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Der THTR
300 arbeitete als 2-Kreis-Anlage. Der Gaskreislauf des Reaktorteils
(Primärkreislauf) mit dem Edelgas Helium und der
Wasser-Dampf-Kreislauf (Sekundärkreislauf) waren getrennt geschaltet.
Der Reaktorkern bestand aus einer Schüttung von 675,000
Betriebselementkugeln (Brennelementkugeln, Absorberelementkugeln und
Moderatorelementkugeln). Diese Kugelschüttung befand sich in einem
zylindrischen Gefäß, dessen Wände aus Grafitblöcken aufgebaut war.
Sie wirkten zugleich als Neutronenreflektor.
 Der
Reaktordruckbehälter war berstsicher als
Spannbetondruckbehälter ausgeführt worden. Er umschloss alle
Hauptkomponenten des Primärsystems (integrierte Bauweise). Dazu
gehörten der Reaktorkern mit Reflektor und thermischem Schild, die
Kühlgasgebläse, die Dampferzeuger und die Gasführungen sowie die
Einrichtungen zur Reaktorregelung, zur Reaktorabschaltung und
Überwachung.
Der Spannbetondruckbehälter wurde durch innerhalb des Betons verlegte vertikal und horizontal umschließende Spannkabel
vorgespannt. Die dicken Betonwände schirmten zudem die Umgebung gegen
ionisierende Strahlung ab. Sie stellten aber zugleich auch einen Schutz des Reaktorkerns
vor Einwirkungen von Außen dar.
Grafit wurde als Hüllwerkstoff für die
Brennelemente aber auch als Moderator und Reflektor verwendet. Er besitzt eine hohe
Wärmeleitfähigkeit und auch bei hohen Temperaturen noch eine ausgezeichnete
Festigkeit.
Die Brennelemente bestanden aus tennisballgroßen Grafitkugeln (60 mm), im Inneren gefüllt mit weniger als einem
halben mm großen, in die Grafitmatrix eingebetteten Brennstoffteilchen mit einer
doppelten Schicht aus pyrolytisch abgeschiedenem Kohlenstoff und einer
Kohlenstoffpufferschicht (coated particles). Diese Schichten ließen praktisch keine Spaltprodukte
austreten.
Die Brennstoffkerne bestanden aus 93 % angereichertem Uran 235 als UO2 und Thorium 232 in der Form von ThO2. Ein Brennelement setzte sich
zusammen aus 192 g Kohlenstoff (Grafit), 1,032 g hoch angereichertem Uran und
10,2 g Thorium.
Die Leistungsdichte im Reaktorkern betrug 6 MW/m3. Durch den Einsatz von Grafit
als Strukturmaterial des Reaktorkerns war auch bei hohen Temperaturen eine
Kernschmelze ausgeschlossen.
 Der Reaktor enthielt 36 Absorberstäbe, die sich frei in
Bohrungen des Seitenreflektors bewegten und 42 Kernstäbe, die direkt in den
Kugelhaufen eingefahren wurden. Die Reflektorstäbe dienten der Temperatur- und
Teillastregelung. Sie wurden aber auch bei der Schnellabschaltung eingesetzt, wobei
sie bei spannungslos gemachten Antrieben durch die Schwerkraft selbsttätig
einfielen. Die Kernstäbe ermöglichten darüber hinaus das Kaltfahren des
Reaktors.
Als Kühlmittel wurde das chemisch neutrale,
phasenstabile und radiologisch nicht aktivierbare Edelgas Helium eingesetzt. Es wurde von oben nach unten durch den
Kugelhaufen gedrückt und dabei von 250 °C auf 750 °C aufgeheizt. In einer
Kühlgasreinigungsanlage wurde es fortwährend von etwaiger radioaktiver Belastung gereinigt
und zudem in seinem Wasser -und Wasserstoffanteil auf Werte begrenzt, bei denen
keine Korrosionswirkungen im Primärkreis bzw. Kohlenstoffablagerungen an den
Dampferzeugern auftreten konnte. Die 6 Kühlgasgebläse waren je einem
Dampferzeuger zugeordnet.
Eine Beschickungsanlage ermöglichte eine kontinuierliche
Zugabe und Entnahme der Brennelementkugeln unter Last. Nach jedem Durchlauf wurden sie durch ein
Kugelabzugsrohr entnommen, in einer Abbrandmessanlage gemessen und diejenigen
ausgeschieden, deren Abbrand vorgegebene Zielwerte erreicht hatte.
Durch den kontinuierlichen Brennelementwechsel war praktisch kein
Reaktivitätsüberschuss erforderlich. Die relativ geringe Leistungsdichte im Reaktorkern und die
hohe Wärmekapazität des Grafits ergaben zudem ein relativ träges Störfallverhalten,
das viel Zeit für Eingriffsmöglichkeiten schaffte.
Der Wasser-Dampf-Kreislauf entsprach mit seinen thermodynamischen Parametern
den Werten einer Vielzahl bereits seit Jahren erfolgreich und störungsfrei betriebener
Wärmekraftwerke gleicher Blockgröße. Die Heliumtemperatur von 750 °C
ermöglichte einen Frischdampfzustand von 180 x 105Pa ( 180 bar) und 530 °C. Diese guten Frischdampfdaten ermöglichten einerseits einen wesentlich besseren Wirkungsgrad
als bei den Kernkraftwerken anderer Bauart und damit eine Verkleinerung vieler Komponenten und machten andererseits
Gefälleverluste am Prozessende erträglich.
Aus diesem zweitgenannten Grund wurde der THTR 300 mit einem Naturzugtrockenkühlturm versehen, um die Verwendbarkeit des
Kraftwerks in ariden Gebieten zu demonstrieren, obwohl Zusatzwasser für eine
herkömmliche Nasskühlung aus dem Datteln-Hamm-Kanal verfügbar war.
Ein solcher Trockenkühlturm besitzt gegenüber Nasskühltürmen wesentlich größere
Abmessungen. Sie wurden mit einem Seilnetzmantel mit Aluminiumverkleidung verwirklicht. Der
das Seilnetz tragende Mittelpfeiler hatte eine Höhe von 181 m, die Höhe des
Seilnetzmantels betrug 147 m und der Durchmesser des Kühlturms am Boden 141
m.
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