DE1083947B - Einrichtung zum Regeln eines Kernreaktors - Google Patents

Description

deutsches

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Regeln eines zur Dampferzeugung dienenden Kernreaktors, bei dem die Dampferzeugung entweder mittelbar oder unmittelbar erfolgt.

Bei einem zur mittelbaren Dampferzeugung dienenden Kernreaktor wird das zur Kühlung des Reaktorkerns dienende Kühlmittel nach der Erwärmung im Reaktor in einem primären Umlauf durch einen oder mehrere Wärmeaustauscher geleitet, in welchen es die Verdampfung des Strömungsmittels eines sekundären Umlaufes bewirkt. Nach Durchströmung dieses Wärmeaustauschers wird das primäre Kühlmittel durch Pumpen, Gebläse, Kompressoren oder dergleichen Apparate wieder dem Reaktorkern zurückgeleitet, so· daß der primäre Umlaufkreis geschlossen ist. Der Dampf des sekundären Umlaufes ist der eigentliche nutzbare Dampf. Das primäre Kühlmittel kann entweder ein Gas bzw. Dampf oder aber auch ein nicht verdampfendes Strömungsmittel sein. Das gleiche gilt für den sekundären Umlauf (Fall 1 und 2).

Bei der unmittelbaren Dampferzeugung in einem Reaktor wird dagegen das primäre Kühlmittel, beispielsweise eine Flüssigkeit, im Inneren des Reaktorkerns teilweise verdampft und dieser entstehende Dampf direkt genutzt. Der nicht verdampfende Teil des primären Kühlmittels wird wieder durch Pumpen oder dergleichen Apparate dem Reaktorkern zurückgeleitet, wodurch der Kreislauf geschlossen wird (Fall 3),

Sowohl bei der mittelbaren als auch unmittelbaren Dampferzeugung der oben bezeichneten Art ist also stets ein geschlossener primärer Kühlmittelkreislauf vorgesehen, der beispielsweise durch einen oder mehrere Ventilatoren, Pumpen, Kompressoren oder Einrichtung zum Regeln
eines Kernreaktors

Anmelder:

Societe Anonyme Cockerill-Ougree,
Seraing (Belgien)

Vertreter: Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls

und Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Pechmann,

Patentanwälte, München 9, Schweigerstr. 2

Beanspruchte Priorität:
Luxemburg vom 1. Juli 1957

Pierre Maldague, Brüssel,
ist als Erfinder genannt worden

— wenn das Kühlmittel ein flüssiges Metall ist —

durch elektromagnetische Pumpen oder dergleichen Apparate in Umlauf gehalten wird.

Die Menge des in das Innere des Reaktorkerns geförderten primären Kühlmittels ist bei den bekannten Einrichtungen gleichbleibend oder veränderlich. Die zur Erzielung einer veränderlichen Fördermenge erforderliche Apparatur ist kostspieliger und empfindlicher als die für eine gleichbleibende Fördermenge, hingegen kann der Kraftverbrauch geringer gehalten werden, wenn der Reaktor nicht voll ausgelastet ist. Die Veränderung der Fördermenge des primären Kühlmittels im Kern wird bei den bekannten nuklearen Dampferzeugern durch Einrichtungen erzielt, bei welchen die Steuerung der Apparate für den Zwangsumlauf des primären Kühlmittels automatisch genau bestimmten Charakteristiken der Arbeitsweise des Reaktors unterworfen wird, wie z. B. dem Neutronenfluß des Kerns und/oder den Temperaturverhältnissen des primären Kühlmittels beim Eintritt bzw. Austritt aus dem Kern und/oder dem Druck des primären Kühlmittels im Reaktorgefäß. Es ist auch bekannt, bei nuklearen Dampferzeugern die Durchflußmenge des primären Kühlmittels in Abhängigkeit von der Nutzleistung des Reaktors gleichsinnig mit dieser zu ändern.

Die Nachteile dieser bekannten nuklearen Dampfgeneratoren sind folgende: Wenn die Fördermenge des primären Kühlmittels im Inneren des Reaktorkerns im wesentlichen gleichbleibend ist, so ist die zu seinem Umlauf benötigte Kraftleistung unnötig hoch, wenn der Reaktor nicht bei Vollast arbeitet, und außerdem ist keine Einwirkung auf die nuklearen oder sonstigen Eigenschaften des Dampferzeugers möglich. Ist dagegen die Fördermenge im Inneren des Reaktorkerns veränderlich, so sind zur Erreichung der erforderlichen Charakteristiken und/oder der elektrischen Steuerung der Pumpen oder dergleichen Apparate für den automatischen oder von Hand einstellbaren Zwangsumlauf des primären Kühlmittels komplizierte, kostspielige und empfindliche Einrichtungen nötig. Außerdem ist die Leistungsregelung des Reaktors durch diese bekannten Steuereinrichtungen nicht derart, daß auf weitere Hilfseinrichtungen zur Regulierung dieser Leistung verzichtet werden kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine einfache und sichere Regeleinrichtung für dampferzeugende Kernreaktoren zu schaffen, die die Durchflußmenge des

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primären Kühlmittels in Abhängigkeit von der Nutz- Sämtliche Apparate und/oder Umläufe der Regelleistung" des Reaktors ändert, wobei kostspielige Regel- einrichtung gemäß der Erfindung können beispielseinrichtungen vermieden werden. weise einzeln oder zusammen verdoppelt oder verviel-

Das Neue gemäß der Erfindung besteht darin, daß facht werden; auch der Reaktorkern kann in zwei oder

der Umlauf des primären Kühlmittels unmittelbar von 5 mehr getrennte Teile oder Abschnitte geteilt sein, und

dem erzeugten Dampf bewirkt wird derart, daß die jeder dieser Teile kann einen Umlauf primären Kühl-

Durchflußmenge des primären Kühlmittels der Dampf- mittels aufweisen,

fördermenge proportional ist. Als ein die Erfindung in keiner Weise begrenzendes

Die Regeleinrichtung des nuklearen Dampferzeu- Beispiel ist in Fig. 1 eine erste Ausführungsform des

gers gemäß der Erfindung besitzt den Vorteil, daß die io nuklearen Dampferzeugers nach der vorliegenden Er-

zum Zwangsumlauf des primären Kühlmittels erfor- findung unter Bezugnahme auf die obigen Fälle 1

derliche Kraftleistung automatisch und direkt den und 2 und unter Verwendung eines Reaktors, dessen

\^ron der erzeugten Menge nutzbaren oder primären Kern aus festen Kernbrennstoffelementen besteht,

Dampfes abhängigen erforderlichen Mindestwert hat. schematisch dargestellt. Dieses Schema zeigt nur die

Sie weist weiterhin den Vorteil auf, daß die auto- 15 hauptsächlichsten Apparaturen des nuklearen Dampfmatische Veränderung der Fördermenge des primären erzeugers nach der vorliegenden Erfindung; die zuKühlmittels im Inneren des Kerns direkt oder indirekt, sätzlichen, nicht dargestellten Apparaturen können von jedoch ohne das Eingreifen irgendeiner anderen Vor- irgendeiner bekannten Art sein. Die in Fig. 1 scherichtung, auf die nukleare Reaktivität des Reaktor- matisch dargestellte Ausführungsart weist ein Gefäß α kerns und auf die Temperaturverhältnisse im Inneren 20 auf, in welchem sich der Kern b des Reaktors bedesselben wirkt und auf diese Weise eine teilweise findet, der mittels einer Stütze c auf dem unteren Teil oder vollständige Selbstregulierung bewirkt, durch des Gefäßes α ruht. Die Regelstäbe d sind durch Stanwelche die anderen Kontroll- und/oder Regulierungs- gen e mit dem Steuermechanismus f verbunden. Dieser vorrichtungen einfacher und weniger kostspielig ge- Steuermechanismus / sowie die Stäbe d selbst können macht oder sogar überflüssig werden. 25 von irgendeiner bekannten Art sein. Das primäre

