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Dokumentenidentifikation DE69018644T2 07.09.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0495103
Titel ATOMKRAFTWERK UND BAUVERFAHREN DAFÜR.
Anmelder Ishimaru, Moritaka, Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Ishimaru, Moritaka, Tokio/Tokyo, JP
Vertreter Beetz und Kollegen, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69018644
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 14.08.1990
EP-Aktenzeichen 909120529
WO-Anmeldetag 14.08.1990
PCT-Aktenzeichen JP9001035
WO-Veröffentlichungsnummer 9203828
WO-Veröffentlichungsdatum 05.03.1992
EP-Offenlegungsdatum 22.07.1992
EP date of grant 12.04.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.09.1995
IPC-Hauptklasse G21C 13/00

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Kernkraftwerk mit einem unterirdischen Staudamm.

Geologische Formationen weisen durchlässige und undurchlässige Schichten auf. Diese durchlassigen und undurchlassigen Schichten sind haufig verworfen und bilden eine Vielzahl von geologischen Strukturen, in denen Grundwasser gesammelt wird (Grundwasserbecken) . Das bedeutet, daß 40 % des Niederschlags vom Boden aufgesaugt wird, in die durchlässigen Schichten einsickert und sich über den undurchlässigen Schichten sammelt, bevor er in die Meere fließt. Die Grundwasserströmung wird jedoch durch eine Vielzahl von Verwerfungen begrenzt und dazu gezwungen, entlang der Verwerfungslinien zu fließen.

Durchlässige Schichten weisen im allgemeinen eine Porosität von 20 bis 45 % auf und können daher eine große Wassermenge zurückhalten (10 - 20 % des Volumens der Formationen).

Im Jahre 1979 wurde eine Staumauer von 500 m hänge und einer Höhe von 16,5 m in der Nähe des Ausgangs eines Grundwasserbeckens in Okinawa errichtet und wurde als unterirdischer Staudamm mit einer Speicherkapazität von 700.000 t verwendet. In der Folge wurden die in der nachfolgenden Tabelle aufgeführten unterirdischen Dämme errichtet.

Tabelle 1
Trennmauer Name Speicherkapazität (Wassereinlaß) in Tonnen Standort Länge (m) Höhe (m) Sunagawa Fukusato Minafuku Kabashima Usami Unbekannt Okinawa Nagasaki Fukuoka China Taiwan

Diese Dämme sind zur Sammlung von Trink- oder Bewässerungswasser bestimmt. Die tägliche Einlaufmenge beträgt etwa 250 m³, was in Kabashima 1/40 der gesamten Speicherkapazität entspricht.

Bei den in Japan verwendeten konventionellen Kernkraftwerken wird Uranoxid in Siedewasserreaktoren oder Druckwasserreaktoren auf etwa 3 % angereichert und als Brennstoff zur Erzeugung eines Hochtemperatur-Wasserdampfs verwendet, der anschließend zum Antrieb der Turbinen des Generators verwendet wird. Diese Systeme sind an der Oberfläche installiert.

Im allgemeinen benötigt ein Kernkraftwerk eine Energie von 1,5 Mio kW zum Erhalt einer Ausgangsleistung von 500.000 kW und von dieser Gesamtenergie wird 500.000 kW in elektrische Energie umgewandelt, während der Rest die Form von thermischer Energie einnimmt. Primärkühlwasser wird als Moderator für die von einem Reaktor erzeugten Neutronen verwendet. Zur Abfuhr der im Kern erzeugten Wärme zirkuliert das Primärkühlwasser auch im Kern. Das erwärmte Primärkühlwasser führt durch den Kühler einen Wärmeaustausch mit dem Meerwasser als Sekundärkühlwasser aus und wird in den Kern zurückgeführt. Ein Kraftwerk mit der Ausgangsleistung von 500.000 kW benötigt eine Wassermenge von 180.000 m³/h als Sekundärkühlung, was einer Menge von 4,32 Mio m³/Tag entspricht. Die Temperatur des Sekundärkühlwassers steigt im allgemeinen um etwa 7 ºC an und das Wasser wird wieder ins Meer geleitet. Die durch das Meerwasser aufgenommene Energie wird wie folgt berechnet:

Q&sub1; = 432 x 10¹&sup0; x 7 cal/Tag

= 1,46 Mio kW/s.

Bei den bekannten Kernkraftwerken wird eine extrem hohe Menge an Sekundärkühlwasser ins Meer eingeleitet. Da das Kühlwasser nicht vom Land entfernt eingeleitet wird, erwärmt sich das Meerwasser und folglich sind verschiedene Abnormitäten, wie z.B. rote Tide und eine Häufung an Quallen, aufgetreten.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß das Meerwasser viel Salz enthält und damit unterschiedliche Teile des Kraftwerks, wie z.B. der Wassereinlaßkanal, der Kühler und die Rohre, stark erodieren.

Kernkraftwerke befinden sich im allgemeinen an Standorten, an denen die Erdbebenwahrscheinlichkeit gering ist. Da sich jedoch die bestehenden Anlagen an der Oberfläche befinden, sind wesentliche Teile, wie z.B. der Reaktor, im Falle eines Erdbebens ohne weiteres den Deformationen durch die Erdbeben ausgesetzt.

Obwohl sich die Kraftwerke vorzugsweise in der Nähe von Städten befinden, in denen der Energiebedarf hoch ist, sind Kernkraftwerke in der Regel in abgelegenen Gebieten angeordnet und sind daher hinsichtlich der Energieausnutzung nicht effizient.

Die Verwendung von Meerwasser als Sekundärkühlmittel ist auch deswegen mangelhaft, weil eine Energie von E&sub1; = 200 x 9,8 x 10 = 18.000 kW benötigt wird, um das Meerwasser mit einer Mengenleistung von 200 m³/s zu einem Reaktor zu pumpen, der sich z.B. in einer Höhe von 10 m befindet. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß es schwierig ist, ein Kernkraftwerk an einem Standort anzuordnen, an dem die Tide hoch ist.

Im Hinblick auf die vorstehend genannten Nachteile des Standes der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung eines Kernkraftwerks, das gegenüber den nachteiligen Effekten von Erdbeben weniger anfällig ist, kein Meerwasser benötigt und an Standorten relativ nahe der Städte angeordnet werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Kernkraftwerk gelöst, das durch Staumauern auf dem Grundwasserbecken errichtete unterirdische Staudämme, einen innerhalb von Betonwänden auf einem Felsboden unterhalb der Staudämme errichteten Reaktor und einen Verdampfer-Kühlturm umfaßt, der an einem Ende mit dem Primärkühlmittel für den Reaktor und am anderen Ende mit dem Einlaßrohr für das in den unterirdischen Staudämmen gesammelte Wasser verbunden ist, wobei ein Dampfauslaß und ein Lufteinlaß des Kühlturms jeweils über Schornsteine mit der Oberfläche verbunden sind.

Das oben beschriebene Kernkraftwerk wird durch das im folgenden beschriebene Verfahren errichtet:

Ein Grundwasserbecken mit geeigneten Eigenschaften wird durch geologische Aufnahme erkundet.

Eine Staumauer mit einer vorbestimmten Höhe und Länge wird im wesentlichen vertikal zu Verwerfungen durch Einspritzen von Beton, Wasserglas (Natriumsilicat) o.a. in den Boden nahe des Grundwasserbeckenauslasses errichtet. Anschließend wird ein Reaktor auf dem Felsboden unterhalb des unterirdischen Damms errichtet und mit Betonwänden abgeschirmt.

Neben dem Reaktor wird ein Verdampfer-Kühlturm errichtet. Eine Dampfauslaßöffnung und eine Lufteinlaßöffnung des Kühlturms sind über Schornsteine mit der Oberfläche verbunden.

Das Primärkühlwasser des Reaktors und das in dem unterirdischen Damm gesammelte Wasser werden in den Kühlturm geleitet. Das gesamte als Kühlflüssigkeit verwendete Stauwasser ist anstelle der Zurückführung in den Untergrund zur Verdampfung ausgelegt.

Die Speicherkapazität des unterirdischen Damms ist entsprechend der Ausgangsleistung des Kernkraftwerks ausgelegt. Im Falle von Verdampfer-Kühltürmen wird eine Kapazität von 2.016 m³/h für die Ausgangsleistung von 500.000 kW/h benötigt, was einer täglichen Wassermenge von 48.384 m³ entspricht. Daher ist die gesamte Speicherkapazität auf ein Niveau von mehr als 5.000.000 m³ oder der 100fachen Menge des Tagesbedarfs ausgelegt.

Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht von Formationen zur Darstellung der Beziehung zwischen durchlässigen und undurchlässigen Schichten;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines unterirdischen Damms; und

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht von Formationen, die im wesentlichen durchlässige Schichten 1 und undurchlässige Schichten 2 aufweisen, die an Verwerfungslinien 3, 4 Verwerfungen aufweisen. Das Wasser wird in den durchlässigen Schichten zurückgehalten und fließt entlang der undurchlässigen Schichten 2, die das Grundwasserbecken bilden. Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, ist eine Staumauer 5 im wesentlichen vertikal zu den Linien stratigraphischer Trennung einer undurchlässigen Schicht errichtet.

Die Staumauer 5 wird dadurch errichtet, daß man eine bestimmte Anzahl von Rohren in den Boden eintreibt und zur Auffüllung der Poren in der durchlässigen Schicht einen Zementmörtel durch die Rohre eingießt, der eine Mischung aus Zement und Wasser oder eine Mischung eines solchen Zementmörtels und Ton oder Wasserglas (Natriumsilicat) ist.

Das Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Betonabschirmung zur biologischen Abschirmung eines auf einem Felsboden 7 unterhalb der Staumauer 5 errichteten Reaktors. Ein Metallbehälter 10 ist innerhalb der Betonabschirmung 6 angeordnet und weiter innerhalb des Behälters 10 ist ein Reaktor 8 installiert, der durch die Reaktion von Uranoxid Wärme erzeugt.

Der Reaktor 8 weist einen Einlaß 12 für das Primärkühlwasser zur Abfuhr der durch die Nuklearreaktion erzeugten Wärme und einen Auslaß 14 zur Abgabe des durch die Wärme vom Reaktor 8 verdampften Primärkühlwassers auf, um ein übermäßiges Aufheizen des Reaktors 8 zu vermeiden.

Der aus dem Auslaß 14 des Reaktors 8 entweichende Dampf wird über Rohrleitungen zu einer Leistungsturbine 16 geführt, um diese zur Erzeugung von Leistung zu betätigen. Er weicht anschließend aus der Turbine aus, kondensiert im Kühlturm 20 vom Gas zur Flüssigkeit und wird über eine Wasserzufuhrpumpe 18 und eine Reinigungsvorrichtung 19 in den Reaktor 8 zurückgeführt.

Das Primärkühlwasser ist zur Zirkulation innerhalb eines geschlossenen Kreises ausgelegt, da es der Strahlung im Reaktor 8 ausgesetzt ist.

Der Kühlturm 20 hat gemäß Fig. 3 eine Luftauslaßöffnung 22 an der Spitze und eine Lufteinlaßöffnung 24 an seiner einen Seite und enthält eine spiralförmige Rohrleitung mit einem thermisch leitenden Rohr zur Bildung eines Durchgangskanals für das Primärkühlwasser. Zum Versprühen des von der Staumauer 5 über ein Rohr 26 und einen Tank 28 geleiteten Wassers ist über der Rohrleitung eine Berieselungsvorrichtung 30 angeordnet. Darüber hinaus ist in der Nähe der Lufteinlaßöffnung 24 ein großer Ventilator 32 zum Ansaugen der Luft von der Oberfläche sowie zur Abgabe des Dampfes an die Oberfläche angeordnet.

Dieser Verdampfer-Kühlturm 20 dient zum Absorbieren der Energie des Primärkühlwassers in Form von Wärme durch Nutzung der Latentwärme des verdampfenden Wassers und kann eine große Energiemenge mit wenig Sekundärkühlwasser absorbieren.

Mit der Luftauslaßöffnung des Kühlturms 20 ist ein Schornstein 34 zur Abgabe des Dampfes an die Oberfläche verbunden und mit der Lufteinlaßöffnung 24 ist ein Schornstein 36 verbunden.

Der Durchmesser dieser Schornsteine kann in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung des Reaktors 8, der Kühlwassermenge und der Blasluftmenge bestimmt werden, ist jedoch vorzugsweise relativ groß.

Das Bezugszeichen 38 in Fig. 3 bezeichnet ein Überlaufrohr, das den Wasserüberlauf über die Staumauer ableitet, der sich durch den Unterschied zwischen der in den unterirdischen Damm einsickernden Wassermenge und der daraus entnommenen Wassermenge ergibt. Dieses Überlaufrohr wird zur Betätigung einer Turbine 40 eines Hydrogenerators 41 zur Leistungserzeugung verwendet, der 30 bis 50 m unterhalb des Wasserpegels des Damms angeordnet ist.

Das für das Wasserkraftwerk verwendete Wasser wird in einen zweiten unterirdischen Damm mit einer Staumauer 42 abgegeben, die in dem unterhalb des unterirdischen Damms angeordneten Grundwasserbecken errichtet ist. Das Wasser des zweiten unterirdischen Damms wird durch eine Pumpe 43 zu dem ersten Damm hochgepumpt. Das Wasser wird während der Nacht bei Überschuß von erzeugter Energie hochgepumpt. Der zweite Damm dient zur Versorgung mit Sekundärkühlwasser wenn die Speicherreserve des ersten Damms unterhalb des erforderlichen Niveaus absinkt.

Ein Wassereinlaßrohr 26 und ein Überlaufrohr 38 für das Sekundärkühlwasser münden in einen in der Nähe der Staumauer 5 des oberen unterirdischen Damms abgesenkten Wasserschacht 44. Obwohl bei dieser Ausführung ein zweiter unterirdischer Damm errichtet ist, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Der Überlauf des Wassers kann in den Grundwassergang in der durchlässigen Schicht abgeleitet werden.

Das Bezugszeichen 39 bezeichnet ein Lager für abgebrannten Kernbrennstoff, das 1000 m oder mehr unterhalb der Oberfläche angeordnet ist.

Die für einen Verdampfer-Kühlturm für eine Kernkraftwerkausgangsleistung von 500.000 kW benötigte Menge an Sekundärkühlwasser beträgt 33,6 m³/min oder 48.384 m³ pro Tag. Unter der Voraussetzung, daß kein Energieverlust stattfindet, wird die zur Verdampfung von Wasser einer Temperatur von 15 ºC benötigte Wärme pro Tag wie folgt berechnet:

Q&sub2; = 85 ºC x 48.384 m³ x 10&sup6; + 539 x 48.384 m³ x 10&sup6;

= 3,02 x 10¹³ cal/Tag

= 1.460.000 kW/s.

Wenn die eingeblasene Luft erwärmt wird, wird thermische Energie weiter absorbiert.

Der Verdampfer-Kühlturm verdampft 30 % des Sekundärkühlwassers für die Kühlung und verwendet 70 % für die Kühlung in Form von Flüssigkeit.

Die Ausgangsleistung des Kernkraftwerks kann aus der gesamten Grundwasserspeicherreserve, dem Einsickervolumen und der erforderlichen Wassermenge berrechnet werden. Aus Sicherheitsgründen wird die gesamte Speicherreserve vorzugsweise höher als erforderlich angesetzt.

Tabelle 2 zeigt die für den Verdampfer-Kühlturm benötigte Sekundärkühlwasermenge im Verhältnis zur erforderlichen Speicherreserve des unterirdischen Damms bei Ausgangsleistungen von 100.000, 500.000 und 1 Mio kW.

Tabelle 2
Ausgangsleistung in kW erforderliche menge in m³ pro min Wasser-pro Tag gesamte erforderliche Speicherreserve in m³

Die erforderliche Speicherreserve wird auf das hundertfache des täglichen Einlaufs geschätzt und die Zahlen ergeben sich aus der obengenannten Formel.

Wenn die Ausgangsleistung des Kernkraftwerks 500.000 kW beträgt und die in einen unterirdischen Damm einsickernde Wassermenge üblicherweise 96.768 m³ pro Tag ist, würde die durch Ausnutzung des Überschußwassers erreichte hydroelektrische Ausgangsleistung Q theoretisch wie folgt berechnet werden:

Q = 9,8 x 0,56 m³/s x 40 in (oberes Ende)

= 219 kW.

Obwohl der Überlauf des Wassers in den unterirdischen Damm bei dieser Ausführung zur Energieerzeugung durch Wasserkraft verwendet wird, ist die Verwendung des überschüssigen Grundwassers nicht auf die Energieerzeugung beschränkt sondern kann auch zur Bewässerung von Pflanzen auf der Oberfläche verwendet werden, indem das Wasser hochgepumpt wird. Die Pflanzen können als Indikator für Messungen des sauren Regens verwendet werden.

Wie vorstehend im einzelnen beschrieben, ist das Kernkraftwerk gemäß der Erfindung zur Aufnahme einer notwendigen Grundwassermenge ausgebildet, die in dem Untergrund von einem in der Nähe errichteten unterirdischen Damm verfügbar ist, und das System kann daher überall dort installiert werden, wo ein geeignetes Grundwasserbecken existiert. Da das Grundwasser bei diesem System nicht hochgepumpt werden muß, kann die Energie mit höherer Wirksamkeit ausgenutzt werden.

Da sich das Kernkraftwerk bei der Erfindung unter der Erde befindet, weist dieses System eine deutlich bessere Widerstandsfähigkeit gegenüber Erdbeben auf, weil der Einfluß der 5-Welle (Querwelle) im Gegensatz zu einem oberirdischen System drastisch verringert ist.

Da das System mehrere 10 m unterhalb der Oberfläche errichtet ist, würden die Betonwände und undurchlässigen Schichten in den Formationen sogar bei einer durch den Reaktor unbeabsichtigt erzeugten Strahlung als biologisches Schild wirken und eine Sicherheit gewährleisten.

Da dieses System im Gegensatz zu den konventionellen Systemen Grundwasser anstatt von Meerwasser verwendet, sind die Maschinen und Geräte, wie z.B. Rohre, einer geringeren Korrosion ausgesetzt, was eine längere Lebensdauer gewährleistet.

Darüber hinaus wird bei diesem System das Grundwasser zur Verhinderung des Aufbrauchs recycled, wobei es jedoch nach der Kühlung nicht in den ursprünglichen Grundwassergang zurückgeführt wird, um eine Grundwasserkontainination zu verhindern.


Anspruch[de]

1. Kernkraftwerk, das einen mit einer Staumauer auf einem Grundwasserbecken gebildeten unterirdischen Staudamm, einen innerhalb von Betonwänden auf einem Felsboden unterhalb des Grundwasserbeckens errichteten Reaktor und einen Verdampfer-Kühlturm umfaßt, in dem Wasserrohre für das Primär-Kühlwasser des Reaktors untergebracht sind und der mit einem Rohr zur Einführung des im unterirdischen Staudamm gesammelten Wassers verbunden ist, und das derart aufgebaut ist, daß ein Dampfauslaß und ein Lufteinlaß des Kühlturms jeweils über Schornsteine mit der Oberfläche verbunden sind.

2. Bauverfahren für ein unterirdisches Kernkraftwerk mit folgenden Schritten:

a) Erkundung eines gewünschten Grundwasserbeckens durch geologische Aufnahme,

b) Errichtung eines unterirdischen Saudamms, indem eine Staumauer mit einer vorbestiinmten Höhe und Länge im wesentlichen vertikal zu Verwerfungen durch Eingießen von Beton oder Wasserglas (Natriumsilicat) in der Nähe des Auslasses des Grundwasserbeckens errichtet wird,

c) Errichtung eines Reaktors auf dem Felsboden unterhalb des unterirdischen Staudamms und Abdeckung des Reaktors mit einer Betonabschirmung,

d) Errichtung eines Verdampfer-Kühlturms neben dem Reaktor in einer Weise, daß der Kühlturm durch einen Schornstein an seinem Dampfauslaß und einen weiteren Schornstein an seinem Lufteinlaß mit der Oberfläche verbunden ist,

e) Einleiten des Primär-Kühlwassers des Reaktors und des im unterirdischen Staudamm gesammelten Wassers in den Kühlturm.







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