EP0500656A1 - Flüssigmetallgekühlter kernreaktor - Google Patents

Flüssigmetallgekühlter kernreaktor

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Publication number
EP0500656A1
EP0500656A1 EP90916698A EP90916698A EP0500656A1 EP 0500656 A1 EP0500656 A1 EP 0500656A1 EP 90916698 A EP90916698 A EP 90916698A EP 90916698 A EP90916698 A EP 90916698A EP 0500656 A1 EP0500656 A1 EP 0500656A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reactor
tank
heat
nuclear reactor
core
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP90916698A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heinz-Wilhelm Hammers
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0500656A1 publication Critical patent/EP0500656A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C1/00—Reactor types
    • G21C1/02—Fast fission reactors, i.e. reactors not using a moderator ; Metal cooled reactors; Fast breeders
    • G21C1/03—Fast fission reactors, i.e. reactors not using a moderator ; Metal cooled reactors; Fast breeders cooled by a coolant not essentially pressurised, e.g. pool-type reactors
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C13/00—Pressure vessels; Containment vessels; Containment in general
    • G21C13/08—Vessels characterised by the material; Selection of materials for pressure vessels
    • G21C13/087—Metallic vessels
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C15/00—Cooling arrangements within the pressure vessel containing the core; Selection of specific coolants
    • G21C15/18—Emergency cooling arrangements; Removing shut-down heat
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the present invention relates to a liquid metal-cooled nuclear reactor for a nuclear power plant based on the module principle in a reactor cavern equipped with cooling surfaces with a reactor tank which contains a reactor core, one or more heat exchangers and primary pumps and which is surrounded by a double tank.
  • the total output of a nuclear power plant should no longer be achieved with a single large reactor, but with several small reactors. In this way, the nuclear power plant can continue to be operated with reduced output in the event of a reactor failure, inspection or maintenance.
  • nuclear power plants that consist of several modular reactors with an individual output of approx. 200 MW each can have some disadvantages in terms of fuel consumption and breeding rate, but considerable Have advantages in construction and operation.
  • a modular reactor can completely release its residual heat via its surface.
  • Reactor tank is conventionally arranged in a second, so-called double tank containing inert gas, supported at its lower end on a foot ring and guided at its upper end with a ring in a removable support ring which rests on the upper edge of a concrete reactor cavern.
  • the double tank is designed to hold the liquid sodium in the event of damage to the reactor tank.
  • US Pat. No. 4,650,642 describes a nuclear reactor which, above all, dissipates the residual heat after an extremely unlikely meltdown and is intended to prevent damage to the environment.
  • a thick and cast steel shell anchored in the bottom is provided below the reactor tank, which is intended to accommodate the reactor core melted through the reactor tank.
  • the cylindrical side wall of this shell which is provided as a double tank, touches either thermal insulation or a cooling jacket which is surrounded by a biological shield made of concrete.
  • Cast steel containers of this type and size are very heavy and expensive and cannot be cast in one piece. They must therefore be chopped together from several pieces.
  • Essential characteristic of this Nuclear reactor is a water / steam cooling system below the reactor. Double tank and cavern are only one component.
  • the double tank and cooling surfaces cannot be repaired from the outside and can hardly be dismantled.
  • this reactor should avoid the repeatedly discussed possibility that cracks in the tank or in the structure progress, that the core lowers and the control rods suspended from the lid are pulled out of the core, by stacking the essential parts one above the other on the bottom of the Reactor cavern resting. In this way, relative movements between the reactor core and control rods in the event of an earthquake are reduced or avoided entirely, which means that considerable expenditure for safety measures can be avoided.
  • this reactor can emit its entire heat to cooling surfaces in the reactor cavern via the surface of its reactor tank and through its double tank, but these must be correspondingly reliable due to their high safety significance. This reliability is achieved through multiple redundancy of the entire cooling system, through emergency power supply and / or through operation in natural circulation. These measures are associated with special costs.
  • the object of the present invention is to provide a removable, liquid-metal-cooled nuclear reactor for a nuclear power plant based on the module principle in a reactor cavern equipped with cooling surfaces with a reactor tank which contains a reactor core, one or more heat exchangers and primary pumps and which is surrounded by a double tank in which the secondary heat first saved and then to the environment is delivered.