Bei einem Kernreaktor mit mittelbarer Dampf- Kühlmittel tritt in 1 in das Reaktorgefäß α ein und erzeugung kann der erzeugte nutzbare Dampf in eine erfährt im Kern b eine Erhitzung als Folge der von Turbine mit geringer Entspannung geleitet werden, diesem Kern entwickelten Energie. Hierauf verläßt welche einen den Umlauf des primären Kühlmittels das primäre Kühlmittel in 2 das Reaktorgefäß α und bewirkenden Apparat, beispielsweise einen Ventilator, 30 tritt in 3 in den Wärmeaustauscher g ein, wo es sich ein Gebläse, einen Kompressor, eine Pumpe od. dgl., abkühlt und die Verdampfung des Wassers des in 6 antreibt. Der den Umlauf bewirkende Apparat kann in den Wärmeaustauscherg· eingeschalteten sekundären jedoch auch von einer Turbine mit normaler Entspan- Umlaufs hervorruft. Das primäre Kühlmittel tritt in 4 nung getrieben werden, die über eine die Geschwindig- aus dem Wärmeaustauscher g aus und tritt sodann in keit der Turbine proportional zur Dampffördermenge 35 den Apparat h ein, in welchem sein Druck wieder erregelnde Steuerstelle mit nutzbarem Dampf gespeist höht wird. Je nach der Art des primären Kühlmittels wird. und dem Umfang der im Apparat h erzielten Druck-

Bei unmittelbarer Dampferzeugung kann eine erhöhung handelt es sich bei diesem Apparat um einen Wiederumlaufpumpe vorgesehen sein, welcher einer- Ventilator, ein Gebläse, einen Kompressor oder eine seits der nicht verdampfte Hauptteil des primären 40 Pumpe; das primäre Kühlmittel verläßt den Apparat h Kühlmittels und andererseits die Speiseflüssigkeit des in 5 und tritt in 1 in das Reaktorgefäß α ein. Der primären Kühlmittels zugeführt wird, sowie eine Tür- Apparat ν von irgendeiner bekannten Art spielt die bine mit geringer Entspannung, welcher der erzeugte Rolle eines Expansionsbehälters und hält gleichzeitig Dampf des Kühlmittels zugeleitet wird und die die den Mindestdruck des primären Umlaufes in 4 in ent-Wiederumlaufpumpe antreibt und von der aus der 45 sprechender Höhe. Das Wasser des sekundären UmDampf seiner Verwertung zugeführt wird. Auch hier laufes, das in 6 in den Wärmeaustauscher g eintritt, kann jedoch eine Turbine mit normaler Entspannung wird dort in nutzbaren Dampf verwandelt und verVerwendung finden, die mit einem Durchfluß anzeiger läßt den Austauscher in diesem Zustand in 7, worauf der Fördermenge des Dampfes des primären Kühl- es in 8 in die Turbine i mit geringer Entspannung einmittels zusammenwirkt. Die Regeleinrichtung gemäß 5° tritt, aus welcher es in 9 wieder austritt, nachdem es der Erfindung besitzt den Vorteil, daß die Apparatur, das Laufrad in Drehbewegung versetzt hat (Turwelche nötig ist, um automatisch den der Dampfmenge bine ϊ). Der in 9 austretende nutzbare Dampf steht angepaßten Zwangsumlauf zu erzielen, sehr einfach, zur Verwendung zur Verfügung. Die Turbine i treibt sehr robust und sehr billig ausgeführt werden kann. über die Welle ; den Apparat h. Der Wärme-

Die Turbine und die von ihr angetriebene Pumpe 55 austauscher g, der Apparat h und die Turbine i kön-

sind vorzugsweise in einem gemeinsamen dichten Ge- nen von jeder beliebigen bekannten Art sein,

häuse angeordnet, das keinerlei Dichtungen für be- Wenn der in Fig. 1 schematisch dargestellte nukleare

wegliche, nach außen führende Teile od. dgl. aufweist. Dampferzeuger entsprechend einem festgesetzten Be-

Durch diese Anordnung wird vermieden, daß durch trieb arbeitet, so haben die Leistungen, Drücke,

Entweichen von primärem Kühlmittel die Umgebung 60 Temperaturen und Fördermengen einen bestimmten

radioaktiv verseucht wird. Durch diese Anordnung Wert. Bewirkt man unter diesen Bedingungen in 9

gemäß der Erfindung werden kostspielige und emp- eine zusätzliche Entnahme des vom nuklearen Dampf-

findliche Dichtungen überflüssig. erzeuger gelieferten Dampfes, so wirkt sich dies not-

Bei der unmittelbaren Dampferzeugung kann außer- wendigerweise in 9 durch eine Druckverminderung dem zur zusätzlichen Zuführung der Speiseflüssigkeit 65 aus. Die Menge des in die Turbine i einströmenden ein Steuerventil für die Speisung mit primärem Kühl- Dampfes erhöht sich, und damit steigt auch die Drehmittel vorgesehen sein, das in Abhängigkeit von dem geschwindigkeit der Turbine i. Der von der Turbine i Flüssigkeitsstand und dem Druck im Reaktorgefäß so angetriebene Apparat h dreht sich schneller, und die gesteuert wird, so daß im Reaktorgefäß ein bestimmter Fördermenge des primären Kühlmittels wird größer. Flüssigkeitsstand aufrechterhalten wird. 7° Wenn der Steuermechnismus der Regelstäbe d die

Stellung der Stäbe nicht verändert, so erleidet die durchschnittliche Temperaturhöhe des primären Umlaufes in ihrer Gesamtheit eine Verminderung, wodurch eine fortschreitende Erhöhung der Reaktivität des Reaktorkerns hervorgerufen wird, da dieser, wie aus der Praxis bekannt, einen negativen Reaktivitätskoeffizienten in bezug auf die Temperatur hat. Es stellt sich ziemlich rasch ein neuer Betriebszustand ein, bei welchem die Leistung des Reaktors einen neuen Wert hat, der der erhöhten Fördermenge des nutzbaren Dampfes angepaßt ist und bei welchem die durchschnittliche Höhe der Temperaturen des primären Umlaufes praktisch ihren vorherigen Wert wieder erreicht hat. Ähnliche Überlegungen gelten für den Fall, daß man, anstatt die Dampfentnahme in 9 zu erhöhen, dieselbe vermindert; in diesem Falle begleitet eine vorübergehende Erhöhung der mittleren Temperaturen des primären Umlaufes die Verminderung der Fördermenge des primären Kühlmittels und ruft ziemlich rasch einen neuen Betriebszustand hervor, bei welchem die Höhe der Temperaturen des primären Umlaufes praktisch wieder ihren vorherigen Wert erreicht hat und die Leistung des Reaktors einen neuen, der verminderten Menge nutzbaren Dampfes angepaßten Wert hat. Die obengenannten drei ersten, allgemeinen Vorteile der Erfindung, die nachstehend kurz aufgeführt werden:

1. automatische Anpassung der zum Zwangsumlauf des primären Kühlmittels erforderlichen Leistung an die erzeugte Menge nutzbaren Dampfes,

2. Einfachheit, Robustheit und geringe Kosten der Apparatur, die nötig ist, um diesen Zwangsumlauf automatisch zu erzielen,

3. Selbstregulierung der Leistung des Reaktors in Abhängigkeit von der dem nuklearen Dampferzeuger entnommenen Dampfmenge,

ergeben sich klar und gleichzeitig aus der obigen Beschreibung der in Fig. 1 schematisch dargestellten Anwendung der Erfindung.

Ein vierter Vorteil der in Fig. 1 schematisch dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die den verschiedenen Dampfleistungen des nuklearen Dampferzeugers entsprechenden Betriebszustände durch das Gleichbleiben der Eintritts- und der Austrittstemperatur des pri- 4-5 mären Kühlmittels gekennzeichnet sind. Tatsächlich ist die Fördermenge des primären Kühlmittels, da sie praktisch proportional zur Menge des nutzbaren Dampfes ist, im Betrieb praktisch proportional zu der vom Reaktor entwickelten Leistung; dies bringt praktisch das Gleichbleiben des Unterschiedes zwischen der Temperatur des primären Kühlmittels in 1 und der in 2 mit sich, und da außerdem im obigen gezeigt wurde, daß die mittlere Höhe der Temperaturen für jeden Betriebs-Gleichgewichtszustand praktisch konstant ist, so· sind diese Temperaturen notwendigerweise konstant, gleichgültig, welcher Betriebszustand herrscht.

Hieraus ergeben sich die nachstehenden, günstigen Folgen:

Die von der Temperatur des primären Kühlmittels in allen Apparaturen des primären Umlaufes hervorgerufenen thermischen Spannungen sind praktisch konstant im Betrieb und demnach keinen Veränderungen unterworfen, die in den diesen Spannungen innerhalb der Apparaturen des primären Umlaufes ausgesetzten Materialien Ermüdungserscheinungen bewirken könnten. Außerdem ist der Unterschied zwischen der Oberflächentemperatur der Kernbrennstoffteile an einem bestimmten Punkt und der örtlichen Temperatur des primären Kühlmittels proportional zu der vom Kern entwickelten Leistung und praktisch umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit des primären Kühlmittels; da der Quotient dieser beiden letzteren Faktoren gemäß der Definition der Erfindung konstant ist, so ergibt sich daraus, daß die obige Temperaturdifferenz in dem bestimmten Punkt praktisch konstant ist, gleichgültig, welcher Betriebszustand herrscht. Da andererseits die Temperatur des primären Kühlmittels einen praktisch konstanten Wert im Betrieb hat, gleichgültig, wie groß die Menge des vom nuklearen Dampferzeuger nach der Erfindung gelieferten Dampfes ist, so ist demnach die Oberflächentemperatur an jedem Punkt im Betrieb praktisch unabhängig von dieser Menge. Dies ist ein ernsthafter Vorteil hinsichtlich der Lebensdauer der Ummantelung der Kernbrennstoff teile. Die langfristigen Veränderungen der Reaktivität des Reaktorkerns, die einerseits von den Veränderungen der von diesem entwickelten Leistung und andererseits der fortschreitenden Vergiftung des Kernbrennstoffes durch die Spaltprodukte herrühren, können durch die Wirkung der Regelstäbe ausgeglichen werden, welche durch irgendeine bekannte Vorrichtung gesteuert werden.

Mehrere Varianten der in Fig. 1 schematisch dargestellten Ausführungsform der Erfindung können erzielt werden, wenn man auf bekannte Art und Weise den AVärmeaustauscher g und/oder den Apparat h und/oder die Turbine i parallel verdoppelt. Fig. 2 zeigt schematisch als ein die Erfindung in keiner Weise begrenzendes Beispiel eine durch Verdoppelung des Apparates h und der Turbine i erzielte Variante der in Fig. 1 schematisch dargestellten Ausführungsform. Bei dieser Variante teilt sich die in 7 aus dem Wärmeaustauscher g austretende Menge des nutzbaren Dampfes in 8 in zwei gleiche Teile, deren einer in 8' in die Turbine i' und deren anderer in 8" in die Turbine i" eintritt; die in 9' bzw. 9" aus den Turbinen i' und i" austretenden gleichen Dampfmengen werden in 9 vereinigt und von dort in 10 der Verwendung zugeführt. Die aus dem Wärmeaustauscher g austretende Menge des primären Kühlmittels teilt sich in 4 in zwei gleiche Teile, deren einer bei 4' in den Apparat h' und deren anderer in 4" in den Apparat h" eintritt; die in 5' bzw. 5" aus den Apparaten h' und h" austretenden gleichen Mengen primären Kühlmittels werden in 5 vereinigt, von wo· aus sie zum Eintritt in das Reaktorgefäß geleitet werden (Punkt 1). Die Turbinen i' und i" treiben die Apparate h' und h" durch die Wellen /' bzw. /" an. Es ist klar, daß die Apparate h' und h" identisch sind, ebenso die Turbinen i' und i", und daß aus diesem Grunde die Aggregate (J', ;') und (i", /") identische Mermale haben und identisch auf gleiche Weise und parallel arbeiten. Somit ist die Arbeitsweise der Gesamtheit des in Fig. 2 schematisch dargestellten nuklearen Dampferzeugers identisch mit der des in Fig. 1 schematisch dargestellten nuklearen Dampferzeugers. Die erzielten Vorteile sind bei den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2 identisch. Die gleichen Vorteile werden bei jeder beliebigen Variante der Ausführungsform nach Fig. 1 erzielt, bei der Wärmeaustauscher g und/oder das Aggregat {i, h) in zwei oder mehr entsprechende identische Apparate geteilt sind.

Bei der in Fig. 1 schematisch dargestellten Ausführungsform der Erfindung und in den obigen Varianten wird die Proportionalität der Menge des primären Kühlmittels zur Menge des nutzbaren Dampfes des nuklearen Dampferzeugers durch das vorteilhafteste Mittel erzielt, d. h. unter Verwendung

einer oder mehrerer, von der vollen Menge nutzbaren Dampfes durchströmter Turbinen i (i^r, i" ...) mit geringer Entspannung zum Antrieb des Apparates oder der Apparate Ji Qi', Ji" ...).

Als ein die Erfindung in keiner Weise begrenzendes Beispiel stellt Fig. 3 schematisch eine Ausführungsform der Erfindung· dar, die der in Fig·. I schematisch dargestellten identisch ist, außer was die Antriebsart des Apparates Ji anbelangt. Bei der in Fig. 3 schematisch dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird der Apparat Ji durch eine Dampfturbine k mit normaler Entspannung und veränderlicher Geschwindigkeit angetrieben, durch welche eine in 9 von der in Richtung zur Verwendung strömenden Menge nutzbaren Dampfes abgezweigte Dampfmenge strömt. Diese in 9 abgezweigte Dampfmenge wird durch ein Regelgerät m geleitet und tritt sodann in 8 in die Turbine k ein, die sie in 10 verläßt. Das Gerät m bewirkt eine veränderliche Drosselung der Dampfmenge in Richtung auf die Turbine k. Durch die durch das Regelgerät m bewirkte Drosselung wird die Geschwindigkeit der Turbine k proportional der Gesamtfördermenge des im Wärmeaustauscherg· erzeugten nutzbaren Dampfes unterworfen. Zu diesem Zweck wird die Gesamtmenge nutzbaren Dampfes, die bei 7 den Wärmeaustauscher g verläßt, in einen Durchflußanzeiger?! geleitet, aus dem sie bei 9 austritt. Der Durchflußanzeiger η ist mit dem Regelgerät m durch die elektrischen und/oder pneumatischen und/oder hydraulischen Verbindungen p verbunden. Das Regelgerät m wird durch die Verbindungen q mit pneumatischer und/oder hydraulischer und/oder elektrischer Energie gespeist und steht in mechanischer und/oder hydraulischer und/oder pneumatischer und/oder elektrischer Verbindung mit der Welle der Turbine k, deren Geschwindigkeit es regelt, wobei diese Verbindung von beliebiger bekannter Art sein kann. Die Geräte m und η können ebenfalls von beliebiger bekannter Art sein. Der in 10 aus der Turbine k ausströmende Dampf kann auf irgendeine bekannte Art und Weise genutzt werden; beispielsweise kann der ausströmende Dampf, wie bei den Turbo-Speisepumpen der mit fossilen Brennstoffen betriebenen Dampferzeuger üblich, in Haupt- und/oder Hilf skondensatoren der den Dampf, verwendenden Einrichtung kondensiert werden. Die in die Turbine k der Fig. 3 abgezweigte Dampfmenge ist klein im Vergleich zu der bei 9 austretenden Hauptmenge des nutzbaren. Dampfes. Die Turbine k kann von beliebiger bekannter Art mit normaler Entspannung sein. Es ist klar, daß die Arbeitsweise des in Fig. 3 schematisch dargestellten nuklearen Dampferzeugers mit der der in Fig. 1 schematisch dargestellten Ausführungsart identisch ist, da die Gesamtheit der Apparatur (h, k, m, n) praktisch die gleichen Bedingungen der Proportionalität zwischen der Menge des nutzbaren Dampfes und der Menge des primären Kühlmittels wie die in Fig. 1 schematisch dargestellte Gesamtheit der Apparatur (Ji, ι) aufweist und erfüllt. Varianten der in Fig. 3 schematisch dargestellten Ausführungsform der Erfindung können erzielt werden, wenn der Wärmeaustauscher g und/oder der Apparat Ji und/oder die Turbine Ji und/oder der Regelapparat m und/oder der Apparat η auf bekannte Art und Weise, wofür in Fig. 2 ein Beispiel gegeben wurde, in zwei oder mehr entsprechende, vorzugsweise identische Apparate geteilt ist oder sind.

