DE2404843C2

DE2404843C2 - Kernkraftwerk mit geschlossenem Gaskühlkreislauf

Info

Publication number: DE2404843C2
Application number: DE2404843A
Authority: DE
Inventors: Dirk Dipl.-Ing. Haferkamp; Alija Dipl.-Ing. 6800 Mannheim Hodzic; Ulrich 6900 Heidelberg Winter
Original assignee: Hochtemperatur-Reaktorbau 5000 Koeln De GmbH; Hochtemperatur Reaktorbau 5000 Koeln GmbH
Current assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1974-02-01
Filing date: 1974-02-01
Publication date: 1982-12-16
Also published as: US3998057A; FR2273348B1; DE2404843A1; GB1475833A; JPS50108494A; FR2273348A1; JPS587199B2; CH577228A5

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernkraftwerk mit geschlossenem Gaskühlkreislauf^jei dem ein Hochtemperaturreaktor, ein Gasturbosatz, wärmetauschende Apparate, bestehend aus Rekuperatoren, Vor- und gegebenenfalls Zwischenkühlern sowie die das Gas führenden Leitungen zwischen den einzelnen Komponenten in einem Spannbetondruckbehälter (Einbehälterbauweise) untergebracht sind.

Bekannt sind Kernenergieanlagen in Einbehälterbauweise, bei denen die in dem Reaktorkern erzeugte Wärmeenergie mittels eines in einem Primärkreis umlaufenden Kühlmediums in Wärmetauschern (Dampferzeugern) an ein in einem Sekundärkreis umlaufendes zweites Medium abgegeben wird. Als Sekundärkreismedium wird Wasser verwendet, und der erzeugte Dampf dient als Antriebsmittel von Dampfturbinen. Bei diesen Kernerergieanlagen ist der Kernreaktor in einer Kaverne des Betondruckbehäiters installiert, die außer ihm keine weiteren Aggregate enthält. Die Leitungen für das Kühlmedium sind zwischen dem Reaktorkern

und den Wärmetauschern bzw. den den Wärmetauschern nachgeschalteten Umwälzvorrichtungen geradlinig und im wesentlichen vertikal oder horizontal geführt

Zwei derartige Anlagen sind in der DE-PS 12 79 221 sowie in der DE-OS 16 39 289 beschrieben. Bei beiden Anlagen befinden sich die Dampferzeuger in einem Ringraum, der von der Reaktorkaverne durch eine Betonabschirmung getrennt ist Der Ringraum kann mittels radialer Zwischenwände unterteilt sein. Durch ·ο ebenfalls radial verlaufende Kanäle in der Betonabschirmung steht der Ringraum mit der Kaverne in Verbindung. Diese Kanäle können als koaxiale Mediumsleitungen ausgeführt sein, wobei sie gleichzeitig der Zu- und Abführung des Kühlmediums (DE-OS 16 39 289), oder sie werden nur zur Abführung des erhitzten Kühlmediums aus dem Reaktorkern verwendet während das abgekühlte Kühlmedium über Durchgänge im Boden der ReaKtorkaverne dem Reaktorkern wieder zugeleitet wird (D¹U-PS 12 79 221).

Zwei weitere Zweikreisanlagen in Einbehälterbauweise sind aus der DE-OS 15 89 712 und der DE-OS 22 16 848 bekannt Sie unterscheiden sich von den eben beschriebenen Anlagen dadurch, daß die Dampferzeuger nicht in einem Ringraum, sondern in vertikalen Schächten installiert sind, die auf einem Kreis symmetrisch um die Druckbehälterachse angeordnet sind.

Bei der in der DE-OS 22 16 848 gezeigten Anlage ist die Reaktorkaverne im oberen Teil des Druckbehälters vorgesehen, und die senkrechten Schächte finden sich im unteren Druckbehälterteil unterhalb der Höhenlage des Reaktorkerns. Sie stehen an ihrem oberen Ende mit der Reaktorkaverne in Verbindung, und durch diese Verbindungsöffnungen sind die Leitungen für das heiße Kühlmedium verlegt

Die in der DE-OS 15 89 712 dargestellte Kernenergieanlage weist eine Anzahl von senkrechten Schächten auf, die sich über die gesamte Höhe des Betondruckbehälters erstrecken und an ihren Stirnseiten offen sind. Die in den Schächten angeordneten Wärmetauscher befinden sich in Höhe der Reaktorkaverne. Jeder Schacht ist durch zwei horizontale Gaskanäle mit der Reaktorkaverne verbunden.

