BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Weitergabe von Niedertemperaturwärme aus einem Kernreaktor.
Eine wichtige Anwendung ist die Weitergabe von Niedertemperaturwärme aus einem Kernreaktor für Heizzwecke in Fernheizsystemen.
Es sind Kernreaktoren bekannt, welche in offenen Wasserbecken betrieben werden. Die im Reaktor erzeugte Wärme wird dabei durch natürliche Zirkulation an Kühlelemente geleitet, welche sie an Abnehmer oder an die Umgebung abgegen. Einige dieser Reaktoren weisen einen grossen prompt negativen Neutronenabsorptions-Temperaturkoeffizienten auf. Dies bedeutet, dass die Herausnahme der neutronenabsorbierenden Regelstäbe nur eine begrenzte Leistungsexkursion zur Folge hat, da die Temperaturerhöhung die Kettenreaktion selbsttätig begrenzt.
Es sind Kernreaktoren bekannt, deren Leistung durch Ver änderung des neutronenabsorbierenden Borgehaltes des auch als Moderator wirkenden Kühlwassers geregelt wird.
Ziel der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Weitergabe von Niedertemperaturwärme aus einem Kernreaktor an ein Fernheiznetz unter Verwendung von rein passiven Komponenten unter Ausschaltung sämtlicher möglichen Quellen von Fehlmanipulation oder Komponentenfehler, welche zur Wärmeüberkapazität führen können, zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Verfahren mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Einrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens sind in den Ansprüchen 8 bis 10 angegeben.
Ein Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass ein Kernreaktor, der einen stark negativen Neutronenabsorptions-Temperaturkoeffizienten aufweist und in einem Wasserbecken genügender Tiefe plaziert ist, durch natürliche Konvektion einer thermisch gegenüber dem Wasserbecken verschlossenen Teilwassermenge gekühlt werden kann, wobei das weit über dem Reaktorkern aufsteigende erwärmte Wasser infolge abnehmenden Drucks der noch verbleibenden Wassersäule ausdampft, indem der Dampfanteil, der von der Restwassermenge getrennt wird, in einem Kondensator Nutzwärme an ein weiteres Wärmeversorgungssystem abgibt und das Kondensat mit der Restwassermenge gemischt, in einem Becken gesammelt und von hier zum Reaktorkern zurückgeführt wird, und wobei der Dampfraum im Kondensator durch ein vertikales Rohr, das mit dem Beckenwasser verbunden ist,
einen Druckausgleich zwischen der Teilwassermenge des als Primärkühlsystem aufgebauten Primärkreislaufes und dem Wasserbecken solcherweise herstellt, dass die Mehr- oder die Minderproduktion vom Dampf zu entsprechenden Niveauschwankungen im Ausgleichsrohr führt, welche mittels Schwimmkörper selbsttätig geregelten Ventilen den Zufluss von borhaltigem Beckenwasser zum Primärkreislauf verändern, womit die ständige Abnahme des Borgehaltes im Primärkreislauf, welche von der Zufuhr von teils durch Reaktorwärme, teils durch elektrische Zusatzheizung aus dem Beckenwasser erzeugtem Dampf herrührt, kompensiert wird, und wobei diese ständige, dem Wärmebedarf angepasste Änderung des Borgehaltes im Primärkreislauf die Reaktivität ändert, was wiederum zu einer durch den negativen Neutronenabsorptions-Temperaturkoeffizienten bestimmten Anpassung der Temperatur und der Reaktorleistung führt.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens kann es vorteilhaft sein, dass im Kondensator die Nutzwärme noch nicht direkt an das Prozesswasser des Fernwärmesystems, sondern zunächst an den Verdampferteil eines als geschlossenes System ausgebildeten Thermosiphons abgibt, dessen Kondensatorteil dann vom Prozesswasser gekühlt wird, womit zwischen Primärkreislauf und Prozesswasser ein hermetisch verschlossener Zwischenkreislauf geschaltet wird.
Ebenso kann es vorteilhaft sein, die ständige Wasserüberdeckung des Reaktorkerns dadurch zu sichern, dass auf dem Niveau der Reaktoroberkante Verbindungsstutzen zwischen Primärkreislauf und Beckenwasser angebracht werden, deren Öffnungen durch Schwimmkörper selbsttätig gesteuert erst im Falle vom entsprechenden Absinken des Wasserniveaus im Primärkreislauf freigegeben werden, womit erreicht wird, dass im abgestellten Zustand fast die gesammte Beckenwassermenge durch die Nachzerfallswärme ausgedampft wird und die Wände des Wasserbeckens als Kondensationsoberfläche freistehen, womit der Rückfluss des ausdampfenden Wassers gewährleistet, die sichere Abgabe der Nachzerfallswärme an das das Becken umgebende Erdreich gesichert und die Trockensetzung des Reaktorkerns verhindert wird.
