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Überhitzerreaktor
Die Erfindung betrifft einen Überhitzerreaktor, bei dem das Kühlmittel im Reaktor verdampft und anschliessend überhitzt wird. Es sind eine Reihe von Vorschlägen bekannt, mit Hilfe von Kernreaktoren überhitzten Wasserdampf zu erzeugen. So ist es beispielsweise bekannt, mehrere Reaktoren hintereinan- der anzuordnen, so dass für verschiedene Dampfzustände verschiedene Reaktoren verwendet werden kön- nen. Es ist auch bereits bekannt, Siedewasserreaktoren als Überhitzerreaktoren in einer Einheit auszubilden. Bei diesen Vorschlägen erfolgt ein mehrfacher Durchlauf des Kühlmittels durch den Reaktorkern, u. zw. in verschiedenen Richtungen.
Der bisher bekannte Typ des Siedewasserreaktors ist bezüglich des konstruktiven Aufbaues relativ einfach, und er eignet sich besonders gut zur Erzeugung von Sattdampf. Jedoch ergeben sich auf Grund des siedenden Moderators neutronenphysikalische Schwierigkeiten, da wegen der Dampfblasen die Homogenität des Moderators in relativ unübersichtlicher Weise gestört wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die aufgezeigten Nachteile der bekannten Anordnungen zu vermeiden. Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass bei einem Überhitzerreaktor, bei dem das Kühlmittel im Reaktor verdampft und anschliessend überhitzt wird, der in den Kühlkanälen der Brennstoffelemente, welche vom Moderatorraum thermisch isoliert sind, durch einen einmaligen in einer Richtung erfolgenden Durchlauf entstehende überhitzte Dampf einem Heissdampfdom zugeführt wird, der gegen den Moderatorraum abgedichtet ist und welcher von einem Kühl-und/oder Moderatormittel umgeben ist.
Nach der Erfindung ist somit der Verdampfungsraum von dem Moderatorraum getrennt, so dass der Moderator auf einer relativ niedrigen Temperatur gehalten wird. Hiedurch ergibt sich der weitere Vorteil, dass der erzeugte Sattdampf anschliessend an den Verdampferraum mit Hilfe der gleichen Brennstoffelemente überhitzt wird. Bei dem einmaligen Durchlauf des Kühlmittels durch die Kühlkanäle des Reaktorkerns in einer Richtung erfolgt eine Vorwärmung, Verdampfung und Überhitzung.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung ist in Fig. l ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Überhitzerreaktors schematisch dargestellt, während in Fig. 2 ein Teilquerschnitt durch den Reaktorkern und in Fig. 3 ein vertikaler Schnitt eines Brennstoffelementes wiedergegeben ist.
In Fig. 1 ist das Reaktorgefäss 1 ein stehender zylindrischer Druckbehälter, der oben mit einem abschraubbaren Deckel versehen ist. Der Reaktorkern 2 besteht aus einer grossen Zahl von Brennstoffkanälen 3, deren U. mhlillungsrohre oben in der Reaktorplatte 4 befestigt und abgedichtet sind. Unten sind die Brennstoffkanäle offen. Sie werden dort nur von einem Führungsgitter seitlich gehalten, so dass sie sich wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung individuell frei nach unten bewegen können. In den Brennstoffkanälen 3 befinden sich die mit hitzebeständigem rostfreiem Stahl umgebenen Brennstoffstäbe (21 Fig. 2 und 3).
Die Brennstoffstäbe sind bei diesem Beispiel von einem etwa 1 mm breiten Ringspalt 22 als Kühlkanal umgeben, der aussen durch eine wasser-und temperaturbeständige keramische Masse 23 (z. B. Al, 0) begrenzt wird. In dem Riagspalt 22 fliesst von unten nach oben das Kühlmedium. Die keramische Masse dient gleichzeitig auch als thermische Isolierung des Kühlmediums gegenüber dem kälteren Moderatorwasser, von dem die in Fig. 2 und 3 dargestellten Brennstoffelemente umgeben sind.