Gegenüber den eben beschriebenen Zweikreisanlagen bietet eine Einkreisanlage mit geschlossenem Gaskühlkreislauf und direkt an den Kernreaktor angekoppelter Gasturbine eine Reihe von Vorteilen, die in ihrer Einfachheit und guten Leistung liegen. Einige der von Zweikreisanlagen bekannten Baumerkmale lassen sich mit Vorteil jedoch auch bei Einkreisanlagen verwenden. Dazu gehört einmal die integrierte Bauweise, d. h. die Anordnung von Kernreaktor und Gasturbosatz samt den zugehörigen Kreislaufkomoonenten in einem gemeinsamen Druckbehälter (wobei der Reaktor für sich allein in einer Kaverne installiert ist), wodurch besondere Verbindungselemente zwischen den einzelnen Aktivgas führenden Anlageteilen vermieden werden, was sich gerade beim Bau und Betrieb von Hochtemperaturreaktoren sehr günstig auswirkt. Ein anderes solches Baumerkmal stellt die Anordnung von wärmetauschenden Apparaten in vertikalen Schächten dar, die symmetrisch auf einem Kreis um die Reaktorkaverne verteilt und durch geradlinige und im wesentlichen vertikal oder horizontal geführte Gasleitungen mit der Reaktorkaverne verbunden sind.

Zum Stand der Technik gehört auch die deutsche Auslegeschrift 11 56 903, die eine Kraftmaschinenanlage der eingangs beschriebenen Art (für die Verwendung in einem Fahrzeug) zeigt und einen sehr kompakten Aufbau aufweist Die Turbine und der Verdichter sind hier an zwei einander gegenüberliegenden Stirnflächen des Reaktorkerns angeordnet, wobei die durch den Reaktorkern führende gemeinsame Welle als Hohlwelle ausgebildet ist und die Zwischenkühler in dem Ringraum zwischen dem Reaktorkern und der Druckbehälterwand untergebracht sind. Bei dieser gedrängten Bauweise wird davon ausgegangen, daß die zu verwendende Turbine keine Wartung benötigt und es wird daher auf die Ausbaubarkeit der Turbine und der anderen Kreislaufkomponenten verzichtet

Einen ähnlichen Aufbau zeigt der in der Offenlegungsschrift 20 05 208 offenbarte Kernreaktor, nur ist hier noch innerhalb des Druckbehälters ein an seinen Stirnseiten offener Druckmantel vorgesehen, der von der Druckbehälter-Innenwand derart beanstandet ist daß in dem so gebildeten Raum die Wärmetauscher untergebracht werden können.

In der deutschen Offenlegungsschrift 20 28 736 wird ebenfalls ein Kernkraftwerk mit geschlossenem Gaskühlkreislauf, jedoch in Zweibehälterbauweise, beschrieben, d.h. bei dieser Einkreisanlage sind die Gasturbine und die im Gaskreislauf angeordneten Maschinen und Apparate in einem vom Betondruckbehälter abgetrennten, aus vorgespanntem Beton gebildeten Maschinenblock untergebracht um einen einfacheren Aufbau der Beschickungs- und Regeleinrichtung zu erreichen.

Einen ähnlichen Aufbau zeigt der in der deutschen Auslegeschrift 16 14 610 offenbarte Betondruckbehälter, der zwei geschlossene druckdichte Räume aufweist, von denen der eine den Reaktor aufnimmt und der andere als Maschinenkammer dient Das Arbeitsmedium wird in Leitungen, die die Trennwand zwischen den beiden druckdichten Räumen durchdringen, vom Reaktor zur Turbine und vom Verdichter wieder zurück in einen Ringraum unterhalb des Reaktorkerns geführt. Diese sogenannte Iglu-Bauweise ist technisch schwer zu realisieren, und die Kernkraftanlage ist aufgrund des Anordnungsprinzips sehr unwirtschaftlich.

In der Offenlegungsschrift 20 62 934 ist eine Einkreisanlage in integrierter Bauweise dargestellt bei der die Gasturbine in einem Hohlraum in der Wandung des den Reaktorkern umgebenden Druckbehälters untergebracht ist. Durch eine Bypassvorrichtung kann ein Teil des dem Reaktorkern zugeführten kalten Kühlgases an dem Reaktorkern vorbeigeführt und direkt mit dem aus dem Reaktorkern austretenden heißen Kühlgas gemischt werden.

Eine weitere Kernreaktoranlage der eingangs geschilderten Art ist schließlich noch in der deutschen Offenlegungsschrift 17 64 249 beschrieben. Bei dieser Anlage sind der Kernreaktor und alle Kreislaufkomponenten in dicht beabstandeten parallelen vertikalen Bohrungen innerhalb des Betondruckbehälters von außen zugänglich angeordnet und Durchlaßwege für das Kühlmedium in der Wand des Druckbehälters zwischen den einzelnen Bohrungen vorgesehen. Hierbei hat das Kühlmedium sehr große Strömungswege zurückzulegen, und die gesamte Anlage benötigt einen relativ großen Druckbehälter.