Die Fig. 1, 2 und 3 stellen schematisch eine erste Ausführungsform des nuklearen Dampferzeugers nach der vorliegenden Erfindung sowie Varianten dieser Ausführungsform in bezug auf die obigen Fälle 1 und 2 dar, bei welchen der Reaktorkern aus festen Elementen von Kernbrennstoff besteht.

Als ein die Erfindung in keiner Weise begrenzendes Beispiel bezieht sich eine zweite Ausführungsform der Erfindung auf die obigen Fälle 3 und 4, wobei der Reaktorkern ebenfalls aus festen Kernbrennstoffelementen besteht. Diese zweite Ausführungsform der Erfindung ist diejenige, welche die größten Vorteile bietet. Sie bringt nämlich den obenerwähnten vierten

ίο Vorteil allgemeiner Art mit sich, der sich nicht auf die in den Fig. 2 und 3 beschriebene Ausführungsform bezieht, sowie weitere Vorteile, die nachstehend herausgestellt werden.

Als ein die Erfindung in keiner Weise begrenzendes Beispiel stellt Fig. 4 schematisch eine erste Art der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Bei dieser Variante spielt das primäre Kühlmittel zugleich die Rolle eines Moderators und eines Reflektors, und der nutzbare, vom nuklearen Dampferzeuger

ao gelieferte Dampf ist der Dampf, der im Inneren des Reaktorkerns aus dem primären Kühlmittel erzeugt wird. Der in Fig. 4 schematisch dargestellte Dampferzeuger weist ein Gefaßt α auf, in welchem sich der Kern b des Reaktors befindet, der mittels einer dichten

as Stütze c auf dem unteren Teil des Gefäßes α ruht. Über der dichten Stütze c ist ein an der Form des Kerns b anliegender Ring angeordnet. Als ein die Erfindung in, keiner Weise begrenzendes Beispiel weist der Reaktor keine Regelstäbe auf. Das Gefäß a des Reaktors ist durch eine Leitung p und eine Leitung q, die in den oberen bzw. unteren Teil des Gefäßes a münden, mit einem Regelgerät f zur Regulierung der Höhe η des primären Kühlmittels und des im Gefäß a herrschenden Dampfdruckes verbunden. Das primäre Kühlmittel tritt in 1 in das Reaktorgemäß α ein und wird im Reaktorkern b einer durch die vom Kern entwickelte Energie hervorgerufenen Erhitzung unterworfen. Im Verlauf seines DurchstrÖmens durch den Kern b wird ein geringer Bruchteil der Menge des primären Kühlmittels im Inneren des Kerns b der Verdampfung unterworfen. Der nicht verdampfte Hauptteil des primären Kühlmittels gelangt nach dem Durchströmen des Kerns b wieder rings um den Kern V nach unten und tritt in 2 aus dem Reaktorgefäß α aus, von wo das primäre Kühlmittel zum Eintritt 3 in die Pumpe Ji für den Zwangsumlauf geleitet wird. Nachdem es in der Pumpe Ji eine Druckerhöhung erfahren hat, verläßt das primäre Kühlmittel dieselbe in 5 und tritt in 1 in das Reaktorgefäß a ein. Der im Inneren des Kerns b erzeugte Dampf des primären Kühlmittels steigt in den oberen Teil des Reaktorgefäßes a, verläßt dasselbe in 7 und wird in 8^; in die Turbine i mit geringer Entspannung geleitet. Nach seinem Austritt aus der Turbine i in 9 ist der Dampf des primären Kühlmittels in 10 zur Verwendung bereit. Die Speisung des nuklearen Dampferzeugers mit zu verdampfendem primärem Kühlmittel erfolgt in 6, wo diese Flüssigkeit zu einem Regelventil d geleitet wird, worauf es in 4 in den Wiederumlauf des primären Kühlmittels eintritt, beispielsweise, jedoch ohne die Erfindung in irgendeiner Weise zu begrenzen, bei der Ansaugstelle der Pumpe h, wo es sich mit der in 3 eintretenden Fördermenge des Wiederumlaufs vermischt. Der Öffhungs- grad des Regelventils d wird durch eine Vorrichtung e gesteuert, die mittels einer Verbindung g dem Regelgerät f unterworfen ist. Die Turbine i treibt die Pumpeh über eine Welle/. Die Abschnitte des primären Umlaufes zwischen den Punkten 2 und 3 einerseits und 5 und 1 andererseits sind durch einen Ab-

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zweigungsumlauf verbunden, der nur zum Anlaufen Reaktivität hervor, und zwar infolge der Tatsache,

und Anhalten des nuklearen Dampf generators dient. daß bei der in Frage stehenden Ausführung das pri-

Dieser Abzweigungsumlauf ist mit einer Pumpe r und märe Kühlmittel gleichzeitig die Rolle des Reflektors

einem Rückschlagventil s versehen. Der primäre spielt.

Hauptumlauf von 5 bis 1 ist ebenfalls mit einem 5 Als besonders wichtig ist die Tatsache zu bewerten,

Rückschlagventil ν versehen. Der Dampfleitungs- daß die in Fig. 4 schematisch dargestellte Ausfüh-

abschnitt zwischen den Punkten 9 und 10 ist mit einem rungsform der Erfindung durch sehr einfache und

Absperrschieber w versehen. Diese Apparate r, s, ν wenig kostspielige Mittel automatisch eine Selbst-

und w können von beliebiger bekannter Art sein. stabilisierung grundsätzlicher Art des nuklearen

