DE1098112B

DE1098112B - Kernreaktor zur Erzeugung von ueberhitztem Wasserdampf

Info

Publication number: DE1098112B
Application number: DEM39102A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Wilhelm Sahl
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1958-09-27
Filing date: 1958-09-27
Publication date: 1961-01-26

Description

Kernreaktor zur Erzeugung von überhitztem Wasserdampf Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor, bei dem die Brennstoffelemente normales Wasser unmittelbar erhitzen, bei dem der sich aus dem Wasser bildende Dampf unmittelbar zum Betrieb einer Dampfkraftanlage ,dient und bei dem die Überhitzung des in einer zentralen Spaltzone erzeugten Sattdampfes in einer die zentrale Spaltzone umgebenden Ringspaltzone erfolgt. Bei den bekannten Einrichtungen dieser Art ist es nicht möglich, die in der Ringspaltzone zugeführte Wärmemenge zu regeln. Bei einem Kernreaktor, bei dem .die Überhitzung :in einer Brütmaterial enthaltenden Ringzone erfolgt, ist bekannt, eine ungefähre Steuerung der Dampfüberhitzung dadurch vorzunehmen, daß die Brennstoffelemente und die Brütstoffelemente gegeneinander vertauscht werden. Diese Lösung läßt sich bei einem Kernreaktor, bei dem sich sowohl in der zentralen Spaltzone als auch in der Ringzone Brennstoffelemente befinden, nicht verwenden. Es wäre zwar möglich, z. B. besondere Regelstäbe anzuordnen, was aber einen großen baulichen Aufwand erfordert, da diese Regelstäbe durch eine Öffnung des Druckbehälters -des Reaktors von außen eingeführt werden müßten.
Eine einfache und betriebssichere Regelung kann erfindungsgemäß dann erreicht werden, wenn der Moderator in der Ringspaltzone schweres Wasser mit einem freien Wasserspiegel von regelbarer Höhe ist und die Trennwand zwischen dem Moderator und der zentralen Spaltzone aus neutronentransparentem Material besteht. Durch Regelung des Spiegelstandes des Moderators in der Ringspaltzone erfolgt dann eine Regelung der R.eaktivität und somit auch eine Regelung der Überhitzung.
Zur Regelung der Höhe des Wasserspiegels kann der die Ringspaltzone umgebende Behälter in seinem oberen Teil mit Helium gefüllt sein, und das Helium und das schwere Wasser können je durch eine Leitung derart mit einem Ausgleichsbehälter in Verbindung stehen, daß die Höhe des Wasserspiegels durch eine in die Heliumleitung eingebaute Pumpe veränderbar ist.
Um eine Anreicherung des Heliums mit gasförmigem schwerem Wasser und seinen durch Radiolyse entstehenden Bestandteilen (Deuterium und Sauerstoff) sowie einen Verlust von schwerem Wasser zu vermeiden, können die in dem Helium befindlichen Fremdgase in einer in die Heliumleitung eingeschalteten Rekombinationsanlage in flüssiges schweres Wasser zurückverwandelt werden, das von dort in den Ausgleichsbehälter gefördert wird.
Damit eine große Wärmeübergangsfläche zwischen dem Dampf und dem Kernbrennstoff erreicht wird, können die Brennstoffelemente in der Ringspaltzone aus sogenannten, an sich bekannten Nadelelementen bestehen, die jeweils zu einem Bündel zusammengefaßt und in durch den Moderator geführten Rohren angeordnet sind.
Die einzelnen Nadeln müssen in den Rohren einen gewissen Mindestabstand voneinander haben. Dadurch kann es sich ergeben, daß unter Berücksichtigung der wegen des Wärmeüberganges erforderlichen Strömungsgeschwindigkeit die Gesamtquerschnittsfläche für den Dampfdurchgang in den Rohren bei Parallelschaltung derselben zu groß wird. In diesem Falle können zwei oder mehr nebeneinanderliegende Gruppen von Rohren so miteinander verbunden sein, daß sie von dem Dampf nacheinander durchflossen werden.
Um einen übermäßigen Wärmeverlust von Heißdampf an den Moderator zu vermeiden, können die die Nadelelemente enthaltenden Rohre doppelwandig ausgeführt sein, wobei der Hohlraum zwischen den beiden Wänden mit Helium ausgefüllt ist. Diese stationäre Heliumfüllung dient hierbei als Wärmebarriere.
Um eine möglichst günstige Neutronenvermehrungsrate zu erhalten, können die Außenwände der Rohre aus neutronentransparentem Material bestehen. Die Innenwände der Rohre und die Ummantelung der Nadelelemente müssen allerdings, weil sie mit dem Heißdampf in Berührung stehen, aus korrosionsbeständigem Werkstoff bestehen.
