DE1027338B

DE1027338B - Kernreaktor mit zwei Druckzonen

Info

Publication number: DE1027338B
Application number: DES50781A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Wolfgang Braun
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1956-10-06
Filing date: 1956-10-06
Publication date: 1958-04-03
Also published as: FR1186326A; GB810718A; US3036965A; CH351683A

Description

DEUTSCHES

Es sind bei Kernreaktoren, die mit leichtem oder schwerem Wasser moderiert werden und bei denen der Moderator zugleich als Kühl- und Arbeitsmittel benutzt ist, im wesentlichen zwei Verfahren bekannt, nach denen man derartige Reaktoren zur Dampferzeugung und damit zum Betrieb einer Arbeitsmaschine verwendet.

Das eine Verfahren findet beim Siedewasserreaktor Anwendung und besteht darin, daß die Dampferzeugung bereits im Reaktorgefäß stattfindet und daß die Arbeitsmaschine, meist eine Turbine, unmittelbar an den Reaktor, d. h. in den Primärkreislauf des Arbeitsmittels, eingeschaltet ist. Das andere Verfahren besteht darin, die Dampferzeugung im Reaktorgefäß durch Anwendung von Druck zu verhindern und die Wärmeenergie des aufgeheizten Druckwassers über einen Wärmetauscher zur Verdampfung eines zweiten Mediums heranzuziehen. Mit dem entstehenden Dampf wird eine in den Sekundärkreis eingeschaltete Turbine beaufschlagt.

Beide Reaktortypen sind mit Vor- und Nachteilen behaftet. Ein Nachteil des Siedewasserreaktors gegenüber dem Druckwasserreaktor besteht darin, daß die Dampfblasenbildung im Moderator dessen Dichte außerordentlich herabsetzt, so daß die Neutronenverluste stark zunehmen. Wenn dieser Umstand auch für die Sicherheit des Reaktorbetriebes von großer Bedeutung ist, da auf diese Weise der Reaktor niemals von sich aus überkritisch werden kann, ruft jedoch die insbesondere über einen Belastungsstoß auftretende starke Dampfblasenbildung derart große Reaktivitätsschwankungen hervor, daß eine Nachregelung im Beharrungsbetrieb praktisch unmöglich ist.

Diese Nachteile bestehen, zwar beim Druckwasserreaktor nicht, jedoch stößt die Herstellung des für den hohen Druck zu bemessenden dickwandigen Druckgefäßes auf allergrößte Schwierigkeiten. Das gleiche gilt für den Wärmetauscher und die übrigen Armaturen.

Die Erfindung betrifft eine Weiterbildung des Siedewasserreaktors mit einfachen Mitteln, derart, daß der Reaktor erfindungsgemäß auch die Vorteile des Druckwasserreaktors aufweist, ohne jedoch mit den Nachteilen der genannten Reaktortypen behaftet zu sein. In diesem Sinne geht die Erfindung von dem Gedanken aus, zwei Druckzonen zu schaffen, von denen die eine als Verdampfungszone unter den Dampfdruck des Arbeitsmittels und die andere als Reaktionszone unter höherem Druck als die Verdampfungszone steht. Derartige Druckverhältnisse liegen an sich in geringem, aber praktisch kaum ausnutzbarem Maße bei solchen heterogenen Reaktoren vor, bei denen ein größerer Druckabfall in den Kühlkanälen der Brennstoffelemente auftritt. Eine wesentlich wirksamere Ausnutzung und vor allem Beein-Kernreaktor mit zwei Druckzonen

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr. rer. nat. Wolf gang Braun, Tennenlohe (Kr. Erlangen), ist als Erfinder genannt worden

flussung dieser Erscheinung für den obengenannten Zweck wird dann erreicht, wenn gemäß der Erfindung die beiden Druckzonen über Düsen miteinander in Verbindung stehen.

Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel; es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild mit dem schematisch im Lotrechtschnitt dargestellten Kernreaktor und

Fig. 2 ein Brennstoffelement im Detail.