Wenn der in Fig. 4 schematisch dargestellte Dampf- io Dampferzeugers bewirkt. Bei den bekannten Arten erzeuger entsprechend einem festgesetzten Betrieb nuklearer Dampferzeuger, bei welchen die Verdamparbeitet, haben die Leistungen, Drücke, Tempe- fung des gleichzeitig die Rolle des Moderators (und raturen und Fördermengen einen bestimmten Wert. Reflektors) spielenden primären Kühlmittels im Bewirkt man unter diesen Bedingungen in 10 eine zu- Inneren des Reaktorkerns vor sich geht, ist ein wesentsätzliche Entnahme des vom nuklearen Dampferzeuger 15 licher Nachteil die grundsätzliche UnStabilität der gelieferten Dampfes, so wirkt sich dies durch eine vom Reaktor erzeugten Leistung: Wenn man bei die-Druckverminderung in 9 aus. Die Menge des in die sen bekannten Dampferzeugern die Dampfentnahme Turbine i strömenden Dampfes erhöht sich, und erhöht, so verringert sich der Dampfdruck im oberen gleichzeitig steigt auch die Drehgeschwindigkeit der Teil des Gefäßes, wodurch eine Vergrößerung des von Turbine i. Die von der Turbine i getriebene Pumpe h 20 dem im Inneren des Kerns erzeugten Dampf eindreht sich schneller, und die Fördermenge des primären genommenen Volumens und aus dem gleichen Grund Kühlmittels erhöht sich. Da die Verdampfungsleistung eine Verringerung der Reaktivität und somit der des Reaktors zunächst unverändert bleibt, vermindert Verdampfungsleistung des Reaktors hervorgerufen sich das vom Dampf des primären Kühlmittels im wird, wodurch die Druckverminderung noch beschleu-Inneren des Reaktors eingenommene Volumen infolge 25 nigt wird. Die gleichen Erscheinungen stellen sich im der durch die Pumpe h bewirkten Erhöhung der Wie- umgekehrten Sinne ein, wenn man bei diesen bederumlaufmenge. Hierdurch steigt die Reaktivität des kannten Dampferzeugern die Dampfentnahme verrin-Reaktors, da dieser, wie aus der Praxis bekannt ist, gert, anstatt sie zu erhöhen; in diesem Falle erhöht einen negativen Reaktivitätskoeffizienten in Abhängig- sich der Dampfdruck im Gefäß selbstbeschleunigend, keit von dem vom Dampf im Inneren des Kerns ein- 30 Diese Erscheinungen charakterisieren deutlich die genommenen Volumen hat. Es stellt sich ziemlich grundsätzliche !Instabilität der nuklearen Dampfrasch ein neuer Betriebszustand ein, bei welchem die erzeuger der bekannten Systeme. Bei diesen Systemen Leistung des Reaktors einen neuen, der erhöhten ist man somit gezwungen, komplizierte und kost-Fördermenge des nutzbaren Dampfes angepaßten Wert spielige Einrichtungen vorzusehen, um die Leistung hat und bei welchem das im Inneren des Kerns vom 35 des Reaktors zu stabilisieren und diese Leistung der Dampf eingenommene Volumen praktisch seinen geforderten Dampfmenge anzupassen. In den meisten früheren Wert infolge der Proportionalität zwischen Fällen handelt es sich bei diesen Einrichtungen um der Fördermenge an nutzbarem Dampf und der For- Regelstäbe und um ein kompliziertes und kostspieliges dermenge des wieder in Umlauf gebrachten: primären Steuer- und Unterordnungssystem für dieselben.
Kühlmittels wieder erreicht hat. Nunmehr strebt in- 40 Bei der in Fig. 4 schematisch dargestellten Ausfolge der erhöhten Verdampfung der Stand η des Kühl- führungsform können die Apparate a, d, e, f, h und i mittels im Gefäß α danach, sich zu vermindern, so- von jeder beliebigen bekannten Art sein. Die Verbinlange das Regelventil d den Durchfluß einer erhöhten dung g kann pneumatisch und/oder hydraulisch und/ Menge primären Kühlmittels nicht gestattet. Hier oder elektrisch sein und eine oder mehr Leitungen greift das Regelgerät f ein, welches auf die Verminde- 45 und/oder .Leiter aufweisen. Sie kann durch jedes berung der Höhe reagiert, indem es durch die Verbin- liebige bekannte Mittel an eine pneumatische und/oder gung g und die Vorrichtung e eine Vergrößerung der hydraulische und/oder elektrische Speisequelle anöffnung des Ventils d bewirkt. Die gleichen Erschei- geschlossen sein.

nungen stellen sich im umgekehrten Sinne ein, wenn Das Regelgerät / für den Druck und den Stand des der Dampferzeuger anstatt einer Erhöhung der Dampf- 50 primären Kühlmittels im Gefäß α hat einen Handentnahme einer Verminderung der Entnahme unter- oder Fernsteuerungszeiger, der in drei Stellungen geworfen wird, und man erreicht auf diese Weise eben- bracht werden kann: Die erste Stellung dieses Zeigers falls einen neuen stabilen Gleichgewichtszustand. ist die Haltestellung des nuklearen Dampferzeugers;

Die langfristigen Veränderungen der Reaktivität wenn sich der Zeiger in dieser Stellung befindet, des Kerns bewirken, daß der Betriebsdruck des Reak- 55 steuert das Gerät f den öfifnungsgrad des Ventils d in tors sich auf lange Frist zu verändern sucht, so· daß solcher Weise, daß im Gefäß α ein bestimmter, nachdie entsprechende Temperaturveränderung infolge des stehend näher definierter Stand n' aufrechterhalten negativen Reaktivitätskceffizienten des Kerns in Ab- wird, und zwar gleichgültig, welchen Wert der Druck hängigkeit von der Temperatur automatisch die Sta- im Gefäß hat. Befindet sich der Zeiger in der zweiten bilisierung der Arbeitsweise des Reaktors bewirkt. 60 Stellung oder Anlaufstellung des nuklearen Dampf-Ais die Erfindung in keiner Weise begrenzendes Bei- erzeugers, so regelt der Apparat/ den öffnungsgrad spiel unterwirft das Regelgerät / zwecks Vermeidung des Ventils d in solcher Weise, daß ein sehr langdieser langfristigen Druckveränderungen die von ihm sames Ansteigen des Standes im Gefäß α hervorkontrcllierte Wasserstandshöhe automatisch den lang- gerufen wird; die Geschwindigkeit des Niveauanstiegs fristigen Druckänderungen; eine Verminderung des 65 ist vom Druck unabhängig, solange dieser unter einem Betriebsdruckes ruft eine Erhöhung des Be- vorausbestimmten Wert bleibt, und in. dem Augentriebs (wasser) Standes hervor, und umgekehrt, damit blick, in welchem dieser Wert erreicht wird, bewirkt der Druck automatisch wieder den verlangten Wert das Gerät / die Schließung des Ventils d. Wenn sich einnimmt. Die Veränderung des Standes des primären der Zeiger in der dritten Stellung oder normalen BeKühlmittels ruft eine entsprechende Änderung der 70 triebsstellung des nuklearen Dampferzeugers befindet,

ii

so wirkt das Gerät / auf das Ventil d in solcher Weise, daß der Stand auf einem Vergleichswert gehalten wird, wobei dieser Vergleichswert selbst durch einen negativen bzw. positiven Abweichungswert des Druckes im Gefäß α in bezug auf den verlangten Druck erhöht bzw. vermindert wird.

Das Anlaufen des in Fig. 4 schematisch dargestellten nuklearen Dampferzeugers kann beispielsweise, ohne hierdurch die Erfindung zu begrenzen, folgendermaßen erfolgen: Der Dampferzeuger wird zunächst als vollkommen, leer angenommen und das Ventil w als geöffnet. Man prüft zunächst, ob der Zeiger des Gerätes / richtig in Haltestellung steht. In dieser Lage gibt das Gerät / dem Stand η einen vorausbestimmten Wert n', bei welchem der Rohrstutzen 2 des Gefäßes a gerade noch untergetaucht ist. Das Ventil d ist also geöffnet, da ja das Gefäß α vollkommen leer ist. Nun läßt man fortschreitend das primäre Kühlmittel in 6 durch das handgesteuerte Ventil u eintreten. Wenn der Stand im Gefäß α den Wert n' erreicht hat, schließt sich das Ventil d unter der Wirkung des Gerätes f. Nun läßt man die Pumpe r anlaufen, welche den Stand im Kern b des Reaktors steigen läßt. Da die Stütze c wie auch ihre obere, der Form des Kerns b angepaßte Verlängerung dicht sind, steigt das primäre Kühlmittel über den Kern b und fällt in den Raum zwischen dem Kern b und den Wandungen des Gefäßes a. Der Stand in diesem Raum bleibt n', weil die auf das Ventil d wirkende Niveauregulierung eingreift. In diesem Augenblick erreicht der Reaktor noch nicht die kritische Phase, denn die seinen Kern b umgebende Menge Reflektor ist ungenügend. Man bringt nunmehr den Schaltzeiger des Regelgeräts / in die Anlaufstellung. Nun gestattet das Gerät / ein sehr langsames Ansteigen des Standes in dem Raum zwischen dem Kern b und den Wandungen des Gefäßes a. Dieser Raum füllt sich fortschreitend. Wenn der Stand n" erreicht, wird der Reaktor gerade kritisch. Die langsam weiter fortschreitende Füllung ruft eine leichte überkritische Phase des Reaktors hervor, der nun beginnt, Wärme zu erzeugen. Die durch diese Wärmeentwicklung bewirkte Temperaturerhöhung des Wassers ruft infolge des negativen Reaktivitätskoeffizienten des Reaktors in Abhängigkeit von der Temperatur eine Begrenzung der erzeugten Leistung hervor; diese Leistung wird durch die Füllgeschwindigkeit gesteuert. Während die Füllung fortschreitet, erhöht sich die Temperatur des primären Kühlmittels schrittweise, bis sie den Siedepunkt unter dem atmosphärischen Druck erreicht, und solange das Ventil w geöffnet bleibt, wird die Reaktivität des Kerns nicht mehr durch die Temperaturerhöhung gesteuert, sondern durch das Volumen der Dampfblasen, die sich in seinem Inneren entwickeln. Die Füllung schreitet weiter fort, und die Leistung des Reaktors sowie die Dampfentwicklung des primären Kühlmittels erhöhen sich. Dieser Dampf verdrängt schrittweise die noch im Gefäß α verbliebene Luft, und nach dieser Entlüftung schließt man das Ventil w. Nunmehr beginnt der Druck im Gefäß α zu steigen bis zu dem Augenblick, wo er den vorausbestimmten Regelwert des Gerätes / erreicht. Man bringt nun den Regulierungszeiger des Gerätes f in die normale Betriebsstellung und öffnet fortschreitend das Ventil w. Die in die Turbine i strömende Dampfmenge bringt diese zum Anlaufen und bewirkt gleichzeitig eine steigende Wiederumlaufmenge des primären Kühlmittels zusätzlich zu der bis zu diesem Zeitpunkt von der Pumpe r gelieferten Wiederumlaufmenge. Wenn die Fördermenge des Dampfes den Betriebswert erreicht, stellt man die Pumpe r ab, und das Arbeiten des Dampferzeugers wird zu dem des normalen Betriebes, wie im obigen beschrieben.