Die wichtigste Komponente einer erfindungsgemässen Einrichtung ist das Primärkühlsystem, - dessen Betriebsdruck durch die Höhe des darüberliegenden, offenen Beckenwassers gegeben ist, - der als Thermosiphon selbsttätig die Umwälzung und die Reaktorkühlung sichert, - dessen Borgehalt selbsttätig verändert wird und damit die erforderlichen Reaktorleistungen einstellt.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Wasserbecken mit darin untergebrachten Reaktor und Komponenten des Primärkühlsystems.
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Kondensator des Primärkühlsystems.
Fig. 3 einen Schnitt durch die Niveauregelung in der Druckausgleichsverbindung des Primärkühlsystems.
Fig. 4 einen Schnitt durch den elektrischen Dampferzeuger und Dampfseparator zur Leistungsregelung.
Das in der Fig. 1 dargestellte Reaktorsystem besteht aus einem tiefen mit borhaltigem Wasser gefüllten Becken 19, an wessen Boden der Kernreaktor 1 abgesenkt ist. Das Kühlwasser steigt aus einem Plenum 20, durchströmt den Reaktorkern 1 und steigt in eine als Ringkanal ausgebildete Diffusoreinrichtung 2 hoch. Der sinkende Druck des hochsteigenden Wassers lässt Dampf entstehen. Am oberen Ende des Ringkanals werden Wasser und Dampf getrennt. Der Dampf steigt in den Kondensator 3 und gibt dort die Nutzwärme ab. Der Wasseranteil und das hinunterfliessende Kondensat sammeln sich in einem Sammelbecken oder Kondensatbehälter 4, aus welchem eine Fallleitung 5 zum Plenum 20 unter den Reaktorkern 1 führt. Der Unterschied des spezifischen Gewichts des Wasser-Dampfgemisches im Ringkanal 2 einerseits und des Wassers in der Fallleitung 5 andererseits erzeugt den Antrieb für den Kühlmittelkreislauf.
Der Druck im Primärkühlsystem ist durch eine Rohrverbindung 21 mit dem Wasserbecken ausgeglichen.
Die äussere Umhüllung des Ringkanals 2 und des Reaktorkerns 1 ist doppelwandig ausgebildet und nach Aussen isoliert.
Ein Raum 9 zwischen den zwei Wänden der Doppelwand ist unten gegen das Wasserbecken offen. Die aus dem Ringkanal 2 an den Zwischenraum 9 abgegebene Wärme führt zur Dampfbildung. Der hier entstehende Dampf wird durch die Rohrverbindung 21 dem Kondensator 3 zugeführt. Zusätzlich wird aus dem Beckenwasser durch eine elektrische Heizung 10 Dampf erzeugt. Die Heizung ist unter einer Glocke 11 angebracht. Ein Schwimmkörper 12 gibt eine Verbindung oder Ventil 13 zum Ringkanal 2 für den Dampf frei.
Die Zufuhr von zusätzlich aus dem Beckenwasser erzeugtem Dampf zum Primärkühlsystem lässt dessen Borgehalt senken.
Dies führt zur Erhöhung der Reaktivität und zur Zunahme der Reaktorleistung, bis die höheren Temperaturen des Reaktorkerns über den negativen Neutronenabsorptions-Temperaturkoeffizienten die Leistung stabilisieren. Da die Dampfzufuhr ständig stattfindet, steigt die Reaktorleistung ständig an, bis die erzeugte Dampfmenge im Kondensator nicht mehr abgeführt werden kann. Die Überproduktion vom Dampf, drückt das Wasserniveau in der Rohrverbindung 21 und in der darunter befindlichen Glocke nach unten, bis ein Schwimmkörper 6 auch sinkt und über ein Ventil 7 und eine Verbindungsleitung 8 den Weg für borhaltiges Beckenwasser zum Plenum 20 unter dem Reaktor freigibt. Die Zunahme des Borgehaltes sinkt und damit die Reaktivität und die Reaktorleistung.
Im stationären Betrieb halten sich Dampfzufuhr und Wasserzufuhr aus dem Wasserbecken zum Primärkühlsystem die Waage. Änderungen des Leistungsbedarfes führen zur Anpassung der im Kondensator 3 kondensierten Dampfmenge. In solchen Fällen verschiebt sich das Gleichgewicht entweder zugunsten der zugeführten Dampfmenge oder zugunsten der Wassermenge, bis sich die erbrachte Leistung dem Bedarf angepasst hat.