Von diesem Stand der Technik wird bei der Erfindung ausgegangen, wobei ihr die Aufgabe zugrunde liegt, ein Kernkraftwerk des eingangs beschriebenen Typs zu schaffen, das einen Spannbetonbehälter mit relativ kleinen Abmessungen benötigt und einen guten

' Wirkungsgrad aufweist und bei dem alle Komponenten für Ausbau oder Reparaturen von außen leicht zugänglich sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Gasturbosatz in einem horizontalen s Stollen unterhalb der in an sich bekannter Weise lediglich den Reaktor ohne Nebenaggregate enthaltenden Kaverne installiert ist, daß in an sich bekannter Weise zur Aufnahme der Rekuperatoren und Kühler eine Anzahl von vertikalen Schächten vorgesehen ist, die auf einem Kreis symmetrisch um die Reaktor-Kaverne angeordnet sind, daß die den Rekuperatoren nachgeschalteten Vorkühler jeweils senkrecht über oder unter diesen untergebracht sind, daß in an sich bekannter Weise die gasführenden Leitungen zwischen den einzelnen Komponenten geradlinig und im wesentlichen vertikal oder horizontal geführt sind, daß für die Hochdruckgasführung mehrere gesonderte vertikale Schächte mit horizontalen Anschlüssen sowie in den Schächten verlegte Gasleitungen mit horizontalen Anschlüssen vorgesehen sind und daß für die Niederdruckgasführung unterhalb des Turbostollens ein aus koaxialen Stichleitungen, Sammlern und Verteilern sowie aus einfachen Gasführungen bestehendes Leitungssystem horizontal angeordnet ist

Die bei dem erfindungsgemäßen Kernkraftwerk verwirklichten, teilweise im einzelnen bekannten Prinzipien lassen sich folgendermaßen kurz zusammenfassen:

— ein weitgehend symmetrischer Aufbau des Spannbetonbehälter;

— die Ausbildung eines Teils der vertikalen Gasführungen als Schächte;

— direkte und geradlinige Gasführungen zwischen den einzelnen Komponenten des Hauptkreislaufes;

— die Anwendung koaxialer Gasführungen, wodurch zwischen den koaxialen Gasströmen im Normalbetrieb nur kleine Druckdifferenzen auftreten;

— die Führung der heißen und warmen Gasströme in einem isolierten, frei im Spannbetonbehälter verlegten Rohrleitungssystem mit Druckmänteln, die außen von kaltem Kreislaufgas umströmt werden;

— weitgehende Zugänglichkeit der im Spannbetonbehälter integrierten Einbauten wie Gasführungen, wärmetauschenden Apparaten, Armaturen, Wärmeschutzmäntel u. a. für Inspektion, Wartung, Reparatur und Ausbau von außen bzw. nach der Demontage von Behälterabschlüssen.

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Alle Schächte, Gasführungen und Komponenten des riäupikrciiiäuis sind nach Entfernen des Spannbetonbehälter-Deckels geometrisch zugänglich, so daß für Inspektionen, Wartung und Reparaturzwecke die Remote-Technik angewandt werden kann. Diese gute Zugänglichkeit ergibt sich, bedingt durch die koaxialen Gasführungen, aus den relativ großen Betonkanälen, aus den direkten und geradlinigen Gasführungen und der Ausbildung eines Teils der Hochdruckgasführungen als Schächte. Durch die Anordnung zweier Gasführungssysterne in nur einem Betonkanal bzw. Schacht ist eine kompakte Bauweise des Hauptkreislaufes möglich, so daß die Abmessungen des Spannbetonbehälters relativ klein gehalten werden können.

Die Anordnung der einzelnen Komponenten ist so gewählt, daß sie bei jeder gewünschten Leistungssteigerung beibehalten werden kann; d h. die Extrapolation auf größere oder kleinere Leistungseinheiten ist ohne Schwierigkeiten möglich, was bei der Entwicklung von neuen Kernreaktoren von großer Bedeutung ist.

Der Gasturbosatz ist vorzugsweise in einem horizontalen Stollen angeordnet, der in einem solchen Abstand von dem Kernreaktor verläuft, daß eine ausreichende Abschirmung des Turbosatzes gegen die Neutronenstrahlung gewährleistet ist. Für den Ein- und Ausbau des Turbosatzes ist eine sogenannte Einschubbauweise vorgesehen.

Der Turbosatz ist einwellig ausgeführt, da eine einwellige Anlage gegenüber einer Mehrwellenanlage entscheidende Vorteile aufweist: ihr Betriebs- und Regelverhalten ist gut überschaubar und erprobt, es ist nur eine Wellendichtung durch den Spannbetonbehälter erforderlich, und überdies sind die Kosten einer Einwelienanlage niedriger. Der Turbosatz äst starr mit dem Generator gekoppelt.

Das aus dem Reaktor kommende heiße Gas wird zunächst durch vier radiale Anschlußstutzen geleitet und strömt dann über vertikale Heißgasleitungen, die in vertikalen Schächten verlegt sind, und vier horizontale Anschlußleitungen den symmetrisch angeordneten Turbineneintrittsstutzen zu. Die vier radialen Reaktoranschlußstutzen reichen mit den Graphiteinbauten bis zu den vertikalen Heißgasleitungen.