Im Schaltbild gemäß Fig. 1 weist das zylindrische Reaktorgefäß 1 zwei Druckzonen I und II auf, von denen mit II die Reaktionszone und mit I die Verdampfungszone bezeichnet ist. Die Zonen I und II stehen über Düsen 2 miteinander in Verbindung, die hier in den den Kernbrennstoff enthaltenden Strömungskanälen 3 angeordnet sind. Die Gesamtheit dieser gitterartig angeordneten Strömungskanäle mit Kernbrennstoffüllung bildet den sogenannten aktiven Kern im unteren Teil des Reaktorgefäßes. Als Kernbrennstoff dient natürlich Uran.

Bei der bevorzugten Ausführung des aktiven Kerns weisen die Kanäle 3 die Gestalt rohrförmiger, unten offener, auswechselbarer Elemente 4 auf, die als Brennstoffelemente bezeichnet und in Fig. 2 im Detail dargestellt sind.

Die Brennstoffelemente 4 sind von einer Wanne 5 umgeben, die die Moderatorflüssigkeit (D₂O) enthält. Die Wanne dient gleichzeitig als thermische Abschirmung. Sie besitzt oben ein dem Gitter des aktiven Kerns entsprechend ausgebildetes Haltegerüst 6 für die Brennstoffelemente 4.

Die Wände der Wanne 5 weisen in der Höhe des Moderatorspiegels die Durchtrittsöffnungen 7 auf. Durch diese steht der innerhalb der Wanne 5 befindliche, zum Abbremsen der Neutronen dienende kühle

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Anteil des Moderators mit demjenigen anderen Teil des Moderators in Verbindung, der die Wanne 5 mantelförmig umgibt und als Reflektor wirkt. Die gesamte Anordnung gehört also der unter dem Verdampfungsdruck stehenden Zone I an. Die Unterseite .der Wanne 5 wird von der Zwischenwand 8 des Reaktorgefäßes 1 gebildet. Diese weist eine der Anzahl der Brennstoffelemente entsprechende Zahl von Durchbrechungen 9 auf. Die in diese eingesetzten Brenn

unter Dampfbildung auf den zugeordneten Dampfdruck von etwa 25 at. Mit der Entspannung in den Düsen ist eine intensive Sprühwirkung verbunden,

tion dienen in bekannter Weise die von unten in. das Reaktorgefäß und den aktiven Kern eingelassenen Regelstäbe 11. An der Oberseite des Reaktorgefäßes

Durch die Aufteilung des Reaktorgefäßes in zwei Druckzonen, die über Düsen miteinander in Verbind dung stehen, ergibt sich folgende vorteilhafte Wirkungsweise des Reaktors: ■.>■'. Die im kritischen Betrieb bei der Kettenreaktion im aktiven Kern frei werdende Wärmemenge heizt den in die Brennstoffelemente mit etwa 220° C eia-r; tretenden Moderator auf. Dieser erreicht am Düsenaustritt bei einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa

Stoffelemente grenzen zusammen mit der Zwischen- io 5 m · see—¹ eine Temperatur von etwa 250° C. Beim wand 8 den Raum höheren Druckes (Zone II) gegen Austritt aus den Düsen entspannt sich der Moderator den Raum niederen Druckes (Zone I) ab. Die Wandstärken der Zwischenwand 8 und des Reaktorgefäßboden 10 sind dem höheren Druck entsprechend stärker bemessen als die übrigen Gefäßwandungen. 15 durch die eine besonders große Verdampfungsober-Zur Beherrschung und Steuerung der Kettenreak- fläche entsteht.

Durch die beschriebene Bauart des Reaktors ist die unerwünschte Dampfblasenbildung im flüssigen Moderator verhindert. Damit sind auch die Dichtesind druckdicht mit diesem die Auswechselrohre 12 20 Schwankungen sowie die Änderungen des Moderatorangeordnet, durch die eine Entnahme defekter oder volumens vermieden, die die zu Anfang genannten erschöpfter Brennstoffelemente möglich ist. Reaktivitätsänderungen im Beharrungsbetrieb zur

Im Rahmen der Dampferzeugung ist zwischen die Folge haben.

