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Dokumentenidentifikation DE3345113C2 19.05.1993
Titel Kernreaktoranlage mit einem Hochtemperatur(HT)-Kleinreaktor
Anmelder Hochtemperatur-Reaktorbau GmbH, 4600 Dortmund, DE
Erfinder Schöning, Josef, Dr.-Ing. Dr., 7521 Hambrücken, DE
DE-Anmeldedatum 14.12.1983
DE-Aktenzeichen 3345113
Offenlegungstag 27.06.1985
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.05.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.05.1993
IPC-Hauptklasse G21C 1/07
IPC-Nebenklasse G21C 7/06   G21C 7/22   G21C 7/08   G21C 15/04   G21C 13/024   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Kernreaktoranlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Kernreaktoranlage ist aus der DE-OS 32 12 264 bekannt. Dort sind die Umwälzgebläse horizontal außen am Mantel des Stahldruckbehälters angebracht, wodurch sie viel Raum beanspruchen. Die Regel- und Abschalteinrichtung, die von unten in Bohrungen des seitlichen Reflektors einbringbare Absorberstäbe sowie dazugehörige Antriebe umfaßt, benötigt ebenfalls viel Platz und führt zu einer unerwünschten Längenausdehnung der Kernreaktoranlage. Als weitere Abschalteinrichtung sind Kleinabsorberkugeln vorgesehen, die in die Brennelementschüttung eingebracht werden können. Zwischen dem seitlichen Reflektor und dem thermischen Schild sind separate Stützelemente vorgesehen, die einen erhöhten Platzbedarf in radialer Richtung erfordern.

Aus der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE-OS 33 35 452 ist eine Kernreaktoranlage bekannt, deren Dampferzeuger oberhalb des Kleinreaktors und mit diesem zusammen in einem zylindrischen Stahldruckbehälter installiert sind. Das Kühlgas strömt von unten nach oben sowohl durch den Reaktorkern wie auch durch die Dampferzeuger. Die Umwälzgebläse befinden sich vollständig im Innenraum des Stahldruckbehälters und zwar oberhalb der Dampferzeuger. Dies setzt eine relativ große Höhe des Stahldruckbehälters voraus. Der Kleinreaktor verfügt über zwei verschiedene Abschalteinrichtungen, die ebenfalls vollständig in dem Stahldruckbehälter angeordnet sind und einen entsprechend groß ausgelegten Stahldruckbehälter benötigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kernreaktoranlage der eingangs genannten Art anzugeben, die bei einer in der Höhe reduzierten Kompaktbauweise mit einer möglichst geringen radialen Vergrößerung des Stahldruckbehälters auskommt.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Da bei der Kernreaktoranlage aufgrund der einen sicheren Betrieb gewährleistenden Aufteilung des Dampferzeugers in mehrere Teilsysteme nur ein Dampferzeuger erforderlich ist, braucht der Stahldruckbehälter oberhalb des HT-Kleinreaktors nur einen geringeren Durchmesser zu haben und es steht hinreichend Platz für die Unterbringung der Stabantriebe sowie der Speicherbehälter der Abschalteinrichtungen zur Verfügung. Diese Bauteile sind zudem, da außerhalb des Stahldruckbehälters angeordnet, leicht zugänglich. Durch die Verbreiterung des Kernaufbaus (Kugelschüttung und Reflektor) sowie durch die Anordnung der Umwälzgebläse außerhalb des Stahldruckbehälters auf dessen Deckel kann bei dem Stahldruckbehälter beträchtlich an Höhe eingespart werden. Die unmittelbare Abstützung des seitlichen Reflektors am thermischen Schild begrenzt die radiale Vergrößerung des Stahldruckbehälters auf einfache Weise.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Kernreaktoranlage sind den Unteransprüchen sowie der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen zu entnehmen.

Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Kernreaktoranlage gemäß der Erfindung,

Fig. 2 den oberen Teil des Stahldruckbehälters mit Dampferzeuger und Umwälzgebläsen im Längsschnitt,

Fig. 3 den Dampferzeuger allein in perspektivischer Ansicht,

Fig. 4 ein Schema des sekundärseitigen Dampferzeugerkreislaufs mit zwei Rückkühlsystemen,

Fig. 5 einen stark vergrößerten Ausschnitt aus dem seitlichen Reflektor, im Querschnitt gesehen.

Die Fig. 1 läßt einen Stahldruckbehälter 1 erkennen, der einen zylindrischen Querschnitt hat und in seinem oberen Teil 1a eingezogen ist. In dem unteren Teil ist ein HT-Kleinreaktor 2 installiert, dessen Kern von einer Schüttung 3 kugelförmiger Brennelemente gebildet wird, die von einem Deckenreflektor 4, einem seitlichen Reflektor 5 und einem Bodenreflektor 6 umschlossen ist. Der seitliche Reflektor 5 stützt sich unmittelbar an einem thermischen Seitenschild 7 ab, wie später näher erläutert wird (Fig. 5).

Unterhalb des Bodenreflektors 6 befindet sich ein Kerntragboden 8 in Form eines Tragsterns. Die Brennelemente werden von oben zugegeben und mit Hilfe einer Entnahmevorrichtung 9 am Boden der Schüttung 3 abgezogen. Diese Vorrichtung besteht hier aus einem Kugelabzugsrohr 10, an das sich zwei Kugelleitungen 11 mit je einem Vereinzelner 12 anschließen. Sind mehrere Kugelabzugsrohre vorhanden, kann auch ein Vereinzelner mit zwei Antrieben (von denen einer immer im Eingriff ist) vorgesehen sein. Die Antriebe 13 für die beiden Vereinzelner 12 sind außerhalb des Stahldruckbehälters 1 angeordnet. Die Beschickung des Kleinreaktors mit Brennelementen erfolgt in der Weise, daß die Brennelemente nach einmaligem Durchlaufen der Schüttung 3 den gewünschten Endabbrand erreicht haben; sie werden daher dem Kern nicht wieder zugeführt. Ein Bruchabscheider ist bei diesem Beschickungsverfahren nicht erforderlich. (Bei Mehrfachdurchlauf der Brennelemente müssen neben Vereinzelungseinrichtungen noch Bruchabscheider vorgesehen sein).

Der HT-Kleinreaktor 2 hat eine Leistung von 80 bis 100 MWe; seine Leistungsdichte beträgt ungefähr 4 MW/m3. Er wird von unten nach oben vom Kühlgas durchströmt, das sich oberhalb des-Deckenreflektors 4 in einem Heißgassammelraum 14 sammelt. Der Durchmesser der Brennelementschüttung 3 wird so groß gewählt, daß ein Abheben von Brennelementen im Oberflächenbereich aufgrund der Kühlgasströmung vermieden wird. Der Stahldruckbehälter 1 weist in seinem den HT-Kleinreaktor 2 enthaltenden Teil einen Durchmesser von etwa 7,00 m auf.

Auf den eingezogenen oberen Teil 1a des Stahldruckbehälters 1 ist ein gewölbter Deckel 15 aufgesetzt, der mittels einer Flanschverbindung 16 befestigt ist. In dem Teil 1a ist ein Dampferzeuger 17 installiert, der direkt von dem Heißgassammelraum 14 mit heißem Kühlgas beaufschlagt wird, das in dem Dampferzeuger 17 nach oben strömt. Das Speisewasser wird dem Dampferzeuger 17 durch eine Leitung 16 zugeführt; die Abführung des Frischdampfes erfolgt durch eine Leitung 19. Es ist zwar nur ein Dampferzeuger vorhanden (wodurch die Durchmesserverkleinerung des Stahldruckbehälters 1 in seinem oberen Teil 1a möglich ist); dieser ist aber in zwei voneinander unabhängige Teilsysteme 17a und 17b unterteilt, wie die Fig. 2 und 3 erkennen lassen. Auf den gewölbten Deckel 15 sind zwei Umwälzgebläse 20 mit Absperrorganen aufgesetzt; sie sind an auf dem Deckel 15 vorgesehene Stutzen 21 angeflanscht.

Da die Brennelementschüttung 3 von unten nach oben vom Kühlgas durchströmt wird und der Dampferzeuger 17 oberhalb der Schüttung 3 angeordnet ist, kann bei Ausfall der Umwälzgebläse 20 die in der Schüttung 3 erzeugte Nachwärme durch Naturkonvektion an den Dampferzeuger 17 abgeführt werden.

Zur Abschaltung des HT-Kleinreaktors 2 sind zwei Abschalteinrichtungen vorgesehen. Die erste besteht aus Absorberstäben 22und ihren Antrieben 23, die in Gehäusen 24 außerhalb des Stahldruckbehälters 1 installiert sind, und zwar im Bereich von dessen oberem Teil 1a. Die Gehäuse 24 sind an auf dem Stahldruckbehälter 1 aufgesetzten Stutzen 25 befestigt, wobei sie entweder angeschweißt oder angeflanscht sein können. Die Absorberstäbe 22 sind von oben in Bohrungen 26 des seitlichen Reflektors 5 einbringbar, und zwar fallen sie durch die Schwerkraft ein. Sie übernehmen die Aufgabe der Schnellabschaltung. Gegebenenfalls kann hierfür noch die zweite Abschalteinrichtung eingesetzt werden, deren Bestimmungszweck jedoch die Langzeitabschaltung ist.

Die zweite Abschalteinrichtung umfaßt eine Vielzahl von Kleinabsorberkugeln 27, mehrere Speicherbehälter 28 für diese Kugeln und einige, beispielsweise zwei, Ringleitungen 29, die oberhalb des Deckenreflektors 4 angeordnet und durch eine Ringwand 30 gegen den Heißgassammelraum 14 abgeschirmt sind. Die Speicherbehälter 28 befinden sich außerhalb des Stahldruckbehälters 1, und zwar ebenfalls im Bereich seines eingezogenen Teils 1a. Die Ringleitungen 29 sind durch Leitungen 31 mit Kanälen 32 verbunden, die in radial in die Brennelementschüttung 3 vorspringenden Nasen 33 des seitlichen Reflektors 5 vorgesehen sind. Beispielsweise sind vier solcher Nasen vorhanden. An die Kanäle 32 schließen sich Abzugsrohre 34 für die Entnahme der Kleinabsorberkugeln 27 an.

Bei extremen Kern- und Druckbehälterabmessungen (Kerndurchmesser >3,50 m, Behälterdurchmesser >7 m) kann der HT-Kleinreaktor 2 noch mit einer dritten Abschalteinrichtung ausgestattet sein, die aus direkt in die Brennelementschüttung 3 einbringbaren Kleinabsorberkugeln oder aus in die Schüttung einzuspeisendem Helium-3 besteht (nicht dargestellt). Diese Abschalteinrichtung wird zusätzlich für die Langzeitkaltabschaltung eingesetzt.

Die Fig. 2 zeigt die Aufteilung des Dampferzeugers 17 in zwei Teilsysteme 17a und 17b, von denen jedes über einen eigenen Sammler und Verteiler (nicht dargestellt) und eine eigene Speisewasserleitung 18a bzw. 18b und Frischdampfleitung 19a bzw. 19b verfügt. Die beiden Umwälzgebläse 20 können dem gesamten Dampferzeuger 17 zugeordnet sein (aus Verfügbarkeitsgründen sind stets mindestens zwei Gebläse vorgesehen), oder aber - wie hier dargestellt - die Zuordnung ist so getroffen, daß je ein Gebläse 20 mit dem aus einem Teilsystem 17a bzw. 17b austretenden Kühlgas beaufschlagt wird, und zwar gilt dies für Normalbetrieb und Nachwärmeabfuhrbetrieb.

Wie aus der Fig. 3 ersichtlich, weist das Teilsystem 17a einen kreisringförmigen Querschnitt auf und ist zentral angeordnet. Das Teilsystem 17b ist ebenfalls im Querschnitt kreisringförmig ausgebildet und umschließt das Teilsystem 17a. Durch den freien Innenraum wie durch den freien Ringraum zwischen beiden Teilsystemen sind die Frischdampfleitungen 19a und 19b verlegt.

Die Fig. 4 zeigt den sekundärseitigen Kreislauf des zweiteiligen Dampferzeugers 17. Zur Rückführung der beiden Teilsysteme 17a und 17b bei der Nachwärmeabfuhr ist an jeden der zugeordneten Sekundärkreisläufe 35a bzw. 35b ein Kühlsystem 36a und 36b angeschlossen, das jeweils aus einem Hilfskühler 37a bzw. 37b und einer Umwälzpumpe 38a bzw. 38b besteht.

Fig. 5 läßt einen Ausschnitt aus dem seitlichen Reflektor 5 erkennen. Der aus zwei Graphitzylindern 39 und 40 mit unterschiedlich großen Blöcken zusammengesetzte Reflektor ist ohne zusätzliche Stützelemente an dem thermischen Seitenschild 7 abgestützt. Dies ist möglich aufgrund der Aufwärtsströmung des Kühlgases in der Brennelementschüttung 3, die einen relativ kalten Kernboden zur Folge hat. Dadurch sind die thermischen Differenzdehnungen zwischen Reflektor und thermischem Schild vernachlässigbar. Dies gilt auch für den Bodenreflektor 6 und den thermischen Bodenschild, so daß Kleinabsorberkugeln in die Schüttung 3 eingebracht werden können ohne Vorspannung des Bodenreflektors 6.

Der thermische Seitenschild 7 weist eine Anzahl von Abstützpunkten 41 auf, die bearbeitet sind. Die übrige Fläche des thermischen Schildes 7 ist unbearbeitet. In den Blöcken des Graphitzylinders 40 sind Nuten 43 vorgesehen, in welche die Abstützpunkte 41 eingreifen. Auf diese Weise wird ein Verdrehen des thermischen Seitenschildes 7 gegen den seitlichen Reflektor 5 verhindert. Die Abstützpunkte 41 können z. B. aufgeschweißt oder aufgeschraubt sein. Zum Toleranzausgleich werden bei der Montage Leisten angepaßt oder zusätzliche Unterlagen vorgesehen. Der Raum zwischen den Abstützpunkten 41 stellt Spalte 42 für den Durchgang von Kühlgas dar, so daß eine Kühlung von thermischem Seitenschild 7 und seitlichem Reflektor 5 erfolgen kann.


Anspruch[de]
  1. 1. Kernreaktoranlage mit einem HT-Kleinreaktor, dessen aus einer Schüttung kugelförmiger Brennelemente bestehender Kern allseitig von einem Reflektor umgeben ist und von unten nach oben von einem Kühlgas durchströmt wird, mit einem Dampferzeuger, der oberhalb des HT-Kleinreaktors und zusammen mit diesem in einem mehrteiligen, mit einem Deckel verschließbaren zylindrischen Stahldruckbehälter angeordnet ist und ebenfalls von unten nach oben von dem Kühlgas durchströmt wird, mit mindestens zwei in Strömungsrichtung dem Dampferzeuger nachgeschalteten Umwälzgebläsen und mit einer ersten aus Absorberstäben und einer zweiten aus Absorberkugeln bestehenden Abschalteinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Stahldruckbehälter (1) in seinem oberen, den Dampferzeuger (17) enthaltenden Teil (1a) einen kleineren Querschnitt als der restliche Stahldruckbehälter aufweist, daß die Umwälzgebläse (20) auf den Deckel (15) aufgesetzt und mit ihm verbunden sind, daß der Dampferzeuger mindestens zwei voneinander unabhängige Teilsysteme (17a, 17b) mit eigenen Verteilern und Sammlern sowie eigenen Zuführungs- (18a, 18b) und Abführungsleitungen (19a, 19b) umfaßt, daß ein Gehäuse zur Aufnahne des Antriebes für die Absorberstäbe und ein Behälter zur Aufnahme der Absorberkugeln oberhalb des Übergangsbereichs zum oberen Teil (1a) angeordnet und in diesem Übergangsbereich mit dem Stahldruckbehälter verbunden sind und daß der seitliche Reflektor (5) ohne Zwischenschaltung von Stützelementen direkt am thermischen Seitenschild (7) abgestützt ist, wobei durch erhaben ausgebildete Abstützpunkte (41) am thermischen Seitenschild (7) Spalte (42) für den Durchgang von Kühlgas geschaffen sind.
  2. 2. Kernreaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützpunkte (41) in Nuten (43) eingreifen, die außen im seitlichen Reflektor (5) vorgesehen sind.
  3. 3. Kernreaktoranlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützpunkte (41) an dem thermischen Seitenschild (7) angeschweißt oder angeschraubt und Mittel zum Ausgleich von Montagetoleranzen vorgesehen sind.






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