Verfahren zum Abführen der im Innern eines Kernreaktors freiwerdenden Wärme Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ab führen der durch Kernreaktionen im Innern eines Atomreaktors freiwerdenden Wärme mit Hilfe eines verdampfbaren Arbeitsmittels.
Die Erfindung ist da durch gekennzeichnet, dassdas Arbeitsmittel in flüssigem Zustand auf Druck gebracht und anschliessend ver dampft wird, dass ferner das Arbeitsmittel in einer Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Durchgängen in dampfförmigem Zustand durch jeweils einen oder mehrere Kühlkanäle des Reaktors geleitet und hier bei erhitzt wird und dass schliesslich während und/oder nach mindestens einem Teil der Durchgänge das Ar beitsmittel zurückgekühlt wird.
Die Erfindung ermöglicht, das Arbeitsmittel im Zwangdurchlauf zu führen; gegenüber einer Anord nung, in welcher das Arbeitsmittel in gasförmigem oder dampfförmigem Zustand auf erhöhtes Druck niveau gebracht wird, benötigt eine im flüssigen Zu standsgebiet des Arbeitsmittels arbeitende Druckspei sung eine wesentlich kleinere Leistung, da das Ar beitsmittel in flüssigem Zustand, das heisst bei kleinem Volumen, auf Druck gebracht wird. Weiter ermöglicht die Erfindung, mit einer einzigen Pumpe im ganzen Kühlmittelsystem auszukommen, und ferner ergibt sich für den Reaktor, dank der auf die einzelnen Durchgänge folgenden Rückkühlung, eine gleich mässige Temperaturverteilung im Reaktorkern.
Die Erfindung betrifft ferner eine Reaktoranlage zur Durchführung des geschilderten Verfahrens; die Anlage ist gekennzeichnet durch einen Verdampfer zur Verdampfung flüssigen Arbeitsmittels, aus wel chem der erzeugte Arbeitsmitteldampf in aufeinander folgenden Durchgängen durch jeweils einen oder meh rere Kühlkanäle des Reaktors strömt, sowie durch Mittel zum Rückkühlen des erhitzten Arbeitsmittel dampfes während und/oder nach mindestens einem Teil der Durchgänge des Arbeitsmittels durch den oder die Kühlkanäle, sowie durch wenigstens eine Pumpe zur Druckspeisung des Verdampfers mit flüs sigem Arbeitsmittel.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstel lung: Fig. 1 eine Reaktoranlage mit Ausnutzung der Rückkühlwärme zur Verdampfung flüssigen Arbeits mittels in einem ausserhalb des Reaktors befindlichen Verdampfer, Fig. 2 im Detail eine Ausführungsform eines Ver dampfers, Fig. 3 eine Reaktoranlage gemäss Fig. 1 mit zu sätzlicher Rückkühlung des Arbeitsmittels durch Bei mischen eines Kühlmittels zum Arbeitsmittel,
Fig. 4 bis 7 verschiedene Ausführungsformen von Mitteln zur Beimischung von Kühlmittel zum Ar-, beitsmittel und Fig.8 eine Dampfkraftanlage mit Reaktor als Wärmequelle und Ausnutzung der Rückkü'hlwärme zum Vorwärmen, Verdampfen, überhitzen und Zwi- schenüberhitzen des Arbeitsmittels.
Die Anlage nach Fig. 1 weist einen Reaktor 1 und einen Verdampfer 2 auf. Verdampfbares Arbeits mittel - im vorliegenden Falle Wasser - strömt aus einem nicht gezeichneten Behälter durch die Leitung 3 in die Pumpe 4 und gelangt anschliessend durch die beiden parallelen Leitungen 5 und 6 in den Verdamp fer 2. In den Leitungen 5 und 6 sind Vorwärmer 7 und 8 angeordnet. Der im Verdampfer 2 erzeugte Sattdampf wird durch die Leitung 9 in den Reaktor 1 geleitet, wo er durch einen schematisch angedeu teten Kühlkanal 10 strömt und hierbei erhitzt wird.
Der Kühlkanal 10 kann aus einem einzelnen oder aber aus mehreren parallel geschalteten Kanälen be- stehen. Der beim Durchgang durch den Kühlkanal überhitzte Dampf strömt durch die Leitung 11 in die Rohrschlange 12 im Innern des Verdampfers 2, wo der Dampf mindestens einen Teil der überhit- zungswärme an das Wasser im Verdampfer abgibt. Anschliessend strömt der Dampf durch die Leitung 13 in den Vorwärmer 7, wo er in einer weiteren Stufe unter Wärmeabgabe an das durch die Leitung 5 strö mende flüssige Arbeitsmittel auf die gewünschte Tem peratur zurückgekühlt wird.
Hierauf strömt der Dampf durch die Leitung 14 wiederum in den Reak tor 1, wird im Kühlkanal 15 erneut überhitzt, kehrt durch die Leitung 16 in die zweite Rohrschlange 17 im Verdampfer 2 zurück und gelangt über Leitung 18, Vorwärmer 8 und Leitung 19 in den Kühlkanal 20 des Reaktors 1, in welchem er auf Frischdampf temperatur überhitzt und anschliessend durch die Lei tung 21 einem nicht gezeichneten Dampfverbrau cher, z. B. einer Turbine, zugeführt wird. Selbstver ständlich kann je nach den vorliegenden Bedürfnissen der Dampf mehr oder weniger oft zwischen Reaktor 1 und Verdampfer 2 hin und her geführt werden.