Dampfaustrittsleitung 13 am oberen Teil des Re- Der in der Zone I entstehende Dampf gelangt über

aktorgefäßes und die Kondensatleitung 14 am unteren 25 den Wasserabscheider 16 in die Turbine 15, leistet Teil des Reaktorgefäßes die Dampfturbine 15 eilige- Arbeit und schlägt sich im Kondensator nieder. Die schaltet. Der Dampfturbine 15 ist der Wasserab- dem Kondensator 17 nachgeschaltete Kondensationsscheider 16 vorgeschaltet. In den Zug der Kondensat- pumpe 18 bringt das auf etwa 35° C abgekühlte leitung 14 ist der Kondensator 17 und die Kondensat- Moderatorkondensat wieder auf den Dampfdruck der pumpe 18 eingeschaltet. Die Kondensatleitung 14 30 Zone I, also- auf etwa 25 at, und fördert es durch die durchdringt das Reaktorgefäß 1 und die Wände der Kondensatleitung 14 in den von der Wanne 5 des aktiven Kerns umgebenen Raum. Der somit ständig mit kühlem Kondensat versorgte aktive Kern ist in allen Betriebsfällen von einem Moderator umgeben, dessen geschaltete Druckpumpe 20 vorgesehen. Sie steht 35 Dichte im wesentlichen unverändert bleibt. Das beüber das eine Ende der Zusatzleitung 19 mit dem deutet, daß das kritische Volumen des Reaktors ge-Reflektorraum und damit mit der Zone I in Verbin- maß der Erfindung wesentlich kleiner ist als das eines dung, während sie über das andere Ende an die Zone II vergleichbaren Siedewasserreaktors, angeschlossen ist. Beim Ausführungsbeispiel hat die Der innerhalb der Wanne 5 sich allmählich erDruckpumpe 22 einen Überdruck von etwa 20 at 40 wärmende Moderator tritt durch die oberen Durchtrittsöffnungen 7 aus und vereinigt sich mit der im Reflektorraum befindlichen Moderatormenge. Aus diesem Reflektorraum, der, wie schon gesagt, unter dem Dampfdruck der Zone I steht, wird durch die

Fig. 2, in Strömungsrichtung gesehen, hinter den in 45 Druckpumpe 20 der auf etwa 220° C aufgewärmte das Druckrohr 21 des Brennstoffelementes eingelager- Moderator abgepumpt und erneut auf den erforderten Brennstoffplatten 22, etwa in Höhe des bereits liehen Überdruck der Zone II gebracht. Außer dem in weiter oben erwähnten Haltegerüstes 6. Mit dem den Reflektorraum durch die Durchtrittsöffnungen 7 unteren konischen Ende, das die Eintrittsöffnungen 23 eintretenden Moderator sammelt sich in diesem noch für das Arbeitsmittel aufweist, sitzt das Brennstoff- 50 der beim Aussprühen aus den Düsen nicht in die element in den Durchbrechungen 9 der Zwischen- Dampfphase übergegangene und der etwa an den Gewand 8. Durch die im oberen Teil des Brennstoff- fäßwandungen kondensierte Teil des Moderators, elementes angeordnete Reguliereinrichtung 24 ist der Die durch die Erfindung erzielten Verbesserungen

