DE3005961A1 - Letzter waermeableiter fuer ein kernkraftwerk - Google Patents

Description

Paienfanwäliö ^: - _ '

Parksiraüs 13
COCO Franlciuri a. M. 1

9587

The Lummus Company, Bloomfield, New Jersey, V.St.A.

Letzter Wärmeableiter für ein Kernkraftwerk.

Die Erfindung betrifft einen letzten Wärmeableiter oder -Speicher für Kraftwerke mit thermischen Kernreaktoren. Sie betrifft insbesondere einen letzten Wärmeableiter oder -Speicher zur Verwendung in Kernkraftwerken, die thermische Kernreaktoren in weitester Form verwenden, wie z.B. Leichtwasserreaktoren als Siedewasserkernreaktoren oder Druckwasserkernreaktoren,, um ein sicheres Handhaben der durch solche Reaktoren erzeugten Restwärme durch die Verwendung einer Trockenkühlung zu ermöglichen.

Bei Siedewasserkernreaktoren wird Wärmeenergie in Form von Dampf im Reaktorkern erzeugt und direkt einer Dampfturbine zugeleitet, die sie antreibt. Bei einem Druckwasserreaktor wird dagegen Wärmeenergie , die in dem Kern erzeugt wird, von Wasser, das als Reaktorkühlmittel dient, aufgenommen, wobei das Wasser unter hohem Druck in einem Primärkreislauf oder -System umläuft ( das den Reaktor kühlt oder abbremst), und die Wärmeenergie vom Primärsystem auf ein Sekundärsystem in einem Wärmeaustauscher oder Kessel übertragen und Dampf in dem Sekundärsystem erzeugt wird, der geringeren Druck und Temperatur als das primäre Kühlmittel hat und dazu verwendet wird, die Dampfturbine anzu treiben.

030036/0669

Die vorliegende Erfindung befaßt sich jedoch nicht mit den Anforderungen an die Kühlung, die entweder mit dem Kühlen des Dampfes, der die Dampfturbine treibt, oder mit dem Kühlen des Dampfes, der aus der Dampfturbine austritt, zusammenhängen. Die Erfindung betrifft vielmehr den sogenannten Sicherheitsbereich oder Sicherheitsteil des Kernkraftwerkes, in dem die in dem Reaktor erzeugte Restwärme kontrolliert und abgeleitet wird. Da in der Öffentlichkeit beträchtliche Angst vor der Kerntechnologie besteht, die sich auf die sorgfältig kontrollierten Kernreaktionen erstreckt, die in kommerziellen oder in öffentlicher Hand befindlichen oder be triebenen Kernkraftwerken ablaufen, sind Sicherheitsaspekte von höchster Wichtigkeit beim Entwurf, der Konstruktion und dem Betrieb dieser Anlagen, insbesondere hinsichtlich ihrer Fähigkeit zur Handhabung der vom Reaktor erzeugten Restwärme, und diese Betrachtungen umfassen eine Vielzahl von Sicherheitsfaktoren im Hinblick auf die Anforderungen und Bestimmungen , die von verschiedenen staatlichen oder behördlichen Stellen erlassen wurden, die sich mit der Verwendung und Kontrolle der Kernenergie befassen.

Eine hauptsächliche Sicherheitsüberlegung betrifft die Ableitung von Restwärme bei einem Abschalten des Kernreaktors oder nach einem Betriebsunfall oder einer Betriebsstörung (die im allgemeinen nicht den Kernbereich der Anlage betrifft). Nach Regierungsbestimmungen ist es in solchen Fällen erforderlich, daß die Kernkraftanlage mit einem letzten Wärmeableiter oder -Speicher ausgerüstet ist, um auf diese Möglichkeiten vorbereitet zu sein. Die Kapazität eines solchen Ableiters muß ausreichen, um Kühlung sowohl während der Zeitspanne , die nötig ist, die Situation zu untersuchen, als auch für die Zeitspanne, die erforderlich ist, um Abhilfe zu schaffen, durchzuführen. Unter den heutigen Bedingungen

09003G/066Ö

erfordert dies einen 30-Tage- Vorrat an Wasser, der für Schutzmaßnahmen verfügbar sein muß.

