 12 liegt, in einen Wärmetauscher geleitet. Durch den Spalt 14 zwischen Wärmetauscher 13 und Druckbehälter 15 strömt Kühlgas zum Gebläse 16 zurück. Durch diese Ausbildung besitzt der Zwischenraum 9 zwischen dem Druckbehälter 3 und dem inneren Behälter 6 eine zum Ansaugraum 17 vor dem Gebläse führende freie Verbindung. Die Öffnungen 8 sind als Drosselstellen ausgebildet, so daß nur wenig Kühlgas sie durchströmen kann. Wird der Druckbehälter 3 an irgendeiner Stelle undicht, so muß praktisch alles aus der Leckstelle ausströmende Kühlgas aus dem Ansaugraum 17 zur Leckstelle strömen. Das bedeutet aber, daß es zuerst die Spaltzone und sogar noch den Wärmeaustauscher durchströmen muß, um zur Leckstelle zu kommen. Die in der F i g. 1 angegebene Verbindung zwischen Reaktor und Wärmeaustauscher mittels konzentrischer Rohre ist besonders vorteilhaft, weil die Rohrleitung 11, in der das erhitzte Kühlgas aus dem Reaktor strömt, in der kühleren Zuführleitung 12 liegt.

Es ist dies aber nicht die einzige Möglichkeit, die Vorteile, die sich aus der vorliegenden Erfindung ergeben, auszunutzen. An Hand der F i g. 2 wird daher ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem das Kühlgas über der Spaltzone in den Reaktordruckbehälter 21 hineingeführt wird und ihn durch Öffnungen unterhalb der Spaltzone verläßt. Dabei durchströmt es die Spaltzone 22 und Brutzone 23 parallel. Durch die Austrittsleitung 27 wird es dem Wärmetauscher 30 zugeführt und dann vom Umwälzgebläse durch die Druckleitung wieder in den Reaktor geblasen. Auch bei dieser Anordnung ist der thermische Schirm 24 innerhalb des Druckbehälters 21 zu einem geschlossenen Behälter zusammengefaßt, der zwischen sich und dem Druckbehälter 21 einen Spaltraum 25 frei läßt. Ein Teil des Kühlmittelstromes tritt durch die Drosselöffnung 26 in den Spaltraum 25 ein und

ao durchströmt zur Kühlung des Druckbehälters 21 und des thermischen Schildes 24. Über den Ringraum 28 zwischen Austrittsleitung 27 und Druckleitung 29 strömt es durch den Ringkanal 31 zwischen Wärmeaustauscher 30 und Druckschale 32 dem Ansaugraum

as 33 des Umwälzgebläses 34. Durch eine druckfeste Zwischenführungsleitung 35 wird das Kühlgas dann wieder in den Reaktorbehälter hineingeblasen. Auch bei dieser Anordnung steht der Spaltraum 25 in freier Verbindung mit dem Ansaugraum 33 vor der Umwälzpumpe, so daß auch das Kühlgas durch die Spaltzone strömen muß, bevor es durch ein Leck aus dem Reaktordruckbehälter ins Freie treten kann. Um auch bei starkem Druckabfall vor der Umwälzpumpe oder beim Ausfall einer Umwälzpumpe zu verhindern, daß Kühlgas aus dem Reaktor durch die Pumpe zurückströmt, ist in der Kühlmittelzuleitung zum Reaktor ein Rückschlagventil 36 angeordnet. Ein gleiches Rückschlagventil 37 kann natürlich auch in die Austrittsleitungen 11 bzw. 27 eingebaut sein. Bei einer Weiterbildung der Erfindung steht der Raum zwischen Innen- und Druckbehälter nur bei einem Teil der um den Reaktor herum angeordneten Wärmetauscher mit dem Ansaugraum vor der Umwälzpumpe in Verbindung. Dabei ist es vorteilhaft, diese Verbindung nur etwa bei der Hälfte der Wärmetauscher vorzusehen. Wenn nun der Druck im Ansaugraum des Umwälzgebläses durch ein großes Leck im Druckbehälter sehr stark abfällt, ist es nämlich unter Umständen möglich, daß das Gebläse kein Kühlgas mehr fördert.