  • Reactor cavern with a reactor tank which contains a reactor core, a heat exchanger and primary pumps and which is surrounded by a double tank made of cast iron serving as a heat store and of several interconnected and stacked rings and a base.
  • This double tank can also have approximately the same shape in the bottom area as a double tank previously welded together from ferritic or austenitic steel sheets. However, it has an eight to ten times greater wall thickness, so that its heat capacity is sufficient to store the residual heat of the reactor for hours and to release it by radiation and convection to the cooling surfaces in the reactor cavern. Due to the large storage effect, the subsequent cooling systems can start up slowly, and can even be switched off or repaired for a limited time. The effort previously made for the immediate availability of the cooling system can thus be considerably reduced, which leads to cost savings.
  • This double tank can be removed for inspection or repair or for disposal with little effort.
  • the double tank consist of a spheroidal graphite cast iron, also called spherulitic cast iron.
  • This material according to DIN 1693 is approved in the core technology for the production of transport containers for fuel elements.
  • transport containers have already been shown to be able to withstand a fall from higher heights and higher temperatures for a long time.
  • this heat accumulator can be provided with ribs to improve the heat transfer without great effort.
  • the additional costs that result from the much greater weight of the cast Doppelta ⁇ ks are by the considerably lower price of cast iron compared to the price of welded sheet steel containers.
  • the double tank has considerable advantages for external influences due to its large wall thickness.
  • Critical buckling pressure against external pressure surges and penetration protection are many times higher than with a thin-walled steel tank, so that additional protective measures outside the double tack can be omitted or reduced.
  • the rings which can be releasably connected and stacked one above the other and the base are reinforced at their contact points and can be screwed together remotely.
  • the heavy double tank consists of several parts, each of which can be manufactured, tested, transported and assembled individually.
  • the rings and the base each have two ring-shaped seals in their contact points, between which a test bore is arranged, which leads to the outside. This means that the seals can be monitored from outside.
  • FIGS 1 to 5 show embodiments of the invention.
  • FIG. 1 shows a vertical longitudinal section through a nuclear reactor according to the invention, including its arrangement in a cavern.
  • Figures 2 and 3 each show a cross section through
  • FIG. 4 shows an enlarged representation of the lower left part from FIG. 1.
  • Figure 5 shows a further enlarged view
  • the reactor tank 1 is surrounded by a double tank 2 and is located in a reactor cavern 3 which has cooling surfaces 4 on its inside.
  • the bottom 5 of this The cavern is designed as a supporting platform 6 and, centered on top of one another, supports the double tank 2 consisting of several rings 2a and a bottom 2b, the reactor tank 1, on which there is a supporting plate 7, which is laterally connected to an external flow guide 8, on which there is a grating plate 9 consisting of two through pipe sockets 10 connected perforated plates 9a and 9b, these pipe sockets 10 transfer the weight of the core elements 11 onto the support plate 7.
  • the reactor core 12 which is shown only schematically in FIG. 1 but later in more detail in FIG. 4, is surrounded all around by a multi-part metallic shield 13, which in turn is surrounded by an inner flow guide 14 and is connected to a shaft 15 in a lockable manner above the core.
  • the flow guide 14 is extended upwards through a chimney 23 which is initially of a plurality of electromagnetic 'pumps 16, 17 and it is surrounded by a heat exchanger 18 as part of a secondary circuit not shown. This secondary cooling circuit transports the reactor heat to a steam circuit to supply steam turbo generators.
  • the heat exchanger 18 can be composed of a single annular tube bundle or of a plurality of partial tube bundles connected in parallel. Not shown, but also possible, is the use of mechanical pumps, the pump shafts between the tube bundles of the heat exchanger 18 being guided upwards to the drive motor via the ring cover 21. In the upper region, the shaft 15, the chimney 23 and the inner jacket of the heat exchanger 18 initially have small holes 19 distributed uniformly over the circumference. In addition, the shaft 15 has larger slots 20, through which, as well as through the holes 19, the one rising from the reactor core 12 hot sodium can flow to the heat exchanger 18. This is together with the active part 16 of the electromagnetic pumps on one
  • Ring cover 21 attached, which is independent of the instrumentation cover 22 can be mounted because it is carried by the shaft 15.
  • the shaft 15 connects the shield 25 to the instrumentation cover 22 and contains both the linkage 24 for the regulation and shutdown and the lines for the instrumentation of the reactor core 12.
  • Instrumentation cover 22 is sealed with respect to the ring cover 21 by inflatable seals which are not shown here but which are customary in the case of liquid-metal-cooled nuclear reactors, so that axial movement of the components against one another is possible.
  • a lifting and turning device for the cover 22 which is also known in nuclear reactors and is therefore not shown here, is arranged, which is required when changing the core element.
  • FIG. 4 shows, with the same designations as in FIGS. 1 to 3, how the base 2b, the reactor tank 1, the support plate 7 and the grid plate 9 are stacked centered one above the other on the support platform 6 at the base 5 of the reactor cavern 3.
  • the reactor core 12 consisting of the core elements 11 is initially surrounded by a multi-part metallic shield 13, which in turn is surrounded by a flow guide 14, which also acts as a shield.
  • the shaft 15 and an additional axial shield 25 rest on the shield 13 above the core elements 11.
  • This shield 25 has vertical openings 26 for the passage of the coolant, for receiving the rods 24 and various core instrumentation and for changing the core elements 11.
  • Figure 5 shows a reinforced point of contact between a ring 2a and the bottom 2b, which are held together by remote-controlled screws 30.
  • a centering 31 is provided on the inside.
  • the hot sodium flows from the reactor core 12 upwards through the shaft 15 and through the holes 19 or slots 20 to the heat exchanger 18, where it emits its heat to the outside with a secondary cooling circuit, not shown. Then the cooled.
  • Sodium in the delivery gap of the electromagnetic pumps which is formed by an active part 16 and a passive part 17, is pressed downwards between the inner wall of the flow guide 8 and the outer wall of the flow guide 14 to the grid plate 9, from where it is in the usual way through slots in the Pipe socket 10 is passed into the lower end of the core elements 11 to absorb their heat. If the pumps fail, the sodium flows in the same way in natural circulation, also giving off its heat to the outside with a secondary cooling circuit. If this should fail, the heat via the tank 1 and the double tank 2 to the cooling surfaces 4 or to a circulating gas in the
  • the double tank 2 consisting of several rings 2a and a bottom 2b, has, for. B. with a diameter of 5 m, a wall thickness of 150 mm and consists of a spherulitic cast iron GGG according to DIN 1693.
  • Considerable amounts of heat can be stored in this wall and released to the cooling surfaces 4 with a time delay. Compared to the usual heat storage in concrete, much higher temperatures can be permitted.
  • a change machine known per se is moved over the cover 22, which removes the spent core elements 11 directly from the reactor core 12 and inserts new core elements.
  • the lifting and turning device mentioned above which can be removed for inspection or replacement, lifts the
  • the desired core element is then pulled into a bottle sealed to the outside. If a repair to heat exchangers or pumps is necessary, a special component change bottle is moved over the ring lid 21, with which the ring-shaped heat exchanger 18 with the active parts 16 of the electromagnetic pumps attached to it can also be replaced in an inert and sealed atmosphere.
  • Exchangeable bottles of this type are known and customary in order to inspect or replace heat exchangers and pumps in the liquid metal-cooled nuclear power plants mentioned at the outset.
  • the dimensions of the modular reactor according to the invention also allow the shaft 15 or the parts 7, 8, 9, 10, 13, 14, 17 and 23 or even one surrounding the reactor core in this way entire reactor tank 1 and the individual rings 2a and the bottom 2b of the double tank to be replaced.
  • the remaining module reactors of the same nuclear power plant are kept in operation during such repairs as well as during the core element change, so that a high availability of the nuclear power plant is ensured.

Landscapes

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  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Structure Of Emergency Protection For Nuclear Reactors (AREA)
  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Description

Flüssigmetallgekühlter Kernreaktor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen flüssigmetallgekühlten Kernreaktor für ein Kernkraftwerk nach dem Modulprinzip in einer mit Kühlflächen ausgestatteten Reaktorkaverne mit einem Reaktortank, der einen Reaktorkern, einen oder mehrere Wärmetauscher und Primärpumpen enthält und der von einem Doppeltank umgeben ist.
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 Kernkraftwerk mit verringerter Leistung weiter betrieben werden. Gegenüber den bisher gebauten bzw. geplanten flüssigmetallgekühlten Kernkraftwerken mit nur einem Reaktor mit einer Einzelleistung von 1000 MW oder mehr können Kernkraftwerke, die aus mehreren Modulreaktoren mit einer Einzelleistung von jeweils ca. 200 MW bestehen, zwar einige Nachteile in bezug auf Brennstoffeinsatz und Brutrate aber erhebliche Vorteile beim Bau und Betrieb haben. Ein Modulreaktor kann bei Ausfall aller aktiven Systeme seine Nachwärme vollständig über seine Oberfläche nach außen abgeben.
In der DE-PS 31 15 844.7 hat die Anmelderin erstmalig einen natriumgekühlten Kernreaktor nach dem Modulprinzip angegeben und die Vorteile dieses Prinzips dargestellt. Die dort vorgesehene Anordnung der elektromagnetischen Pumpen außerhalb des Reaktortanks hat erhebliche Vorteile in bezug auf Montage, Inspektion und Auswechselung dieser Pumpen. Sie stört jedoch die ungehinderte Nachw rmeabfuhr aus dem Reaktorkern durch die Tankwand nach außen, wenn die normale Wärmeabfuhr über die Sekundärkreise an einen oder mehrere Dampfkreise ausfällt. Diese passive Nachwarmeabfuhr 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. Der Doppeltank soll bei einem Schadensfall am Reaktortank das flüssige Natrium aufnehmen.
In der EP-A-0 118 016 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. Nachteilig ist auch, daß die Nachwärme bei Ausfall der Sekundärkühlkreise im biologischen Schild, also erst im Beton außerhalb eines Doppeltanks aus Stahl, gespeichert wird.
In der US-A-4 650 642 ist ein Kernreaktor beschrieben, der vor allem die Nachwärme nach einer an sich extrem unwahrschein¬ lichen Kernschmelze ableiten und einen Schaden für die Umwelt vermei-den soll. Zu dem Zweck ist unterhalb des Reaktortanks eine dicke und im Boden verankerte Schale aus Stahlguß vorgesehen, die den durch den Reaktortank hindurchgeschmolzeneπ Reaktorkern aufnehmen soll. Die als Doppeltank vorgesehene zylindrische Seitenwand dieser Schale berührt entweder eine thermische Isolierung oder einen Kühlmantel, der von einem biologischen Schild aus Beton umgeben ist. Stahlgußbehälter dieser Art und Größe sind sehr schwer und teuer und nicht in einem Stück zu gießen. Sie müssen daher aus mehreren Stücken zusammengesch eißt werden. Wesentliches Merkmal dieses Kernreaktors ist ein Wasser/Dampf-Kühlungssystem unterhalb des Reaktors. Doppeltank und Kaverne sind nur noch ein Bauteil.
Doppeltank und Kühlflächen lassen sich von außen nicht reparieren und sind kaum zu demontieren.
In der EP-A-0 308 691 hat die Anmelderin einen weiteren flüssigmetallgekühlten Kernreaktor nach dem Modulprinzip angegeben, der gegenüber den bisher gebauten bzw. geplanten Kernreaktoren 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, daß der Kern sich absenkt und dadurch die am Deckel aufgehängten Kontrollstäbe aus dem Kern herausgezogen werden, prinzipiell vermeiden, indem die wesentlichen Teile übereinander gestapelt auf dem Boden der Reaktorkaverne ruhen. Damit werden auch Relativbewegungen zwischen Reaktorkern und Kontrollstäben bei Erdbeben reduziert oder ganz vermieden, womit erheblicher Aufwand für sicherheitstechnische Maßnahmen vermieden werden kann. Dieser Reaktor kann seine Nachwärme bei einem Ausfall seiner Sekundärkühlkreise über die Oberfläche seines Reaktortanks und durch seinen Doppeltank hindurch vollständig an Kühlflächen in der Reaktorkaverne abgeben, die aber wegen ihrer hohen sicherheitstechnischen Bedeutung entsprechend zuverlässig sein müssen. Diese Zuverlässigkeit wird durch mehrfache Redundanz des gesamten Kühlsystems, durch Notstromversorgung und/oder durch Betrieb im Naturumlauf erreicht. Diese Maßnahmen sind mit besonderen Kosten verbunden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Angabe eines demontierbaren flüssigmetallgekühlten Kernreaktors für ein Kernkraftwerk nach dem Modulprinzip in einer mit Kühlflächen ausgestatteten Reaktorkaverne mit einem Reaktortank, der einen Reaktorkern, einen oder mehrere Wärmetauscher und Primärpumpen enthält und der von einem Doppeltank umgeben ist, bei dem die Nachwärme zunächst gespeichert und dann an die Umgebung abgegeben wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein flüssigmetallgekühlter Kernreaktor vorgeschlagen für ein Kernkraftwerk nach dem Modulprinzip in einer mit Kühlflächen ausgestatteten
Reaktorkaverne mit einem Reaktortank, der einen Reaktorkern, einen Wärmetauscher und Primärpumpen enthält und der von einem als Wärmespeicher dienenden Doppeltank aus Gußeisen und aus mehreren miteinander verbundenen und übereinander gestapelten Ringen und einem Boden umgeben ist. Dieser Doppeltank kann auch im Bodeπbereich etwa diesselbe Form haben, wie ein bisher aus ferritischen oder austenitischen Stahlblechen zusammenge¬ schweißter Doppeltaπk. Er hat jedoch eine acht- bis zehnfache größere Wandstärke, so daß seine Wärmekapazität ausreicht, die Nachwärme des Reaktors über Stunden zu speichern und durch Strahlung und Konvektion an die Kühlflächen in der Reaktorkaverne abzugeben. Aufgrund der großen Speicherwirkung können die anschließenden Kühlsysteme langsam anlaufen, sie können sogar für begrenzte Zeit abgeschaltet oder repariert werden. Damit kann der bisher betriebene Aufwand für die sofortige Verfügbarkeit des Kühlsystems erheblich reduziert werden, was zu einer Kosteneinsparung führt. Dieser Doppeltank kann zur Prüfung oder Reparatur oder zur Entsorgung mit geringem Aufwand ausgebaut werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Doppeltank aus einem Kugelgraphitguß, auch spärolithisches Gußeisen genannt, besteht. Dieses Material nach DIN 1693 ist in der Kerntechnik zugelassen für die Herstellung von Transportbe- hältern 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. Die Mehrkosten, die sich aus dem wesentlich größeren Gewicht des gegossenen Doppeltaπks ergeben, werden durch den wesentlich geringeren Preis des Gußeisens gegenüber dem Preis geschweißter Stahlblechbehälter kompensiert. Der gegossene
Doppeltank hat bei Einwirkungen von außen aufgrund seiner großen Wandstärke erhebliche Vorteile. Kritischer Beuldruck gegenüber äußeren Druckstößen und Penetrationsschutz sind um ein Vielfaches höher als bei einem dünnwandigen Stahltank, so daß zusätzliche Schutzmaßnahmen außerhalb des Doppeltaπks entfallen oder verringert werden können.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die lösbar miteinander zu verbindenden und übereinander zu stapelnden Ringe und der Boden an ihren Berührungsstelleπ verstärkt und fernbedient miteinander verschraubbar. Auf diese Weise besteht der schwere Doppeltank aus mehreren Teilen, die jedes für sich hergestellt, geprüft, transportiert und montiert werden können.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung haben die Ringe und der Boden in ihren Berührungsstellen jeweils zwei ringförmige Dichtungen, zwischen denen eine Prüfbohruπg angeordnet ist, die nach außen führt. Damit können die Dichtungen von außerhalb überwacht werden.
Die Figuren 1 bis 5 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Die Figur 1 zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kernreaktor einschließlich seiner Anordnung in einer Kaverne.
Die Figuren 2 und 3 zeigen jeweils einen Querschnitt durch
Figur 1.
Figur 4 zeigt in vergrößerter Darstellung den unteren linken Teil aus Figur 1.
Figur 5 zeigt in nochmals vergrößerter Darstellung eine
Einzelheit aus Figur 4.
In den Figuren 1 bis 4 ist der Reaktortank 1 von einem Doppeltank 2 umgeben und steht in einer Reaktorkaverne 3, die an ihrer Innenseite Kühlflächen 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 Trag¬ platte 7 überleiten. Nicht dargestellt sind Gleitmaterialien aus einem anderen Metall zwischen den ebenen Auflageflächeπ der übereinander gestapelten Teile, um unterschiedliche Bewegungen benachbarter Teile von unterschiedlicher Temperatur zu ermöglichen. Der in Figur 1 nur schematisch, aber später in Figur 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 als Teil eines nicht dargestellten Sekundärkreises umgeben ist. Dieser Sekundärkühlkreis transportiert die Reaktorwärme zu einem Dampfkreis zur Versorgung von Dampf turbo-Generatoren. Der Wärmetauscher 18 kann aus einem einzigen ringförmigen Rohrbündel oder aus mehreren parallel geschalteten Teilrohr- bündeln 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 R.ingdeckel 21 geführt werden. Im oberen Bereich hat 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 wie auch durch die Löcher 19 das vom Reaktorkern 12 emporsteigende heiße Natrium zu dem Wärmetauscher 18 fließen kann. Dieser ist zusammen mit dem aktiven Teil 16 der elektromagnetischen Pumpen an einem
Ringdeckel 21 befestigt, der unabhängig vom Instrumentierungs- deckel 22 montiert werden kann, weil dieser 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 Riπgdeckel 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.
Figur 4 zeigt mit den selben Bezeichnungen wie in den Figuren 1 bis 3, wie auf dem Tragpodest 6 am Boden 5 der Reaktorkaverne 3 der Boden 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.
Figur 5 zeigt eine verstärkte Berührungsstelle 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, z. B. metallische O-Ringe, 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 mit einen nicht dargestellten Sekundärkühlkreis nach außen 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 Strömüngsführung 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 mit Sekundärkühlkreis nach außen abgibt. Wenn dieser ausfallen sollte, wird die Wärme über den Tank 1 und den Doppeltank 2 an die Kühlflächen 4 oder an ein zirkulierendes Gas in der
Reaktorkaverne 3 abgegeben. Der Doppeltank 2, bestehend aus mehreren Ringen 2a und einem Boden 2b, hat z. B. 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 Kühlflächen 4 abgegeben werden. Gegenüber der üblichen Wärmespeicherung in Beton können wesentlich höhere Temperaturen zugelassen 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 Kernelemeπt gelangt. Danach wird das gewünschte Kernelement in eine nach außen abgedichtete Flasche hinein gezogen. Falls eine Reparatur an Wärmetauschern oder 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 Kernkraftwerken Wärmetauscher und Pumpen zu inspizieren oder auszuwechseln. Die Abmessungen des erfindungsgemäßen Modulreaktors, besonders der relativ kleine Durchmesser von ca. 5 , 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 Reaktortank 1 und die einzelnen Ringe 2a sowie den Boden 2b des Doppeltanks auszuwechseln. Nach dem oben erwähnten Modulprinzip werden die übrigen Modulreaktoren des gleichen Kernkraftwerks während solcher Reparaturen wie auch während des Kernelementwechsels in Betrieb gehalten, so daß eine hohe Verfügbarkeit des Kernkraftwerks gewährleistet ist.
Nach dem oben beschriebenen Reparaturkonzept ist auch am Ende der Lebenszeit eines Reaktors eine schnelle und kostengünstige Entsorgung mit geringstmöglicher Strahlenbelastung für Umgebung und Personal gewährleistet.

Claims

Patentansprüche
1. Flüssigmetallgekühlter Kernreaktor für ein Kernkraftwerk nach dem Modulprinzip in einer mit Kühlflächen (4) ausgestatteten Reaktorkaverne (3) mit einem Reaktortank (1), der einen Reaktorkern (12), einen oder mehrere Wärmetauscher (18) und Primärpumpen (16) enthält und der von einem als Wärmespeicher dienenden Doppeltank (2) aus Gußeisen aus mehreren lösbar miteinander verbundenen und übereinander gestapelten Ringen (2a) und einem Boden (2b) umgeben ist.
2. Kernreaktor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Doppeltaπk (2) aus einem Kugelgraphitgußeisen besteht.
3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die miteinander zu ' verbindenden und übereinander zu stapelnden Ringe (2a) und der Boden (2b) an ihren Berührungsstellen verstärkt und fernbedient miteinander verschraubbar sind.
4. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ringe (2a) und der Boden (2b) an ihren Berührungsstellen jeweils zwei ringförmige Dichtungen (32) haben, zwischen denen eine Prüfbohrung (33) angeordnet ist, die nach außen führt.
EP90916698A 1989-11-17 1990-11-15 Flüssigmetallgekühlter kernreaktor Withdrawn EP0500656A1 (de)

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