Strömungsquerschnitt für den Moderator in den bestehen gegenüber einem Druckwasserreaktor darin, Düsen 2 mit Hilfe des Kolbens 25 verstellbar. Da der 55 daß der größte Teil des Reaktorgefäßes nur für den Neutronenfluß und damit die Energieausbeute beim relativ niedrigen Verdampfungsdruck des Moderators Reaktor gemäß der Erfindung über den Reaktorgefäß- bemessen sein muß. Lediglich der Boden des Reaktorquerschnitt etwa sinusförmig verteilt ist, sind auch gefäßes und die Zwischenwände sind stärker auszudie Düsen über diesen Querschnitt gemäß der Neu- bilden. Im speziellen Fall ist im Vergleich zu einem tronenflußverteilung eingestellt. Die Strömungsquer- 60 Druckwasserreaktor mit Druckrohren der Überdruck schnitte nehmen also von der Gefäßachse aus, in in den Brennstoffelementen gegenüber den in den radialer Richtung gesehen, allmählich ab; dadurch Druckrohren dieses Reaktortyps wesentlich niedriger, wird erreicht, daß die Temperatur des aus den Düsen Ferner gestattet die Erfindung ein Auswechseln der ausdampfenden Moderators über den gesamten Quer- Brennstoffelemente, wie beim Siedewasserreaktor beschnitt gleich ist. Bei Änderung des Gesamtdurch- 63 kannt, durch die Auswechselrohre 12. Beim Druckflusses durch den Reaktor sorgt der Kolben 25 unter
dem Einfluß der Feder 26 und der Dämpfungskammer
dafür, daß die grundsätzliche Einstellung der

Wanne 5, in der sie ringrohrartig endet.

Zur Erzeugung des Druckunterschiedes zwischen den Zonen I und II ist die in die Zusatzleitung 19 ein-

gegenüber der Zone I aufzubringen, in der nach der Druckabsenkung des Moderators durch die Düsen 2 ein Druck von etwa 26 at herrscht.

Die Düsen 2 befinden sich bei der Anordnung nach

Düsenquerschnitte gemäß der Neutronenfmßverteilung
gleichbleibt.

wasserreaktor mit Druckkessel ist man dagegen gezwungen, den Druckkessel zu öffnen. Beim Druckwasserreaktor mit Druckrohren müssen in diesem
Fall die Zuleitungen zu den Brennstoffelementen ge-

70 löst werden.

Schließlich erhöht sich auch noch der thermische Wirkungsgrad des Reaktors gemäß der Erfindung gegenüber den genannten Reaktortypen. Mit Hilfe der einstellbaren Düsen kann man nämlich auf einfache Weise die Aüstrittstemperatur des Moderators über den ganzen Querschnitt des aktiven Kerns gleichhalten.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Kernreaktor mit einem zugleich als Moderator wirksamen Arbeitsmittel und einem Reaktorgefäß, das zwei Druckzonen aufweist, von denen die eine als Verdampfungszone unter dem Dampfdruck des Arbeitsmittels und die andere als Reaktionszone unter höherem Druck als die Verdampfungszone steht, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Druckzonen über Düsen miteinander in Verbindung stehen.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen in den den Brennstoff enthaltenden Strömungskanälen, in Strömungsrichtung gesehen, hinter den letzteren angeordnet sind.

3. Kernrealetor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsquerschnitt der Düsen verstellbar ist.

4. Kernreaktor nach Anspruch. 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen entsprechend der Neutronenfluß verteilung über den Reaktorgefäßquerschnitt eingestellt sind.

5. Kernreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Düsenöffnung ein Kolben axial verschiebbar und nachgiebig angeordnet ist.

6. Kernreaktor nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Druckunterschiedes zwischen der Zone niederen und der Zone höheren Druckes eine zusätzliche Umwälzleitung für das Arbeitsmittel vorgesehen ist, in welcher sich eine Druckpumpe befindet.

7. Kernreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktorgefäß ein Teil der Zone höheren Druckes gegen die Zone niederen Druckes durch eine Zwischenwand abgegrenzt ist, in welche Rohre, die den Brennstoff enthalten (Brennstoffelemente), eingesetzt sind.

8. Kernreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gitterartig angeordneten Brennstoffelemente von einer unter dem Verdampfungsdruck stehenden Wanne umgeben sind, die mit der Speiseleitung für das Moderatorkondensat in Verbindung steht.

9. Kernreaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwand der Wanne im oberen Teil Durchtrittsöffnungen aufweist, durch die der Moderator in den Reflektorraum übertritt.

10. Kernreaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektorraum nach oben direkt mit dem Dampfraum und nach unten unter Zwischenschaltung einer Druckpumpe über die zusätzliche Umwälzleitung mit der Zone II höheren Druckes in Verbindung steht.

In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 753 130.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen