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Mit einem Gasturbosatz gekoppelter
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gasgekühlter Hochtemperaturreaktor Die Erfindung betrifft einen in
einer Druckbehälterkaverne installierten gasgekühlten Hochtemperaturreaktor, der
mit mindestens einem in einem horizontalen Stollen unterhalb der Reaktorkaverne
angeordneten Gasturbosatz gekoppelt ist, mit einem den Reaktorkern allseitig umgebenden
Reflektor, der mit Abstand von einem aus Boden-, Seiten- und Deckenschild bestehenden
thermischen Schild umschlossen ist, mit einem Ringraum zwischen der Kavernenwand
und dem thermischen Seitenschild, durch den von dem Verdichter kommendes Kreislaufgas
niedriger Temperatur (Kaltgas) geführt wird, sowie mit mehreren Heißgasleitungen,
die einen oberhalb des thermischen Bodenschildes befindlichen Heißgassammelraum
mit der Turbine verbinden.
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Der Seitenreflektor eines Hochtemperaturreaktors muß aus hochwarmfestem
Moderatormaterial wie Graphit hergestellt sein, dessen Eigenschaften jedoch keine
großen Zug- und Biegebeanspruchungen zulassen. Die horizontalen Kräfte des Reaktorkerns
müssen daher radial nach außen auf den thermischen Seitenschild übertragen werden,
von dem sie in den Reaktordruckbehälter eingeleitet werden. Neben den stationären
Kräften
des Reaktorkerns muß der thermische Seitenschild auch noch
die durch die Gasströmung verursachten instationären Kräfte aufnehmen, zu denen
im Falle eines Kernreaktors mit einer Schüttung kugelförmiger Brennelemente und
direkt in die Schüttung einfahrbaren Absorberstäben noch weitere in stationäre Kräfte
kommen. Der thermische Seitenschild dient auch zugleich als nukleare Abschirmung
für die außerhalb liegenden Bauteile.
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Er ist vorzugsweise aus Gußmaterial hergestellt.
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Die hohe Wärmeproduktion in dem Seitenreflektor eines direkt mit einer
Gasturbine gekoppelten Hochtemperaturreaktors kann infolge des Wärmetransports von
dem Seitenreflektor zu dem thermischen Seitenschild zu einer Uberschreitung der
zulässigen Einsatztemperatur des verwendeten Gußmaterials führen, wenn nicht für
eine hinreichende Kühlung des thermischen Seitenschildes gesorgt wird.
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Stand der Technik ist eine Gasturbinen-Kraftanlage mit geschlossenem
Gaskreislauf, die als Wärmequelle eine Hochtemperaturreaktor hat (DE-OS 26 39 877).
Diese Kraftanlage besteht aufs dem Kernreaktor, der in der mit einem Liner ausgekleideten
Kaverne eines Druckbehälters untergebracht ist, mindestens einer Turbine mit HD-
und gegebenenfalls ND-Verdichter sowie einer Anzahl von Rekuperatoren, Vorkühlern
und gegebenenfalls Zwischenkühlern. Die genannten Kreislaufkomponenten sind im gleichen
Druckbehälter wie der Kernreaktor installiert. Der Liner der den Kernreaktor enthaltenden
Kaverne wird mit Kreislaufgas niedriger Temperatur (Kaltgas) gekühlt, wobei das
gesamte aus dem HD-Verdichter austretende Gas vor seinem Eintritt in die Rekuperatoren
durch einen Ringraum zwischen dem Liner und dem thermischen Seitenschild
geführt
wird. Die Zuleitung des Kaltgases zu dem Ringraum erfolgt durch Gasführungsstollen,
die jeweils zusammen mit einer der den Reaktorkern und die Turbine verbindenden
Heißgasleitungen eine koaxiale Gasführung bilden.
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Beim Durchströmen des Kaltgases durch den genannten Ringraum wird
nicht nur der Liner der Reaktorkaverne gekühlt, sondern es wird auch die Temperatur
des thermischen Seitenschildes herabgesetzt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß der
thermische Seitenschild nicht gleichmäßig auf seiner Außenseite mit Kaltgas beaufschlagt
wird, so daß örtlich unzulässig hohe Temperaturbelastungen auftreten können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Kühlung des thermischen
Seitenschildes bei einem Hochtemperaturreaktor der eingangs beschriebenen Bauart
zu verbessern, d.h. für eine gleichmäßige Umströmung des thermischen Seitenschildes
mit Kaltgas zu sorgen.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der horizontale
Stollen für den Gasturbosatz durch mehrere Gasführungen mit dem Ringraum zwischen
der Kavernenwand und dem thermischen Seitenschild in Verbindung steht, wobei die
Gasführungen in den Boden der Kaverne eintreten, daß ein Teil des von dem Verdichter
kommenden Kaltgases als Bypaß durch die genannten Gasführungen geleitet wird, während
der übrige Teil des Kaltgases in an sich bekannter Weise durch Gasführungsstollen,
in denen jeweils eine Heißgasleitung installiert ist, zu dem gleichen Ringraum geführt
wird, und daß die Ausströmöffnungen der Gasführungen derart angeordnet sind, daß
der Ringraum gleichmäßig von dem Kaltgas des Bypasses beaufschlagt wird.
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Durch den Kaltgas-Bypaß läßt sich die erforderliche Kühlung des thermischen
Seitenschildes erzielen, ohne daß in der gesamten Anlage ein Verlust an Wirkungsgrad
hingenommen werden muß. Die Qualität der Kühlung aller Flächen des thermischen Seitenschildes
ist nun nicht. von der Anzahl und Anordnung der koaxialen Gas führungen (Heißgasleitungen
und Gasführungsstollen) abhängig, die radikal unten aus der Reaktorkaverne austreten.
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Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung kann das durch den Bypaß
in die Reaktorkaverne geführte Kaltgas auch zur Kühlung des thermischen Bodenschildes
ausgenutzt werden. Das Kaltgas kann durch Öffnungen am unteren Ende des thermischen
Seitenschildes in den Raum unterhalb des thermischen Bodenschildes eintreten und
den Bodenschild gleichmäßig umströmen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Hochtemperaturreaktors
gemäß der Erfindung schematisch dargestellt.
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Die Figuren zeigen im einzelnen: Fig. 1 einen Hochtemperaturreaktor
herkömmlicher Bauart mit einem Gasturbosatz und einem Teil der wärmetauschenden
Apparate in einem. Vertikalschnitt, Fig.2 den unteren Teil eines Hochtemperaturreaktors
gemäß der Erfindung mit Gasturbosatz,. vergrößert dargestellt.
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Die Figur 1 läßt einen Spannbetondruckbehälter 1 erkennen, der zylindrisch
ausgeführt ist und eine zentrale Kaverne 3 aufweist. Ein in der Kaverne 3 installierter
Hochtemperaturreaktor 2 ist als graphitmoderierter, heliumgekühlter Reaktor ausgeführt,
dessen Brennelemente in diesem Ausführungsbeispiel kugelförmig ausgebildet sind.
Unterhalb des Reaktorkerns befindet sich ein Heißgassammelraum 4 zur Aufnahme des
aus dem Kern austretenden erhitzten Gases. Uber dem Reaktorkern ist ein Warmgassammelraum
5 vorgesehen, der das aus dem Kühlgaskreislauf zurückströmende Gas aufnimmt, bevor
es wieder dem Reaktorkern zugeleitet wird.
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Innerhalb des Spannbetondruckbehälters 1 sind auch die weiteren Komponenten
des Kühlgaskreislaufs untergebracht. Diese umfassen einen in einem horizontalen
Stollen 8 installierten Gasturbosatz 7 (Turbine, ED-Verdichter und HD-Verdichter)
sowie je zwei Rekuperatoren 6, Vorkühler und Zwischenkühler (nicht dargestellt).
Zu den Kreislaufkomponenten gehört ferner.noch ein Nachwärmeabfuhrsystem 9, das
aus mehreren Kühlern 10 und Gebläsen 11 besteht. Jeder Kühler 10 ist in einem Pod
13 und jedes Gebläse 11 in einem Pod 19 untergebracht.
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Der Reaktorkern ist allseitig von einem aus Graphitblöcken zusammengefügten
Reflektor umgeben, der sich aus einem Deckenreflektor 14, einem Bodenreflektor 15
und einem zylindrischen Seitenreflektor 16 zusammensetzt. Der zylindrische Seitenreflektor
16 ist mit Abstand von einem thermischen Seitenschild 17 aus Gußmaterial umschlossen,
wobei ein Ringraum 18 gebildet wird. Zwischen dem thermischen Seitenschild 17 und
der Wand der Kaverne 3, die mit einem metallischen Liner 20 ausgekleidet ist, befindet
sich'ein weiterer Ringraum 21.
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Der Bodenreflektor 15 stützt sich (über mehrere Bodenlagen) auf einem
thermischen Bodenschild 22 ab, der auf in dem Spannbetondruckbehälter 1 verankerten
Stützsäulen 23 ruht. Der Bodenschild 22 schließt direkt an den thermischen Seitenschild
17 an. Mit seinem oberen Ende ist der thermische Seitenschild 17 an einem thermischen
Deckenschild 24 angeschlossen.
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Das Nachwärmeabfuhrsystem 9 steht mit dem Reaktorkern durch mehrere
Gasleitungen in Verbindung. Zu jedem Kühler 10 führt eine Gaszuführungsleitung 25,
die durch den thermischen Seitenschild 17 verlegt ist. Jeder Pod 19 ist durch eine
Gasabführungsleitung 26 mit dem Warmgassammelraum 5 verbunden.
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Zwei Gasführungsstollen 27 (von denen nur einer gezeigt ist) verbinden
den horizontalen Stollen 8 für den Gasturbosatz 7 mit der Reaktorkaverne 3, und
in jedem der Stollen 27 ist eine Heißgasleitung 28 installiert. Die beiden Heißgasleitungen
28 sind auf der einen Seite je an einem Turbineneintrittsstutzen angeschlossen und
stehen auf der anderen Seite mit dem Heißgassammelraum 4 in Verbindung.
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Im oberen Teil des Spannbetondruckbehälters 1 befinden sich zwei weitere
Gasführungsstollen 29, in denen je eine Warmgasleitung 30 angeordnet ist. Die beiden
Warmgasleitungen 30 sind auf der einen Seite mit dem Warmgassammelraum 5 verbunden;
auf der anderen Seite schließen sie sich an je einen der beiden Rekuperatoren 6
an, die jeweils in einem Pod 31 installiert sind. Die Gasführungsstollen 29 dienen
zur Führung von Kaltgas und stehen jeweils mit dem Verteiler eines der beiden Rekuperatoren
6 in Verbindung.
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Aus dem Heißgassammelraum 4 strömt das erhitzte Gas durch die Heißgasleitungen
28 zur Turbine, entspannt sich und tritt dann unten in die Rekuperatoren 6 ein,
deren Bündelrohre es von unten nach oben umströmt. Dabei wird es von dem in den
Bündelrohren strömenden Kaltgas hohen Druckes heruntergekühlt, zu den Kühlern weitergeführt
und hier auf die unterste Prozeßtemperatur rückgekühlt. Darauf wird das kalte Gas
zum ND-Verdichter geleitet und danach den Zwischenkühlern zugeführt. Sodann wird
das Gas im HD-Verdichter auf den maximalen Prozeßdruck von 72 bar angehoben.
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Mit einer Temperatur von 108 OC tritt das Kaltgas in die Gasführungsstollen
27 ein, in denen es außen an den Heißgas leitungen 28 entlang nach oben strömt und
in den Ringraum 21 gelangt. Hier werden der Liner 20 und die Außenseite des thermischen
Seitenschildes 17 direkt mit dem Kaltgas beaufschlagt, wobei jedoch infolge des
ungleichmäßigen Einströmens des Kaltgases in den Ringraum 21 keine gleichmäßige
Kühlung von thermischem Seitenschild 17 und Liner 20 erfolgt.
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Aus dem Ringraum 21 gelangt das kalte HD-Gas durch die Gasführungsstcllen
29 in die Rekuperatoren 6; dabei strömt es außen an den Warmgasleitungen 30 entlang.
Auf die einzelnen Bündelrohre der Rekuperatoren 6 verteilt, strömt das Gas nach
unten und nimmt von dem mantelseitig entgegenströmenden Turbinenabgas Wärme auf.
Nunmehr wird das Gas als Warmgas den Warmgasleitungen 30 zugeführt, in denen es
in den Warmgassammelraum 5 zurückgeleitet wird.
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Von gleicher Bauart wie eben beschrieben ist der in der Fig.
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2 dargestellte Hochtemperaturreaktor, mit einem wesentlichen, die
Erfindung ausmachenden Unterschied. Um die Kühlung des thermischen Seitenschildes
17 zu verbessern, sind bei diesem Reaktor mehrere Gasführungen 32 vorgesehen, die
den horizontalen Stollen 8 für den Gasturbosatz 7 unmittelbar mit dem Ringraum 21
verbinden (die Gasführungen 32 sind in der Fig. 2 versetzt gezeichnet).
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Die Gasführungen 32 münden in den Boden der Kaverne 3 ein, und ihre
Anordnung ist so getroffen, daß ein aus den Ausströmöffnungen 33 der Gasführungen
32 austretendes Gas den thermischen Seitenschild 17 gleichmäßig beaufschlagt. Bei
diesem Gas handelt es sich um aus dem HD-Verdichter 36 kommendes Kaltgas, das einen
Bypaß zu dem durch die Gasführungsstollen 27 strömenden Kaltgas bildet. Das Kaltgas
des Bypasses bewirkt eine gleichmäßige Kühlung des thermischen Seitenschildes 17.
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Unter dem thermischen Bodenschild 22, der gleichzeitig als Bodenplatte
des Reaktorkerns dient, befindet sich ein freier Raum 34, durch den die Stützsäulen
23 geführt sind. Dieser Raum wird ebenfalls mit Kaltgas des Bypasses beaufschlagt,
um den thermischen Bodenschild 22 und die Stützsäulen 23 gleichmäßig zu kühlen.
Das Kaltgas gelangt durch Öffnungen 35 in dem thermischen Seitenschild 17 in den
Raum 34. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel stützt sich der thermische Seitenschild
17 über Rollenlager 37 auf dem Boden der Kaverne 3 ab, und der freie Zwischenraum
im Bereich der Rollenlager 37 bildet die öffnungen.35 für den Durchtritt des Kaltgases.
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