Das Turbinenabgas (ca. 500° C) strömt zunächst in einem vertikalen Stutzen nach unten, wo es in das horizontale Leitungssystem für das Niederdruckgas eintritt Über Verteiler und koaxiale Stichleitungen wird es auf die die Rekuperatoren und Vorkühler enthaltenden Schächte aufgeteilt und gelangt in die Rekuperatoren, die es mantelseitig durchströmt Anschließend wird das Gas ebenfalls mantelseitig durch die Vorkühler geleitet und strömt zurück zu dem horizontalen Leitungssystem. Dabei wird es jetzt — bei der Rückführung — durch die äußeren Gasführungen der koaxialen Stichleitungen geleitet, während es bei der Zuführung zu den Rekuperatoren durch die inneren Gasführungen der koaxialen Stichleitungen gelenkt wird. Das koaxiale Stichleitungssystem ist also so aufgebaut daß die Turbinenabgasleitungen mit ca. 500° C überall von Kaltgas umströmt werden und somit nur geringe Temperaturbelastungen für die Gasleitungen auftreten.

Von den Sammlern des horizontalen Leitungssystems gelangt das kalte Gas (30° C) über mehrere einfache horizontale Gasführungen in einen vertikalen zylindrischen Stollen, von dem aus es in den Niederdruckteil des Kompressors eintritt Hier wird es auf 36 bar komprimiert '

Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind sechs Rekuperatoren vorgesehen, die paarweise durch je eine koaxiale Stichleitung an einen Sammler und Verteiler angeschlossen sind. Die zugehörigen Vorkühler sind dabei jeweils senkrecht unter dem betreffenden Rekuperator angeordnet

Die Führung des komprimierten Gases zurück zu den Rekuperatoren wird durch sechs Schächte bewerkstelligt wobei in vier dieser Leitungen die vom Reaktor zur Turbine laufenden vertikalen Gasleitungen koaxial verlegt sind. Das relativ kalte Hochdruckgas (125° C) umgibt also dabei die vier Heißgasleitungen zwischen Reaktor und Turbine.

Um den Wirkungsgrad des Kernkraftwerks zu erhöhen, ist in dem Hauptkreislauf ein Zwischenkühlersystem vorgesehen, das zweckmäßigerweise ebenfalls in senkrecht angeordneten Schächten untergebracht ist, die auf dem gleichen Kreis um die Reaktorkaverne wie

die Schächte zur Aufnahme der Rekuperatoren und Vorkühler und symmetrisch zu diesen angeordnet sind. Die Zwischenkühler sind in zwei Gruppen zusammengefaßt, wobei jede Gruppe zwei in einem Schacht übereinander installierte Zwischenkühler umfaßt.

Von dem Niederdruckteil des Kompressors führen zwei koaxiale Leitungen zu den beiden Schächten mit den zwei übereinanderliegenden Zwischenkühlern. In den äußeren Leitungen strömt das Gas zu den Schächten hin, wird dort in einen nach oben und unten gerichteten Teilstrom aufgeteilt und nach dem Durchströmen der Zwischenkühler in den inneren Leitungen der beiden koaxialen Gasleitungen zu dem Hochdruckteil des Kompressors zurückgeführt.

Vorteilhafterweise sind die zur Aufnahme der Komponenten vorgesehenen Hohlräume im Spannbetonbehälter (Reaktorkaverne, horizontaler Turbinenstollen, vertikale Schächte für die wärmetauschenden Apparate und die Gasführungen) von gasdichten Stahllinern umgeben., Auftretende Druckbelastungen werden vom Beton aufgenommen, und um unzulässig hohe Temperaturen im Beton zu vermeiden, werden die Liner mit Wasser gekühlt und sind außerdem noch mit einem Temperaturschutz, ζ. Β. einem Wärmeschutzmantel, versehen.

Wie bereits angedeutet, dienen die Zwischenkühler der Verbesserung des Wirkungsgrades der Anlage. Es sind jedoch auch Kernkraftanlagen denkbar, bei denen durch Weglassen der Zwischenkühler bewußt eine Verschlechterung des Wirkungsgrades hingenommen wird, um eine Reihe von anderen Vorteilen dafür einzutauschen. Die wesentlichsten Vorteile sind im folgenden Lurz zusammengefaßt: eine Verkleinerung des Spannbetonbehälters, der Wegfall von teueren Anlageteilen (außer den Zwischenkühlern selbst noch Stahlliner, Gasführungen und ausbautechnische Einrichtungen), eine Verkleinerung des Kühlsystems und die Verringerung der Kreislaufdruckverluste. Bei einer solchen Kernkraftanlage wird der aus dem Kompressor austretende Gasstrom unmittelbar den Rekuperatoren zugeleitet.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Kernkraftwerks gemäß der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigt

F i g. 1 einen vertikalen Schnitt nach der Linie I-I der Fig. 2,

Fig. 2 einen horizontalen Schnitt nach der Linie II-1I der F i g. 3,

Fig.3 einen vertikalen Schnitt nach der Linie IH-III der F i g. 4 und so

Fig.4 einen horizontalen Schnitt nach der Linie IV-IV der F ig. 3.

Die F i g. i und 2 lassen einen drückfesten Sicherheitsbehälter 1 aus Stahlbeton erkennen, der zylindrisch ausgeführt ist und als oberer Abschluß eine Kugelkalotte 2 aufweist Zentral im Inneren des Sicherheitsbehälters 1 ist ein ebenfalls zylindrischer Spannbetonbehälter 3 angeordnet, der einen Hochtemperaturreaktor 4 sowie die übrigen weiter unten beschriebenen Hauptkreislaufkomponenten (Turbogruppe, wärmetauschende Apparate, Gasführungen) umfaßt Innerhalb des Sicherheitsbehälters 1 sind auch alle Aktivgas führenden Hilfseinrichtungen sowie die für den Ausbau der Hauptkreiskomponenten erforderlichen Vorrichtungen untergebracht Von diesen ist in der Zeichnung nur ein als Haupthebezeug dienender Rundlaufkran 5 gezeigt, der in einer Ebene unterhalb des Beginns der Kugelkalotte 3 bewegbar angeordnet ist Sein Arbeitsradius ist so groß, daß mit ihm alle im Sicherheitsbehälter 1 befindlichen Komponenten ausgebaut werden können.

Der Hochtemperaturreaktor 4, der in einer Kaverne 6 eingebaut ist, ist als graphitmoderierter, heliumgekühlter Kugelhaufenreaktor ausgeführt, was durch einen im Boden des Reaktorkerns vorgesehenen Kegel 7 und ein sich an diesen anschließendes Kugelabzugsrohr 8 sowie durch einen hängenden Deckenreflektor 9 angedeutet ist. Unterhalb des Bodens des Reaktorkerns befindet sich ein Heißgassammelraum 10 zur Aufnahme des aus der Kugelschüttung austretenden erhitzten Gases. Über sechs Eintritts- und vier Austrittsstutzen (siehe weiter unten) ist der Kernreaktor 4 mit dem übrigen Hauptkreislauf verbunden.

Senkrecht unter dem Hochtemperaturreaktor 4 und in hinreichendem Abstand von diesem, um eine sichere Abschirmung zu gewährleisten, ist ein horizontaler Stollen 11 in den Spannbetonbehälter 3 gearbeitet, in dem eine einwellige Gasturbine 12 sowie ein Hochdruck- und Niederdruckompressor 13,14 untergebracht sind, die mit der Gasturbine 12 auf einer gemeinsamen Welle 15 sitzen. Turbine und Kompressoren werden bei der Montage als Einheit auf einer Schiene in den horizontalen Stollen 11 eingefahren (sogenannte Einschubbauweise). Ein Generator 16, der in einer zylindrischen Ausnehmung 17 des Sicherheitsbehälters 1 ausbaubar angeordnet ist, ist starr mit der Gasturbine 12 gekoppelt. Die zylindrische Ausnehmung 17 ist mit einem Abschlußdeckel 63 gasdicht und druckfest verschlossen. Vom Heißgassammelraum 10 führen vier radiale Anschlußstutzen 18 zu je einer in einem Schacht 51 verlegten Heißgasleitung 19, die je über eine horizontale Gasleitung 20 mit den vier symmetrisch angeordneten Eintrittsstutzen 21 der Turbine 12 verbunden sind. Die vier radialen Reaktoranschlußstutzen 18, über die das auf 85O⁰C erhitzte Helium zur Turbine 12 geleitet wird, reichen mit den Graphiteinbauten 22 des Reaktors bis zu den vertikalen Heißgasleitungen 19. Dies erleichtert den Ein- und Ausbau der Heißgasleitungen 19, die aus vier Teilen zusammengesetzt sind.

Auf einem Kreis um die Reaktorkaverne 6 sind in symmetrischer Anordnung zueinander acht senkrechte Schächte 23, 24 ... 30 vorgesehen, die mit hinreichendem Abstand zum Rand des Spannbetonbehälters 3 diesen fast auf seiner gesamten Länge durchqueren. Diese großen Durchbrüche sind mit berstsicheren Deckeln, die redundant befestigt sind, abgeschlossen. Die berstsicheren Deckel sind in der Fig.3 an der Decke und am Boden des Spannbetonbehälters 3 zu erkennen. In sechs dieser Schächte — und zwar in den Schächten 23,24... 28 — ist in Höhe des Kernreaktors 4 je ein Rekuperator 31 untergebracht, und jedem Rekuperator ist ein Vorkühler 32 nachgeschaltet der senkrecht unter dem zugehörigen Rekuperator angeordnet ist Die beiden noch übrigen Schächte 29 und 30 sind zur Aufnahme von vier Zwischenkühlern 33 bestimmt die paarweise untereinander in den beiden Schächten installiert sind. Die sechs Rekuperatoren 31 sind als Gegenströmer in Elementbauweise mit Dreiecksteilung des Rohrbündels ausgeführt, wodurch der Ausbau einzelner defekter Zellen möglich ist Die Vorkühler 32 sowie auch die Zwischenkühler 33 sind in Heüx-Bauform ausgeführt, die das Vornehmen von Druckprüfungen und Blindsetzen einzelner Rohre oder Bereiche von außerhalb des Spannbetonbehälters 3 her gestattet Durch Anwendung dieser bekannten und

erprobten Bauelemente ergibt sich somit für die wärmetauschenden Apparate eine hohe Zuverlässigkeit.