Die Reaktorplatte 4 trägt das gesamte Kerngewicht, bestehend aus Brennstoffstäben, keramischer Füllmasse und den Rohren. Sie ist an seitlichen Zargen innerhalb des Druckgefässes gelagert und so be-
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messen, dass sie nach Entfernung der Rohranschlüsse des Dampfdomes 5 aus dem Reaktorgefäss gehoben werden kann. Auf der Reaktorplatte ist der Heissdampfdom 5, der einen abnehmbaren Deckel besitzt, aufgeschraubt. Zwischen Heissdampfdom 5 und der inneren Reaktorkesselwand befindet sich ein Zwischen- raum 6 von beispielsweise 200 mm. Die Reaktorplatte ist am Rande mit Durchbrachen versehen, so dass der Zwischenraum 6 mit dem Rilckströmraum 7 in Verbindung steht. DerModeratorraum 8 ist von dem Ruckstromraum 7 durch das weit heruntergezogene Leitblech 9 getrennt.
Die Regelstäbe 10 werden durch den unteren Reaktorboden eingeführt und durch das Führungsgitter 11 seitlich gehalten.
Das Speisewasser wird in diesem Beispiel mit etwa 2000 C durch die Speiseleitung 12 über den Ver- teilerring 13 dem Reaktor zugeführt. Es vermischt sich im Rückströmraum 7 mit dem umlaufenden Mo- deratorwasser und erwärmt sich dabei je nach Umlaufverhältnissen und Wärmeverlusten der Kühlkanäle an das Moderatorwasser etwa auf 2500 C. Der Umlauf des Moderators ist so einzustellen, dass auch bei
Teillast ein Sieden des Moderators mit Sicherheit vermieden wird. Diese Anordnung besitzt auch den
Vorteil, dass durch den Naturumlauf des Moderators und durch die Vermischung mit dem (als Moderator dienenden) Kühlmittel ein Moderatortank und eine gesonderte Kühlung des Moderators nicht erforderlich sind. In andern Fällen kann es jedoch zweckmässig sein, einen Moderatortank vorzusehen, der z.
B. wegen des Neutronenhaushalts mit schwerem Wasser als Moderator gefüllt ist.
Die gleiche Wassermenge, die durch die Leitung 12 zugespeist wird, fliesst unten in die Brennstoff- kanäle 3, wird dort auf Siedetemperatur erwärmt, vorteilhafterweise im Gebiet der höchsten Heizflä- chenbelastung verdampft und im oberen Teil überhitzt. Der überhitzte Dampf wird oberhalb der Reaktorplatte 4 in dem Heissdampfdom 5 gesammelt und durch eine SpezialdurchfUhrung, die verhindert, dass der überhitzte Dampf mit der Reaktorwand in Berührung kommt, aus dem Reaktorgefäss durch die Leitung 14 der Turbine zugeführt. Die Druckgefässwand ist nur mit Sattdampf in Berührung und braucht deshalb auch nur für Sattdampftemperatur ausgelegt zu werden. Der Druckverlust in dem Brennstoffkanal liegt im Beispiel bei etwa 5 at bei Vollast.
Das notwendige Druckgefälle für die Strömung durch die Brennstoffkanäle wird vorteilhaft durch das Sattdampfpolster 15 oberhalb des Dampfdomes erzeugt. Das Reaktorgefäss ist bis über den Heissdampfdom 5 mit Wasser gefüllt ; über dem freien Wasserspiegel befindet sich das Sattdampfpölster von etwa 80 ata. Dieses wird dadurch erzeugt, dass die Isolierung des Heissdampfdomes so gewählt wird, dass das aussen umgebende Wasser bei allen Betriebszuständen und unter Berücksichtigung aller Wärmeverluste durch die Druckgefässisolierung im Siedezustand bei 80 ata gehalten werden kann. Durch den Druckregler P wird ein konstanter Druck des Sattdampfpolsters eingestellt. überschüssiger Dampf wird über das von P gesteuerte Regelventil 16 durch die Leitung 17 in d : e Heissdampfleitung 14 gegeben.
Diese Menge beträgt grössenordnungsmässig 10/00 der gesamten erzeugten Dampfmenge. Die Speisewasserzufuhr wird durch den Wasserstandsregler w über das Regelventil 18 so geregelt, dass die Höhe des freien Wasserspiegels unter dem Sattdampfpolster konstant gehalten wird.
Durch die Höhe des Druckes im Sattdampfpolster wird der Druck im System festgelegt. Die Durchsatzmenge stellt sich automatisch auf Grund der Druckdifferenz zwischen Sattdampfpolster und Druck vor dem Turbinenregelventil ein. Bei verminderter Leistungsaufnahme der Turbine muss das Turbinenventil gedrosselt werden, deshalb steigt der Druck vor dem Turbinenventil und im Heissdampfdom des Reaktors an. Da das Sattdampfpolster als treibendes Druckgefälle konstant gehalten werden soll, ist die treibende Druckhöhe für die Durchströmung der Kühlkanäle geringer geworden. und somit wird der Durchsatz gedrosselt, ohne dass andere Regelarmaturen betätigt werden müssen.
Bei gleicher Stellung der Regelstäbe wird jetzt dem Reaktor mehr Energie zugeführt als es dem neuen reduzierten Lastzustand entspricht, was sich durch eine Erhöhung der Heissdampftemperatur bemerkbar macht. Die Heissdampftemperatur wird deshalb als Steuerimpuls t für die Regelstabstellung benutzt.
Die Regelstäbe werden nach Leistungsreduzierung so weit eingefahren, bis die Ausgangstemperatur beispielsweise von 5000 C wieder erreicht ist. Da diese Regelung mit einigen Sekunden Verzögerung arbeitet, müssen die Regelstäbe direkt von der Turbine, dem Generator oder dem Netz bei Laständernngen vorgesteuert werden, und die Temper atuireglung dient nur zur Feinjustierung.
Da das Speisewasser in den Brennstoffkanälen restlos verdampft, werden auch bei reinstem Speisewasser bei den grossen Durchsatzmengen die im Wasser gelösten Salze zum Teil an den Heizflächen abgeschieden, zum grössten Teil aber im Dampf als Staub mitgerissen werden. Die an den Heizflächen eventuell abgeschiedenen Salze werden von einer gewissen Dicke ab den Wärmeübergang verschlechtern, so dass bei der hohenHeizflächenbelastung die Wandtemperatur unzulässig ansteigen würde. Deshalb müssen in gewissen Zeitabständen diese Ablagerungsprodukte entfernt werden. Da sie wasserlöslich sind-die wasserunlöslichen können durch mechanische und Absorptionsfilter vor Eintritt in den Reaktor aus dem Speisewasser entfernt werden-ist es die einfachste Methode, die Brennstoffkanäle mit reinstem Wasser
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zu spülen.
Hiezu wird die Leistung des Reaktors heruntergenommen und die Brennstoffkanäle geflutet, bis das Wasser die Höhe des Spulstutzens 19 erreicht hat. Im Beispiel sind die Kühlkanäle so eng ausgelegt, dass das Fluten ohne die Gefahr einer unzulässigen Reaktivitätserhöhung erfolgen kann. Das Wasser siedet noch leicht. Der Sattdampf wird in den Hauptkondensator geleitet (mit dem Dampfablassventil wird der
Druck im Reaktor geregelt) und das Spülwasser über den Stutzen 19 in eine Reinigungsanlage gegeben.
Wenn das Spülwasser die nötige Reinheit hat, wird das Ventil 20 geschlossen und das geflutete Spalwas- ser langsam verdampft, bis der Dampf mit Druck und Temperatur wieder den Arbeitszustand erreicht hat.
Das Anfahren des Reaktors aus dem kalten Zustand geschieht in analoger Weise. wie das Anfahren nach dem Reinigen.
Die grösstmögliche Reinheit des Speisewassers ist für den Durchlaufreaktor eine unbedingte Voraus- setzung. Durch die Verwendung von rostfreien Stählen, sorgfältigster Speisewasseraufbereitung, besonde- rer konstruktiver Massnahmen beim Turbinenkondensator (doppelte Rohrböden) und Verzicht auf die kon- ventionellen Röhrenvorwärmer lässt sich dies technisch erreichen. Auch bei Verwendung von korrosions- beständigen Materialien stammen etwa die Hälfte der Korrosionsprodukte, die mit dem Speisewasser in den Reaktor gelangen, aus dem konventionellen Röhrenvorwärmer. Deshalb ist es erforderlich, dass diese durch Mischvorwärmer ersetzt werden. Fullt man den Mischvorwärmer noch mit Korrosionbprodukten ab- sorbierenden Füllkörpern, so dürfte das Speisewasser den gewünschten Reinheitsgrad haben.
Der enge Spalt im Kühlkanal bietet noch die Möglichkeit, eine kontinuierliche Messmethode für den
Reinheitsgrad der Elementoberfläche zu schaffen. Die Dicke der Korrosionsproduktschicht verringert den
Strömungsquerschnitt und somit die durchgesetzte Menge. Das bedeutet, dass bei gleicher Leistung des Brennstoffelementes die Austrittstemperatur des Dampfes hoher ist als normal. Misst man nun die Dampf- austrittstemperatur in gewissen Zeitabständen, so ist die Temperaturerhöhung ein Mass für die Ve schmut- zung.
An die Brennstoffelemente und den Kühlkanal mUssen spezielle Forderungen gestellt werden, weil diese Bauelemente die Funktion von drei Reaktortypen in sich vereinen, u. zw. die des Druckwasser- (in der Vorwärmzone), des Siedewasser- und des Überhitzerreaktors. Die Auslegung muss die neutronenphysikalischen, die wärmetechnischen und die korrosionstechnischen Belange berücksichtigen. Die Neutro- nenphysik schreibt hauptsächlich das Material und dessen Verteilung vor. Die Wärmetechnik muss sich nach dem schlechtesten Aggregatzustand, dem überhitzten Dampf richten und schreibt die Anordnung der Kühlkanäle vor. Die Korrosionstechnik hat wieder entscheidenden Einfluss auf die Materialauswahl.
Die
Summe aller dieser Forderungen ist ein Kompromiss und soll ein Optimum an Wirtschaftlichkeit, Einfachheit und Betriebssicherheit gewährleisten.
Fig. 2 und 3 veranschaulichen den Aufbau eines Brennstoffelementes entsprechend dem Ausführungbeispiel in Fig. l. Fig. 2 zeigt einen horizontalen Schnitt durch mehrere Brennstoffelemente in einer bevorzugten Gitteranordnung.
Fig. 3 zeigt einen vertikalen Schnitt durch ein Brennstoffelement. Sieben Brennstoffstäbe sind zu einem Bündel zusammengefasst. Der Brennstoffstab 21 (angereichertes UO,) hat einschliesslich Hulle aus korrosions-und zunderbeständigem Stahl beispielsweise 10 mm äusseren Durchmesser. Zur Erzielung eines guten Wärmeüberganges bei geringem Druckverlust muss das Kühlmedium durch einen gleichmässigen Ringspalt 22 in der Grössenordnung von 1 mm Breite strömen. Dieser wird durch einen temperatur- und wasserbeständigen sowie wenig Neutronen absorbierenden Füllkörper 23 (z. B. Al. 0) nach aussl n begrenzt.
Zur Distanzierung der Brennstoffelemente in dem Ringspalt 22 sind an der inneren Füllkörperwand drei Halterungen 24 in Abständen von etwa 200 mm in Längsrichtung angebaut. Diese können entweder aus dem Material des Füllkörpers sein oder, wenn die Gefahr der örtlichen Überhitzung der Brennstoffhülle an der Berührungsstelle besteht, aus dünnen Blechen. Die keramische Füllkörpermasse lässt sich nicht in gro- ssen Längen mit der erforderlichen Masshaltigkeit herstellen. Deshalb muss der Körper aus Einzelstücken aufgebaut werden, die durch die Löcher 25 mittels Längsbolzen zusammengehalten werden, die vorteilhaft eine kleinere thermische Ausdehnung besitzen als die Füllkörpermasse, damit die Einzelteile im Betrieb fest zusammengepresst werden.
Das Brennstoffelement wird aussen von einem beispielsweise gleichseitigen Sechseck begrenzt, dessen Seiten nach innen eingedrückt sind, um so das vom neutronenphysikalischen Standpunkt aus gesehene unnötige Füllmaterial zu reduzieren. Die Brennstoffstäbe sind mit den Füllkörpern zu einer Baueinheit verbunden und besitzen ein Umhüllungsrohr 26. Die keramische Füllmasse ist aussen mit niedrigen Rippen versehen, so dass zwischen der Füllmasse 23 und dem Umhüllungsrohr 26 ein kleiner Zwischenraum verbleibt. In diesen Zwischenraum kann das Kühlmittel von unten her eintreten. Am oberen Ende des Brennstoffelementes ist dieser Zwischenraum jedoch verschlossen.
Durch den stagnierenden Wasserdampf in
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diesem Zwischenraum wird die thermische Isolierung der Füllmasse vorteilhaft verstärkt. Das Umhüllungrohr 26, das z. B. aus Zirkon besteht, dient ferner zum Schutz der keramischen Füllmasse und zur mechanischen Halterung der Einzelstücke der Füllkörper, in denen die Brennstoffstäbe zweckmässigerweise ohne Unterteilung untergebracht sind. Beim Brennstoffwechsel werden die Brennstoffelemente mit dem
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Nach der Erläuterung dieses Ausführungsbeispiels sollen einige der besonderen Vorteile zusammenge- fasst werden, die durch diese Erfindung erzielt werden.
Es ergeben sich sehr gute Wärmeübergangsverhältnisse bei geringem Druckverlust durch den defi- nierten Ringspalt (Kuhlkanal).
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Verwendung von korrosions-und temperaturbestän- digem Füllmaterial, das wenig Neutronen absorbiert, vorgeschlagen.
Es erfolgt eine gute thermische Isolierung des überhitzten Dampfes durch die Füllkörpermasse gegen den kälteren Moderator.
Die Erfindung gestattet die Konstruktion einfach aufgebauter Ausführungsformen.
Die engen Kühlkanäle besitzen ein insgesamt geringes freies Volumen, so dass die Dichteänderung des Kühlmediums während des Durchfliessens des Brennstoffbündels im Verhältnis zum Moderatorgewicht kaum ins Gewicht fällt. Neutronenphysikalische Schwierigkeiten mfolge der Dampfblasen treten im Ge- gensatz zum Siedewasserreaktor nicht auf, da der Moderator nicht zum Sieden kommt. Beim Fluten des Kühlkanals treten wegen des geringen Volumens keine unzulässigen Reaktivitätserhöhungen auf.
Es können glatte durchgehende Brennstoffstäbe verwendet werden, deren Hülle zweckmässigerweise poliert ist, so dass die Korrosionsgefahr erheblich vermindert wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Überhitzerreaktor, bei dem das Kühlmittel im Reaktor verdampft und anschliessend überhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der in den Kühlkanälen (3) der Brennstoffelemente, welche vom Moderatorraum (8) thermisch isoliert sind, durch einen einmaligen in einer Richtung erfolgenden Durchlauf entstehende überhitzte Dampf einem Heissdampfdom (5) zugeführt wird, der gegen den Moderatorraum (8) abgedichtet ist und welcher von einem Kühl-und/oder Moderatormittel umgeben ist.
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Superheater reactor
The invention relates to a superheater reactor in which the coolant evaporates in the reactor and is then superheated. A number of proposals are known to generate superheated steam with the aid of nuclear reactors. For example, it is known to arrange several reactors one behind the other so that different reactors can be used for different steam states. It is also already known to design boiling water reactors as superheater reactors in one unit. In these proposals, the coolant is passed through the reactor core several times, u. between in different directions.
The previously known type of boiling water reactor is relatively simple in terms of its structural design, and it is particularly suitable for generating saturated steam. However, due to the boiling moderator, there are neutron physical difficulties, since the homogeneity of the moderator is disturbed in a relatively confusing manner because of the vapor bubbles.
The invention is based on the object of avoiding the disadvantages of the known arrangements shown. The solution to this problem is that in a superheater reactor, in which the coolant in the reactor is evaporated and then superheated, the superheated steam generated in the cooling ducts of the fuel elements, which are thermally insulated from the moderator chamber, is passed through in one direction Hot steam dome is supplied, which is sealed against the moderator space and which is surrounded by a cooling and / or moderator means.
According to the invention, the evaporation space is thus separated from the moderator space, so that the moderator is kept at a relatively low temperature. This has the further advantage that the saturated steam generated is then superheated in the evaporator chamber with the aid of the same fuel elements. When the coolant passes through the cooling channels of the reactor core once in one direction, it is preheated, evaporated and superheated.
To explain the invention in more detail, a preferred embodiment of a superheater reactor is shown schematically in FIG. 1, while FIG. 2 shows a partial cross section through the reactor core and FIG. 3 shows a vertical section of a fuel element.
In Fig. 1, the reactor vessel 1 is an upright cylindrical pressure vessel which is provided with a screw-off lid at the top. The reactor core 2 consists of a large number of fuel channels 3, the cooling tubes of which are fastened and sealed in the top of the reactor plate 4. The fuel channels are open at the bottom. They are only held laterally by a guide grid so that they can move freely downwards due to the different thermal expansion. In the fuel channels 3 are the fuel rods surrounded by heat-resistant stainless steel (21, FIGS. 2 and 3).
In this example, the fuel rods are surrounded by an approximately 1 mm wide annular gap 22 as a cooling channel, which is delimited on the outside by a water-resistant and temperature-resistant ceramic compound 23 (for example Al, O). In the gap 22, the cooling medium flows from bottom to top. The ceramic mass also serves as thermal insulation of the cooling medium from the colder moderator water, which surrounds the fuel elements shown in FIGS. 2 and 3.
The reactor plate 4 bears the entire core weight, consisting of fuel rods, ceramic filling compound and the tubes. It is stored on the side frames inside the pressure vessel and thus
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measure that it can be lifted out of the reactor vessel after removing the pipe connections of the steam dome 5. The hot steam dome 5, which has a removable cover, is screwed onto the reactor plate. Between the hot steam dome 5 and the inner reactor vessel wall there is an intermediate space 6 of, for example, 200 mm. The reactor plate is provided with openings at the edge so that the intermediate space 6 is connected to the return flow space 7. The moderator's room 8 is separated from the return flow room 7 by the guide plate 9, which is drawn down far.
The control rods 10 are inserted through the lower reactor floor and held laterally by the guide grid 11.
In this example, the feed water is fed to the reactor at about 2000 C through the feed line 12 via the distributor ring 13. It mixes in the return flow space 7 with the circulating moderator water and, depending on the circulation conditions and heat losses of the cooling channels to the moderator water, heats up to around 2500 C. The moderator's circulation is to be set so that even at
Partial load a boiling of the moderator is avoided with certainty. This arrangement also has the
The advantage that due to the natural circulation of the moderator and the mixing with the coolant (serving as moderator) a moderator tank and separate cooling of the moderator are not required. In other cases, however, it may be useful to provide a moderator tank that z.
B. is filled with heavy water as a moderator because of the neutron balance.
The same amount of water that is fed in through the line 12 flows into the fuel channels 3 at the bottom, is heated there to the boiling temperature, advantageously evaporated in the area of the highest heating surface load and overheated in the upper part. The superheated steam is collected above the reactor plate 4 in the superheated steam dome 5 and is fed from the reactor vessel through the line 14 to the turbine through a special duct that prevents the superheated steam from coming into contact with the reactor wall. The pressure vessel wall is only in contact with saturated steam and therefore only needs to be designed for saturated steam temperature. The pressure loss in the fuel channel is around 5 at full load in the example.
The pressure gradient required for the flow through the fuel channels is advantageously generated by the saturated steam cushion 15 above the steam dome. The reactor vessel is filled with water up to the hot steam dome 5; The saturated steam cushion of around 80 ata is located above the free water level. This is generated by the fact that the insulation of the hot steam dome is chosen so that the water surrounding the outside can be kept boiling at 80 ata in all operating states and taking into account all heat losses through the pressure vessel insulation. The pressure regulator P sets a constant pressure of the saturated steam cushion. Excess steam is fed via the control valve 16 controlled by P through line 17 into d: e superheated steam line 14.
This amount is on the order of 10/00 of the total amount of steam generated. The feed water supply is regulated by the water level regulator w via the control valve 18 so that the height of the free water level under the saturated steam cushion is kept constant.
The pressure in the system is determined by the level of pressure in the saturated steam cushion. The throughput is set automatically based on the pressure difference between the saturated steam cushion and the pressure in front of the turbine control valve. If the power consumption of the turbine is reduced, the turbine valve must be throttled, which is why the pressure in front of the turbine valve and in the superheated steam dome of the reactor increases. Since the saturated steam cushion is to be kept constant as a driving pressure gradient, the driving pressure level for the flow through the cooling channels has become lower. and thus the throughput is throttled without having to operate other control valves.
If the control rods are in the same position, the reactor is now supplied with more energy than corresponds to the new, reduced load condition, which is noticeable in an increase in the superheated steam temperature. The hot steam temperature is therefore used as a control pulse t for setting the control rod.
After the power has been reduced, the control rods are retracted until the initial temperature of 5000 C, for example, is reached again. Since this control works with a delay of a few seconds, the control rods have to be pre-controlled directly from the turbine, the generator or the network in the event of load changes, and the temperature control is only used for fine adjustment.
Since the feed water evaporates completely in the fuel channels, the salts dissolved in the water are partly deposited on the heating surfaces, even with the purest feed water with the large throughput quantities, but are mostly carried along as dust in the steam. The salts possibly deposited on the heating surfaces will deteriorate from a certain thickness onwards from the heat transfer, so that the wall temperature would rise inadmissibly with the high heating surface load. Therefore these deposit products have to be removed at certain time intervals. Since they are water-soluble - the water-insoluble ones can be removed from the feed water by mechanical and absorption filters before entering the reactor - it is the simplest method to clean the fuel channels with the purest water
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to wash.
For this purpose, the power of the reactor is reduced and the fuel channels are flooded until the water has reached the height of the spool connector 19. In the example, the cooling channels are designed so narrow that the flooding can take place without the risk of an impermissible increase in reactivity. The water is still boiling slightly. The saturated steam is directed into the main condenser (with the steam release valve the
Pressure in the reactor is regulated) and the rinsing water is fed into a cleaning system via the nozzle 19.
When the rinsing water has the necessary purity, the valve 20 is closed and the flooded gap water slowly evaporates until the steam with pressure and temperature has reached the working state again.
The reactor is started up from the cold state in an analogous manner. like starting up after cleaning.
The greatest possible purity of the feed water is an absolute prerequisite for the once-through reactor. This can be technically achieved through the use of stainless steels, the most careful feed water treatment, special constructive measures for the turbine condenser (double tube sheets) and dispensing with the conventional tube preheater. Even if corrosion-resistant materials are used, around half of the corrosion products that enter the reactor with the feed water come from the conventional tube preheater. It is therefore necessary to replace these with mixer preheaters. If the mixing preheater is still filled with packing elements that absorb corrosion products, the feed water should have the desired degree of purity.
The narrow gap in the cooling channel still offers the possibility of a continuous measurement method for the
To create the purity of the element surface. The thickness of the corrosion product layer reduces the
Flow cross-section and thus the amount passed through. This means that with the same performance of the fuel element, the outlet temperature of the steam is higher than normal. If the steam outlet temperature is measured at certain time intervals, the temperature increase is a measure of the pollution.
Special requirements must be placed on the fuel elements and the cooling duct, because these components combine the function of three types of reactor, u. between the pressurized water (in the preheating zone), the boiling water and the superheater reactor. The design must take into account the neutron physical, thermal and corrosion-related issues. Neutron physics mainly prescribes the material and its distribution. The heating technology must be based on the worst aggregate state, the superheated steam, and dictates the arrangement of the cooling channels. The corrosion technology again has a decisive influence on the choice of material.
The
The sum of all these requirements is a compromise and should guarantee optimum economy, simplicity and operational reliability.
FIGS. 2 and 3 illustrate the structure of a fuel element corresponding to the exemplary embodiment in FIG. Fig. 2 shows a horizontal section through several fuel elements in a preferred grid arrangement.
Fig. 3 shows a vertical section through a fuel element. Seven fuel rods are combined into a bundle. The fuel rod 21 (enriched UO), including the casing made of corrosion-resistant and scale-resistant steel, has an external diameter of, for example, 10 mm. In order to achieve good heat transfer with a low pressure loss, the cooling medium must flow through a uniform annular gap 22 in the order of magnitude of 1 mm in width. This is limited to outside by a temperature and water-resistant and little neutron absorbing filler 23 (z. B. Al. 0).
To keep the fuel elements apart in the annular gap 22, three brackets 24 are attached to the inner filling body wall at intervals of approximately 200 mm in the longitudinal direction. These can either be made of the material of the filler body or, if there is a risk of local overheating of the fuel cladding at the point of contact, of thin metal sheets. The ceramic filler mass cannot be produced in great lengths with the required dimensional accuracy. Therefore, the body must be built up from individual pieces that are held together through the holes 25 by means of longitudinal bolts, which advantageously have a smaller thermal expansion than the packing material, so that the individual parts are firmly pressed together during operation.
The fuel element is delimited on the outside by, for example, an equilateral hexagon, the sides of which are pressed inwards in order to reduce the unnecessary filler material from the point of view of neutron physics. The fuel rods are connected to the filling bodies to form a structural unit and have a casing tube 26. The ceramic filler compound is provided with low ribs on the outside, so that a small gap remains between the filler compound 23 and the casing tube 26. The coolant can enter this space from below. However, this space is closed at the upper end of the fuel element.
The stagnant water vapor in
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This intermediate space, the thermal insulation of the filling compound is advantageously reinforced. The cladding tube 26, e.g. B. consists of zircon, also serves to protect the ceramic filler and to mechanically hold the individual pieces of the filler, in which the fuel rods are conveniently housed without subdivision. When changing fuel, the fuel elements with the
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Having explained this exemplary embodiment, some of the particular advantages achieved by this invention will be summarized.
The result is very good heat transfer conditions with low pressure loss through the defined annular gap (cooling duct).
In the preferred exemplary embodiment, the use of corrosion-resistant and temperature-resistant filler material that absorbs few neutrons is proposed.
There is good thermal insulation of the superheated steam by the packing material from the colder moderator.
The invention allows the construction of simply constructed embodiments.
The narrow cooling channels have an overall small free volume, so that the change in density of the cooling medium while the fuel bundle flows through is hardly significant in relation to the weight of the moderator. In contrast to boiling water reactors, there are no neutron physical difficulties due to the vapor bubbles because the moderator does not come to the boil. When the cooling channel is flooded, no impermissible increases in reactivity occur due to the small volume.
Smooth, continuous fuel rods can be used, the shell of which is expediently polished, so that the risk of corrosion is considerably reduced.
PATENT CLAIMS:
1. Superheater reactor in which the coolant evaporates in the reactor and is then superheated, characterized in that the overheated in the cooling channels (3) of the fuel elements, which are thermally insulated from the moderator space (8), by a single pass in one direction Steam is fed to a hot steam dome (5) which is sealed off from the moderator space (8) and which is surrounded by a cooling and / or moderator means.