Die einzelnen Wärmeaustauschflächen im Verdampfer wie auch im Reaktor sind mit Rücksicht auf den erhöhten Arbeitsdruck vorzugsweise durch jeweils ein Rohr oder eine Vielzahl parallel geschalteter Rohre mit kreis- oder kreisringförmigem Querschnitt aus gebildet. Sofern die Druckverhältnisse es jedoch zu lassen, könnten diese Wärmeaustauschflächen auch Plattenform aufweisen.
Mit Hilfe der Ventile 22 und 23 in den Lei tungen 5 bzw. 6 kann der Arbeitsmittelzufluss zum Verdampfer 2 so aufgeteilt werden, dass die Dampf temperatur nach den Vorwärmern 7 und 8 im ge wünschten Verhältnis zueinander stehen; vorzugs weise werden in den Leitungen 14 und 19 gleich bleibende Dampftemperaturen aufrechterhalten. Zu diesem Zweck können den Leitungen 14 und 19 Tem- peratursignalgeber 24 und 25 zugeordnet sein, deren Signalleitungen in die Vergleichsvorrichtung 26 füh ren, welche ihrerseits die Stellmotoren der Ventile 22 und 23 im Sinne einer gleichen Dampftemperatur in den Leitungen 14 und 19 beeinflusst.
Zweckmässig erfolgt diese Beeinflussung in dem Sinne, dass immer eines der beiden Ventile 22 und 23 vollständig ge öffnet ist.
Zur Regelung der von der Pumpe 4 geförderten Wassermenge ist im Verdampfer 2 eine Schwimmer vorrichtung 27 angeordnet, welche über die Signal leitung 28 die Drehzahl der Pumpe 4 im Sinne gleich bleibender Höhe des Wasserspiegels im Verdampfer beeinflusst. Die Drehzahlverstellung kann beispiels weise durch Bürstenverstellung am Antriebsmotor der Pumpe erfolgen.
Es ist nicht nötig, dass das Arbeitsmittel einen z. B. Verdampfer, Reaktor, Turbine und Kondensator aufweisenden Kreislauf ausführt. Es wäre auch mög lich, den Frischdampf zu einem Verbraucher zu füh ren, aus welchem er ganz oder teilweise nicht mehr in den geschilderten Strömungsweg zurückkehrt. Im Hinblick auf eine mögliche Verseuchung des Arbeits mittels durch radioaktive Spaltprodukte empfiehlt sich jedoch die Führung des Arbeitsmittels in einem Kreis lauf.
Fig. 2 zeigt einen von der Ausführungsform nach Fig. 1 abweichenden Verdampfer 31, der an Stelle des Verdampfers 2 in Fig. 1 treten könnte. Flüssiges Arbeitsmittel wird von der Speisepumpe 32 über die Leitung 33 und die mit Ventilen 34 bzw. 35 versehenen Zweigleitungen 36 und 37 in das Innere des Verdampfers unter Druck gefördert. Die zum Verdampfen nötige Wärme wird dem durch die Lei tungen 38, 39 und 40 aus dem nicht gezeichneten Reaktor zuströmenden, überhitzten Dampf entzogen, welcher in gekühltem Zustand aus dem Verdampfer austritt und allenfalls ohne weitere Kühlung wieder in den Reaktor zurückgeführt werden kann. Der er zeugte Dampf strömt durch die Leitung 41 in den Reaktor.
Zur Temperaturregclung des in den Wärmeaus tauschrohren 42, 43 und 44 gekühlten Dampfes sind Einbauten 45 vorgesehen, welche das durch die Lei tung 36 zuströmende flüssige Arbeitsmittel in zick- zackförmigem Wege um die Endpartie der Austausch rohre 42, 43 und 44 führen.
Durch Vergrösserung der durch die Leitung 36 einströmenden Arbeitsmit- telmenge unter entsprechender Verminderung der durch die Leitung 35 in den Wasserraum des Ver dampfers strömenden flüssigen Arbeitsmittelmenge mit Hilfe der Ventile 34 und 35 kann die Temperatur des aus den Austauschrohren 42, 43 und 44 austre tenden Dampfes erniedrigt werden und umgekehrt.
Im Gegensatz zur Anordnung nach Fig. 1 erfolgt in der in Fig. 3 gezeigten Anlage die Rückkühlung des im Reaktor erhitzten Dampfes nicht ausschliesslich durch Oberflächenwärmeaustausch, sondern zusätz lich durch Beimischung eines Kühlmittels zum Ar beitsmittel. Flüssiges Arbeitsmittel wird durch die Speisepumpe 51 unter Druck in den Verdampfer 52 gespeist, aus welchem der erzeugte Dampf durch die Leitung 53 in einen ersten Kühlkanal 54 des Reaktors 55 gelangt. Beim Durchgang durch den Kühlkanal wird der Dampf überhitzt und strömt anschliessend durch die Leitung 56 in das Wärmeaustauschrohr 57 im Verdampfer 52, wo dem Dampf Wärme zur Verdampfung des flüssigen Arbeitsmittels entzogen wird.
Der rückgekühlte Dampf strömt hierauf durch die Leitung 58 in einen zweiten Kühlkanal 59 des Reaktors, um seinerseits durch die Leitung 60 in das Wärmeaustauschrohr 61 des Verdampfers zwecks erneuter Rückkühlung zu strömen. Hierauf gelangt der rückgekühlte Dampf über die Leitung 62 wieder in den Reaktor und durchströmt hier in aufeinander folgenden Durchgängen die Kühlkanäle 63, 64, 65 und 66; anschliessend wird der Dampf über die Frischdampfleitung 67 zu einem nicht gezeichneten Verbraucher geführt.
Zusätzlich zur Kühlung durch Oberflächenwärme austausch im Verdampfer 52 wird der durch die Lei tungen 58 und 62 strömende Dampf durch Einsprit- zen von Wasser an den Stellen 68 und 69 gekühlt. Dieses Wasser wird über Leitungen 70 und 71 aus einem nicht gezeichneten Sammelbehälter - z. B. dem auf den Kondensator einer Turbine folgenden Speise wasserbehälter - zugeführt. Die eingespritzten Men gen können mit Hilfe der Ventile 72 und 73 einge stellt bzw. geregelt werden. Es wäre aber auch mög lich, diese Ventile bei Normalbetrieb geschlossen zu halten und nur bei Ausnahmezuständen wie plötz licher Temperaturerhöhung im Reaktor zu öffnen.
Nach dem Durchgang des Arbeitsmittels durch jeden Kühlkanal 63, 64 bzw. 65 erfolgt die Rück kühlung ausschliesslich durch Einspritzen von Kühl wasser, und zwar an den Stellen 74, 75 und 76. Für die Einspritzstellen 74 und 76 ist eine temperatur abhängige Regelung der Einspritzmengen dargestellt. So wird das Ventil 77 in der Einspritzleitung 78 der art durch den Temperatursignalgeber 79 beeinflusst, dass die im Kühlkanal 63 gemessene Arbeitsmittel temperatur auf einem vorzugsweise einstellbaren Soll wert gehalten wird.
Die durch die Leitung 80 strö mende Einspritzmenge wird mit Hilfe des Ventils 81 und des Temperatursignalgebers 82 nach Mass gabe der Frischdampftemperatur in der Leitung 67 geregelt.
Selbstverständlich ist die Anzahl der Durchgänge des Arbeitsmittels durch den Reaktor wie auch die Aufteilung der Rückkühlung .in Oberflächenkühlung und Einspritzkühlung nicht auf die gezeichnete An ordnung beschränkt. Ferner ist es auch keineswegs notwendig, dass die ersten Rückkühlungen der Ver dampfung von Arbeitsmittel im Verdampfer 2 dienen.
Die Fig.4 bis 7 zeigen verschiedene Möglich keiten der Kühlmittelzufu'hr. Nach Fig.4 wird der zu kühlende Dampf durch die Leitung 91 zugeführt und durch das Kühlmittelbad 92 geschickt, wo der Dampf zurückgekühlt wird. Durch die freiwerdende Wärme wird Kühlmittel verdampft, das mit dem Arbeitsmittel durch die Leitung 93 aus dem Dampf raum 94 oberhalb des Kühlmittelspiegels 95 austritt. Der Kühlmittelspiegel wird durch Zufuhr von Kühl flüssigkeit durch die Leitung 96 mit Hilfe des vom Schwimmer 97 über das Gestänge 98 beeinflussten Ventils 99 geregelt.
Die Ausführungsform nach Fig. 5 zeigt eine Kühl mittelbeimischung zum Arbeitsmittel im Sinne einer Aufrechterhaltung konstanter Temperatur des ge kühlten Arbeitsmittels. Das zu kühlende, dampfför- mige Arbeitsmittel strömt durch die Leitung 101. In Strömungsrichtung des Arbeitsmittels hinter der Einspritzstelle 102 wird die in Abhängigkeit der Temperatur erfolgende Wärmedehnung des Leitungs rohres mit Hilfe des Messstabes 103 aus einem Werk stoff mit verschwindend kleinen Wärmeausdehnungs- koeffizienten gemessen.
Steigt die Temperatur des Arbeitsmittels, so dehnt sich das zwischen den beiden Schneiden des Stabes 103 befindliche Rohrstück aus, womit über das Gestänge 104 das Ventil 105 in der Einspritzleitung 106 stärker geöffnet wird und um gekehrt. Hierdurch wird die eingespritzte Wassermenge vergrössert und die Rückkühltemperatur des Arbeits mittels erniedrigt.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 wird das beizumischende Kühlmittel im überschuss zugeführt und der nicht verdampfte Teil hernach abgeschlämmt. Der aus einem Kühlkanal des Reaktors kommende überhitzte Dampf strömt durch die Leitung 111, in welche die Einspritzleitung 112 mündet. Das über schüssige Kühlmittel wird im Zentrifugalabscheider 113 ausgeschieden und durch das Ventil 114 abge schlämmt. Die Ventilstange ist über das Gestänge 115 mit dem Messgefäss 116 verbunden, das auf der Druckfeder 117 ruht.
Die Teile 115, 116 und 117 bilden einen Niveauregler, indem bei Ansteigen des Wasserspiegels in den Gefässen 113 und 116 infolge Gewichtszunahme des im Gefäss 116 befindlichen Wassers das Ventil im Sinne einer Öffnungsbewegung betätigt wird und umgekehrt. Der gekühlte Dampf strömt durch die Leitung 118 ab.
Fig. 7 zeigt eine gesteuerte Einspritzung von Kühlmittel in den zu kühlenden Dampf. Der zu küh lende Dampf strömt in Richtung des eingezeichneten Pfeils durch die Leitung 121; seine Menge wird mit Hilfe der Messdüse 122 und des Differenzdruck- messers 123 gemessen, während die Temperatur ge mäss Fig. 5 mit Hilfe eines Messstabes 124 bestimmt wird.
Die Membran des Differenzdruckmessers 123 ist über das Gestänge 125 mit der Achse 126 des Funktionskörpers 127 verbunden. Bei zunehmender Menge des durch die Leitung 121 strömenden Damp fes wird der Funktionskörper in Plusrichtung des Pfeils 128 gedreht, derart, dass sich der Abtaststift 129 im Sinne einer Öffnungsbewegung des Ein spritzventils 130 bewegt. Der Messstab 124 ist über das Gestänge 131 derart mit der Achse 126 des Funk tionskörpers 127 verbunden, d'ass bei zunehmender Dampftemperatur die Achse und damit der Funk tionskörper in Plusrichtung des Pfeils 132 verstellt wird und umgekehrt, was ebenfalls eine Vergrösserung bzw.
Verminderung der durch die Leitung<B>133</B> strö menden und an der Stelle 134 in den Dampfstrom eingespritzten Wassermenge bewirkt.
Bei den Ausführungsformen nach Fig.4 und 6 wird der zu kühlende Dampf jeweils auf Sattdampf- temperatur zurückgekühlt, die natürlich vom jewei ligen Druck abhängt. Bei den Ausführungsformen nach Fig. 5 und 7 wird im Sinne gleichbleibender Rückkühltemperaturen geregelt bzw. auf einem bei spielsweise konstanten Sollwert gesteuert. Die Rück kühlung kann so erfolgen, dass der gekühlte Dampf noch überhitzt ist; es wäre aber auch möglich, den Dampf bis hinunter in das Nassdampfgebiet zu kühlen.
Die im Zusammenhang mit der Anordnung nach Fig. 1 geschilderte Vorwärmung kann - wie dort ge zeigt - in Serie zur Rückstrahlung im Verdampfer erfolgen oder aber durch Wärmeaustausch neben oder anstelle mindestens einer der Kühlmittelbei- mischungen an den Stellen 74, 75 oder 76 (Fig. 3). Darüber hinaus kann natürlich auch Anzapfdampf einer mit dem erzeugten Frischdampf betriebenen Turbine oder an einer Stelle der Anlage anfallende Verlustwärme verwendet werden, z.
B. die bei einem Reaktor mit flüssigem Moderator anfallende Mo- d'eratorkühlwärme.
Die Anlage nach Fig.8 veranschaulicht eine Dampfkraftanlage mit gleichzeitiger Ausnützung meh rerer Rückkühlmöglichkeiten. Flüssiges Arbeitsmittel - in vorliegendem Falle Wasser - strömt aus dem Kondensator 141 in die Kondensatpumpe 142 und über die Vorwärmer 143 und 144 in den Speise wasserbehälter 145 und aus diesem in die Speise pumpe 146.
Diese fördert das Arbeitsmittel unter Druck durch die S.peisewasservorwärmer 147 und 148 in den Verdampfer 149, aus welchem der erzeugte Dampf über die Leitung 150 hintereinander durch die Kühlkanäle 151 und 152 des Reaktors 153 und hernach durch die Leitung 154 in das Wärmeaus tauschrohr 155 des Verdampfers 149 strömt, wo dem im Reaktor erhitzten Dampf unter Rückkühlung Wärme zur Verdampfung flüssigen Arbeitsmittels ent zogen wird.
Der rückgekühlte Dampf gelangt an schliessend durch die Leitung 156 hintereinander in die Kühlkanäle 157 und 158 des Reaktors, strömt dann durch die Leitung 159 wieder zurück in den Verdampfer 149 und nach Rückkühlung im Wärme- austauscher 160 durch die Leitung 161 in den Kühl kanal 162 des Reaktors. Der wieder überhitzte Dampf strömt durch die Leitung 163 in den Wärmeaustau- scher 164, um hernach mit tieferer Temperatur durch die Leitungen 165 und 166 in den Kühlkanal 167 des Reaktors geleitet zu werden.
Anstatt direkt in diesen Kühlkanal 167 zu strömen, könnte der Dampf - wie dies durch die strichpunktierte Leitung 166a angedeutet ist - zwecks Temperaturausgleich durch den Wasserraum des Verdampfers 149 geführt wer den. Zwischen den Leitungen 163 und 165 befindet sich die Umführungsleitung 168, durch welche je nach Stellung des Ventils 169 eine Teilmenge des Dampfes aus der Leitung 163 unter Umgehung des Wärme- austauschers 164 in die Leitung 166 geführt werden kann.
Das im Kühlkanal 167 erneut überhitzte Ar beitsmittel strömt durch die Leitung 170 :in einen weiteren Wärmeaustauscher 171, hierauf durch die Leitung 172 in den Kühlkanal 173 des Reaktors, an schliessend durch den Kühlkanal 174 und hierauf durch die Leitung 175 in den Wärmeaustauscher 176. Wie im Wärmeaustauscher 171 wird im Wärmeaus- tausc'her 176 der zuströmende Dampf gekühlt und strömt anschliessend durch die Leitung 177 in den Kühlkanal 178 des Reaktors, um diesen durch die Leitung 179 als Frischdampf zu verlassen.
Die Lei tung 179 mündet in die Hochdruckturbine 180, wo der Dampf unter Arbeitsleistung auf einen Zwischen druck unter entsprechender Temperatursenkung ent spannt wird. Aus der Turbine 180 strömt der Dampf durch die Leitung 181 in den als Zwischenüberhit- zungs-Heizfläche dienenden Kühlkanal 182 des Reak tors, wird anschliessend durch die Leitung 183 in die Turbine 184 geführt, hier weiter entspannt und an schliessend durch die Leitung 185 dem Wärmeaus- tauschrohr 186 im Verdampfer 149 zugeführt.
Hier wird der in der Turbine 184 auf einen Zwischendruck entspannte Dampf in einer ersten Stufe durch Wärme aufnahme aus dem im Verdampfer 149 befindlichen Wasser zwischenüberhitzt. Die zweite Stufe der Zwi schenüberhitzung erfolgt im Wärmeaustauscher 164, dem der Dampf durch die Leitung 187 zuströmt. Der so wieder überhitzte Dampf strömt durch die Leitung 188 in die Mitteld'ruckturbine 189 und anschliessend durch die Leitung 190 zur erneuten Zwischenüber hitzung in den Wärmeaustauscher 171 und hierauf durch die Verbindungsleitung 191 in den Wärmeaus- tauscher 176.
Der in diesem Wärmeaustauscher noch mals überhitzte Dampf wird durch die Leitung 192 der Niederdruckturbine 193 zugeführt, aus welcher der Abdampf in den Kondensator 141 gelangt. Sämt liche Turbinen sitzen auf einer gemeinsamen Welle und dienen zum Antrieb des elektrischen Generators 194.
Die Kondensat- und Speisewasservorwärmer 143, 147 und 148 werden mit Anzapfdampf aus der Nie derdruckturbine beheizt, welche diesen Vorwärmern durch die Leitungen 201, 202 und 203 zugeführt wird. Hingegen wird der Kondensatvorwärmer 144 durch Moderatorkühlwärme beheizt; zu diesem Zweck wird der flüssige Moderator - z. B. Schwerwasser dem Reaktor durch die Leitung 204 entnommen und durch den Vorwärmer 144 und anschliessend über die Leitung 205 in den Moderatorsammelbehälter 206 geführt.
Zur Aufrechterhaltung des Moderator kreislaufes dient die Pumpe 207, welche die Mo deratorflüssigkeit durch die Leitung 208 wieder in den Reaktor zurückfördert. Je nach den besonderen Ver hältnissen kann die Moderatorflüssigkeit zusätzlich oder ausschliesslich auf geschilderte Weise in einem Vorwärmer gekühlt werden.
Wie sich aus der Beschreibung der Anlage ergibt, sind verschiedene Mittel zur Rückkühlung des im Reaktor erhitzten Arbeitsmittels vorhanden, und zwar: Rückkühlung in den Austauschrohren 155 und 160 im Verdampfer 149, Rückkühlung durch Ober flächenwärmeaustausch in den Wärmeaustauschern 164, 171 und 176 zur Zwischenüberhitzung des Ar beitsmittels, sowie Rückkühlung durch Expansion des Arbeitsmittels unter Arbeitsleistung in der Hoch druckturbine 180 bzw. in der Turbine 184.
Eine weitere Rückkühlungsart, nänflich Bei mischen von Kühlmittel zum Arbeitsmittel findet fer ner an verschiedenen Stellen der Anlage statt, und zwar an den Stellen 209, 210, 211, 212, 213, 214, 215, 216 und 217. Die Einspritzung an diesen Stellen kann der Temperaturregelung dienen, indem abhängig von der Abweichung von einer Sollwerttemperatur - z. B. für die Einspritzstelle 212 mit Hilfe des Tem- peratursignalgebers 218 gemessen - das Einspritz- ventil 219 in der Leitung 220 mehr oder weniger geöffnet wird.
Eine entsprechende Regelung findet an den Stellen 210, 213, 214, 216 und 217 statt.
Neben oder anstelle der Temperaturregelung durch Einspritzung können bei den Wärmeaustau- schern 164,<B>171</B> und 176 Mittel zum Umführen von Arbeitsmittelteilmengen um den Hochdruck- bzw. um den Niederdruckteil des betreffenden Austauschers vorgesehen sein. Die jeweils umgeführten Arbeits- mittelteilmengen können von Hand eingestellt oder in Abhängigkeit einer Arbeitsmitteltemperatur geregelt werden.
So wird das Ventil 169 durch den Tem- peratursignalgeber 225 über die Signalleitung 226 der art beeinflusst, dass das Ventil 169 eine öffnungsbewe- gung ausführt, wenn die in der Leitung 188 herr schende und vom Temperatursignalgeber 225 abge bildete Temperatur einen allenfalls einstellbaren Soll wert überschreitet und umgekehrt. Mit Hilfe des Ven tils 227 kann eine Teilmenge des Arbeitsmittels unter Umgehung der Niederdruckseite des Wärmeaustau- schers 164 aus der Leitung 187 in die Leitung 188 geführt werden.
Weiter kann in Abhängigkeit der in der Eintrittsleitung der Turbine 189 herrschenden Temperatur - abgebildet durch den Temperatursignal geber 228 - mit Hilfe des Ventils 229 Arbeitsmittel unter Umgehung der zur Zwischenüberhitzung die nenden Wärmeaustauschrohre 186 aus der Leitung <B>185</B> in die Leitung 187 geführt werden. Weiter die nen die Ventile 230 und 231 zur Umführung einer Arbeitsmittelteilmenge um die Niederdruckseite der Wärmeaustauscher <B>171.</B> und 176; die genannten Ven tile werden durch die Temperatursignalgeber 232 in Abhängigkeit der Eintrittstemperatur des Arbeits mittels in die Niederdruckturbine 198 beeinflusst.
Die Erfindung lässt sich ganz allgemein auf Reak toren mit flüssigem oder festem Moderator anwen den. Es empfiehlt sich besonders eine Anordnung, bei welcher die Spaltstoffelemente im Innern eines vom Arbeitsmittel durchströmten Kühlkanals mit ringförmigem Querschnitt befinden. Bei einer solchen Anordnung wäre es auch möglich, im Innern des Re aktors einem Kühlkanal Mittel zur Beimischung eines Kühlmittels zuzuordnen, wie dies die schematisch an gedeutete Einspritzstelle 233 am Kühlkanal 152 ver anschaulicht.
Method for removing the heat released inside a nuclear reactor The invention relates to a method for removing the heat released by nuclear reactions inside a nuclear reactor with the aid of a vaporizable working medium.
The invention is characterized in that the working medium is pressurized in the liquid state and then evaporated, that the working medium is also passed in a plurality of successive passages in the vaporous state through one or more cooling channels of the reactor and is heated here at finally, during and / or after at least some of the passes, the work medium is cooled back.
The invention makes it possible to run the work equipment in forced throughput; Compared to an arrangement in which the working medium is brought to an increased pressure level in a gaseous or vaporous state, a pressure feed operating in the liquid state of the working medium requires a much smaller power, since the working medium is in a liquid state, i.e. with a small volume , is brought to pressure. Furthermore, the invention makes it possible to manage with a single pump in the entire coolant system, and furthermore, thanks to the re-cooling following the individual passes, there is a uniform temperature distribution in the reactor core for the reactor.
The invention also relates to a reactor system for carrying out the method described; The system is characterized by an evaporator for evaporating liquid working medium, from which the working medium vapor generated flows in successive passages through one or more cooling channels of the reactor, as well as means for recooling the heated working medium vapor during and / or after at least one part the passages of the working medium through the cooling channel or ducts, and through at least one pump for pressurizing the evaporator with a liquid working medium.
The invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments shown in the drawing. They show in a schematic representation: Fig. 1 shows a reactor system utilizing the recooling heat for evaporation of liquid work by means of an evaporator located outside the reactor, Fig. 2 shows in detail an embodiment of an evaporator, Fig. 3 shows a reactor system according to FIG. 1 additional recooling of the working medium by mixing a coolant with the working medium,
4 to 7 different embodiments of means for adding coolant to the working medium and FIG. 8 a steam power plant with a reactor as a heat source and utilizing the Rückkü'hlwärme for preheating, evaporating, superheating and intermediate superheating of the working medium.
The plant according to FIG. 1 has a reactor 1 and an evaporator 2. Vaporizable working medium - in the present case water - flows from a container, not shown, through line 3 into pump 4 and then passes through the two parallel lines 5 and 6 into evaporator 2. In lines 5 and 6 are preheaters 7 and 8 arranged. The saturated steam generated in the evaporator 2 is passed through the line 9 into the reactor 1, where it flows through a schematically indicated cooling channel 10 and is heated in the process.
The cooling duct 10 can consist of a single duct or a plurality of ducts connected in parallel. The superheated steam when passing through the cooling channel flows through the line 11 into the coil 12 inside the evaporator 2, where the steam gives off at least part of the superheating heat to the water in the evaporator. The steam then flows through line 13 into the preheater 7, where it is cooled back to the desired temperature in a further stage with heat being given off to the liquid working medium flowing through line 5.
The steam then flows through line 14 in turn into reactor 1, is overheated again in cooling duct 15, returns through line 16 into second coil 17 in evaporator 2 and passes through line 18, preheater 8 and line 19 into the cooling duct 20 of the reactor 1, in which it overheats to live steam temperature and then through the Lei device 21 a not shown Dampfverbrau cher, z. B. a turbine is supplied. Of course, depending on the requirements at hand, the steam can be passed back and forth between reactor 1 and evaporator 2 more or less often.
The individual heat exchange surfaces in the evaporator as well as in the reactor are preferably formed by a tube or a plurality of tubes connected in parallel with a circular or circular cross-section in consideration of the increased working pressure. If the pressure conditions allow it, however, these heat exchange surfaces could also have a plate shape.
With the help of the valves 22 and 23 in the lines 5 and 6, the working medium inflow to the evaporator 2 can be divided so that the steam temperature after the preheaters 7 and 8 are in the desired ratio to each other; preference, constant steam temperatures are maintained in the lines 14 and 19. For this purpose, the lines 14 and 19 can be assigned temperature signal generators 24 and 25, the signal lines of which lead into the comparison device 26, which in turn influences the servomotors of the valves 22 and 23 in the sense of the same steam temperature in the lines 14 and 19.
This influencing is expediently carried out in the sense that one of the two valves 22 and 23 is always completely open.
To regulate the amount of water pumped by the pump 4, a float device 27 is arranged in the evaporator 2, which influences the speed of the pump 4 via the signal line 28 in the sense of a constant height of the water level in the evaporator. The speed can be adjusted, for example, by adjusting the brush on the drive motor of the pump.
It is not necessary that the work equipment has a z. B. evaporator, reactor, turbine and condenser having circuit executes. It would also be possible, please include, to lead the live steam to a consumer from which it no longer returns in whole or in part to the flow path described. However, in view of possible contamination of the work medium by radioactive fission products, it is advisable to run the work medium in a cycle.
FIG. 2 shows an evaporator 31 which differs from the embodiment according to FIG. 1 and which could replace the evaporator 2 in FIG. 1. Liquid working medium is conveyed under pressure from the feed pump 32 via the line 33 and the branch lines 36 and 37, which are provided with valves 34 and 35, respectively, into the interior of the evaporator. The heat required for evaporation is withdrawn from the superheated steam flowing through lines 38, 39 and 40 from the reactor (not shown), which exits the evaporator in a cooled state and can possibly be returned to the reactor without further cooling. The steam he generated flows through line 41 into the reactor.
To regulate the temperature of the steam cooled in the heat exchange tubes 42, 43 and 44, internals 45 are provided which guide the liquid working medium flowing through the line 36 in a zigzag shape around the end section of the exchange tubes 42, 43 and 44.
By increasing the amount of working medium flowing in through line 36 with a corresponding reduction in the amount of liquid working medium flowing through line 35 into the water space of the evaporator with the help of valves 34 and 35, the temperature of the steam exiting from exchange tubes 42, 43 and 44 can be controlled be humiliated and vice versa.
In contrast to the arrangement according to FIG. 1, in the system shown in FIG. 3, the re-cooling of the steam heated in the reactor is not carried out exclusively by surface heat exchange, but also by adding a coolant to the working medium. Liquid working medium is fed under pressure by the feed pump 51 into the evaporator 52, from which the generated steam passes through the line 53 into a first cooling channel 54 of the reactor 55. When passing through the cooling channel, the steam is superheated and then flows through the line 56 into the heat exchange tube 57 in the evaporator 52, where heat is extracted from the steam to evaporate the liquid working medium.
The recooled steam then flows through line 58 into a second cooling channel 59 of the reactor in order to flow through line 60 into the heat exchange tube 61 of the evaporator for the purpose of renewed recooling. The recooled steam then returns to the reactor via line 62 and flows through cooling channels 63, 64, 65 and 66 in successive passages; the steam is then fed via the live steam line 67 to a consumer (not shown).
In addition to the cooling by surface heat exchange in the evaporator 52, the steam flowing through the lines 58 and 62 is cooled by injecting water at the points 68 and 69. This water is via lines 70 and 71 from a collecting tank, not shown - z. B. the water tank following the condenser of a turbine - supplied. The injected Men can be adjusted or regulated with the help of valves 72 and 73. But it would also be possible, please include to keep these valves closed during normal operation and only open in exceptional circumstances such as sudden Licher temperature increase in the reactor.
After the working medium has passed through each cooling channel 63, 64 or 65, the back cooling takes place exclusively by injecting cooling water at points 74, 75 and 76. For injection points 74 and 76, a temperature-dependent control of the injection quantities is shown . Thus, the valve 77 in the injection line 78 is influenced by the temperature signal generator 79 in such a way that the working medium temperature measured in the cooling duct 63 is kept at a preferably adjustable setpoint value.
The injection quantity flowing through line 80 is regulated with the aid of valve 81 and temperature signal generator 82 according to the live steam temperature in line 67.
Of course, the number of passes of the working medium through the reactor, as well as the division of the recooling into surface cooling and injection cooling, is not limited to the arrangement shown. Furthermore, it is by no means necessary that the first recooling is used to evaporate the working medium in the evaporator 2.
FIGS. 4 to 7 show different possibilities for the coolant supply. According to FIG. 4, the steam to be cooled is supplied through the line 91 and sent through the coolant bath 92, where the steam is cooled back. As a result of the heat released, coolant is evaporated, which exits with the working fluid through line 93 from the steam space 94 above the coolant level 95. The coolant level is regulated by supplying cooling liquid through the line 96 with the aid of the valve 99 influenced by the float 97 via the linkage 98.
The embodiment of FIG. 5 shows a coolant admixture to the working medium in the sense of maintaining a constant temperature of the ge cooled working medium. The vaporous working medium to be cooled flows through the line 101. In the direction of flow of the working medium downstream of the injection point 102, the thermal expansion of the pipe depending on the temperature is measured with the aid of the measuring stick 103 made of a material with negligibly small coefficients of thermal expansion.
If the temperature of the working medium rises, the piece of pipe located between the two cutting edges of the rod 103 expands, so that the valve 105 in the injection line 106 is opened more via the rod 104 and vice versa. This increases the amount of water injected and lowers the recooling temperature of the work means.
In the exemplary embodiment according to FIG. 6, the coolant to be admixed is supplied in excess and the part that has not evaporated is then washed off. The superheated steam coming from a cooling duct of the reactor flows through the line 111, into which the injection line 112 opens. The excess coolant is separated in the centrifugal separator 113 and slurried abge through the valve 114. The valve rod is connected via the rod 115 to the measuring vessel 116, which rests on the compression spring 117.
The parts 115, 116 and 117 form a level regulator in that when the water level rises in the vessels 113 and 116 as a result of the increase in weight of the water in the vessel 116, the valve is actuated in the sense of an opening movement and vice versa. The cooled steam exits through line 118.
7 shows a controlled injection of coolant into the steam to be cooled. The steam to be cooled flows in the direction of the arrow shown through line 121; its amount is measured with the aid of the measuring nozzle 122 and the differential pressure meter 123, while the temperature according to FIG. 5 is determined with the aid of a dipstick 124.
The membrane of the differential pressure meter 123 is connected to the axis 126 of the functional body 127 via the linkage 125. As the amount of steam flowing through the line 121 increases, the functional body is rotated in the plus direction of the arrow 128 in such a way that the follower pin 129 moves in the sense of an opening movement of the injection valve 130. The measuring rod 124 is connected to the axis 126 of the function body 127 via the rod 131, so that as the steam temperature increases, the axis and thus the function body is adjusted in the plus direction of the arrow 132 and vice versa, which also increases or decreases.
A reduction in the amount of water flowing through line 133 and injected into the steam stream at point 134 causes.
In the embodiments according to FIGS. 4 and 6, the steam to be cooled is cooled back to the saturated steam temperature, which of course depends on the respective pressure. In the embodiments according to FIGS. 5 and 7, constant re-cooling temperatures are regulated or controlled at a setpoint value that is constant, for example. The re-cooling can take place in such a way that the cooled steam is still superheated; but it would also be possible to cool the steam down to the wet steam area.
The preheating described in connection with the arrangement according to FIG. 1 can - as shown there - take place in series with the reflection in the evaporator or by heat exchange alongside or instead of at least one of the coolant admixtures at points 74, 75 or 76 (FIG. 3). In addition, it is of course also possible to use bleed steam from a turbine operated with the live steam generated or heat loss occurring at one point in the system, e.g.
B. the generator cooling heat produced in a reactor with a liquid moderator.
The system according to Figure 8 illustrates a steam power plant with simultaneous utilization of several recooling options. Liquid working medium - in the present case water - flows from the condenser 141 into the condensate pump 142 and via the preheaters 143 and 144 into the feed water tank 145 and from this into the feed pump 146.
This promotes the working medium under pressure through the S.peisewasservorwärmer 147 and 148 in the evaporator 149, from which the generated steam via line 150 one behind the other through the cooling channels 151 and 152 of the reactor 153 and then through the line 154 in the heat exchange tube 155 of the Evaporator 149 flows, where heat is withdrawn from the steam heated in the reactor with recooling to evaporate liquid working medium.
The recooled steam then passes through line 156 one after the other into cooling channels 157 and 158 of the reactor, then flows back through line 159 into evaporator 149 and, after recooling in heat exchanger 160, through line 161 into cooling channel 162 of the Reactor. The steam, which has been superheated again, flows through line 163 into heat exchanger 164 in order to be subsequently conducted at a lower temperature through lines 165 and 166 into cooling channel 167 of the reactor.
Instead of flowing directly into this cooling channel 167, the steam - as indicated by the dash-dotted line 166a - could be passed through the water space of the evaporator 149 for the purpose of temperature compensation. The bypass line 168 is located between the lines 163 and 165, through which, depending on the position of the valve 169, a portion of the steam can be guided from the line 163 into the line 166, bypassing the heat exchanger 164.
The working medium, which is again overheated in the cooling channel 167, flows through the line 170: into another heat exchanger 171, then through the line 172 into the cooling channel 173 of the reactor, then through the cooling channel 174 and then through the line 175 into the heat exchanger 176. How In the heat exchanger 171, the steam flowing in is cooled in the heat exchanger 176 and then flows through the line 177 into the cooling channel 178 of the reactor in order to leave it through the line 179 as live steam.
The line 179 opens into the high-pressure turbine 180, where the steam is expanded while performing work to an intermediate pressure with a corresponding reduction in temperature. From the turbine 180 the steam flows through the line 181 into the cooling channel 182 of the reactor, which serves as reheating heating surface, is then passed through the line 183 into the turbine 184, here further expanded and then through the line 185 the heat is removed - Exchange tube 186 in the evaporator 149 supplied.
Here, the steam expanded to an intermediate pressure in the turbine 184 is reheated in a first stage by absorbing heat from the water in the evaporator 149. The second stage of intermediate superheating takes place in the heat exchanger 164, to which the steam flows through line 187. The steam which is superheated in this way flows through the line 188 into the medium-pressure turbine 189 and then through the line 190 for renewed intermediate overheating in the heat exchanger 171 and then through the connecting line 191 into the heat exchanger 176.
The steam, which is once again superheated in this heat exchanger, is fed through line 192 to low-pressure turbine 193, from which the exhaust steam passes into condenser 141. All turbines sit on a common shaft and serve to drive the electric generator 194.
The condensate and feed water preheaters 143, 147 and 148 are heated with bleed steam from the low pressure turbine, which is fed to these preheaters through lines 201, 202 and 203. In contrast, the condensate preheater 144 is heated by moderator cooling heat; for this purpose the liquid moderator - e.g. B. Heavy water is removed from the reactor through line 204 and passed through the preheater 144 and then via line 205 into the moderator collecting tank 206.
To maintain the moderator circuit, the pump 207 is used, which conveys the Mo deratoriquid through the line 208 back into the reactor. Depending on the particular conditions, the moderator liquid can additionally or exclusively be cooled in a preheater in the manner described.
As can be seen from the description of the system, there are various means for re-cooling the working fluid heated in the reactor, namely: re-cooling in the exchange tubes 155 and 160 in the evaporator 149, re-cooling by surface heat exchange in the heat exchangers 164, 171 and 176 for reheating the Working medium, as well as recooling through expansion of the working medium while performing work in the high-pressure turbine 180 or in the turbine 184.
Another type of recooling, namely when the coolant is mixed with the working medium, takes place at different points in the system, namely at points 209, 210, 211, 212, 213, 214, 215, 216 and 217. The injection at these points can serve to regulate the temperature by depending on the deviation from a setpoint temperature - z. B. measured for the injection point 212 with the help of the temperature signal generator 218 - the injection valve 219 in the line 220 is more or less opened.
A corresponding regulation takes place at points 210, 213, 214, 216 and 217.
In addition to or instead of temperature regulation by injection, the heat exchangers 164, 171 and 176 can be provided with means for bypassing partial quantities of working medium around the high-pressure part or around the low-pressure part of the exchanger in question. The partial quantities of working medium that are transferred can be set manually or regulated as a function of the working medium temperature.
The valve 169 is influenced by the temperature signal transmitter 225 via the signal line 226 in such a way that the valve 169 executes an opening movement when the temperature prevailing in the line 188 and mapped by the temperature signal transmitter 225 exceeds a possibly adjustable setpoint and vice versa. With the aid of the valve 227, a portion of the working medium can be passed from the line 187 into the line 188, bypassing the low-pressure side of the heat exchanger 164.
Furthermore, depending on the temperature prevailing in the inlet line of the turbine 189 - mapped by the temperature signal transmitter 228 - with the help of the valve 229, working medium can be bypassed from the line 185 into the line, bypassing the heat exchange tubes 186 which are used for reheating 187. The valves 230 and 231 are also used to divert a partial amount of working fluid around the low-pressure side of the heat exchangers 171 and 176; the said valves are influenced by the temperature signal generator 232 as a function of the inlet temperature of the work means in the low-pressure turbine 198.
The invention can be applied quite generally to reactors with liquid or solid moderator. An arrangement is particularly recommended in which the fission material elements are located in the interior of a cooling channel with an annular cross section through which the working medium flows. With such an arrangement, it would also be possible to assign means for admixing a coolant to a cooling channel inside the Re actuator, as illustrated by the schematically indicated injection point 233 on the cooling channel 152.