In diesem Fall wird die Spaltzone noch durch die Kühlumwälzpumpen voll gekühlt, bei denen der Ansaugraum mit dem Zwischenraum zwischen Innen- und Druckbehälter nicht in Verbindung steht.

Grundsätzlich müssen die Schirme die innere Oberfläche des Druckbehälters mindestens im Bereich des eintretenden Kühlgases praktisch vollkommen abdecken. In Reaktoren, bei denen der Druckbehälter im Spaltzonenbereich durch Metallschirme abgeschirmt ist, kann deshalb einer der Schirme oder mehrere auf der Druckseite zu den Druckbehältern abdeckenden Innenbehältern erweitert und der Zwischenraum zwischen Behältern über eine Verbindungsleitung mit der Ansaugseite des Umwälzgebläses verbunden werden. Grundsätzlich ist als Ansaugseite der Bereich niederen Druckes zwischen Spaltzone und Umwälzgebläse zu betrachten. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zwischenräume zwischen den Behältern mit dem Ansaugraum unmittelbar vor

dem Umwälzgebläse in Verbindung stehen, weil das Kühlgas dort die tiefste Temperatur und den niedrigsten Druck aufweist.

Der Vollständigkeit halber wird noch darauf hingewiesen, daß im Sinne der Erfindung als Kühlgas jedes kompressible Kühlmittel, also auch Dampf betrachtet wird.

Die wesentlichen, mit der Erfindung verbundenen Vorteile bestehen darin, daß bei Auftreten eines Lecks oder einer Bruchstelle am Hochdruckbehälter die Kühlmittelströmung in der Spaltzone aufrechterhalten bleibt, ohne daß der innere thermische Schild druckfest ausgelegt zu werden braucht. Damit wird neben einer erheblich verbesserten Sicherheit auch ein wirtschaftlicher Betrieb der Reaktoranlage ermög- ¹S licht.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Gasgekühlter Atomkernreaktor, dessen Spaltzone allseitig von einem thermischen Schild ao und in Abstand von diesem von einem Hochdruckbehälter umschlossen ist, mit an den vom thermischen Schild umschlossenen Raum angeschlossenen Zu- und Ableitungen für das die Spaltzone durchströmende Kühlgas und einer an as den Zwischenraum zwischen Hochdruckbehälter und thermischem Schild angeschlossenen Saugleitung für das Gas in dem Zwischenraum, wobei das in der Spaltzone erhitzte Kühlgas, über die Ableitungen der Spaltzone, außerhalb des Hochdruckbehälter angeordneten Wärmetauschern und von da über Umwälzgebläse und die Zuleitungen zur Spaltzone derselben wieder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugleitung (10) für das Gas im Zwischenraum zwischen dem Hochdruckbehälter (3) und dem thermischen Schild mit dem Ansaugraum (17) von wenigstens einem der Umwälzgebläse (16), in den auch die Austrittsleitung des zugehörigen Wärmetauschers (13) mündet, in unmittelbarer Verbindung steht.

2. Gasgekühlter Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Schild aus mehreren ineinanderliegenden Behältern (6) mit konzentrisch ineinanderliegenden, miteinander in Verbindung stehenden Zwischenräumen (9) gebildet ist, von denen mindestens einer mit der Ansaugseite (17) des Umwälzgebläses (16) in Verbindung steht.

3. Gasgekühlter Atomkernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der äußerste Zwischenraum mit dem Ansaugraum (17) des Umwälzgebläses (16) verbunden ist.

4. Gasgekühlter Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Behältern (6) zu ihrer und des Hochdruckbehälters (3) Kühlung, an einer entfernt von der Saugleitung (10) für das Gas in den Zwischenräumen (9) zwischen Hochdruckbehälter (3) und thermischem Schild, liegenden Stelle Drosselöffnungen (8) für das Einströmen von Kühlgas in die Zwischenräume (9) vorgesehen sind.

5. Gasgekühlter Atomkernreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Spaltzone (4) zum Wärmetauscher (13) führende Ableitung (11) zentrisch in der das Kühlgas vom Umwälzgebläse (16) zum Reaktor führenden Leitung (12) angeordnet ist und mantelförmig um beide Leitungen mit Abstand als Verbindungskanal des Zwischenraumes (9) bzw. der Zwischenräume (9) mit dem Ansaugraum (17) die Leitung (10) liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen