DE3938345A1 - Fluessigmetallgekuehlter kernreaktor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen flüssigmetallgekühlten Kernreaktor, insbesondere einen Brutreaktor, dessen von einem Doppeltank umgebener und in einer Reaktorkaverne stehender Reaktortank einen Reaktorkern trägt und einen vom Reaktorkern nach oben zum Instrumentierungsdeckel führenden Schacht sowie diesen Schacht umgebende Wärmetauscher und Primärpumpen enthält.

Nach dem auch bei anderen Reaktortypen bereits vorgeschlagenen Modulprinzip soll die Gesamtleistung eines Kernkraftwerks nicht mehr mit einem einzigen großen Reaktor, sondern mit mehreren kleinen Reaktoren erreicht werden. Auf diese Weise kann bei Ausfall, Inspektion oder Wartung eines Reaktors das Kraftwerk mit etwas verringerter Leistung weiter betrieben werden. Gegenüber den bisher gebauten bzw. geplanten flüssigmetallgekühlten Brutreaktorkraftwerken mit einer Einzelleistung von 1000 MW oder mehr können Kraftwerke, die aus mehreren Modulreaktoren mit einer Einzelleistung von jeweils ca. 200 MW bestehen, zwar einige Nachteile in bezug auf Brennstoffeinsatz und Brutrate aber auch erhebliche Vorteile beim Bau und Betrieb haben.

In dem deutschen Patent 31 15 844.7 hat die Anmelderin erstmalig einen natriumgekühlten Kernreaktor nach dem Modulprinzip vorgeschlagen und die Vorteile dieses Prinzips dargestellt. Die dort vorgeschlagene Anordnung der elektromagnetischen Pumpen außerhalb des Reaktortanks hat erhebliche Vorteile in bezug auf Montage, Inspektion und Auswechselung dieser Pumpen. Sie stört jedoch die ungehinderte Nachwärmeabfuhr durch die Tankwand nach außen, wenn die normale Wärmeabfuhr über den Sekundärkreis an den Dampfkreis ausfällt. Diese passive Nachwärmeabfuhr ist aber ein besonderer Vorteil von Modulreaktoren und trägt erheblich zu deren einfacher und kostengünstiger Bauweise bei. Der mit Natrium gefüllte Reaktortank ist in üblicher Weise in einem zweiten, Inertgas enthaltenden sogenannten Doppeltank angeordnet, an seinem unteren Ende auf einem Fußring abgestützt und an seinem oberen Ende mit einem Ring in einem abnehmbaren Tragring geführt, der auf dem oberen Rand einer Reaktorkaverne aus Beton ruht.

In der europäischen Patentanmeldung 01 18 016 werden noch einmal die Vorteile des Modulprinzips bei Transport und Montage ausführlich beschrieben und zahlreiche konstruktive Einzelheiten näher erläutert. Nachteile dieser Konstruktion sind die dort vorgesehenen Durchdringungen der Tankaußenwand und die Anordnung einer zentralen elektromagnetischen Pumpe unterhalb des Reaktortanks, die zu einer erheblichen Vergrößerung der Bauhöhe führt und erheblichen zusätzlichen Aufwand verursacht bei der Inspektion und Auswechselung dieser Pumpen, weil das Kühlmittel vorher abgelassen werden muß. Die Nachwärme bei Ausfall der Sekundärkühlkreise wird im biologischen Schild, also erst außerhalb des Doppeltanks, gespeichert.

In der EP-A-03 08 691 hat die Anmelderin einen weiteren flüssigmetallgekühlten Kernreaktor nach dem Modulprinzip vorgeschlagen, der gegenüber den bisher gebauten bzw. geplanten großen Brutreaktoren nicht nur den Bauaufwand vermindert, sondern auch Vorteile bei Betrieb, Inspektion und Reparatur bzw. Auswechselung bietet. Dieser Reaktor soll die immer wieder diskutierte Möglichkeit, daß Risse im Tank oder in der Struktur fortschreiten, der Kern sich absenkt und die am Deckel aufgehängten Kontrollstäbe aus dem Kern herausgezogen werden, prinzipiell vermeiden. Darüber hinaus sollen Relativbewegungen zwischen Reaktorkern und Kontrollstäben bei Erdbeben reduziert oder ganz vermieden werden. Damit kann ein erheblicher Aufwand für sicherheitstechnische Maßnahmen vermieden werden. Dieser Reaktor kann bei einem Ausfall seiner Sekundärkühlkreise seine Nachwärme über die Oberfläche seines Reaktortanks vollständig an Flächenkühler in der Reaktorkaverne abgeben, die wegen der hohen sicherheitstechnischen Bedeutung entsprechend zuverlässig ausgelegt werden müssen. Diese Zuverlässigkeit wird durch mehrfache Redundanz des gesamten Kühlsystems und durch Notstromversorgung oder durch Betrieb im Naturumlauf erreicht. Diese Maßnahmen sind mit besonderen Kosten verbunden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem flüssigmetallgekühlten Kernreaktor die Nachwärmeabfuhr bei Ausfall der Sekundärkühlkreise einfacher zu gestalten.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Reaktortank zumindestens in seinem zylindrischen Teil mit einem festen Wärmespeicher umgeben. Darin wird die Nachwärme des Reaktors zunächst gespeichert und dann durch Strahlung und Konvektion an die Flächenkühler in der Reaktorkaverne abgegeben. Aufgrund der großen Speicherwirkung können die Flächenkühler und die anschließenden Kühlsysteme für begrenzte Zeit abgeschaltet oder sogar repariert werden. Damit kann der bisher betriebene Aufwand für die Verfügbarkeit des Kühlsystems erheblich reduziert werden, was zu einer Kosteneinsparung führt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Doppeltank selbst als Wärmespeicher ausgestaltet ist. Dies kann entweder durch eine größere Wandstärke oder durch Aufbringen einer besonderen Schicht erreicht werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung nach dem 3. Anspruch besteht der Wärmespeicher aus Gußeisen. Spezielle Gußeisen­ materialien sind in der Kerntechnik bekannt für die Herstellung von Transportbehältern für Brennelemente. Bei solchen Transportbehältern wurde bereits nachgewiesen, daß diese einem Fall aus größerer Höhe und höheren Temperaturen auch längere Zeit widerstehen können. Als Gußkonstruktion kann dieser Wärmespeicher ohne großen Aufwand mit Rippen zur Verbesserung des Wärmeübergangs versehen werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung nach dem 4. Anspruch wird vorgeschlagen, daß der Doppeltank aus mehreren, miteinander verbundenen und übereinander gestapelten Ringen und einem Boden besteht. Dieser Tank kann auch im Bodenbereich etwa diesselbe Form haben, wie der bisher aus ferritischen oder austenitischen Stahlblechen zusammengeschweißte Doppeltank. Er hat jedoch eine acht- bis zehnfache größere Wandstärke, so daß seine Wärmekapazität ausreicht, die Nachwärme des Reaktors über Stunden zu speichern.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung nach dem 5. Anspruch wird vorgeschlagen, daß der Doppeltank zumindestens in seinem zylindrischen Bereich aus einem Kugelgraphitguß, auch spärolithisches Gußeisen genannt, besteht. Dieses Material nach DIN 1693 ist in der Kerntechnik bekannt beispielsweise für die großen Transportbehälter für abgebrannte Brennelemente. Bei diesen Transportbehältern wurde ihre Beständigkeit gegen Schadensfälle aller Art nachgewiesen. Die Mehrkosten, die sich aus dem wesentlich größeren Gewicht des gegossenen Doppeltanks ergeben, werden durch den wesentlich geringeren Preis des Gußeisens gegenüber dem Preis geschweißter austenitischer Stahlbleche kompensiert. Außerdem hat der gegossene Doppeltank bei Einwirkungen von außen aufgrund seiner großen Wandstärke erhebliche Vorteile. Der kritische Beuldruck gegenüber äußeren Druckstößen und der Penetrationsschutz sind um ein Vielfaches höher als bei einem dünnwandigen Stahltank, so daß zusätzliche Schutzmaßnahmen außerhalb des Tanks entfallen oder verringert werden können.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung nach dem 6. Anspruch besteht der Doppeltank aus mehreren, miteinander verschraubten Ringen. Dies ist aus Herstellungs- und Montagegründen zweckmäßig.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung nach dem 7. Anspruch sind die Flansche der obengenannten Ringe mit jeweils zwei ringförmigen Dichtungen versehen, zwischen denen eine Prüfbohrung angeordnet ist, die nach außen führt. Damit können die Dichtungen von außerhalb überwacht werden.

Die Fig. 1 zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kernreaktor einschließlich seiner Anordnung in einer Kaverne.

Die Fig. 2 und 3 zeigen jeweils einen Querschnitt durch Fig. 1.

Fig. 4 zeigt in vergrößerter Darstellung den unteren linken Teil aus Fig. 1.

Fig. 5 zeigt in nochmals vergrößerter Darstellung eine Einzelheit aus Fig. 4.

In den Fig. 1 bis 4 ist der Reaktortank 1 von einem Doppeltank 2 umgeben und steht in einer Reaktorkaverne 3, die an ihrer Innenseite einen Flächenkühler 4 trägt. Der Boden 5 dieser Kaverne ist als Tragpodest 6 ausgebildet und trägt übereinander zentriert den aus mehreren Ringen 2a und einem Boden 2b bestehenden Doppeltank 2, den Reaktortank 1, darauf eine Tragplatte 7, die seitlich an eine äußere Strömungsführung 8 angeschlossen ist, darauf eine Gitterplatte 9 aus zwei durch Rohrstutzen 10 verbundenen Lochplatten 9a und 9b, wobei diese Rohrstutzen 10 das Gewicht der Kernelemente 11 auf die Tragplatte 7 überleiten. Nicht dargestellt sind Gleit­ materialien aus einem anderen Metall zwischen den ebenen Auflageflächen der übereinander gestapelten Teile. Der in Fig. 1 nur schematisch, aber später in Fig. 4 näher dargestellte Reaktorkern 12 ist ringsum von einer mehrteiligen metallischen Abschirmung 13 umgeben, die wiederum von einer inneren Strömungsführung 14 umgeben ist und oberhalb des Kerns verriegelbar mit einem Schacht 15 verbunden ist. Die Strömungsführung 14 ist nach oben durch einen Kamin 23 verlängert, der zunächst von mehreren elektromagnetischen Pumpen 16, 17 und darüber von einem Wärmetauscher 18 umgeben ist. Der Wärmetauscher 18 kann aus einem einzigen ringförmigen Rohrbündel oder aus mehreren Teilrohrbündeln zusammengesetzt sein. Nicht dargestellt, aber ebenfalls möglich, ist auch die Verwendung mechanischer Pumpen, wobei die Pumpenwellen zwischen den Teilrohrbündeln des Wärmetauschers 18 nach oben zum Antriebsmotor über den Ringdeckel 21 geführt werden. Im oberen Bereich trägt der Schacht 15, der Kamin 23 und der innere Mantel des Wärmetauschers 18 zunächst gleichmäßig über den Umfang verteilte kleine Löcher 19, darüber hat der Schacht 15 größere Schlitze 20, durch die das vom Reaktorkern 12 emporsteigende heiße Natrium zu dem Wärmetauscher 18 fließen kann, der zusammen mit dem aktiven Teil 16 der elektromagnetischen Pumpen an einem Ringdeckel 21 befestigt ist, der unabhängig vom Instrumentierungsdeckel 22 montiert werden kann, der vom Schacht 15 getragen wird. Der Schacht 15 verbindet die Abschirmung 25 mit dem Instrumentierungsdeckel 22 und enthält sowohl das Gestänge 24 für die Regelung und Abschaltung als auch die Leitungen für die Instrumentierung des Reaktorkerns 12. Der Instrumentierungsdeckel 22 ist gegenüber dem Ringdeckel 21 durch hier nicht abgebildete, aber bei flüssigmetallgekühlten Kernreaktoren übliche aufblasbare Dichtungen so abgedichtet, daß eine axiale Bewegung der Bauteile gegeneinander möglich ist. Oberhalb der aufblasbaren Dichtungen ist eine ebenfalls bei Kernreaktoren bekannte und deshalb hier nicht abgebildete Hub- und Drehvorrichtung für den Deckel 22 angeordnet, die beim Kernelementwechsel benötigt wird.

Fig. 4 zeigt mit den selben Bezeichnungen wie in den Fig. 1 bis 3, wie auf dem Tragpodest 6 am Boden 5 der Reaktorkaverne 3 der Doppeltank 2b, der Reaktortank 1, die Tragplatte 7 und die Gitterplatte 9 übereinander zentriert gestapelt sind. Auch hier sind die bereits oben erwähnten Gleitmaterialien nicht im einzelnen dargestellt. Der aus den Kernelementen 11 bestehende Reaktorkern 12 wird zunächst von einer mehrteiligen metallischen Abschirmung 13 umgeben, die wiederum von einer ebenfalls abschirmend wirkenden Strömungsführung 14 umgeben ist. Auf der Abschirmung 13 ruht der Schacht 15 und eine zusätzliche axiale Abschirmung 25 über den Kernelementen 11. Diese Abschirmung 25 weist senkrechte Durchbrüche 26 für den Durchtritt des Kühlmittels, zur Aufnahme der Gestänge 24 und diverser Kerninstrumentierungen und für den Wechsel der Kernelemente 11 auf.

Fig. 5 zeigt eine Verbindungsstelle zwischen einem Ring 2a und dem Boden 2b, die mit fernbedienbaren Schrauben 30 zusammengehalten sind. Auf der Innenseite ist eine Zentrierung 31 vorhanden. In der Berührungsfläche zwischen dem Ring 2a und dem Boden 2b sind in entsprechenden Nuten zwei Dichtringe 32 angeordnet, zwischen denen zunächst eine senkrechte Prüfbohrung 33 zu einer waagerechten Bohrung 34 und über ein Winkelstück 35 zu einer Prüfleitung 36 führt, mit der die Dichtung von außen überwacht werden kann.

Bei Normalbetrieb fließt das heiße Natrium aus dem Reaktorkern 12 durch den Schacht 15 nach oben und durch die Löcher 19 bzw. Schlitze 20 zu dem Wärmetauscher 18, wobei es seine Wärme an einen Sekundärkühlkreis abgibt. Daraufhin wird das abgekühlte Natrium im Förderspalt der elektromagnetischen Pumpen, der von einem aktiven Teil 16 und einem passiven Teil 17 gebildet wird abwärts und zwar zwischen der Innenwand der Strömungsführung 8 und der Außenwand der Strömungsführung 14 zur Gitterplatte 9 gedrückt, von wo es in üblicher Weise durch Schlitze in den Rohrstutzen 10 in das untere Ende der Kernelemente 11 geleitet wird, um deren Wärme aufzunehmen. Bei Ausfall der Pumpen fließt das Natrium in gleicher Weise im Naturumlauf, wobei es ebenfalls seine Wärme an den Sekundärkühlkreis abgibt. Wenn dieser ausfallen sollte, wird die Wärme über den Tank 1 und den Doppeltank 2 an die Flächenkühler 4 oder an ein zirkulierendes Gas in der Reaktorkaverne 3 abgegeben. Der Doppeltank 2, bestehend aus mehreren Ringen 2a und einem Boden 2b, hat bei einem Durchmesser von 5 m eine Wandstärke von 150 mm und besteht aus einem sphärolitischem Gußeisen GGG nach DIN 1693. In dieser Wand können erhebliche Wärmemengen gespeichert und mit einer zeitlichen Verzögerung an die Flächenkühler 4 abgegeben werden.

