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Dokumentenidentifikation DE3814860C2 08.09.1994
Titel Siedewasser-Kernreaktor mit Natur-Umlauf
Anmelder Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München, DE
Erfinder Kumpf, Hermann, Dipl.-Ing., 90530 Wendelstein, DE
DE-Anmeldedatum 02.05.1988
DE-Aktenzeichen 3814860
Offenlegungstag 16.11.1989
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 08.09.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.09.1994
IPC-Hauptklasse G21C 1/08
IPC-Nebenklasse G21C 15/12   G21C 15/16   G21C 15/26   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen Siedewasser-Kernreaktor mit Natur-Umlauf, einem Kernreaktor-Druckbehälter, der einen Reaktorkern enthält, ferner mit Kernzellen zur Aufnahme von Brennelementen und von oben in den Kern einfahrbar angeordneten Steuerstäben.

Ein solcher Siedewasser-Kernreaktor ist durch die DE-OS 33 45 099 bekannt. Siedewasser-Kernreaktoren dieses Typs sind zur Stromerzeugung oder als Heizreaktoren für kleinere elektrische bzw. thermische Leistungen bis zu einer Obergrenze von ca. 250 MWel vorgesehen, insbesondere in entlegenen Gebieten, und sie müssen deshalb viele Jahre wartungsfrei arbeiten können und auch erdbebensicher sein. Der Kernzellen-Ausführung kommt in diesem Zusammenhang eine besondere Bedeutung zu. Dabei werden die Brennelemente gruppenweise, insbesondere in Vierer-Gruppen, zu Kernzellen gruppiert, und jeder Kernzelle ist ein eigener länglicher Aufnahmeschacht zugeordnet, wobei die aus korrosionsfestem Stahl bestehenden Schächte (im Kernbereich können sie u.U. aus neutronenökonomischen Gründen aus Zirkonium bestehen) sich gegenseitig abstützen und zugleich für den reaktor-internen Steuerstabantrieb eine präzise Führung bieten. Diese internen Steuerstabantriebe arbeiten hydraulisch bzw. nach dem Prinzip der Grobhydraulik, wobei die Steuerstäbe jeweils mit einem im Inneren der Kernzellen untergebrachten Kolben-Zylinder-System hydraulisch gehoben (also aus dem Kern ausgefahren) bzw. bei Absenken des Hydraulikdruckes wieder in den Kern durch Absenken eingefahren werden, woraus erhellt, daß im Falle des Pumpenausfalls bzw. Wegfalls des hydraulischen Antriebdruckes der Kernreaktor automatisch immer die sicherste Position seiner Steuerstäbe aufweist. Typisch für die sogenannte Grobhydraulik ist, daß ein normalerweise schwerkraftbetriebener Kolben mit relativ großem Radialspiel (einige Zehntelmillimeter) nahezu berührungsfrei und hydraulisch selbst zentriert in einem zylindrischen Rohr läuft. Das hydraulische Antriebsmedium wird dem Kolben-/Zylindersystem von unten (Kernunterseite) zugeführt. Wenn das zugehörige hydraulische Steuerventil offen ist, so hebt ein Überschuß an Strömungsmedium aus einem Druckraum den Kolben und strömt gleichzeitig teilweise an diesem vorbei. Bei geschlossenem Ventil fällt der Kolben durch sein eigenes Gewicht in dem Maße, als das Strömungsmedium am Kolben vorbeigequetscht wird. Der Druckraum wird insbesondere durch die Druckseite einer ständig umlaufenden Kreiselpumpe gebildet. Solche Antriebe funktionieren naturgemäß auch, wenn der Kolben fest und das zylindrische Rohr beweglich ist.

Der Erfindung liegt nun die allgemeine Aufgabe zugrunde, einen kleinen Siedewasser-Kernreaktor mit Natur-Umlauf der eingangs definierten Art zu konzipieren, der bei Erfüllung höchster Sicherheitsauflagen mit möglichst geringen Material- und Fertigungskosten auskommt.

Dabei soll von der Aufbauform Gebrauch gemacht werden, bei der der Kernreaktor-Druckbehälter mittig innerhalb eines wassergefüllten Containments angeordnet ist, wobei letzteres gebildet wird durch einen Sicherheitsbehälter mit abnehmbarem Deckel und wobei ferner das Containment des Sicherheitsbehälters mit seiner Wasserfüllung eine Kondensationskammer (Kondkammer) bildet. Diese grundsätzliche Aufbauform ist bei Siedewasser-Reaktoren durch die US-PS 31 15 450 bekannt.

Gegenstand der Erfindung ist ein Siedewasser-Kernreaktor mit Natur-Umlauf, einem Kernreaktor-Druckbehälter, der einen Reaktorkern enthält, ferner mit Kernzellen zur Aufnahme von Brennelementen und von oben in den Kern einfahrbar angeordneten Steuerstäben, wobei der Kernreaktor-Druckbehälter mittig innerhalb eines wassergefüllten Containments, letzteres gebildet durch einen Sicherheitsbehälter mit abnehmbarem Deckel, angeordnet ist, wobei ferner das Containment des Sicherheitsbehälters mit seiner Wasserfüllung eine Kondensationskammer bildet.

Die spezielle Aufgabe bei einem solchen Siedewasser-Kernreaktor kann dahin definiert werden, eine Stahlkonstruktion zur Aufteilung des Containments in einen inneren Containmentraum zur Aufnahme des Reaktor-Druckbehälters und in einen äußeren Ringraum zu schaffen, wobei die Stahlkonstruktion multifunktional eine Mehrzahl vorteilhafter Merkmale aufweisen oder ermöglichen soll, insbesondere einfache und sichere Lagerung des Reaktor-Druckbehälters im Inneren dieser Stahlkonstruktion, einfache Leitungsführung und -Lagerung vom Reaktor-Druckbehälter durch die Stahlkonstruktion und den Ringraum sowie den Sicherheitsbehälter nach außen, bequemer Brennelementwechsel unter Berücksichtigung eines ausreichend hohen Wasserpegels zu Abschirmzwecken, Bereitstellung eines ausreichend großen Wasservolumens im Ringraum der Kondensationskammer.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe bei dem Siedewasser-Kernreaktor des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, daß sich der Wasserspiegel der Kondensationskammer oberhalb des Deckels des Kernreaktor-Druckbehälters in einem Raum befindet, der außen von der Wand des Sicherheitsbehälters begrenzt wird und innen von wenigstens zwei ineinandergeschobenen Schachtelrohren begrenzt ist, deren Innendurchmesser etwas größer ist als der Durchmesser des Kernreaktor-Druckbehälters, wobei das Innenrohr auf dem Boden des Sicherheitsbehälters dichtend aufsitzt und bis über den Deckel des Kernreaktor-Druckbehälters hochreicht, wogegen das Außenrohr vom oberen Bereich der Sicherheitsbehälter-Wand bis etwa zu einem Kernhöhenbereich herunterreicht und an seinem oberen Ende mit einem Deckelflansch des Sicherheitsbehälters dichtend verbunden ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 20 angegeben.

Der Siedewasser-Kernreaktor nach der Erfindung arbeitet in einem Leistungsbereich bis zu etwa 250 MWel, und zwar nach dem Natur-Umlauf-Einkreisprinzip bei einem Systemdruck von ca. 70 bar. Seine Leistungsdichte liegt bei etwa 25 kW pro Liter, und er ist mit Kernzellen und sog. grobhydraulischen voll integrierten Steuerstäben ausgerüstet. Die Kernzellen ermöglichen wichtige Vereinfachungen beim Brennelementwechsel, d.h., im Grenzfall wird kein Becken benötigt, und die voll integrierten grobhydraulischen Steuerstäbe ermöglichen Vereinfachungen im gesamten nuklearen Dampferzeugungssystem. Bevorzugt ist der Siedewasser-Kernreaktor nach der Erfindung mit im Druckbehälter- Deckel angeordneten Dampftrocknern ausgerüstet; Dampfabscheider sind nicht vorgesehen, damit oberhalb der Kernzellen auf Einbauten verzichtet werden kann. Weitere Vorteile, die aus dem Bauprinzip nach der Erfindung resultieren, sind u.a. die, daß sämtliche Zu- und Ableitungen zum bzw. vom Reaktordruckbehälter in der Flanschzone konzentriert und innerhalb des Containments aus kurzen, geraden Rohrstücken bestehen können. Unterhalb des Wasserspiegels ist der Reaktordruckbehälter völlig frei von Durchbrüchen. Die druckführenden Primärleitungen beschränken sich auf je eine Frischdampf- und eine Speisewasser-Leitung sowie die Zu- und Ableitung zum Reinigungssystem. Alle Primärleitungen haben ihre erste Ventilabsicherung im Bereich der Druckbehälter-Wand. Die Nachzerfallswärme wird über Wärmetauscher abgeführt, die innerhalb des Reaktordruckbehälters seitlich und oberhalb der Kernzellen angeordnet sind. Insgesamt sind externe Leitungen und deren Raumbedarf drastisch reduziert. In Höhe und am Umfang der Steuerstab-Führungen (oberer Kernzellenbereich) kann man im Reaktor-Druckbehälter Abstellpositionen für ein Viertel bis ein Drittel der im Kern eingesetzten Brennelemente vorsehen. Das Containment wird gebildet aus einem mit Abschirm- und Kondensationswasser weitgehend gefüllten zylindrischen Sicherheitsbehälter mit gewölbten unteren und oberen Abschlüssen. Das innere Schachtelrohr mit nur geringem Abstand vom außen glatten und mit einer Isolierung versehenen Reaktor-Druckbehälter trennt das Kondensationswasser vom eigentlichen Reaktorraum und kühlt diesen passiv. Das Druckunterdrückungssystem braucht nur gegen relativ kleine Leckagen ausgelegt zu sein. Die kombinierten Sicherheits- und Entlastungsventile blasen direkt ins Kondensationswasser ab. Vom Standpunkt der Sicherheitstechnik ist besonders vorteilhaft die Sicherstellung der Kernbedeckung unter allen Umständen mit passiven Maßnahmen, ferner die Absicherung der großen Primärleitungen bereits im Bereich der Wand des Reaktor-Druckbehälters. Dieser lagert in der Flansch- (rohr)zone auf im Containment integrierten Stützen. Die Vertikallast trägt dabei der innere Containmentzylinder, und zwar dessen inneres Schachtelrohr. Das Oberteil des inneren Containment-Zylinders, gebildet vom äußeren Schachtelrohr setzt sich als Flutzylinder bis zum Containment-Deckel fort. Beim Brennelement-Wechsel ist nurmehr ein Ringscheibenelement in Form eines unteren Trennringes zwischen Reaktor-Druckbehälter und dem inneren Schachtelrohr des Containment-Zylinders einzusetzen, ferner ein oberer Trennring zwischen den beiden Schachtelrohren. Unmittelbar auf dem unteren Trennring kann man kurze Führungen für die temporäre Abstellung verbrauchter Brennelemente anordnen. Ein Brennelementbecken braucht nicht mehr vorgesehen zu sein. Der Brennelement-Wechsel erfolgt durch direkte Einlagerung in einen in den Reaktor-Druckbehälter abgesenkten Transportbehälter. Ein gemeinsamer Gebäudekran bedient das geöffnete Containment und den Turbinenraum.

Die Erfindung sowie weitere Merkmale und ihre Wirkungsweise werden im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen in schematischer, vereinfachter Darstellung:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Siedewasser-Kernreaktor nach der Erfindung, wobei die Teile der Stützstruktur des Reaktor-Druckbehälters, welche den äußeren Sicherheitsbehälter und den inneren Containment-Zylinder durchdringen, durch strichpunktierte Linien hervorgehoben sind;

Fig. 2 perspektivisch im Ausschnitt die Anordnung und Ausbildung der Kernzellen und - repräsentativ - einen Steuerstab aus der Mehrzahl der Steuerstäbe, die innerhalb der Kernzellen längsverschieblich geführt sind (die aus Fig. 2 ersichtliche Kern-Abstützung und Lagerung ist in Fig. 1 der Einfachheit halber weggelassen);

Fig. 3 in entsprechender Darstellung zu Fig. 1, jedoch in einem Vertikalschnitt, der durch eine andere, gedrehte Meridianebene verläuft, den Gegenstand nach Fig. 1, wobei besonders die Speiseleitung und die Frischdampfleitung mit ihren zugehörigen Ventilen sowie ein Dampfführungsgehäuse und ein Dampftrockner im Inneren des Deckels des Reaktor-Druckbehälters hervorgehoben sind;

Fig. 4 in entsprechender Darstellung zu Fig. 1 und Fig. 3 einen wieder anderen Meridianschnitt, in welchem die zum Dampfabblasen in die Kondensationskammer dienenden Sicherheitsventile und zugehörigen Rohrleitungen besonders dargestellt sind. Der linke Teil der Figur zeigt darüberhinaus dampfbetriebene Eigendampfinjektoren, welche über zugehörige Rohrleitungen Wasser aus der Kondensationskammer ansaugen und über Aktivierungsventile in das Innere des Druckbehälters einsprühen;

Fig. 5 in entsprechender Darstellung zu Fig. 1, 3 und 4 einen in eine solche Vertikalebene gedrehten Meridianschnitt, daß die Leitungen zu dem im Inneren des Kernreaktor- Druckbehälters angeordneten Nachzerfallswärmekühlern erkennbar sind, ferner (im linken Teil der Figur) ein innerhalb der Kondensationskammer angeordneter Reinigungskreis mit entsprechenden Behältern und Rohrleitungen für das im Inneren des Reaktor-Druckbehälters zirkulierende Primärkühlmittel;

Fig. 6 den Vorgang des Brennelementwechsels bei geöffnetem Reaktor-Druckbehälter und montierten unteren und oberen Trennringen sowie mit dem oberhalb des Reaktor-Druckbehälters befindlichen, mit einer Wassersäule aus Abschirmgründen gefüllten Flutraum und (im linken Teil der Figur) mit einem Einsteck-Rohrkühler, welcher an einen externen Kühlkreis angeschlossen ist und zur Kühlung des Wassers innerhalb der Kondensationskammer dient;

Fig. 7 einen Schnitt durch die Anschluß- bzw. Einspeiseebene des Reaktor-Druckbehälters und des ihn umgebenden Containments längs der Schnittebene VII-VII aus Fig. 1;

Fig. 8 einen radialen Teilschnitt längs der Schnittebene VIII-VIII aus Fig. 7;

Fig. 9 und 10, Fig. 11 und 12 sowie Fig. 13 und 14 jeweils im Längs- und Querschnitt in der genannten Reihenfolge ein Rückschlagventil für die Speisewasserleitung, ein Stopp-Ventil für die Frischdampfleitung sowie ein Entlastungs- und Sicherheitsventil, und schließlich zeigen

Fig. 15 und 16 im Längsschnitt sowie in einem vergrößerten Detail ein Wärmetauscher-Sperrventil, welches als Nachzerfallswärmekühler-Absperrventil dient.

Der Siedewasser-Kernreaktor nach Fig. 1 und 2 arbeitet nach dem Natur-Umlauf-Prinzip, weist einen im folgenden als RDB abgekürzt bezeichneten Kernreaktor-Druckbehälter 1 auf, der aus einem hohlzylindrischen länglichen Stahlbehälter mit gewölbtem Deckel 2 besteht und dessen Längsachse z-z im dargestellten Ausführungsbeispiel mit der Längsachse des gleichfalls hohlzylindrischen Sicherheitsbehälters 3 aus Stahl zusammenfällt. Der Sicherheitsbehälter 3 umschließt das Containment Co in seinem Inneren gasdicht nach außen, er ist auf einem Fundament F auf nicht näher dargestellte Weise gelagert und in seinem oberen Bereich an einer Deckenkonstruktion D in vertikaler Position gehalten. Auch der Sicherheitsbehälter 3 weist im Bereich seines oberen, durch die Deckenkonstruktion D ragenden Endes einen abnehmbaren Deckel 4 auf. Das Containment Co des Sicherheitsbehälters 3 bildet mit seiner Wasserfüllung 5 - in Fig. 1 sind zwei Wasserniveaus, ein oberer Füllstand 8.1 und ein unterer Füllstand 8.2 dargestellt - eine Kondensationskammer C1, im folgenden abgekürzt als Kondkammer bezeichnet.

In Fig. 1 sind die Abstütz- und Haltekonstruktionen für den Kern 18 und für dessen Kernzellen 19, welche die Steuerstabführungen enthalten, nicht dargestellt, bzw. nur in Umrissen angedeutet; Fig. 2 zeigt dies näher. Der aufgeschnitten dargestellte Druckbehälter 1 enthält in seinem unteren Bereich innerhalb eines einer Kreiskontur angenäherten Rasters der quadratischen Kernzellen 19 den Reaktorkern 18, der in bekannter Weise aus den einzelnen Brennelementen k1 mit einer aktiven Länge von z.B. 1,85 m und quadratischem Querschnitt zusammengesetzt ist. Die im Kern 18 durch die Brennelemente erzeugte Wärme wird vom Reaktorkühlmittel (aufbereitetes Wasser) aufgenommen, welches gemäß den Strömungspfeilen f1 durch die Kühlkanäle innerhalb der einzelnen Brennelemente k1 und an deren Außenumfang nach oben strömt und dabei sich soweit erwärmt, daß es im oberen Bereich des Kerns 18 verdampft. Der Naßdampf durchströmt einen innerhalb der Deckelkalotte untergebrachten Dampftrockner 43, wie es anhand von Fig. 3 noch erläutert wird, und verläßt den Reaktor-Druckbehälter über eine Frischdampfleitung 22. Frisches Speisewasser dagegen strömt über Speisewasserleitung 21 in das Innere des RDB ein (vgl. gleichfalls Fig. 3) und setzt die in Form von Frischdampf abgeführten Wassermengen.

Mit den Strömungspfeilen f2 ist in Fig. 2 die Wasserströmung von einem Raum oberhalb der Kernzellen 19 durch den Ringraum k2 zwischen RBD-Wand und Kern 18 nach unten angedeutet. Im Bereich der Bodenkalotte 1.1 des RDB erfolgt die Umlenkung dieser Strömung f2, die dann wieder in Form der Strömung f1 durch die Bohrungen der Kerntragplatte k3 in die Brennelemente k1 eintritt. Der Reaktorkern 18 sitzt, wie gesagt, auf der unteren Tragplatte k3. Sein seitlicher Halt ist vor allem durch nicht näher dargestellte Stützbleche k10 und k11 bestimmt, welche die aus Fig. 2 ersichtliche vieleckige Kontur des Kerns 18 festlegen. Innerhalb der Kontur ist der Kernquerschnitt durch Blechschächte k4 unterteilt, die einen quadratischen Querschnitt von z.B. 300 mm Kantenlänge haben und jeweils die Kernzellen 19 mit je vier Brennelementen k1 einschließen. Nur an den Ecken des Reaktorkerns 18 sind die Brennelement-Positionen unbesetzt (nicht näher dargestellt). Die Brennelemente k1 haben bevorzugt gleichfalls einen quadratischen Querschnitt und sitzen mit ihren den Blechschächten k4 zugekehrten Außenseiten am Rand der Blechschächte k4. Die anderen inneren Seiten liegen an Zwischenblechen k5 an, die in die Blechschächte k4 eingesetzt sind. Die Zwischenbleche k5 definieren einen kreuzförmigen Spalt k6 zur Aufnahme von Steuerstäben k7 und nicht näher gezeigten Antriebsgestängen bzw. Antrieben. Die den Kernzellen 19 zugeordneten und von den Blechschächten k4 umschlossenen kreuzförmigen Steuerstäbe k7 sind baulich in die Blechschächte integriert. Dazu ist in der Mitte des Spaltes k6 ein Zylinder k8 vorgesehen, in welchem ein mit dem Steuerstab k7 verbundener Druckmittelkolben k9 gleitet. Als Druckmittel dient das Kühlwasser des Reaktors. Die hydraulischen Steuerleitungen, welche dieses Druckmittel den Kolben-Zylinder-Systemen k8, k9 vom Raum unterhalb des Kerns 18 zuführen sind der Einfachheit halber nicht dargestellt, ebenso auch nicht die RDB-externen Hydraulik- Pumpen mit ihren Saug- und Druckleitungen und einer zugehörigen Steuerventilanordnung. Nähere Einzelheiten dazu lassen sich aus der EP-OS 02 52 326, offengelegt am 13.01.88, entnehmen.

Der Kern 18 wird innerhalb des RDB1, wie erwähnt, im Bezug auf seine Vertikalkräfte von der Kerntragplatte k3 gehalten, im Bezug auf Seitenkräfte von den Stützblechen k10, welche die aus Fig. 2 ersichtliche vieleckige Kontur des Kerns 18 festlegen. Dargestellt sind zwei in axialem Abstand von etwa der Kernhöhe zueinander zwischen dem RDB-Innenumfang und dem Kern-Außenumfang sitzenden Stützbleche k10, k11 welche zugleich die radiale Spaltweite des etwa ringförmigen Rückstromraumes k2 bestimmen und mit Durchlässen k11 für die Rückströmung f2 versehen sind.

Der Reaktordruckbehälter (abgekürzt: RDB) 1 mit seinem Deckel 2 sitzt so tief wie möglich zentrisch im Containment-Behälter 3 welcher aus einem zylindrischen Mittelteil und gewölbten Abschlüssen besteht und oben durch den Deckel 4 verschließbar ist. Das Containment ist bis über den RDB-Deckel (2) hinaus mit Kühlwasser gefüllt, welches in der Lage ist, ohne zusätzliche Kühlung die im betriebsmäßigen Primärkreis enthaltene Wärme aufzunehmen, zuzüglich einiger Stunden Nachzerfallswärme, ehe sich Druck und Temperatur im Containment auf die Auslegungswerte (um 5 bar, 150°C) erhöhen.

Die innere Begrenzung des Kondenswasserraumes (im folgenden abgekürzt: Kondwasserraumes) bilden zwei ineinandergeschobene Schachtelrohre 6 und 7. Das innere der beiden 6 umschließt den (isolierten) RDB1 so dicht als möglich (Prüf- und Beobachtungsspalte) und reicht bis über den Kondwasserspiegel 8 hinaus. Unten ist es dicht mit dem Containment 3 verbunden.

Das äußere Rohr 7 ist um wenige dm weiter, oben am Flansch 9 des Containments Co dicht befestigt und reicht nach unten bis etwas oberhalb der Kernoberkante 10. Es kann im Unterteil mit Löchern 11 versehen sein zum besseren Übertritt von Luft und evtl. Leckdampf ins Kondenswasser.

Der unterste Teil des Kondwasserraumes C1 ist durch eine Blechwand 12 vom übrigen Kondensationswasser (abgekürzt: Kondwasser) abgetrennt, wobei die einzige wesentliche Verbindung (Rohrkanal) 13 zu diesem unmittelbar unterhalb des Fallrohres 14 (Fig. 6) angeordnet ist.

Aus diesem Raum, der auch dann noch relativ kühl bleibt, wenn sich das übrige Kondwasser im Leck- oder Entlastungsfall aufgeheizt hat, saugen die Notspeiseeinrichtungen an wie Eigendampfinjektoren oder Kurzspeicher.

Das innere Schachtelrohr 6 trägt die Auflager 15 für den RDB 1 und auch dessen Vertikallasten. Das Auflager 15 ist durch Stützen 16, die radial durch den Kondwasserraum hindurchgreifen, abgestützt auf externe, die Horizontalkräfte aufnehmende Stützen 17.

Der RDB1 selbst enthält den Kern 18 und darüber die Kernzellen 19, welche die obenliegenden Steuerstäbe führen und das aufsteigende Dampf-Wassergemisch, vgl. oben und Fig. 2.

Um die Kernzellen herum befinden sich Abstellpositionen für 1/4-1/3 des Brennelement-Inventars. Eine Verkleinerung dieses Anteils erforderte ein normales Brennelement-Becken,und eine Vergrößerung würde nur den RDB-Durchmesser und damit alles weitere, wie Containment- und Kondwasserinhalt etc. vergrößern.

Die Zu- und Ableitungen zum RDB konzentrieren sich in etwa derselben Ebene im Flanschbereich. Darunter gibt es keine Durchbrüche im RDB, also bei integrem Druckbehälter auch keine Leckagen, vgl. Fig. 7.

Wie es Fig. 2 zeigt, genügt wegen der Kleinheit des Reaktors je eine Speise- 21 und Frischdampf-Leitung 22, letztere wird üblicherweise auch als FD-Leitung bezeichnet. Dies sind die einzigen Primärmedium führenden Leitungen außerhalb des Containments.

Dazu kommen innerhalb des Containments Co zwei Sicherheitsventil- und Entlastungsleitungen 23 und zwei Injektorleitungen 24 als ineinanderliegende Doppelleitungen und ebenso die (kleine) Leitung 25 zum Reinigungssystem 26.

Die von den integrierten Nachzerfallswärme-Kühlern, nachfolgend abgekürzt: NZW-Kühlern, 27 nach außen führenden Doppelleitungen 28 führen Sekundärmedium.

Alle nach außen führenden Leitungen sind im Containment-Bereich gerade und durchstoßen den Kondwasserbereich in ebenfalls geraden Führungsrohren 29, 30, 31. Diese Führungsrohre sind mit der zylindrischen Wand 3.0 des Containment Co fest verbunden. An dieser Verbindungsstelle befinden sich auch, soweit nötig, die Dehnelemente (Federbälge) zum Ausgleich der Temperaturspannungen und evtl. lokale Abschirmungen. Während die Führungsrohre 29, 30 ,31 das äußere Schachtelrohr 7 mit Spiel durchstoßen, sind sie am inneren 6 nachgiebig befestigt, z. B. in einer in 6 eingebundenen gewellten Scheibe 52 (Fig. 3). Diese trägt zwar leicht den anstehenden Kondwasserdruck (einige m WS), gibt jedoch nach, wenn sich das Rohr 6 (innere Kondkammerwand) und die Wand 3.0 durch Druck- und Temperatureinflüsse ungleich dehnen.

Die Herausführung der elektrischen Leitungen ist im Gegensatz zur üblichen Praxis derart, daß nicht große Teile der Containmentoberfläche für die Kabeldurchtritte verfügbar sein müssen, sondern nur wenige kreisrunde Öffnungen. Die eigentlichen Kabeldurchdringungen liegen in vorgefertigten, pilzförmigen Elementen 32, welche mit dem daranhängenden Kabelbaum von außen in den Kondraum C1 durchdringenden Rohre 33 eingeschoben und letztlich bei 34 mit einer normalen Rohrnaht dicht eingeschweißt werden (Fig. 8).

Anhand der folgenden Fig. 3 bis 6 seien die an den Druckbehälter angeschlossenen Leitungen und Komponenten erläutert.

Fig. 3

Die beiden Hauptleitungen für Speisewasser 21 und Frischdampf 22 führen geradlinig vom Druckbehälter nach außen und sind knapp außerhalb des Containments mit in der Funktion üblichen ISO-Ventilen versperrbar, 35, 36, wobei deren Eckventilcharakter ausgenützt wird, um Raum, Schweißnähte und teure Krümmer zu ersparen.

Noch im Inneren des Druckbehälters, in dessen Flanschbereich, sind Ventile angeordnet, 37, 38, welche die Leitungen an der Primärkreisgrenze absperren können.

Die Speiseleitung 21 führt in den Speisewasser-Verteiler 39, der entgegen der üblichen Praxis oberhalb des Druckbehälter- Wasserspiegels liegt oder wenigstens nicht in dem zwischen Kerneinbauten (hier Kernzellen 19) und Druckbehälter übrig bleibenden, funktionswichtigen Abströmquerschnitt. Dieser wird auf diese Weise nicht zusätzlich eingeengt.

Hier wird das Speisewasser vom Verteiler 39 in einzelne, abwärts gewichtete Stichleitungen 40 geführt. Zur besseren und rascheren Vermischung des Speisewassers mit dem abwärts strömenden Dampf-Wasser-Gemisch (carry under) empfehlen sich kleine Strahlpumpen 41.

Die Eintrittsseite der FD-Leitung 22 ist von einer Blechhutze 42 umschlossen, die offen ist gegen den Abströmraum des im Druckbehälter-Deckel 2 angeordneten Dampftrockners 43.

Dies bewirkt, daß einerseits der RDB wesentlich kürzer sein kann als bei direkter Einmündung der FD -Leitung in den Dampfraum des Reaktors (Gefahr des Wassereintritts in die Leitung) und daß andererseits der freie Druckbehälter-Spiegel 44 näher an seine normale Ausdampfleistung belastet werden kann, da der Trockner mitgerissenes Wasser in mäßiger Weise zurückhält.

Fig. 4

Zeigt das Sicherheitsventil- und Kernbedeckungssystem. In der beispielmäßigen Anordnung sind beide getrennt. Das müßte nicht so sein. Beim Einsatz von Kurzdruckspeichern (hier nicht beschrieben) käme man mit einem einzigen, allerdings größeren Rohrsystem aus.

Hier sind zur Noteinspeisung Eigendampfinjektoren 45 vorgesehen. Das Ansaugniveau 46 des Injektors muß natürlich unterhalb des tiefsten Kondenswasserspiegels liegen (Zulaufhöhe!), aber so deutlich oberhalb der Anschluß- bzw. Einspeiseebene 47 bezüglich RDB (vgl. Fig. 1), daß nach dem genügenden Absenken des Primärdruckes gegenüber dem Containment-Druck eine freie, passive Kondwasserzuströmung zum RDB und damit zum Kern gegeben ist.

Die Injektoren 45 saugen über ihre Leitungen 60 kühles Wasser aus dem Raum unterhalb der Blechwand 12 an. Im hier skizzierten Fall (Injektoren) ist für diese ein eigener Anschluß an den Druckbehälter zweckmäßig, mit einem eigenen Aktivierungsventil, um den annähernd vollen Systemdruck als Treibdruck ausnützen zu können (nicht näher dargestellt).

Die Sicherheitsventile 48 und ihre Leitungen 49 dagegen können relativ klein sein. Sie sind leistungsmäßig lediglich auf Hochdampfdruck auszulegen, was insbesonders die Kondensationsproblematik entscheidend vereinfacht, und weisen ein einfaches Rohrende 50 im Kondwasser, evtl. mit seitlichen Löchern, auf, gegenüber sonst nötigen großvolumigen Verteilern und Leitungen.

Ein lokal über den Kondwasserspiegel hinausragendes Rohrteil 70, das über ein kleines Rückschlagventil belüftet wird, ist zweckmäßig, um das betriebsmäßige Anstehen von Wasser in der Leitung außen am heißen Druckbehälter zu verhindern.

Fig. 5

Skizziert den Reinigungskreis 51 und das NZW-Abfuhrsystem. Charakteristikum ist die Unterbringung sämtlicher dazugehöriger Komponenten in einem einzigen Druckgefäß und Unterbringung im Kondwasserraum, also ohne externen Raumbedarf.

Das NZW-Abfuhrsystem, hier bestehend aus 4 im Druckbehälter integrierten Geradrohrkühlern 27 ist aus dem Bestreben entstanden,

  • 1. an der wirksamsten Stelle, im RDB, den Primärdampf zu kondensieren und unmittelbar dem Kern zuzuleiten,
  • 2. Primärdruckmedium führende Leitungen außerhalb des Druckbehälters zu vermeiden,
  • 3. den offenen Reaktor (Beckenersatz) gleich mit zu kühlen.


Auslegungskriterium für das NZW-System ist die Kühlung des offenen Reaktors, weil dabei einerseits die geringsten Temperaturdifferenzen anstehen und andererseits, im wenig bewegten Wasser, der primäre Wärmeübergang ungleich schlechter ist als im Dampf.

Daher empfiehlt es sich auch für diesen Zweck temporär zusätzliche Maßnahmen zur Steigerung des primären Wärmeüberganges einzusetzen. Z. B. während des BE-Wechsels eingesetzte Blechführungen 53 mit Pumpen 54 (Fig. 6), welche warmes Wasser von der Beckenoberfläche 55 direkt den NZW-Kühlern 27 zuführen.

Die zu den Kühlern 27 führenden sekundären Leitungen 28 sind konzentrisch ausgeführt mit innerer Zuleitung 56 und äußerer Ableitung 57 (Detail Fig. 15 und 16). Im Kühlerkopf ist ein Sperrventil 72 eingebaut, das in Offen- und Schließstellung dargestellt ist.

Es versteht sich von selbst, daß derartige im Druckbehälter integrierte Kühler 27 auch im Leck- oder Entlastungsfall einen merklichen Teil des ausdampfenden Primärmediums unmittelbar dem Kern wieder als Wasser zuführen.

Fig. 6 skizziert die Kondwasserkühlung und den BE-Wechsel (abgekürzt für "Brennelement-Wechsel").

In die Containment-Wand 3.0 ist von außen ein Rohrkühler 58 eingesteckt, der kondwasserseitig passiv umströmt wird. Zur Verstärkung dieser Strömung und damit des Wärmeüberganges dient eine Blechführung 59, die sich in einem weiten, nach unten führenden Rohr 14 fortsetzt, so daß eine längere Säule kühlen (schwereren) Kondwassers entsteht.

Unmittelbar unter diesem Fallrohr 14 liegt die Verbindung 13 zum Kaltwasserraum unter der Blechabdeckung 12, aus welchem z. B. die Injektoren 45 (Fig. 4) mit Ihrer Saugleitung 60 ihr Wasser beziehen.

Beim BE-Wechsel müssen nicht mehr - wie bislang üblich - großvolumige Flutzylinder eingesetzt werden. Es genügt vielmehr, zwischen dem RDB-Flansch und dem inneren Schachtelrohr 6 einen wasserdichten unteren Trennring 61 einzusetzen, um in dem Zylinderraum innerhalb der Schachtelrohre 6, 7 den BE-Wechsel vornehmen zu können. Dazu ist zunächst dieser Raum oberhalb des Druckbehälters, aber aus Abschirmgründen auch der sonstige Luftraum 62 über dem Kondwasser 5 mit Wasser aufzufüllen.

Soll das Becken- und Reaktorwasser sauber vom Kondwasser getrennt werden, so ist auch noch zwischen den beiden Schachtelrohren 6 und 7 ein wasserdichter oberer Trennring 63 einzusetzen.

Der untere Trennring 61 enthält nun Abstellpositionen 64 für ca. 1/3 Kernladung BE, das ist jene Menge, die routinemäßig bei einem BE-Wechsel ausgetauscht werden soll und die den Abklingpositionen 20 im RDB entspricht (vgl. Fig. 1).

Für jene seltenen Fälle, in welchen der ganze Kern ausgeräumt werden muß (große Reparaturen an Einbauten), sind weitere Abstellpositionen im Bereich 64 entweder vorhanden oder einsetzbar. Somit kann - in Notfällen - der gesamte Kern im Schachtelrohr 6 oberhalb des DB-Flansches vorübergehend deponiert werden.

Normalerweise läuft der BE-Wechsel wie folgt:

Nach dem Herunterfahren des Reaktors, dem Einsetzen der Trennringe 61, 63, Öffnen und Anheben des Druckbehälter-Deckels 2 und Auffüllen des ganzen Containments Co mit Wasser werden die Anströmverstärker (soweit vorhanden) für die NZW-Kühler eingesetzt, 53, 54, um das nunmehrige "Beckenwasser" korrekt zu temperieren.

Die abgeklungenen BE aus den Abstellpositionen 20 im Kernbereich (siehe Fig. 1) werden ins Zwischenlager 64 verbracht, die aus dem Kern zu entfernenden BE kommen nach 20 und die frischen BE in die frei gewordenen Kernpositionen.

Nun wird eine an langen, federnden Zugstangen 65 aufgehängte und für begrenzte Stoßaufnahme geeignete Stützstruktur (Transportbehälter-Korb 66) eingesetzt und ein Bremszylinder 67 adaptiert, der in einem mit einem Bremskolben 68 versehenen Transportbehälter 69 nur mäßige Absinkgeschwindigkeiten erlaubt. Dieser Transportbehälter-Korb 66 wird nun aus dem Zwischenlager 64 beladen und in üblicher Weise abtransportiert.

Fig. 9 bis Fig 16 zeigen schematisch Einzelheiten der im RDB integrierten Absperrventile, und zwar ein Speisewasser- Rückschlagventil 37 und ein FD-Ventil 38 in Fig. 9-12 sowie ein als Injektor-Aktivierungsventil wirkendes Entlastungs- und Sicherheitsventil 71 und ein NZW-Kühler-Absperrventil 72, wie es an anderer Stelle beschrieben ist, in Fig. 13-16.

Das Sicherheitsventil 48 (Fig. 4) ähnelt dem Injektorventil 71, kommt aber ohne dessen zentrale Wasser-Zuleitung aus.

Gemeinsam ist all diesen Ventilen, daß sie sich in einem relativ leichten Gehäuse an der Innenseite der Druckbehälter- Wand führen und daß die bewegten Teile massearm ausgeführt sind. Das Gehäuse gleicht mehr einem Käfig und unterliegt keinen nennenswerten Beanspruchungen und Dichtheitsanforderungen. Dämpfungskolben sind grundsätzlich vorgesehen oder vorsehbar.

Die Betätigung der Sperrventile 37, 38 erfolgt grundsätzlich unmittelbar durch das Eigenmedium ohne jeglichen Zwischenträger. Die Sicherheits- oder Aktivierungsventile 48,71 werden - wie bei diesen Dimensionen kaum anders möglich und üblich - durch Entlastung eines vom Eigenmedium beaufschlagten Kolbens über entsprechend kleine Magnetventile bewegt.

Das Speisewasser-Rückschlagventil 37, Fig. 9 und 10, ist ein einfaches Rückschlagventil mit einem Dämpfungskolben 73, dessen eine Seite zu Prüfzwecken mit Primärmedien höheren Druckes über das Magnetventil 74 belastet werden kann. Der Überdruck kann z. B. dem die Steuerstäbe bewegenden Pumpensystem entnommen werden. Ein dünnwandiges Gehäuse 75 leitet das einströmende Speisewasser über die Anschlüsse 76 zum Speisewasser-Verteiler 39 (Fig. 3).

Das FD-Ventil (Stop-Ventil) 38, Fig. 11 und 12, ist prinzipiell gleichartig aufgebaut. Hier ist jedoch die innenseitige Dämpfungskolbenseite 77 betriebsmäßig über die Leitung 78 entlastet, d.h. mit einem Raum niedrigeren Druckes verbunden. Die Dimensionierung ist so, daß der links wirkende Dämpferkolbendruck dem nach rechts, in Schließrichtung wirkendem Strömungsdruck des ausströmenden Dampfes betriebsmäßig überwiegt, so daß das Ventil offenbleibt. Bei stark überhöhtem Dampf-Strömungsdruck (Rohrreißer etc.) schlägt es jedoch zu.

Durch Auffüllen des Kolbenraumes 77 mit Gleichdruck- oder Überdruckmedium über Leitung 79 kann das Ventil auch jederzeit willkürlich geschlossen werden.

Das Ventilgehäuse ist nur mehr eine Art Käfig 80. Es ist jedoch umgeben von einer nach oben offenen Blechwanne 81 die oben an den Ausdampfraum des Dampftrockners 43 im Druckbehälter-Deckel 2 anschließt, die aber das von unten in Ventilnähe kommende Wasser- Dampfgemisch vom Ventil fernhält. Etwas spezieller ist der Aufbau des Aktivierungsventils 71 für die Noteinspeisung. Als Beispiel ist hier eine Ausführung skizziert (Fig. 13 und 14), bei welcher die Dampfableitung 82 und die Wasser-Zuleitung 83 konzentrisch ineinander liegen und durch einen einzigen Ventilteller 84 gegen den Primärdruck abgesperrt werden. In Schließrichtung wird dabei die gegen den Ventilteller 84 abgefederte Scheibe 85 stirnseitig gegen das Zuleitungsende gedrückt und dichtet dort - ohne harte Auflagen - gegen einige Meter Kondwassersäule.

Sinn dieser Anordnung ist es, daß beide Leitungen durch eine einzige Operation geöffnet oder geschlossen werden. Daß insbesonders zum Öffnen der Zuleitung keinerlei Kräfte mehr erforderlich sind, wie dies bei einem getrennten Rückschlagventil für die Zuleitung u.U. erforderlich wäre. Wichtig ist dies für die passive Zuströmung des Kondwassers unter geringem Druck am Ende der Entlastungsphase, vorwiegend bei Speicherspeisung.

Die hier in der Hauptsache dargestellte Injektor-Notspeisung ist demgegenüber unempfindlicher und könnte auch die Kräfte für eine getrenntes Rückschlagventil in der Zuleitung aufbringen.

Das Ventil 71 (Fig. 13 und 14) ist betriebsmäßig rechts, in Schließstellung, durch den auf den Ventilteller 84 wirkenden Systemdruck. Die Öffnung erfolgt durch die Entlastung des (größeren) Kolbenraumes 86 über die Ventile 87. Bei 88 ist Raum für evtl. Dämpferkolben. Eine am Ventilteller 84 angeordnete Strömungsführung 89 trennt im Zusammenwirken mit dem im Gehäuse 90 festen Stutzen 91 das einströmende Wasser von dem gleichzeitig noch abströmenden Dampf.

Das reine Sicherheits- und Entlastungsventil 48 (Fig. 4) ist analog aufgebaut, nur fehlen die mit dem konzentrischen Zuflußrohr 83 zusammenhängenden Teile. Die Entlastungsventile des Kolbenraumes 86 sind entweder willkürlich gesteuert 87 (Entlastung) oder öffnen automatisch bei Systemdrucküberschreitung die über Ventile angeschlossenen Systemdruckleitungen 92. Eine Überdruckleitung 93 dient der Probebetätigung.

Im folgenden seien noch einmal die wichtigsten Konstruktionsmerkmale und Funktionen und die aus ihnen resultierenden Vorteile des Siedewasser-Kernreaktors nach der Erfindung aufgeführt, soweit sie nicht schon vorher erläutert worden sind.

1. Primärkreis

Schlanke Bauform des RDB (keine Wärmetauscher im Rückstromraum k2).

Alle Zu- und Ableitungen in der RDB-Flanschzone (Anschluß- bzw. Einspeiseebene 47) als radial nach außen führende, gerade Rohre ausgebildet. Der ganze übrige RDB, insbesondere unterhalb des Wasserspiegels, ist völlig frei von Durchbrüchen.

Die kleine Einheitsleistung erlaubt es, nur je eine Frischdampf- und Speisewasser-Leitung vorzusehen (Fig. 3, Fig. 7).

Ein erstes Rückschlag- oder Stoppventil mit voll-passiver Eigenmedium-Betätigung sichert jeweils die größeren Primärleistungen bereits im Bereich der RDB-Wand ab, siehe Speisewasser- Rückschlagventil 37 und Frischdampfventil 38 (Fig. 3 und Fig. 9 bis 12). Eine zweite, Isolier-Ventil-ähnliche Einheit 35, 36 sitzt jeweils unmittelbar außen an der Wand des Sicherheitsbehälters 3 (Fig. 3), wobei der Eckventilcharakter durch die Leitungsführung ausgenutzt wird.

Die Kernzellen 19, kombiniert mit grobhydraulischen Steuerstabantrieben (vgl. Fig. 2) machen es möglich, die Brennelemente k1 und Steuerstäbe k7 auszuwechseln, ohne größere Teile aus dem RDB entfernen zu müssen. Dadurch läßt sich u.a. der ganze Brennelement-Beckenkomplex einsparen, wenn wenigstens eine Wechselcharge von Brennelementen im RDB selbst gelagert werden kann, wofür der Raum außerhalb der Kernzellen in Höhe der Steuerstabführung ausgenutzt wird. Da dieser Raum für den abwärtsströmenden Ast des Natur-Umlaufs benötigt wird, ist es zweckmäßig, unterstützt durch niedrige Leistungsdichte und eventuell sogar durch mit Zusatz-Anreicherung erkaufte lange Reisezeiten, routinemäßig nicht mehr als 1/4 des Kerns (maximal 1/3) auszuwechseln und vorher im RDB zu lagern.

Der in der Deckelkuppel untergebrachte Dampftrockner 43 (wodurch gleichzeitig das Abstellproblem gelöst wird, da der Dampftrockner zusammen mit dem Deckel abgehoben und abgestellt werden kann) liegt nicht im Umlaufkreis, bildet also keinen Widerstand im Dampfteil des Umlaufkreises. Die obere Abströmzone (siehe Speisewasser-Verteiler 39 mit Stichleitungen 40 und Strahlpumpen 41 in Fig. 3) liegt deutlich oberhalb des durch das RDB-interne Brennelementlager verengten Abströmquerschnittes. So kann das Speisewasser gleichmäßig und fein verteilt, eventuell unter etwas höherem Druck, in Röhren oder kleinen Jets nach unten eingespeist werden. Die Nachzerfallswärme-Abfuhr, und zwar sowohl bei geschlossenen als auch offenem RDB, erfolgt über im RDB außerhalb und oberhalb der Kernzellenschächte angeordnete NZW-Wärmetauscher 27 (Fig. 5). Die zweifach vorhandenen kombinierten Sicherheits- und Entlastungsventile (abgekürzt: S+E-Ventile) - prinzipielle Bauform so, wie in Fig. 13 und 14 dargestellt, allerdings ohne koaxiale Innenleitung - sind ebenso wie die Aktivierungsventile 71 der Eigendampfinjektoren 45 (ein solches Aktivierungsventil ist prinzipiell in Fig. 13 und 14 dargestellt) innen an der RDB-Wand angeordnet, siehe hierzu Fig. 4 mit den Aktivierungsventilen 71 im linken Teil und mit den S+E-Ventilen 48 im rechten Teil der Figur und siehe die zugehörigen Rohrleitungen 24 für die Eigendampf-Injektoren und 23 für die S+E-Ventile in Fig. 7. Der Einsatz von Injektoren erspart die Problematik der vollständigen Entlastung, die S+E-Leitungen (Kondensationsleitungen) können dementsprechend einfach ausgebildet und bis zum Kondwassergrund geführt werden.

Die Frischdampf-Leitung zur nahe dem Containment gelegenen (nicht dargestellten) Turbine führt über das nahe der Sicherheitsbehälter-Wand 3 angeordnete Iso-Ventil 36 zum Turbinen- Regelventil am Hochdruckteil (ebenfalls nicht dargestellt).

2. Containment

Das Containment Co weist einen inneren, zylindrischen Reaktorraum auf, der den RDB, zumindest im Unterteil 1, möglichst eng umschließt, wobei ein Prüfspalt a1 (Fig. 1) aufrechterhalten bleibt, und der sich nach oben mit einem etwas weiteren Zylinderschuß des äußeren Schachtelrohres 6 nach Art eines Flutzylinders bis zum oberen Containment-Deckel 4 fortsetzt. Die äußere Druckhülle des Sicherheitsbehälters 3 ist in der Hauptsache ebenfalls zylindrisch mit gewölbten (halbkugeligen) Abschlüssen oben und unten. Sie hat z.B. 12 m Durchmesser, 24 bis 25 m Höhe und 15 mm Wandstärke bei 5 bar Auslegungsdruck. Der Raum zwischen innerem und äußerem Containment-Zylinder 6, 7 und 3.0 ist bis über das RDB-Deckelniveau mit Kondwasser gefüllt (siehe oberes und unteres Niveau 8.1, 8.2 in Fig. 1), und zwar so hoch, daß selbst bei undichtem Innenzylinder 6, also aufgefülltem Reaktorraum R, der RDB-Deckel 2 noch geflutet bleibt.

Alle Anschlüsse und Durchbrüche durch das Containment Co, d.h. durch die Containment-Wände 3.0, 7, 6, sind etwa in halber Höhe in einer Ringzone 47 (Fig. 1, Fig. 7) konzentriert. Grundsätzlich sind dort Außenzylinder 3.0 und Innenzylinder 6, 7 durch radiale Schutzrohre verbunden, in welchen die entsprechenden Leitungen geführt sind. Die Schutzrohre sind mit der Wand 3.0 des Sicherheitsbehälters 3 fest verschweißt und mit dem Innenzylinder 6, 7 über etwas nachgiebige und u.U. gewellte Scheiben, verbunden, die zwar gegen den Wasserdruck dicht halten, aber die radialen Verschiebungen von Druckhülle 3 und Innenzylinder 6, 7 entkoppeln. Entsprechendes gilt für die Schutzrohre der Kabelanschlüsse (Fig. 8). Die Kabelanschlüsse werden durch derartige Schutzrohre 33 hindurch als fertiges Bündel von außen eingeschoben. Ihre eigentlichen Durchtrittsstellen durch die Druckhülle bzw. den Sicherheitsbehälter 3 liegen in vorgefertigten pilzförmigen Elementen, die mit einer Ringnaht 34 am Schutzrohr angeschweißt werden.

Zur Temperierung des Kondwassers der Kondkammer C1 ist der Rohrkühler 58 (Wärmetauscher des U-Rohr-Typs) von außen durch die Wand 3.0 des Sicherheitsbehälters 3 gesteckt (Fig. 6). Der Rohrkühler wird innerhalb der Kondkammer C1 von einer Blechführung 59 umhüllt, die in ein Fallrohr 14 ausläuft, Letzteres hat einen Durchmesser von ca. 600 bis 700 mm. Dieser Einsteck- Rohrkühler könnte auch zur Abfuhr der gesamten Nachzerfallswärme ertüchtigt werden, wenn er vergrößert und/oder in seiner Leistung erhöht würde.

Vorteilhaft ist es, zumindest dezentral, die Durchbrüche und Auflager für den RDB tragenden Teil der Containment-Konstruktion komplett im Werk zu fertigen und auszuliefern, insbesondere in zwei halbkreisförmigen Abschnitten. Wenn diese vorgefertigten halbkreisförmigen Montage-Abschnitte noch zu groß wären, könnte man die aus dem Schnitt aus Fig. 7 ersichtlichen über den Kreisumfang relativ gleichmäßig verteilten RDB-Anschlüsse auf zwei Sektoren von jeweils etwa 90° konzentrieren und diese vorfertigen. Die dazwischen liegenden glatten Containment-Wandteile könnten dann in möglichst großen Platten vor Ort zusammengeschweißt werden.

3. Entlastungssystem

Die Dampfleitung 23 des Sicherheits- und Entlastungsventils 48 (Fig. 4) führt über einen den Kondwasserspiegel überragenden Bogen 70 (Luftschloß, damit betriebsmäßig kein Wasser außen an der RDB-Wand ansteht). Dieses Luftschloß ist mit einem kleinen Rückschlagventil zum Luftraum C2 der Kondkammer C1 hin verbunden (Regenerierung nach Aktivierung). Die Dampfleitung 23 führt dann weiter als einfache gerade Rohrleitung bis in den Kondwassergrund. Außer einigen Verteilerbohrungen im untersten Rohrstück 50 sind keine besonderen Kondensationseinrichtungen erforderlich.

4. Eigendampfinjektor

Dieser Eigendampfinjektor 45 (Fig. 4) stellt eine einfache und "kleinbauende" Einrichtung dar, damit die je Entlastungsvorgang nötigen ca. 20 bis 40 m3 Kondwasser in den RDB gepumpt werden. Man kann dafür handelsübliche Lokomotivinjektoren verwenden, die in ihrem Auslegungsbereich von 15 bis 20 bar bis herunter zu 1 bis 2 bar fördern. Die Einsatzbedingungen für sie erscheinen sogar günstiger als bei Lokomotiven (kein Saugbetrieb).

5. Abfuhr der Nachzerfallswärme (NZW)

Diese erfolgt über die RDB-internen Geradrohr-Wärmetauscher 27 (Fig. 1, Fig. 5) im Bereich des RDB-Wasserspiegels. Auf diese Weise werden druckführende Primärleitungen außerhalb des RDB vermieden, und die Wärme wird auf dem höchstmöglichen Niveau abgeführt, bei voll im RDB verbleibendem Primärkühlmittel. Hervorzuheben ist, daß dieselben Wärmetauscher auch die Kühlung des Primärmediums bei offenem Primärkreis während des Brennelementwechsels übernehmen können, wodurch die sonst erforderliche Beckenkühlung entfällt.

6. RDB-interne Ventile

Nach heutigem Stand erfordert das RDB-Einkreis-Konzept die Absicherung aller Primärleitungen durch zwei unabhängige Absperrorgane, denen entscheidende Sicherheitsfunktion (Druckhüllensicherheit) zukommen. Das erste liegt normalerweise im Rohrstrang innerhalb der Druckhülle 3, das zweite unmittelbar außerhalb davon bzw. davor. Darüberhinaus sind nahe dem RDB angeordnete Sicherheitsventile und - gemäß der vorliegenden Erfindung - noch sog. Entlastungsventile vorgesehen, damit bei allen Störsituationen die volle Kernbedeckung gewährleistet ist.

Legt man nun diese Ventile bzw. das jeweil innenliegende in den RDB in dessen Wand-(Flansch-)Bereich, so ergeben sich daraus u.a. die folgenden Vorteile:

  • a) Die Sperrung erfolgt bereits an der als unzerstörbar geltenden RDB-Wand und bildet so einen wirksamen Leitungsbruch- Schutz.
  • b) So, wie konzipiert, werden diese Ventile in ihrer Sicherheitsfunktion auf direktem Wege vom fehlfunktionierenden Eigenmedium betätigt, ohne Zwischenschaltung von Fremdelementen und somit ohne äußere Störmöglichkeiten.
  • c) Innerhalb des Sicherheitsbehälters bzw. der Druckhülle 3 wird kein Raum für Ventile und Ventilbedienung notwendig.
  • d) Der Einsatz extrem kurzer, gerader Leitungen wird möglich.
  • e) Dadurch wird eine wirklich kleine Druckhülle mit kleinem Reaktorraum erreichbar.
  • f) Aufwendige, gegen Volldruck resistente und dichte Ventilgehäuse entfallen bzw. werden durch vergleichsweise gering beanspruchte und keine Dichtheitsforderungen unterliegende Führungsteile ersetzt.


Das Speisewasser-Rückschlagventil 37 besteht aus einem praktisch in die RDB-Wand integrierten Ventilsitz in einem korbartigen Gehäuse 75 (Fig. 9, Fig. 10), welches die Führungen für Ventilteller und Dämpfungs- bzw. Schließkolben 73 enthält. Der Ventilteller selbst ist konisch oder gewölbt, auf jeden Fall massearm, ausgebildet. Einen integrierenden Bestandteil des Korbgehäuses bildet ein Ringsammler, welcher das Speisewasser zu seinem ringförmigen Verteiler führt. Weil völlig im primären Druckraum liegend, sind die Gehäuseteile weder großen Druckkräften noch entsprechenden Dichtheitsforderungen ausgesetzt. Entscheidend ist die unmittelbar vom Eigenmedium betätigte Funktion. Der direkte Strömungsdruck des einlaufenden Speisewassers hält das Ventil offen, wobei sich im ventilseitigen Dämpferkolbenraum stets Wasser (aus der Speisewasserleitung) befindet. Sobald sich die Strömung in der Zuleitung umkehrt (Leck oder Pumpenausfall) schließt der auf der Teller-Rückseite anstehende Systemdruck das Ventil 37 mit großer Kraft, wobei die Schließgeschwindigkeit durch den Dämpferkolben bestimmt wird. Das Ventil 37 öffnet sich wieder durch direkten Strömungsdruck, sobald der Zuleitungsdruck den Systemdruck übersteigt. Um das Ventil bei geringen Drücken und probeweise schließen zu können, ist der reaktorseitige Dämpferkolbenraum über ein willkürlich gesteuertes Magnetventil 74 temporär mit einem Überdruckraum verbindbar.

Frischdampf-Stopp-Ventil 38 (Fig. 11, Fig. 12)

Wie bereits erläutert, ähnelt sein Aufbau prinzipiell sehr stark dem Speisewasser-Rückschlagventil 37. Es ist lediglich etwas größer, und der um das Führungsgehäuse beim Ventil 37 gelegte Ringsammler ist nicht vorhanden. Dafür liegt um das ganze Aggregat herum die Verbindungshutze zu den Dampftrocknern 43 im Deckel (Fig. 3). Seine Funktion ist ebenfalls unmittelbar von außen unstörbar vom Eigenmedium gesteuert. Im Normalzustand wird das Ventil - gegen den Strömungsdruck, der es schließen möchte - offen gehalten durch Unterdruck ("E" in Fig. 11) im reaktorseitigen Dämpfungskolbenraum, der dazu auf kurzem Wege direkt mit dem Kondwasserraum C1 verbunden ist. Erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit in der Frischdampfleitung über ein gewisses Maß (Leitungsbruch), dann wird der Dämpfungskolben- Unterdruck überspielt, und das Ventil schließt. Zur Sicherheit gegen Wiederaufgehen (wenn auch das zweite Ventil geschlossen hat) kann jetzt die "E"-Leitung gesperrt werden.

Injektoren 45 und Sicherheits- und Entspannungs-Ventile 71

Erstere sind entsprechend Fig. 4 sowie Fig. 13 und 14 mit konzentrischen Leitungen ausgeführt, wobei die äußere als Treibdampfleitung 82 dient.

Wärmetauscher-Sperrventil (Fig. 15 und 16)

Die im RDB integrierten Wärmetauscher 27 zur Abfuhr der Nachzerfallswärme sind vorzugsweise in Kerzenbauweise ausgeführt. Diese Wärmetauscher sind wirksam sowohl im Betriebszustand als auch beim Abkühlen des Primärkreises und zur Temperierung des Reaktorwassers beim Brennelement-Wechsel. Das vorgesehene Sperrventil 72 setzt sekundärseitig konzentrische Zu- und Ableitungen zum Wärmetauscher voraus. Es nützt den im oberen Sammler ohnedies vorhandenen Raum aus und erfordert daher kein gesondertes Gehäuse. Wie es aus Fig. 15 hervorgeht, dichtet ein einziger, beweglicher Sperr-Ring 72b gleichzeitig die Zu- und Ableitungen 56, 57 ab. Im Betriebszustand (Position II = "auf") dichtet der Sperr-Ring 72b zwischen einem Kragen 72e der verschiebbaren Innen-(Zu)Leitung 56 und einem Sitz 72d in der Struktur des oberen Sammlers ab. Dieser Sitz trennt lediglich die sekundäre Zuströmung von der Abströmung und braucht daher auch nur in etwa dicht zu sein. Im Sperrzustand (Position I = "zu") dichtet der Sperr-Ring 72b zwischen dem stirnseitigen Abschluß 72a der Innen-(Zu-)Leitung 56 und einem auswechselbaren Spießkantring 72c im Sammleranschlußstutzen 94, wie es aus der Einzelheit XVI nach Fig. 16 hervorgeht, und trennt so den (als Leck angenommenen) Wärmetauscher-Inhalt von sämtlichen nach außen führenden Leitungen. Aktiviert wird diese Absperreinrichtung über einen mit der verschiebbaren Innenleitung 56 verbundenen Kolben 95. Bei normalem Betrieb steht dieser Kolben 95 in Position II in Offenstellung und wird dort gehalten durch den Druckunterschied zwischen zu- und abströmendem Sekundärmedium und seine eigene geringfügige Undichtheit. Wird die reaktorferne Rückseite des Kolbens 95 jedoch über ein angeschlossenes Steuerventil 96, z.B. ein Magnetventil, entlastet, so geht die Einrichtung mit großer Kraft in Schließstellung. Dabei wird die Sekundärseite kurzgeschlossen, so daß zum geordneten Weiterbetrieb der übrigen Wärmetauscher noch mindestens eines der externen Reparaturventile (nicht dargestellt) geschlossen werden muß.