Ein anderer Sicherheitsaspekt betrifft Erfordernisse, wie sie in dem "Code of Federal Regulations , Beitrag 50, Anhang A¹,¹ hinsichtlich allgemeiner Entwurfskriterien für Kernkraftwerke genannt sind, in dem es unter anderem heißt, daß "...Konstruktionen, Systeme, und Bauteile , die für die Sicherheit wesentlich sind, so konstruiert sein müssen, daß sie den Auswirkungen von Naturereignissen widerstehen, ohne ihre Fähigkeit zu verlieren, ihre Sicherheitsfunktionen ausüben zu können." Solche Naturereignisse sind unter anderem Erdbeben, Wirbelstürme, Überschwemmungen und Dürreperioden. Wenn die bisher üblichen letzten Wärmeableiter verwendet werden, wie beispielsweise große Wasserkörper wie Flüsse, Seen , Ozeane, Berieselungsbecken, Speicher, oder Kombinationen davon, dann müssen andere das Gelände betreffende Ereignisse , die von Naturereignissen hervorgerufen werden können, berücksichtigt werden, wie z.B. Verstopfung, Umleitung oder sogar Entleerung des Wasser enthaltenden Körpers , der verwendet wird. Im Zusammenhang mit der Konstruktion eines Kern kraftwerkes müssen außerdem andere Ereignisse, wie beispielsweise Transportunfälle wie Schiffskollisionen , Flugzeugab stürze usw. oder Ölpest und Feuer , in die Sicherheitsüberlegungen mit einbezogen werden.

Damit der letzte Wärmeableiter ein Maximum an Zuverlässigkeit hinsichtlich der erforderlichen Sicherheitsfunktionen ohne jeglichen Verlust seiner Funktionsfähigkeit aufweist, ist es wesentlich, daß der letzte Wärmeableiter eine Kühlquelle hat, die vollständig widerstandsfähig gegen die oben genannten Naturereignisse ist und von diesen nicht nachteilig beeinflusst werden kann. Dieses Erfordernis wird durch den erfindungsgemäßen letzten Wärmeableiter durch dessen

O9OÖ36/0669

_ 5 —
Verwendung von Trockenkühleinrichtungen vollständig erfüllt.

Es ist bekannt, daß thermische Kernreaktoren eine enorme Hitze erzeugen, die bei der Kernspaltung oder Kernverschmelzung entsteht, die größtenteils zum Antrieb von Dampfturbinen verwendet wird, die wiederum Generatoren antreiben, die ein Großteil des Strombedarfs decken. Während den Wärmeübertragungsproblemen, die mit der Stromerzeugung oder dem eigentlichen Zweck des Kernkraftwerkes zusammenhängen , große Aufmerksamkeit geschenkt wurde, wurde bisher vergleichsweise wenig Aufmerksamkeit den Einrichtungen geschenkt, die erforderlich sind, um die Restwärme zu handhaben, die in Kernkraftwerken auftritt, ungeachtet der Bedeutung dieser Vorrichtungen für die Sicherheit und andere £,esundheitsbezogene Gründe hinsichtlich der gesetzlich festgelegten Regeln und Bestimmungen , die die Behandlung der Restwärme regeln.

Die einzigen in der Vergangenheit und auch noch jetzt verwendeten letzten Wärmeableiter oder -Speicher zur Handhabung der Restwärme sind natürliche oder künstliche Wasser körper wie die oben erwähnten Flüsse, Seen, Ozeane , Berieselungsbecken usw.

Diese bekannten letzten Wärmeableiter haben jedoch erhebliche Nachteile. Zu den bereits erwähnten Nachteilen kommt hinzu, daß sie mit der Zeit radioaktiv verseucht werden und die Umwelt verschmutzen und belasten.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen letzten Wärmeableiter zu schaffen, der sowohl die Anforderungen an die Kühlung, als auch die Anforderungen an die Sicherheit bei der Handhabung der vom Reaktor erzeugten Restwärme erfüllt,

wobei eine maximale Freiheit von radioaktiver Verseuchung gegeben sein soll.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die Erfindung stellt dabei einen äußerst sicheren letzten Wärmeableiter oder -Speicher für Kraftwerke dar, die einen thermischen Kernreaktor eines üblichen Typs haben, wie einen Leichtwasserreaktor, beispielsweise einen Siedewasser- oder Druckwasser-Reaktor, einen Schwerwasserreaktor, einen gasgekühlten Hochtemperaturreaktor, einen schnellen Brüter, einen gasgekühlten schnellen Brüter, usw. Insbesondere stellt die Erfindung einen äußerst sicheren letzten Wärmeableiter oder -Speicher für thermische Kernkraftwerke dar, der eine Trockenkühlvorrichtung umfasst, die allen Naturereignissen widerstehen kann und eine äußere Schutzkonstruktion und darin befindliche Wärmeaustauschereinrichtungen aufweist. Dieser Wärmeableiter stellt ein geschlossenes System dar, in dem Wärmeaustauschereinheiten vorzugsweise horizontal in einzelnen Baugruppen angeordnet sind und die Wände und das Dach der Schutzkonstruktion geschoßsicher , beispielsweise raketensicher sind und die Wände Öffnungen aufweisen, so daß atmosphärische Luft in die Konstruktion eintreten und aus ihr austreten kann.

Demzufolge stellt die Erfindung einen letzten, raketensicheren Wärmeableiter für den Sicherheitsbereich oder Sicherheitsteil eines Kernkraftwerkes und ein Verfahren zur Ableitung von Restwärme aus dem Kraftwerk mit Hilfe des V/ärmeableiters dar. Der erfindungsgemäße Wärmeableiter umfasst einen geschlossenen Trockenkühlturm mit einem Lufteinlaß und Luftauslaß, wenigstens eine Wärmeaustauscherein richtung und wenigstens eine Tragkonstruktion , die ver-

O$0O36/Q66$

tikal auf dem Fundament des Turmes aufruht und in diesem verankert ist, wobei Luft durch den Einlaß eingeführt wird, durch den Wärmeaustauscher hindurchtritt und von der Tragkonstruktion in Richtung des Auslasses abgelenkt wird.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen, sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Flußdiagramm eines im wesentlichen bekannten Reaktorkühlwassersystems, das gewöhnlich in üblichen Kernkraftwerken verwendet wird, ohne Einschluß des erfindungsgemäßen letzten Wärmeabieiters. Die gestrichelten Linien deuten an, daß der Teil-Kühlwasseraustauscher der bekannten Konstruktion durch den erfindungsgemäßen letzten Wärmeableiter ersetzt werden kann;

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen teilweise dargestellten Flußplan eines Kernkraftwerkes, der zwei thermische Kernreaktoren an entgegengesetzten Seiten zeigt, die jeweils mit letzten Wärmeableitern gemäß der Erfindung verbunden sind;

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen letzten Wärmeabieiters mit fünf Wärmeaustauscher-Baugruppen ;

Figo 4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht mit dem Wärmeaustauscher und Baugruppen gemäß Fig. 3;

Fig. 5 eine teilweise geschnittene Seitenansicht mit Wärmetauschern entlang der Linie 5-5 in Fig. 3, die den Fluß der atmosphärischen Luft veranschaulicht, die in den erfin dungsgemäßen Wärmeableiter eintritt und aus diesem austritt;

030036/0669

Figuren 5a und 5b abgewandelte Ausführungsformen von Austauscher-Anordnung en und

Fig. 6 eine vergrößerte, teilweise geschnittene Seitenansicht entlang der Linie 6-6 in Fig. 3, die zeigt,wie die Wärmeaustauscher -Bauteile an der Schutzkonstruktion, in der sie angeordnet sind, befestigt sind.

Wie bereits oben erwähnt, ist der letzte Wärmeableiter für ein thermisches Kernkraftwerk vorwiegend zur Erfüllung verschiedener Sicherheitsfunktionen wie dem Ableiten von Restwärme nach einem Abschalten des Reaktors oder einem Betriebsunfall vorgesehen. Der letzte Wärmeableiter muß vollständig widerstandsfähig gegen Naturereignisse sein und einen sicheren Schutz gegen Geschosse , wie z.B. Raketen, bieten. Die Bedeutung des letzten Wärmeabieiters ist so groß, daß, wenn während des Kraftwerkbetriebes seine Leistungsfähigkeit aus irgendeinem Grund bedroht ist, dem Kraftwerksbetrieb Beschränkungen auferlegt werden müssen. Der letzte Wärmeableiter ist darüber hinaus , wie sein Name schon sagt, der letzte Wärmeabscheider für das Kernreaktor-Kühlsystem.

Fig. 1 zeigt ein typisches Kernreaktorkühlsystem. Dabei ist in Fig. 1 ein doppeltes Reaktorkühlsystem dargestellt, von dem immer nur jeweils eins zu Kühlzwecken tatsächlich benutzt wird. Das doppelte oder zweite System ist aus Gründen staatlicher oder behördlicher Vorschriften für Sicherheits zwecke erforderlich, so daß es entweder im Notfall oder in dem Falle, daß das andere Reaktorkühlsystem abgeschaltet oder aus einem anderen Grunde außer Betrieb ist, genutzt werden kann. Fig. 1 zeigt ein Gehäuse 10 für ein thermisches Kernreaktorgefäß 11. Reaktorkühlmittel, im allgemeinen Wasser, wird mit Hilfe nicht dargestellter Einrichtungen durch den Reaktorkern

OSQO36/0669

hindurchgeleitet, und dieses Kühlmittel bremst oder kühlt den Reaktor, indem es Restwärme von einem Teil des Kühlmittels abführt, das sich in dem Becken 12 ansammelt, in dem es mit Hilfe einer Umlaufpumpe durch den Restwärmeabfuhraustauscher 13 durchlauft, und Austauscherablaufwasser zum Reaktorkern zurückfließt. Der Rückstand des angesammelten Kühlmittels im Becken 12 wird zu einem Eindämmungssprühtauscher gepumpt, in dem ein großer Teil der radioaktiven Verseuchung entfernt wird, wobei ein stark radioaktiver Strom vom Austauscher zum Gehäuse 10 zurückgeleitet und in dessen Inneres hinein gesprüht wird und ein schwach radioaktiver Strom zu einem Umlaufstrom vom Restwärme-Abfuhraustauscher 13 befördert wird zur weiteren Restwärmeableitung.

Die zusammengefassten Ströme werden dann zu einer Endkühlstufe in dem Texlkühlwasseraustauscher 15 gepumpt, von wo der Hauptteil des anfallenden Ablaufwassers zu dem Restwärmeabfuhraustauscher 13 zurückfließt, um zu dessen Kühlfunktion beizutragen. Der Rest des Ablaufwassers vom Austauscher 15 wird zu einem Hilfslädungsaustauscher 16 weiter geleitet, in dem er dazu verwendet wird, Kühlung für nicht dargestellte Funktionen auszuführen, und von dort wird er mit Hilfe einer Pumpe zu dem Austauscher 15 zurückgeleitet. In Fig. 2 ist ein teilweiser Grundriß einer Reaktoranlage dargestellt. Das Gehäuse 10 für den thermischen Kern 11 ist über Leitungen mit fern erfindungsgemäßen letzten Wärmeableiter verbunden, der doppelte Wärmeaustauscher-Einheiten 18 "in vollständig geschlossener Bauweise mit langgestreckter Oberfläche umfasst, die in parallel miteinander verbundenen Baugruppen angeordnet sind, um so die erforderliche Kühlung durchzuführen. Jeder Austauscher kann zur Optimierung seiner Ausbildung hinsichtlich der Wärmeübertragung eine Mehrzahl von Reihendurchlässen aufweisen. Der Austauscher arbeitet unter mechanischem Druck, der durch axiale Strömungsflügel hervorgerufen wird, und der mechanische Druck kann entweder erzwungen oder induziert sein. In den Zeichnungen ist eine Anordnung mit erzwungenem Druck dargestellt. Jede dieser Ein-

030036/06

- Io -

heiten stellt einen mit mechanischem Druck betriebenen Wasser- Luft- Austauscher dar, die in einer geschlossenen Schutzkonstruktion vollständig eingeschlossen sind, die allgemein mit 19 bezeichnet ist (Fig. 5).

Die Schutzkonstruktion 19 umfasst eine geschlossene Einfassung (d.h. ein Bauwerk) mit vertikalen Wänden und einem gewölbten Dach und steht auf einem seismischen Puffer 25 (teilweise dargestellt) und ist mit diesem verbunden, wobei der seismische Puffer zweckmäßige Teile wie Scherkeile aufweist, um die Konstruktion mit dem Gelände der Anlage fest zu verbinden. Die vertikalen Wände der Konstruktion enthalten Öffnungen, die es erlauben, daß atmosphärische Luft eintritt, die Konstruktion durchläuft und wieder austritt. Wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, hat die Konstruktion 19 Innenwände 20, an denen Querträger 21 befestigt sind, die sich zwischen diesen Wänden und der Außenwand der Anlage erstrecken und die Austauscher -Einheiten tragen. Die Austauscher-Einheiten 18 sind an dem Träger 20 oberhalb der Öffnungen befestigt, wodurch die Konstruktion 19 Sichtlinienschutz gegen Geschosse , wie Z.B.Raketen, bietet. Während die Anordnung der Austauscher-Einheiten 18 horizontal dargestellt ist, sind auch eine Vielzahl anderer Formen möglich, die gleichwertig sind, wie z.B. A-förmige Anordnung , wie in Fig. 5a dargestellt, geneigte Anordnung , wie in Fig. 5b dargestellt, vertikale Anordnung usw. Das gewölbte Dach der Konstruktion 19 bietet ebenfalls Schutz gegen Geschosse mit anderer Flugbahn als aus der Sichtlinie. Zusätzlich können Außenwände errichtet werden, die Schutz gegen Geschosse wie Raketen bieten.

Um die Möglichkeit eines Zurückfließens der er hitzten Kühlluft zum Kühllufteinlaß soweit wie möglich

030P36/06S9

auszuschließen, ist der Kühllufteinlaß auf einer Seite der Schutzkonstruktion 18 und der Auslaß der erhitzten Luft auf der entgegengesetzten Seite (wie in Fig. 5 dargestellt) angeordnet. Somit hat der Auslaß einen großen Abstand von dem Einlaß.. In dem Fall, daß Wind von der Auslaßseite in Richtung auf die Einlaßseite weht, ist durch diese Trennung ein ausreichender Abzug der heißen Luft gewährleistet.

Wie in Fig. 5 dargestellt ist, sind Hebeeinrichtungen an dem gewölbten Dach der Schutzkonstruktion 19 befestigt und innen daran aufgehängt, und diese Einrichtung ermöglicht die Anbringung der Wärmeaustauschereinheiten 18 und der Querträger 21.

Hinsichtlich der betrieblichen Probleme in Zusammenhang mit seismischen Ereignissen müssen Konstruktionselemente , die die Schutzeinfassung 19 und die darin befestigten Wärmeaustauscher-Einheiten 18 betreffen und diese tragen, nach Regierungsbestimmungen fähig sein, den Kräften standzuhalten, die durch ein seiemisches Ereignis hervorgerufen werden, ohne daß sie irgendeinen Schaden nehmen. Daraus ergeben sich eine Vielzahl von Konstruktionsproblemen, die die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ,die aus Stahlbeton oder ähnlichem steinartigen Material besteht, löst. Ein Beispiel dafür ist in Fig. 6 dargestellt, die ein f etwa H-förmiges Bauteil 23 zeigt. Das Bauteil 23 besteht in einer bevorzugten Ausführungsform aus Stahlbeton und trägt sowohl die Querträger 21, als auch die Austauscher Einheiten 18 , die daran mit Einrichtungen, die allgemein das Bezugszexchen 24 tragen, befestigt sind.

Wie beispielsweise in den Fig. 5, 5a und 5b gezeigt ist, ist ein Tragbauteil 20 vertikal auf dem Fundament des

06003-6/0

Kühlturms befestigt und lenkt die Kühlluft , die durch den Wärmeaustauscher hindurchgeströmt ist, zum Auslaß des Kühlturmes ab. Diese Tragbauteile können eine Viel zahl von Größen und Formen haben, und sie können zusätzliche Luft ablenkende Flächen aufweisen.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.

000036/06S9

Claims (3)

1. Reiche! u. Reichel

   Parksiraße 13 9587

   Fiankiuri a. M. 1

   The Lummus Company, Bloomfield, New Jersey, V.St.A.

   Patentansprüche

   (l) Letzter Wärmeableiter für ein Kernkraftwerk, "gekennzeichnet durch wenigstens einen geschlossenen Kühlturm mit einem Lufteinlaß und einem Luftauslaß an den Außenseiten des Turmes, wenigstens einerWärmeaustauschereinrichtung, die an dem inneren Ende einer der Außenseiten des Turmes befestigt ist, und wenigstens einem Tragbauteil (20), das vertikal auf dem Fundament des Turmes befestigt ist, wobei Luft, die durch den Einlaß eingeführt und durch den Wärmeaustauscher (18) hindurchgeleitet ist, von dem Tragbauteil zum Auslaß abgelenkt wird.
2. 2. Verfahren zum Ableiten von Restwärme aus einem Kernkraftwerk ,

   dadurch gekennzeichnet, daß einem letzten Wärmeableiter mit einem geschlossenen trockenen Kühlturm mit einem Lufteinlaß und einem Luftauslaß heißes verunreinigtes Wasser und Kühlluft zugeführt wird und daß die erwärmte Luft aus dem Kühlturm abgeleitet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2,
   dadurch gekennzeichnet, daß das heiße verunreinigte Wasser radioaktiv verseucht ist.