Das Abstellen des in Fig. 4 schematisch dargestellten Dampferzeugers kann beispielsweise, ohne durch dieses Beispiel die Erfindung in irgendeiner Weise zu begrenzen, folgendermaßen erfolgen: Man bringt den Zeiger des Regelgerätes / in Haltestellung und läßt gleichzeitig die Pumpe r anlaufen. Der Stand des primären Kühlmittels im Gefäß σ· senkt sich nunmehr fortschreitend und stabilisiert sich in n'. Die Leistung des Reaktors fällt allmählich bis Null, und die vom Kern erzeugte Wärme verringert sich auf die von den Spaltprodukten erzeugte Wärme. Diese Wärme wird von der Verdampfung des durch die Pumpe r in Wiederumlauf gesetzten primären Kühlmittels absorbiert. Ein wichtiges Merkmal des in Fig. 4 schematisch dargestellten nuklearen Dampferzeugers nach der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß das Aggregat

ao Turbine i—Pumpe h in einen vollkommen dichten Körper eingeschlossen sein kann, der selbst keinerlei äußere Dichtung aufweist, die das primäre Kühlmittel darin hindert, zwischen den feststehenden und beweglichen Organen zu entweichen. Fig. 6 stellt schematisch die Anordnung der Turbine i und der Pumpe h in einem vollkommen dichten Körper 0 dar. Eventuelle Mengen entwichenen primären Kühlmittels, die von den Dichtungen der Turbine i und/oder der Pumpe h stammen, verbleiben in dem vollkommen dichten Körper, in welchem sich ein mitttlerer Druck des primären Kühlmittels einstellt. Aus diesem Grunde können die Turbine i und die Pumpe h von einer klassischen Ausführungsart sein, abgesehen von dem einen Punkt, daß die Lager dieser Maschinen vom primären Kühlmittel selbst geschmiert werden müssen. Wenn man alle diese Elemente berücksichtigt, so ist das Aggregat Turbine i — Pumpe h sehr robust und sehr wenig kostspielig.

Die besonderen Vorteile der in Fig. 4 schematisch dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind, außer den vier obigen Vorteilen allgemeiner Art, folgende:

Dieser nukleare Dampferzeuger ist äußerst einfach, und seine Ausführung ist wenig kostspielig. Die Herstellung des Reaktorgefäßes macht tatsächlich nur die üblichen Kesselschmiedarbeiten ohne besondere Präzision erforderlich. Die starken Dampfleitungen weisen nur ein dichtes Absperrventil auf. Dieser Teil kann infolge seiner Art und seiner Abmessungen kostspielig sein, aber es ist der einzige wichtige Sonderteil des vollständigen Dampferzeugers. Die starken Wiederumlaufleitungen des primären Kühlmittels weisen nur ein Rückschlagventil bekannter Art auf, das somit wenig kostspielig ist. DieLeitung desAbzweigumlaufes hat infolge der geringen Menge, die diesen Umlauf beim Inbetriebsetzen und Abstellen des Dampferzeugers durchströmt, einen geringen Querschnitt. Sie weist nur ein kleines Rückschlagventil bekannter Art und eine Spezialpumpe auf, die vollkommen dicht sein muß. Dank den geringen Maßen und ihrer geringen Leistung ist diese Pumpe verhältnismäßig wenig kostspielig. Wie oben erwähnt, sind die Turbine i und die Pumpe h einfach und wenig kostspielig. Das Ventil d, das dicht sein muß, ist infolge seiner geringen Maße verhältnismäßig wenig kostspielig; es wird tatsächlich nur von der im nuklearen Dampferzeuger zu verdampfenden Menge primären Kühlmittels durchflossen, und diese Menge ist, volumenmäßig gesehen, ziemlich gering im Verhältnis zu der des erzeugten Dampfes. Das einzige eigentliche Regelaggregat ist die vom Gerät /

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und der Steuervorrichtung e des Ventils d gebildete Gesamtheit.

Im ganzen gesehen sind somit die Ausführungskosten des nuklearen Dampferzeugers nach Fig. 4 im Vergleich zu den Kosten der nuklearen Dampferzeuger der bekannten Arten sehr gering. Der Wiederumlaufkoeffizient ist sehr hoch; beispielsweise, jedoch ohne dadurch die Erfindung zu begrenzen, kann das Verhältnis der Gewichtsmenge des primären Kühlmittels zur Gewichtsmenge des erzeugten Dampfes bei Nor- ίο malbetrieb 60 sein. Dieser Faktor gestattet es, dem Kern b eine hohe thermische Leistung zu entziehen, so daß die spezifische Leistung dieses nuklearen Dampferzeugers sehr hoch ist, was in Verbindung mit den übrigen Faktoren einen sehr geringen Gestehungspreis pro installierte Leistungseinheit und seine geringe Immobilisierung von Kernbrennstoff bedingt. Im ganzen gesehen ist der Gestehungspreis der Tonne erzeugten Dampfes somit sehr niedrig im Vergleich zu dem bei den nuklearen Dampferzeugern der bekannten Arten erzielten.

Eine erste Variante der in Fig. 4 schematisch dargestellten Ausführungsform des Dampferzeugers kann man erhalten, wenn man das von der Turbine i und der Pumpe h gebildete Aggregat in zwei oder mehr identische und parallel arbeitende Aggregate aufteilt. Diese Variante, deren Arbeitsweise identisch ist, bedarf keiner besonderen Beschreibung, da ihr Schema, von der Fig. 4 ausgehend, auf die gleiche Art und Weise erzielt werden kann, wie die Fig. 2 von der Fig. 1 ausgehend erzielt wurde.

Eine zweite Variante kann man auf bekannte Art und Weise erhalten, indem man den mit der Pumpe r und dem Ventil s versehenen Abzweigungsumlauf durch zwei oder mehr identische Umläufe ersetzt.

Eine dritte Variante besteht darin, neben dem Gerät / und dem Ventil d, das mit seiner Steuervorrichtung e versehen ist, eine zweite identische Apparatur anzuordnen. Diese Variante, die aus Sicherheitsgründen wünschenswert sein kann, bedarf keines erläuternden Schemas, da sie sich aus der Anwendung bekannter Verfahren, ergibt.

Eine vierte Variante kann man erhalten, indem man die Turbine i mit geringer Entspannung durch eine durch Abzweigung mit einem Teil des nutzbaren Dampfes gespeiste Turbine mit normaler Entspannung ersetzt. Diese Variante mit identischer Arbeitsweise bedarf keiner besonderen Beschreibung, da sich ihr Schema, von der Fig. 4 ausgehend, auf die gleiche Art und Weise ergibt, wie die Fig. 3 aus der Fig. 1 abgeleitet wurde. Die beiden letzten Varianten sowie weitere mögliche Varianten, die darin bestehen, daß das Aggregat Turbine i — Pumpe h durch andere, die gleiche Bedingung der Proportionalität zwischen der Menge des primären Kühlmittels und der Menge des nutzbaren Dampfes erfüllende Vorrichtungen ersetzt wird, bringen im wesentlichen die gleichen Vorteile wie die in Fig. 4 schematisch dargestellte Ausführungsform mit sich; sie erfordern jedoch eine kompliziertere und kostspieligere Apparatur, wodurch der obenerwähnte zweite Vorteil allgemeiner Art in einem gewissen Grade vermindert wird.

Fig. S stellt schematisch die zweite, auf den obigen Fall 4 angewandte Ausführungsform des nuklearen Dampferzeugers nach der Erfindung dar, und zwar in einer Fassung, bei welcher der Reaktorkern wiederum aus festen Brennstoffelementen besteht und das primäre Kühlmittel gleichzeitig die Rolle des Moderators und des Reflektors spielt und einer Verdampfung ausschließlich im Inneren des Reaktorkerns unterworfen wird. Der Dampf des primären Kühlmittels wird in einem Wärmeaustauscher kondensiert und bewirkt in diesem die Verdampfung des Wassers des sekundären Umlaufes, wodurch der nutzbare Dampf erzeugt wird.

Der in Fig. 5 schematisch dargestellte nukleare Dampferzeuger weist die Elemente a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, p, q, r s und y auf, welche den Elementen des in Fig. 4 schematisch dargestellten nuklearen Dampferzeugers identisch sind. Das in Fig. 4 schematisch dargestellte Absperrventil w ist hier durch ein Abblaseventil y am höchsten Punkt des Wärmeaustauschers m ersetzt. Zugleich mit der Pumpe h wird von der Turbine i eine zusätzliche Pumpe k getrieben. Außerdem wird der Dampf des primären Kühlmittels, der in 9 aus der Turbine i ausströmt, in einem Wärmeaustauscher?«, in welchen er bei 10 eintritt, kondensiert. Das Kondensat wird in 11 aus dem unteren Teil des Austauschers m entnommen, wird von dort durch das Ventil d und hierauf bei 12 in die Pumpe k geleitet, aus welcher es in 13 austritt, um dem Wiederumlauf des primären Kühlmittels zugeführt zu werden, beispielsweise, jedoch ohne die Erfindung hierdurch zu begrenzen, zur Ansaugstelle der Pumpe h, wo es sich mit der primären Wiederumlaufmenge vermengt, die über die Punkte 2, 3, und 4 vom Reaktorgefäß a kommt. Der Wärmeaustauscher m wie auch die Pumpe k können von beliebiger bekannter Art sein. Das Wasser des nuklearen Umlaufs wird duch die Leitung t in den Austauscher m geleitet und durch Erwärmung in Berührung mit den Rohren w in Dampf verwandelt. Der erzeugte sekundäre Dampf tritt durch die Leitung u aus und ist zur Verwendung verfügbar. In seinem unteren Teil ist der Austauscher m als Sammelraum für das flüssige primäre Kühlmittel ausgebildet, der genügend groß ist, um dort außer einem Reservevolumen ein zusätzliches Volumen primären Kühlmittels zu halten, das mindestens dem Volumen entspricht, das im Gefäß α einerseits vom Stand n' und andererseits vom höchsten für den Betrieb des Reaktors in Betracht gezogenen Stand begrenzt wird.

Wie aus einem Vergleich der Fig. 4 und 5 hervorgeht, ist die Arbeitsweise der in diesen beiden Figuren schematisch dargestellten nuklearen Dampferzeuger, von einigen zweitrangigen Unterschieden abgesehen, identisch. Ein erster Unterschied liegt darin, daß das der Pumpe h zugeführte primäre Kühlmittel nicht aus dem Verbraucherkreis, sondern aus dem im untersten Teil des Wärmeaustauschers m angesammelten Reservevolumen des primären Kühlmittels stammt, dessen vom Ventil d geregelte Durchfluß menge von der Pumpe k unter Druck gesetzt wird, bevor sie bei 14 in die Pumpe h geleitet wird. Ein zweiter Unterschied liegt in der Tatsache, daß es nicht mehr erforderlich ist, in der Dampfleitung zwischen 9 und 10 ein AbStellventil einzuschalten, da der primäre Umlauf vollkommen geschlossen ist. Das Abblaseventil y dient zum Abblasen der in den Apparaten bei der Inbetriebsetzung enthaltenen Luft. Ein Füllventil ζ gestattet die Erstfüllung der Einrichtung mit primärem Kühlmittel. Der Wärmeaustauscher m muß auf der Seite primären Umlaufes vollkommen dicht sein.

Das Anlassen, das normale Arbeiten und das Abstellen des nuklearen Dampferzeugers, wie er in Fig. 5 schematisch dargestellt ist, erfolgen im wesentlichen wie bei dem in Fig. 4 schematisch dargestellten nuklearen Dampferzeuger. Vor der Inbetriebsetzung verfährt man beim sekundären Umlauf genau wie beim Wasserumlauf eines herkömmlichen, mit fossilem Brennstoff betriebenen Dampferzeugers. Wenn sich der Waserstand des sekundären Umlaufes im Wärme-

austauscher m eingestellt hat, läßt man den nuklearen Dampferzeuger nach Fig. 5 anlaufen, wie in bezug auf Fig. 4 beschrieben wurde. Wenn der primäre Umlauf den gewünschten Druck erreicht hat, kann man das Hauptventil des nutzbaren Dampfes des sekundären S Umlaufes öffnen, wodurch eine Verminderung des Druckes des Dampfes im sekundären Umlauf und zugleich eine Verringerung der Temperatur der Rohre w bewirkt wird. Infolgedessen verringert sich der Druck des primären Dampfes im Austauscher m, und dieTurbine i läuft an, wie oben beschrieben wurde. Die Veränderungen der Dampfbeanspruchung in u drücken sich durch entsprechende Veränderungen des Druckes des primären Kühlmittels im Austauscher m aus, wodurch die Leistung des Reaktorkerns b automatisch dem Bedarf an nutzbarem Dampf angepaßt wird.

Die Vorteile des in Fig. 5 schematisch dargestellten nuklearen Dampferzeugers nach der vorliegenden Erfindung sind im wesentlichen identisch mit den Vorteilen des in Fig. 4 schematisch dargestellten nuklearen Dampferzeugers nach der Erfindung. Die Herstellung des Wärmeaustauschers m erfordert nur herkömmliche Kesselschmiedarbeiten ohne besondere Präzision. Die Pumpe k kann mit der Turbine i und der Pumpe h in dem dichten Gehäuse (Körper) vereinigt werden, von welchem bei der Beschreibung des in Fig. 4 schematisch dargestellten nuklearen Dampferzeugers die Rede war. Einige sekundäre Unterschiede hinsichtlich der Vorteile sind zwischen den in Fig. 4 und 5 schematisch dargestellten Ausführungsformen der Erfindung festzustellen. Die Ausführung nach Fig. 4 ist weniger kostspielig als die nach Fig. 5, denn sie erfordert keinen Wärmeaustauscher m. Hingegen wird bei der Ausführung nach Fig. 5 nichtradioaktiver Dampf erzeugt, während der bei der Ausführungsform nach Fig. 4 erzeugte Dampf radioaktiv ist. Ob die eine Ausführungsform von größerem Interesse als die andere ist, hängt von der Verwendung ab, der man den erzeugten nutzbaren Dampf zuführen will. Soll der nutzbare Dampf zur Erzeugung von mechanischer Energie durch Entspannung in einer Turbine dienen, so zieht das Vorhandensein des Wärmeaustauschers m in der Ausführung nach Fig. 5 im Vergleich zu der Ausführung nach Fig. 4 eine Verminderung der Gesamtleistung der kompletten Energieerzeugungsanlage nach sich, gestattet jedoch andererseits die erforderlichen kostspieligen Vorkehrungen zu vermeiden, die die Verhinderung der radioaktiven Verseuchung und der Verluste des Kraftumlaufes nötig macht. Die einer jeden der beiden Ausführungen eigenen Vor- und Nachteile haben somit eine relative, von den dem jeweiligen Verwendungsfalle eigenen Gegebenheiten abhängende Bedeutung.