7. Druckhüllen-Deckelflansch

Bei dünnwandigen Druckbehältern mit stark gewölbten Abschlüssen und großen Deckelöffnungen von größenordnungsmäßig dem halben Behälterdurchmesser muß der Flanschgestaltung besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Eine Zentrierstufe 97, welche als Ringkragen von trapezförmigem Querschnitt ausgebildet ist oder aus entsprechenden Bogenstücken besteht, überträgt im Verein mit den durch strichpunktierte Linien 98 angedeuteten Deckelschrauben sicher und problemlos die dominierenden, in der Wand 3.0 des Sicherheitsbehälters verlaufenden Zugbeanspruchungen. Diese Zentrierstufe 97 sitzt auf dem Außenumfang des äußeren Schachtelrohres 7 und ist mit seiner äußeren Schrägfläche in etwa an die Krümmung der Sicherheitsbehälterwand 3.0 angepaßt. Sie ist mit dem Sicherheitsbehälter-Flansch 9 verbunden, und gegen diesen Ringflansch 9 ist dann der Sicherheitsbehälterdeckel 4 mit seinem Ringflansch dichtend verspannt. Der untere Flansch 9 am Sicherheitsbehälter 3 muß dadurch nur noch ausgelegt werden für die Aufnahme der Flanschschrauben 98 und der Flanschdichtung, aber nicht mehr als festigkeitsmäßiger Ersatz für den lösbaren Deckel 4.


Anspruch[de]
  1. 1. Siedewasser-Kernreaktor mit Natur-Umlauf, einem Kernreaktor- Druckbehälter (1), der einen Reaktorkern (18) enthält, ferner mit Kernzellen (19) und von Brennelementen (K1) und von oben in den Kern (18) einfahrbar angeordneten Steuerstäben (K7), dadurch gekennzeichnet, daß
    1. a) der Kernreaktor-Druckbehälter (1) mittig innerhalb eines wassergefüllten Containments (Co), letzteres gebildet durch einen Sicherheitsbehälter (3) mit abnehmbarem Deckel, angeordnet ist,
    2. b) das Containment (Co) des Sicherheitsbehälters (3) mit seiner Wasserfüllung eine Kondensationskammer (C1) bildet,
    3. c) sich der Wasserspiegel (8) der Kondensationskammer (C1) oberhalb des Deckels (2) des Kernreaktor-Druckbehälters (1) in einem Raum befindet, der außen von der Wand (3.0) des Sicherheitsbehälters (3) begrenzt wird und innen von wenigstens zwei ineinandergeschobenen Schachtelrohren (6.7) begrenzt ist,
    4. d) der Innendurchmesser jedes Schachtelrohres (6, 7) etwas größer ist als der Durchmesser des Kernreaktor-Druckbehälters (1),
    5. e) das Innenrohr (6) auf dem Boden des Sicherheitsbehälters (3) dichtend aufsitzt und bis über den Deckel (2) des Kernreaktor-Druckbehälters (1) hochreicht,
    6. f) das Außenrohr (7) vom oberen Bereich der Sicherheitsbehälter- Wand (3.0) bis etwa zur Kernoberkante (10) herunterreicht und an seinem oberen Ende mit einem Deckelflansch (9) des Sicherheitsbehälters (3) dichtend verbunden ist.
  2. 2. Siedewasser-Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Durchmesser des im wesentlichen hohlzylindrischen Sicherheitsbehälters (3) definierte Containment- Durchmesser höchstens um den Faktor 2,5 bis 3 größer ist als der Durchmesser des Kernreaktor-Druckbehälters (1).
  3. 3. Siedewasser-Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein dichtender Trennring (61) zwischen Druckbehälter-Flansch und innerem Schachtelrohr (6) einsetzbar ist, so daß letzteres als temporäres Brennelement-Wechselbecken verwendbar ist, wobei das gesamte Containment eine bis zu seinem oberen Ende reichende Wasserfüllung (5) aufweist.
  4. 4. Siedewasser-Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennring (61) oder mit ihm verbundene Teile zum vorübergehenden Abstellen von mindestens 1/3 einer vollen Brennelement-Kernladung eingerichtet ist, wobei die Fläche zum temporären Abstellen einer vollen Kernladung ausreicht.
  5. 5. Siedewasser-Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Kernreaktor-Druckbehälter (1) in einen Bereich außerhalb des Containments bzw. Sicherheitsbehälters (3) führenden Zu- und Ableitungen (21, 22, 25, 28) aus geraden Rohren bestehen, die in ebenfalls geraden Schutzrohren (29, 30, 31), welche mit der Sicherheitsbehälterwand (3.0) starr verbunden sind und mit dem inneren Schachtelrohr (6) dicht, jedoch wärmebeweglich flexibel verbunden sind, verlaufen.
  6. 6. Siedewasser-Kernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Kernreaktor-Druckbehälter (1) nach außen führenden Zu- und Ableitungen an ersten Absperrstellen noch innerhalb der Wand des Druckbehälters durch Ventile (37, 38, 48) absperrbar sind.
  7. 7. Siedewasser-Kernreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (48), die zum Absperren konzentrischer Doppelleitungen dienen, mit Verschlußstücken zum dichtenden Absperren des Strömungsquerschnitts der Außenleitungen versehen sind, wogegen der Strömungsquerschnitt der Innenleitungen durch ein an einem Ventilteller (84) federnd angebrachtes scheibenförmiges Element (85) entsprechend einem niedrigeren Druckniveau verschließbar ist.
  8. 8. Siedewasser-Kernreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Ventilteller und im Gehäuse Führungen (89, 91) angebracht sind, welche von innen zuströmendes Wasser von außen abströmendem Dampf weitgehend trennen.
  9. 9. Siedewasser-Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Schachtelrohr (6) die Auflager zur Lagerung des Kernreaktor-Druckbehälters (1) aufweist und die entsprechenden Vertikalkräfte aufnimmt, während die Horizontalkräfte über Stützen (16), welche die Innen- und Außenwand (6, 7, 3.0) der Kondensationskammer durchdringen, auf äußere Tragstrukturen (17) übertragbar sind.
  10. 10. Siedewasser-Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schachtelrohre (6, 7) als wärmetauschende Körper ausgebildet sind, welche die im Reaktorraum anfallende Wärme direkt an das Kondenswasser (5) weiterleiten.
  11. 11. Siedewasser-Kernreaktoren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der im flutbaren Kondensationskammerraum befindliche Teil des äußeren Schachtelrohres (7) kondensraumseitig über eine kleine Wasserpumpe (54) berieselbar ist.
  12. 12. Siedewasser-Kernreaktor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß von außen durch die Wand des Sicherheitsbehälters (3) Rohrkühler (58) ins Kondenswasser ragen, die auf der Kondenswasserseite passiv durchströmbar sind, wobei Fallrohre (14) zur Intensivierung der Passivströmung vorgesehen sind.
  13. 13. Siedewasser-Kernreaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der unterste Abschnitt des Sicherheitsbehälters (3) bzw. Containments durch eine Blechwand (12) vom übrigen Containment getrennt ist, wobei die einzige wesentliche Verbindung zu diesem Abschnitt unmittelbar unterhalb der Fallrohre (14) liegt.
  14. 14. Siedewasser-Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Deckel (2) des Kernreaktor-Druckbehälters (1) ein mit diesem verbundener Dampftrockner (43) angeordnet ist, der mit einem den Frischdampf-Leitungseintritt umgebenden, nach oben offenen, Dampfführungsgehäuse (42) zusammenwirkt.
  15. 15. Siedewasser-Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Oberteil des Kernreaktor-Druckbehälters (1) primärseitig passive Kühler (27) angeordnet sind, welche bei geschlossenem wie auch bei offenem Kernreaktor-Druckbehälter (1) die anfallenden Wärmemengen abführen.
  16. 16. Siedewasser-Kernreaktor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Intensivierung der primären Durchströmung der Kühler (27) bei geflutetem Beladebecken in Form von temporär von oben einsetzbaren Blechführungen (53) vorgesehen sind, über welche warmes Oberflächenwasser mit Pumpen (54) in den Kühlerbereich einspeisbar ist.
  17. 17. Siedewasser-Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reaktorwasser-Reinigungsanlage (51) komplett im Kondensationskammer-Wasserraum untergebracht ist.
  18. 18. Siedewasser-Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Noteinspeisung von Kondensationswasser aus der Kondensationskammer unter Sicherstellung der Kernbedeckung Eigendampf-Injektoren (45) oder Kurzdruckspeicher vorgesehen sind.
  19. 19. Siedewasser-Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der den zentralen Bereich der Flansch- und Anschlußebene umfassende Abschnitt des Containments bzw. Sicherheitsbehälters (3) mit Stützen und Führungsrohren aus mehreren vorgefertigten, an der Baustelle zusammenfügbaren Baueinheiten besteht.
  20. 20. Siedewasser-Kernreaktor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheiten von lediglich zwei im Werk vorgefertigten Teilstücken gebildet sind.






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