Für den Wechsel der Kernelemente wird eine an sich bekannte Wechselmaschine über den Deckel 22 gefahren, die die abgebrannten Kernelemente 11 direkt aus dem Reaktorkern 12 herausnimmt und neue Kernelemente einsetzt. Hierbei hebt die bereits vorher erwähnte Hub- und Drehvorrichtung, die zwecks Inspektion oder Auswechselung abmontiert werden kann, den Instrumentierungsdeckel 22 mit Schacht 15 und Abschirmung 25 senkrecht an und dreht ihn solange, bis eine in den Figuren nicht abgebildete Öffnung über das zu wechselnde Kernelement gelangt. Danach wird das gewünschte Kernelement in eine nach außen abgedichtete Flasche hinein gezogen. Falls eine Reparatur an Wärmetauschern und Pumpen notwendig wird, wird eine besondere Komponentenwechselflasche über den Ringdeckel 21 gefahren, mit der ebenfalls in inertisierter und abgedichteter Atmosphäre der ringförmige Wärmetauscher 18 mit den daran befestigten aktiven Teilen 16 der elektromagnetischen Pumpen ausgewechselt werden kann. Wechselflaschen dieser Art sind bekannt und üblich, um bei den eingangs erwähnten flüssigmetallgekühlten Brutreaktorkraftwerken Wärmetauscher und Pumpen zu inspizieren oder auszuwechseln. Die Abmessungen des erfindungsgemäßen Modulreaktors, besonders der relativ kleine Durchmesser von ca. 5 m, gestatten es, auf diese Weise auch den Schacht 15 oder die den Reaktorkern umgebenden Teile 7, 8, 9, 10, 13, 14, 17 und 23 oder sogar einen ganzen Reaktorbehälter 1 und die einzelnen Ringe 2a sowie den Boden 2b des Doppeltanks auszuwechseln. Nach dem oben erwähnten Modulprinzip werden die übrigen Modulreaktoren des gleichen Kraftwerks während solcher Reparaturen wie auch während des Kernelementwechsels in Betrieb gehalten, so daß eine hohe Verfügbarkeit des Kraftwerks gewährleistet ist. Auf diese Weise ist auch am Ende der Lebenszeit des Reaktors eine schnelle und kostengünstige Entsorgung mit der geringstmöglichen Strahlenbelastung gewährleistet.

Claims (7)

1. Flüssigmetallgekühlter Kernreaktor, dessen von einem Doppeltank (2) umgebener und in einer Reaktorkaverne stehender Reaktortank (1) einen Reaktorkern (12) trägt und einen vom Reaktorkern nach oben zum Instrumentierungsdeckel (22) führenden Schacht (15) sowie diesen Schacht umgebende Wärmetauscher (18) und Primärpumpen (16) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktortank (1) zumindestens in seinem zylindrischen Teil von einem festen Wärmespeicher umgeben ist.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Doppeltank (2) selbst als Wärmespeicher ausgestaltet ist.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher aus Gußeisen besteht.

4. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Doppeltank (2) aus mehreren miteinander verbundenen und übereinander gestapelten Ringen (2a) und einem Boden (2b) besteht.

5. Kernreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Doppeltank (2) zumindestens in seinem zylindrischen Bereich aus einem Kugelgraphitguß besteht.

6. Kernreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander verbundenen und übereinander gestapelten Ringe (2a) und der Boden (2b) miteinander verschraubt sind.

7. Kernreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (2a) und der Boden (2b) an ihren Berührungsstellen jeweils einen Flansch haben mit zwei ringförmigen Dichtringen (32), zwischen denen eine Prüfbohrung (33) angeordnet ist, die nach außen führt.