Das Verteiler- und Sammelsystem des aus der Turbine austretenden Niederdruckgases ist horizontal unterhalb des Turbostollens 11 angeordnet. Das Turbinenabgas von ca. 500⁰C strömt zunächst in einem vertikalen Stutzen 34 nach unten zu einem Verteiler 35 sowie durch zwei koaxiale Stichleitungen 36 zu zwei weiteren Verteilern 37. An jeden Verteiler sind zwei koaxiale Stichleitungen 38 angeschlossen, die das Gas auf die sechs Pods 23, 24 ... 28 aufteilen. Dabei strömt das Gas durch die inneren Gasführungen der koaxialen Stichleitungen 36, 38. In den Schächten gelangt es in durch die Vorkühler 32 geführten Zentralrohren 39 von unten in die Rekuperatoren 31, die es mantelseitig durchströmt. Dabei kühlt sich das Gas auf ca. 16O⁰C ab.

Nach einer Umlenkung um 18O⁰C in einem Sammelraum 40 oberhalb der Rekuperatoren 31 wird das Gas in einem Ringspalt 41 zwischen Rekuperator und Schachtwandung zu den Vorkühlern 32 geleitet, die es ebenfalls mantelseitig durchströmt. Das auf ca. 3O⁰C abgekühlte Gas tritt nunmehr in die äußeren Gasführungen der koaxialen Stichleitungen 38 ein und gelangt in drei Sammler 42,43, die koaxial zu den Verteilern 35,37 angeordnet sind, und zwar derart, daß die äußeren Gasführungen als Sammler und die inneren als Verteiler fungieren.

Das gesamte Leitungssystem unterhalb des Turbostollens U ist also so aufgebaut, daß die Turbinenabgasleitungen mit ca. 500⁰C überall von Kaltgas umströmt werden und daher keine Temperaturbelastungen für den Beton auftreten. Die koaxialen Gasführungen sind zudem — wie auch alle anderen Hohlräume im Spannbetonbehälter — von gasdichten Stahllinern umgeben, die mit einem inneren Wärmeschutz versehen sind und mit Wasser gekühlt werden. Auch für den Liner treten nur geringe Temperaturbelastungen auf, da heiße Gasströme jeweils von kälteren Gasströmen umgeben sind. Die Druckdifferenzen zwischen den koaxialen Gasströmen betragen im Normalbetrieb je nach Gasführung 0,7—4 bar. Die innerhalb der Liner freigelegten Rohrleitungen werden somit nur relativ gering auf Druck beansprucht. Der Druck der äußeren Gasströme wird über die Liner vom Beton aufgenommen. «

Von den Sammlern 42,43 gelangt das Kaltgas durch zwei einfache horizontale Gasführungen 44 in einen vertikalen zylindrischen Stollen 45, von dem aus es in den Niederdruckkompressor 14 eintritt und dort auf 36 bar komprimiert wird. Vom Niederdruckkompressor 14 führen zwei koaxiale Leitungen 46 zu den beiden Schächten 29. 30. in denen die vier Zwischenkühler 33 installiert sind. Das Helium strömt mit ca. 125⁰C in den äußeren Leitungen zu den beiden Schächten, wo es in einen nach oben und einen nach unten gerichteten Teilstrom aufgespalten wird. Beide Teilströme durchfließen einen zwischen Schacht und Zwischenkühler vorhandenen Ringspalt 47, durchströmen mantelseitig die vier Zwischenkühler 33 und treten jeweils im Bereich 48 zwischen den beiden übereinander angeordneten Zwischenkühlern in die inneren Rohrleitungen der koaxialen Leitungen 46 ein. Durch diese Leitungen gelangt das auf 30⁰C abgekühlte Gas zu dem Hochdruckkompressor 13.

Das hier auf 64 bar komprimierte Gas wird vom Hochdruckkompressor 13 in eine Kaverne 49 geleitet, die das Turbinengehäuse und die Turbineneintrittsstutzen 21 umgibt In zwei einfachen Schächten 50, die im wesentlichen vertikal verlaufen, und vier Schächten 51, die teilweise koaxial zu den Heißgasleitungen 19 geführt sind, strömt das Hochdruckgas zu den Verteilerköpfen 52 der Rekuperatoren 31. Die vier Heißgasleitungen 19 zwischen dem Reaktor 4 und der Turbine 12 sind also vom relativ kalten Hochdruckgas (125° C) umgeben, so daß Liner und Beton kaum durch hohe Temperaturen belastet werden.

Von den Verteilerköpfen 52 strömt das Helium durch die Rohrbündel der Rekuperatoren 31, erwärmt sich durch das mantelseitig entgegenströmende Turbinenabgas auf ca. 450⁰C und wird zu den Sammelköpfen 53 der Rekuperatoren 31 zurückgeführt, die oberhalb der Verteilerköpfe 52 vorgesehen sind. Über sechs Leitungen 54, die teilweise in den Schächten 50, 51 für das Hochdruckkaltgas verlegt sind, kommt das vorgewärmte Gas schließlich wieder zurück in einen Kaltgassammelraum 55 des Reaktors 4. Bevor das Helium wieder in den Reaktorkern eintritt, strömt es zwischen dem thermischen Schild und dem Reflektoraufbau entlang, wobei es diese Bauteile kühlt (nicht darstellt). Durch den Deckenreflektor 9 gelangt das Gas sodann in den Raum 56 oberhalb des Kugelhaufens und dringt von hier in den Kugelhaufen ein.

In vier vertikalen Schächten 57, die symmetrisch zur Reaktorkaverne 6 und auf dem gleichen Kreis wie die Schächte 23, 24 ... 30 angeordnet sind, ist in gleicher Höhe mit den Rekuperatoren 31 ein an sich bekanntes Nachwärmeabfuhr-System 58 von 4 ■ 50% untergebracht, das sich aus Gebläsen, Rekuperatoren und Kühlern zusammensetzt. Da das Nachwärmeabfuhr-System nicht Gegenstand der Erfindung ist, sind diese Komponenten nicht im einzelnen dargestellt. Jeder Teil des Systems 58 entnimmt heißes Gas aus einer Heißgasleitung 59, kühlt es in dem Rekuperator auf ca. 450° C und anschließend in dem Kühler auf ca. 50⁰C ab und bewirkt durch das Gebläse eine Druckerhöhung bei einem Temperaturanstieg auf ca. 70⁰C. Durch ein Zentralrohr strömt das verdichtete Gas wieder dem Rekuperator zu, in dem es auf 400⁰C aufgeheizt und durch eine Rohrleitung 60 dem Kernreaktor 4 kaltgasseitig wieder zugeführt wird.

Um den Kernreaktor 4 von dem übrigen Hauptkreislauf abtrennen zu können, sind Absperrarmaturen 61 vorgesehen, die in die Reaktoreintrittsleitungen 54 und die Heißgasleitungen 19 eingebaut sind. Damit Reparaturen und Wartungsarbeiten an ihnen vorgenommen werden können, sind die Absperrarmaturen 61 — soweit sie nicht in den von oben zugänglichen Schächten 50,51 für die Kaltgasführung untergebracht sind — durch vertikale Schächte 62 zugänglich.

Im folgenden soll noch einmal kurz der Haupt- oder Turbinenkreislauf zusammenhängend erläutert werden.

Der Arbeitsprozeß des Hauptkreislaufes verläuft zwischen einem obersten Prozeßdruck von 64,3 bar und einem untersten von 19,9 bar; die Prozeßtemperatur bewegt sind zwischen einer oberen Grenze von 850⁰C und einer unteren Grenze von 30⁰C. Auf der Heißgasseite strömt das Gas mit 805° C und 60 bar direkt aus dem Heißgassammelraum 10 über die vier Heißgasleitungen 29 den vier Eintrittsstutzen 21 der Gasturbine 12 zu.

In der Turbine 12 wird das Arbeitsgas auf 20,7 bar entspannt und tritt mit einer Temperatur von ca. 500⁰C durch die koaxialen Stichleitungen 38 und die Zentralrohre 39 in die Rekuperatoren 31 ein, die es mantelseitig durchströmt. Dabei wird es mit dem kalten, auf der Hochdruckseite der Rekuperatoren 31 strömen-

den Gas auf ca. 160°C heruntergekühlt und den Vorkühlern 32 zugeführt. Hier wird das Gas auf die unterste Prozeßtemperatur von 3O⁰C rückgekühlt und durch die Sammler 42, 43 gesammelt, bevor es über die Gasführungen 44 und den Stollen 45 dem Niederdruckkompressor 14 zugeleitet wird.

Im Niederdruckkompressor 14 wird das Arbeitsgas auf einen Prozeßdruck von 64,3 bar angehoben und mit einer Temperatur von 125,6° C über die koaxialen Leitungen 46 den Zwischenkühlern 33 mantelseitig zugeführt. Dort wird das Gas wieder auf 30° C heruntergekühlt, durchströmt die inneren Rohrleitungen der koaxialen Leitungen 46 und tritt mit einem

Prozeßdruck von 35,8 bar in den Hochdruckkompressor 13 ein. Hier wird das Arbeitsgas auf den maximalen Prozeßdruck von 64,3 bar angehoben und über die Kaltgasschächte 50, 51 zu den Verteilerköpfen 52 geführt, die es mit einer Temperatur von 125,6° C auf die Rohrbündel der Rekuperatoren 31 verteilen. Mit der von der Niederdruckseite der Rekuperatoren zugeführten Wärme wird das Hochdruckgas anschließend auf eine Temperatur von 455,2° C gebracht, wonach es durch die Leitungen 54 unmittelbar dem Kaltgassammelraum 55 des Hochtemperaturreaktors 4 zugeleitet wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprache:

1. Kernkraftwerk mit geschlossenem Gaskahlkreislauf, bei dem ein Hochtemperaturreaktor, ein Gasturbosatz, wärmetauschende Apparate, beste- s hend aus Rekuperatoren, Vorkühlern und gegebenenfalls Zwischenkühlern, sowie die das Gas fahrenden Leitungen zwischen den einzelnen Komponenten in einem Spannbetonbehälter (Einbehälterbauweise) untergebracht sind, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß der Gasturbosatz (12, 13, 14) in einem horizontalen Stollen (11) unterhalb der

in an sich bekannter Weise lediglich den Reaktor (4) ohne Nebenaggregate enthaltenden Kaverne (6) installiert ist, daß in an sich bekannter Weise zur is Aufnahme der Rekuperatoren (31) und Kühler (32, 33) eine Anzahl von vertikalen Schächten (23,24,... 30) vorgesehen ist die auf einem Kreis symmetrisch um die Reaktorkaverne (6) angeordnet sind, daß die den Rekuperatoren (31) nachgeschalteten Vorkühler (32) jeweils senkrecht über oder unter diesen untergebracht sind, daß in an sich bekannter Weise die gasfahrenden Leitungen zwischen den einzelnen Komponenten geradlinig und im wesentlichen vertikal oder horizontal geführt sind, daß für die Hochdruckgasführung mehrere gesonderte vertikale Schächte (SO, 51) mit horizontalen Anschlüssen (54) sowie in den Schächten verlegte Gasleitungen (19) mit horizontalen Anschlüssen (18,20) vorgesehen sind und daß für die Niederdruckgasführung unterhalb des Turbostollens (11) ein aus koaxialen Stichleitungen (36, 38), Sammler (42, 43) und Verteilern (35, 37) sowie aus einfachen Gasführungen (44) bestehendes Leitungssystem horizontal angeordnet ist

2. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasturbosatz (12, 13, 14) ausbaubar angeordnet ist.

3. Kernkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasturbosatz (12, 13, 14) einwellig ausgeführt und starr mit dem Generator (16) gekoppelt ist.

4. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochtemperaturreaktor (4) in seinem unteren Bereich vier radiale Anschlußstutzen (18) aufweist, die je in eine in einem Schacht (51) verlegte vertikale Gasleitung (19) münden, und daß von den vertikalen Gasleitungen (19) je eine horizontale Leitung (20) zu einem der symmetrisch angeordneten Turbineneintrittsstutzen (21) führt.

5. Kernkraftwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphitaufbau (22) des Reaktors (4) bis zu den vier vertikalen Gasleitungen (19) fortgeführt ist.

6. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinenausgang durch einen vertikalen Stutzen (34) mit dem Leitungssystem für das Niederdruckgas verbunden ist und daß jeder Rekuperator (32) durch eine der koaxialen Stichleitungen (38) an einen Sammler (42 bzw. 43) und Verteiler (35 bzw. 37) des Leitungssystems angeschlossen ist, wobei die Zuführung des Niederdruckgases zu den Rekuperatoren (31) und den diesen nachgeschalteten Vonkühlern (32) in den inneren Gasleitungen der koaxialen Stichleitungen (38) erfolgt und für die Rückführung des Gases zu dem Leitungssystem die äußeren Gasleitungen der koaxialen Stichleitungen (38) vorgesehen sind.

7. Kernkraftwerk nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammler (42, 43) des Leitungssystems über mehrere einfache horizontale Gasführungen (44) und einen vertikalen zylindrischen Stollen (45) mit dem Niederdruckteil (14) des Kompressors verbunden sind.

8. Kernkraftwerk nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sechs Rekuperatoren (31) vorgesehen sind, die paarweise durch je eine koaxiale Stichleitung (38) an einen Sammler (42 bzw. 43) und Verteiler (35 bzw. 37) angeschlossen sind, und daß die Vorkühler (32) unterhalb des zugehörigen Rekuperators (31) angeordnet sind.

9. Kernkraftwerk nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Führung des komprimierten Gases vom Hochdruckteil (13) des Kompressors zu t?en Rekuperatoren (31) im wesentlichen sechs Schächte (50, 51) vorgesehen sind, wobei in vier Schächten (51) die vom Reaktor (4) zur Turbine (12) laufenden vertikalen Gasleitungen (19) koaxial verlegt sind.

10. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß erforderliche Zwischenkühler (33) in gesonderten Schächten (29,30) installiert sind, die auf dem gleichen Kreis um die Reaktorkaverne (6) wie die Schächte zur Aufnahme der Rekuperatoren (31) und Vorkühler (32) und symmetrisch zu diesen angeordnet sind.

11. Kernkraftwerk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei Zwischenkühler (33) übereinander in zwei Schächte (29, 30) untergebracht sind und daß für die Zuführung des Gases vom Niederdruckteil (14) des Kompressors und seine Rückführung zum Hochdruckteil (13) des Kompressors zwei koaxiale Leitungen (46) vorgesehen sind, wobei das Gas bei der Zuführung in den äußeren Gasführungen und bei der Rückführung in den inneren Gasführungen strömt.

12. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Aufnahme der Komponenten vorgesehenen Hohlräume im Spannbetonbehälter (3) von gasdichten Stahllinern umgeben sind, die mit Wasser gekühlt und mit einem Temperaturschutz versehen sind.