Varianten des in Fig. 5 schematisch dargestellten nuklearen Dampferzeugers nach der Erfindung kann man erhalten, wenn man, wie oben in bezug auf die in Fig. 4 schematisch dargestellte Ausführungsform gesagt wurde, auf bekannte Art und \¥eise Apparate oder Gesamtheiten von Apparaten durch entsprechende Gruppen von mehreren identischen und parallel arbeitenden Apparaten oder Gesamtheiten von Apparaten ersetzt und/oder die Turbine i durch eine Turbine mit totaler Entspannung ersetzt. Die Vor- und Nachteile dieser verschiedenen möglichen Varianten sind praktisch die gleichen wie die im Zusammenhang mit den gleichen Varianten der Ausführung nach Fig^ 4 aufgezeigten.

Schließlich findet die Erfindung auch Anwendung, wenn das primäre Kühlmittel gleichzeitig als Moderator und/oder Reflektor und/oder als Lösungsmittel eines oder mehrerer löslicher Verbindungen von Spaltmaterialien und/oder Brütstoffen und/oder als Suspensionsmittel für eine oder mehrere unlösliche Verbindungen von Spaltmaterialien und/oder Brütstoffen und/oder eines Moderators und/oder eines Reflektors dient. Dasselbe gilt für alle obigen Ausführungsbeispiele der Erfindung. In diesen Fällen bleiben auch alle der Beschreibung dienenden Schemata der Fig. 1 bis 6 wie auch die obig'en, auf diese Schemata bezüglichen Erklärungen und die sich daraus ergebenden Vorteile im wesentlichen gültig.

Claims (18)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Regeln eines zur mittelbaren oder unmittelbaren Dampferzeugung dienenden Kernreaktors, bei der die gesamte Durchfiußmenge eines primären Kühlmittels in Abhängigkeit von der Nutzleistung des Reaktors gleichsinnig mit dieser geändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlauf des primären Kühlmittels unmittelbar von dem erzeugten Dampf bewirkt wird, derart, daß die Durchflußmenge des primären Kühlmittels der Dampffördermenge proportional ist.

2. Einrichtung zum Regeln eines Kernreaktors, dessen primäres Kühlmittel beim Austritt aus dem Reaktor in einen Wärmeaustauscher geleitet wird, in welchem es die Dampferzeugung in einem sekundären Umlauf bewirkt, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erzeugte nutzbare Dampf in eine Turbine (i) mit geringer Entspannung geleitet wird, welche einen den Umlauf des primären Kühlmittels bewirkenden Apparat (h), beispielsweise einen Ventilator, ein Gebläse, einen Kompressor, eine Pumpe od. dgl. antreibt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der den Umlauf bewirkende Apparat von einer Turbine (k) mit normaler Entspannung getrieben wird, die über eine die Geschwindigkeit der Turbine proportional zur Dampffördermenge regelnde Steuerstelle (m) mit nutzbarem Dampf gespeist wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstelle (in) mit einem Durchfluß anzeiger (n) in Verbindung steht, durch den die gesamte aus dem Wärmeaustauscher (g) austretende nutzbare Dampfmenge geleitet wird und von dem aus der Dampf der Verwertung zugeführt wird.

5. Einrichtung nach Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Fördermenge des nutzbaren Dampfes beim Austritt aus dem Wärmeaustauscher (g) in zwei oder mehr, vorzugsweise gleiche Teile teilt, deren jeder in eine Turbine (i, i") geleitet wird, und daß die aus diesen Turbinen austretenden Dampfmengen vereinigt werden, um der Verwendung zugeführt zu werden, während sich die Durchflußmenge des primären Kühlmittels ebenfalls in zwei oder mehr Teile teilt, deren jeder einem Umlauf apparat (h, h") zugeführt wird, worauf die aus diesen Apparaten austretenden Mengen des primären Kühlmittels vereinigt und in das Reaktorgefäß (α) geleitet werden, und daß jede Turbine einen ihr entsprechenden Umlaufapparat antreibt.

6. Einrichtung zum Regeln eines Kernreaktors, dessen primäres Kühlmittel zur Dampferzeugung herangezogen wird, nach Anspruch 1, gekenn-

zeichnet durch eine Wiederumlaufpumpe(fc) ,welcher einerseits der nicht verdampfte Hauptteil des primären Kühlmittels und andererseits die Speiseflüssigkeit des primären Kühlmittels zugeführt wird, sowie eine Turbine (t) mit geringer Entspannung, welcher der erzeugte Dampf des Kühlmittels zugeleitet wird und die die Wiederumlaufpumpe (A) antreibt und von der aus der Dampf" seiner Verwertung zugeführt wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß die Pumpe (h) von einer Turbine mit normaler Entspannung angetrieben wird, die mit einem Durchflußanzeiger der Fördermenge des Dampfes des primären Kühlmittels zusammenwirkt.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (i) und die von ihr angetriebene Pumpe (Ji) in einem gemeinsamen dichten Gehäuse (0) angeordnet sind, das keinerlei Dichtungen für bewegliche, nach außen führende Teile od. dgl. aufweist.

9. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen Zuführung der Speiseflüssigkeit ein Steuerventil (d) für die Speisung mit primärem Kühlmittel vorgesehen ist, das in Abhängigkeit von dem Flüssigkeitsstand und dem Druck im Reaktorgefäß (α) so gesteuert wird, so daß im Reaktorgefäß ein bestimmter Flüssigkeitsstand aufrechterhalten wird.

10. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktorgefäß (α) mit einem Kontrollgerät (/) für den Stand des primären Kühlmittels und den im Gefäß herrschenden Dampfdruck verbunden ist, das eine Haltestellung des nuklearen Dampferzeugers, eine Anlaßstellung des Dampferzeugers und eine normale Betriebsstellung des Dampferzeugers aufweist.

11. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß während der Anlaß- und Abstellzeiten der Wiederumlauf durch eine in einem parallel zur Hauptpumpe abgezweigten Umlauf angeordnete Hilfspumpe (r) bewirkt wird und zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Umlaufrichtung in den Umläufen Rückschlagventile (v) vorgesehen sind.

12. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das von. der Turbine und der Pumpe gebildete Aggregat in zwei oder mehr identische Aggregate aufgeteilt ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch mehrere identische Abzweigumläufe.

14. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf des primären Kühlmittels nach dem Austritt aus der Turbine (i) in einen Wärmeaustauscher (m) kondensiert wird, in welchem er die Dampferzeugung in sekundärem Umlauf oder die Erwärmung einer Flüssigkeit des sekundären Umlaufes ohne Zustandsänderung bewirkt.

15. Einrichtung nach Ansprüchen 6 bis 14, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Pumpe (k), die ebenfalls von der Turbine (i) angetrieben wird und der das dem Wärmeaustauscher (m) entnommene Kondensat zugeführt wird, wobei dieses Kondensat in den Wiederumlauf geleitet wird, wo es sich mit der vom Reaktorgefäß (a) kommenden primären Wiederumlaufmenge vermischt.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine mit geringer Entspannung und die von ihr angetriebenen Pumpen in einem gemeinsamen dichten Gehäuse angeordnet sind, das weder mit einer Dichtung für ein bewegliches, nach außen führendes Organ noch mit einer Sammelvorrichtung für entweichende Flüssigkeitsmengen versehen ist.

17. Einrichtung nach Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß alle Apparate und/oder alle Umläufe einzeln oder zusammen verdoppelt oder vervielfacht sind.

18. Einrichtung nach Ansprüchen 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorkern in zwei oder mehr getrennte Teile oder Abschnitte geteilt ist und jeder dieser Teile einen Umlauf primären Kühlmittels aufweist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
M. A. Schultz, »Control of Nuclear Reactors and

Power Plants«, 1955, S. 127, 156 und 157;

»Elektrotechnik und Maschinenbau«, Bd. 72, 1955,

S. 360.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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