Der Kondensator 3 besteht aus vertikalen Rohren zwischen einem unteren Wasserkollektor und einem oberen Dampfkollektor. In den vertikalen Rohren entsteht ein Wasser-Dampfgemisch, welcher zu einem Dampfkollektor 15 steigt. Der Wasseranteil wird von hier zum unteren Wasserkollektor zurückgeführt. Der Dampfanteil wird durch eine Leitung 22 durch die Betonwand des Wasserbeckens zu einem Kondensator 16 geführt. In den U-Rohren dieses konventionellen Wärmetauschers zirkuliert das Prozesswasser der Fernheizung. Der an der Aussenfläche dieser Rohre niederschlagende Dampf heizt das Prozesswasser. Das Kondensat wird zum Dampfkollektor 15 zurückgeführt, wo es mit dem Wasseranteil gemischt wird.
Der Reaktor ist auch mit konventionellen Regelstäben ausgerüstet.
Mit diesem wird periodisch der Abbrand des Kernbrennstoffes kompensiert, so dass der Reaktor, wenn mit Beckenwasser gefüllt, immer leicht unterkritisch bleibt.
Alle Komponenten des Primärkühlsystems sind gegen das Beckenwasser thermisch isoliert. Damit die trotzdem auftretenden Wärmeverluste nicht zum übermässigen Erwärmen des Beckenwassers führen können, wird das aufsteigende, erwärmte Beckenwasser einem Beckenasserkühler 18 zugeleitet. Übermässiger, oder beim abgestellten System durch die Nachzerfallswärme erzeugter Dampf wird nach einem zusätzlichen Absinken des Wasserspiegels in der Rohrverbindung 21 durch ein Verbindungsrohr 17 dem gleichen Kühler 18 zugeführt. Wärme aus dem Kühler 18 wird wiederum durch ein passives Thermosiphon an die Umgebungsluft abgegeben.
DESCRIPTION
The present invention relates to a method and a device for transferring low-temperature heat from a nuclear reactor.
An important application is the transfer of low-temperature heat from a nuclear reactor for heating purposes in district heating systems.
Nuclear reactors are known which are operated in open water pools. The heat generated in the reactor is conducted through natural circulation to cooling elements, which they dissipate to consumers or to the environment. Some of these reactors have a large prompt negative neutron absorption temperature coefficient. This means that the removal of the neutron-absorbing control rods only results in a limited performance excursion, since the temperature increase automatically limits the chain reaction.
Nuclear reactors are known, the output of which is regulated by changing the neutron-absorbing boron content of the cooling water, which also acts as a moderator.
The aim of the invention is to provide a method and a device for transferring low-temperature heat from a nuclear reactor to a district heating network using purely passive components with the elimination of all possible sources of incorrect manipulation or component errors which can lead to excess heat capacity.
This object is achieved according to the invention by a method having the features specified in the characterizing part of patent claim 1. Means for carrying out this method are specified in claims 8 to 10.
An advantage of the method according to the invention is that a nuclear reactor, which has a strongly negative neutron absorption temperature coefficient and is placed in a water basin of sufficient depth, can be cooled by natural convection of a part of the water that is thermally sealed from the water basin, the ascending part rising far above the reactor core heated water evaporates as a result of the decreasing pressure of the remaining water column, in that the steam fraction, which is separated from the remaining water quantity, transfers useful heat to a further heat supply system in a condenser and the condensate is mixed with the remaining water quantity, collected in a basin and returned from there to the reactor core , and the vapor space in the condenser through a vertical pipe connected to the pool water,
creates a pressure equalization between the partial water volume of the primary circuit, which is constructed as a primary cooling system, and the water basin in such a way that the increased or reduced production of steam leads to corresponding level fluctuations in the compensating pipe, which automatically regulates the inflow of boron-containing pool water to the primary circuit by means of floating bodies, which means that the constant flow Decrease in the boron content in the primary circuit, which results from the supply of steam generated in part by reactor heat and partly by additional electrical heating from the pool water, and this constant change in the boron content in the primary circuit, which is adapted to the heat requirement, changes the reactivity, which in turn leads to a adjustment of the temperature and the reactor power determined by the negative neutron absorption temperature coefficient.
In a further embodiment of the method, it can be advantageous that the useful heat in the condenser does not yet give off directly to the process water of the district heating system, but initially to the evaporator part of a thermosiphon designed as a closed system, the condenser part of which is then cooled by the process water, thus between the primary circuit and the process water a hermetically sealed intermediate circuit is switched.
It can also be advantageous to ensure the constant water coverage of the reactor core by attaching connecting pieces between the primary circuit and pool water at the level of the upper edge of the reactor, the openings of which are automatically controlled by floating bodies only in the event of a corresponding drop in the water level in the primary circuit is that in the parked state almost all of the pool water is evaporated by the post-decay heat and the walls of the pool are exposed as a condensation surface, which ensures the return flow of the evaporating water, ensures the safe release of the post-decay heat to the soil surrounding the pool and prevents the reactor core from drying out becomes.
The most important component of a device according to the invention is the primary cooling system, - the operating pressure of which is given by the height of the open pool water above it, - which, as a thermosiphon, automatically ensures circulation and reactor cooling, - whose boron content is changed automatically and thus adjusts the required reactor outputs.
The invention is explained in more detail in an exemplary embodiment with reference to the accompanying drawing. It shows:
Fig. 1 shows a longitudinal section through a water basin with the reactor and components of the primary cooling system housed therein.
Fig. 2 shows a longitudinal section through the condenser of the primary cooling system.
Fig. 3 shows a section through the level control in the pressure compensation connection of the primary cooling system.
Fig. 4 shows a section through the electric steam generator and steam separator for power control.
The reactor system shown in FIG. 1 consists of a deep basin 19 filled with boron-containing water, to the bottom of which the nuclear reactor 1 is lowered. The cooling water rises from a plenum 20, flows through the reactor core 1 and rises into a diffuser device 2 designed as an annular channel. The falling pressure of the rising water creates steam. Water and steam are separated at the upper end of the ring channel. The steam rises into the condenser 3 and releases the useful heat there. The water portion and the condensate flowing down collect in a collecting basin or condensate container 4, from which a down pipe 5 leads to the plenum 20 under the reactor core 1. The difference in the specific weight of the water-steam mixture in the ring channel 2 on the one hand and the water in the downpipe 5 on the other hand generates the drive for the coolant circuit.
The pressure in the primary cooling system is balanced by a pipe connection 21 with the water basin.
The outer casing of the ring channel 2 and the reactor core 1 is double-walled and insulated from the outside.
A space 9 between the two walls of the double wall is open towards the bottom of the water basin. The heat given off from the annular duct 2 to the intermediate space 9 leads to the formation of steam. The steam produced here is fed to the condenser 3 through the pipe connection 21. In addition, 10 steam is generated from the pool water by an electric heater. The heater is attached under a bell 11. A float 12 releases a connection or valve 13 to the ring channel 2 for the steam.
The supply of additional steam generated from the pool water to the primary cooling system reduces its boron content.
This leads to an increase in reactivity and an increase in reactor performance until the higher temperatures of the reactor core stabilize the performance via the negative neutron absorption temperature coefficient. Since the steam supply takes place continuously, the reactor output increases continuously until the amount of steam generated in the condenser can no longer be removed. The overproduction of the steam pushes the water level in the pipe connection 21 and in the bell underneath down until a floating body 6 also sinks and releases the path for boron-containing pool water to the plenum 20 under the reactor via a valve 7 and a connecting line 8. The increase in boron content decreases and thus the reactivity and the reactor performance.
In stationary operation, the steam supply and water supply from the water basin to the primary cooling system are balanced. Changes in the power requirement lead to adaptation of the amount of steam condensed in the condenser 3. In such cases, the equilibrium shifts either in favor of the amount of steam supplied or in favor of the amount of water until the output has adjusted to the needs.
The condenser 3 consists of vertical tubes between a lower water collector and an upper steam collector. A water-steam mixture is formed in the vertical pipes and rises to a steam collector 15. From here, the water content is returned to the lower water collector. The steam portion is led through a line 22 through the concrete wall of the water basin to a condenser 16. The process water from the district heating circulates in the U-tubes of this conventional heat exchanger. The steam depositing on the outer surface of these pipes heats the process water. The condensate is returned to the steam collector 15, where it is mixed with the water content.
The reactor is also equipped with conventional control rods.
This periodically compensates for the burnup of the nuclear fuel, so that the reactor, when filled with pool water, always remains slightly subcritical.
All components of the primary cooling system are thermally insulated from the pool water. So that the heat losses that nevertheless occur cannot lead to excessive heating of the pool water, the rising, heated pool water is fed to a pool cooler 18. Excess steam, or steam generated by the post-decay heat in the shutdown system, is fed to the same cooler 18 through a connecting pipe 17 after an additional drop in the water level in the pipe connection 21. Heat from the cooler 18 is in turn released into the ambient air through a passive thermosiphon.