Die Kühlung des als Moderator in der Ringspaltzone dienenden schweren Wassers erfolgt zweckmäßigerweise durch einen Wärmeaustauscher. Hierdurch kann der Moderator auf einer Temperatur gehalten werden, die nur wenig unterhalb der Temperatur der zentralen Spaltzone liegt. Es wird so ein übermäßiger Wärmestrom aus der zentralen Spaltzone in die Ringspaltzone vermieden. Die Wasser- und Dampfführung kann so erfolgen, daß die Abscheidung des Sattdampfes in einer in die Leitung für die Umwälzung des Siedewassers der zentralen Spaltzone geschalteten Kesseltrommel erfolgt, von der ans der Sattdampf durch eine zweite Leitung zu dem die Ringspaltzone umschließenden Behälter geführt wird.
Zur Unterstützung .der Nachregelung des Reaktors nach einer Änderung des Leistungsbedarfes der Dampfkraftanlage kann in einer weiteren Ausbildung das in der Kesseltrommel befindliche Wasser, nach Leitung über einen Wärmeaustauscher mit dem Speisewasser gemischt, in den Druckbehälter zurückgeführt werden. Wenn die Dampfkraftanlage eine Dampfturbine ist, kann in dem Wärmeaustauscher Niederdruckdampf zur Speisung -der Niederdruckstufen der Dampfturbine erzeugt werden. Die Einspeisung des Niederdruckdampfes kann dann .durch den Leistungsbedarf im Generator geregelt werden. Somit ändert sich die Eintrittstemperatur >des Kesselwassers in dem Druckbehälter mit der Turbinenleistung und stellt über den negativen Temperaturkoeffizienten der Reaktivität einen inneren Regelkreis dar, der die Nachregelung des Reaktors nach einer Änderung des Leistungsbedarfes in der Turbine stark unterstützt.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch .dargestellt. Es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch den gesamten Reaktor, Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Bündel Nadelelemente und das sie umgebende Rohr.
Der Druckbehälter 1 ist mit normalem Wasser gefüllt, das durch die in seiner Mitte befindlichen Brennstoffelemente 2 erhitzt wird. Diese Brennstoffelemente 2 können in einer beliebigen, für H20-Siedewasserreaktoren mit Zwangskühlung bekannten Bauart ausgebildet sein. Innerhalb des Druckbehälters 1 befindet sich der Behälter 3 mit den in den Rohren 4, 5 und 6 zusammengefaßten Nadelelementen 7 (Fig. 2). Die Rohre sind zwischen zwei kreisringförmige Zwischenböden 8, 9 des Behälters 3 derart eingesetzt, daß der Dampf, nachdem er durch die Leitung 10 in den Behälter eingeströmt ist, zuerst die in einem Kreis angeordnete Rohrgruppe4, .dann die Rohrgruppe 5 und zuletzt die Rohrgruppe 6 durchströmt, wonach er durch die Leitung 11 zur Dampfkraftanlage gelangt. Die Nadelelemente? sind mit einem Mantel 12 aus korrosionsbeständigem Material, z. B. rostfreiem Stahl, umgeben. Die inneren Wände 13 der Rohre4 bis 6 sind ebenfalls aus korrosionsbeständi-g x M Material, diie äußeren Wände 14 dagegen aus neue Z> tronentransparentem Material hergestellt. Der Hohlraum 15 zwischen den beiden Wänden 13 und 14 ist mit Helium ausgefüllt. Der Ringraum 16 zwischen den beiden Zwischenböden 8 und 9 des Behälters 3 ist zum größten Teil mit schwerem Wasser ausgefüllt. Die zwischen den beiden Zwischenböden liegende Trennwand 3 a ist aus neutronentransparentem Material hergestellt. Oberhalb des Wasserspiegels 17 befindet sich in dem Ringraum 16 Helium. Die Kühlung des in dem Ringraum 16 befindlichen schweren Wassers erfolgt durch einen Wärmetauscher 18, durch den es mittels der Pumpe 19 über .die Leitung 20 angesaugt wird, worauf es über die Leitung 21 in den Ringraum 16 zurückbefördert wird.
Die Erzeugung .des Heißdampfes geschieht in folgender Weise. Das in der zentralen Spaltzone durch die Brennstoffelemente 2 erhitzte Wasser gelangt aus dem Druckbehälter l über eine Leitung 22 zu der Kesseltromrne123. Dort wird der in dem Wasser befindliche Sattdampf abgetrennt und gelangt dann über die Leitung 10 in den oberen Dampfraum 24 des Behälters 3, worauf er nach Überhitzung in den Rohren 4 bis 6 in den unteren Dampfraum 25 und von dort über -die Leitung 11 zur Dampfkraftanlage gelangt.
Die Umwälzung des in dem Druckbehälter 1 befindlichen Wassers erfolgt durch eine Pumpe 26, durch die das Wasser aus der Kesseltrommel 23 über die Leitung 27 und den Wärmeaustauscher 28 angesaugt und, nachdem es über die Leitung 29 mit .dem Speisewasser gemischt ist, über die Leitung 30 in den Druckbehälter 1 zurückgefördert wird.
Die Höhenänderung des Spiegels 17 des schweren Wassers zwecks Regelung der Reaktivität wird wie folgt bewirkt. Der Ringraum 16 steht an seinem unteren Ende durch eine Leitung 31 und an seinem oberen Ende durch eine Leitung 32 mit einem Ausgleichsbehälter 33 in Verbindung. Die Leitung 31 führt in den unteren, schweres Wasser enthaltenden und die Leitung 32 in den oberen, Helium enthaltenden Teil des Ausgleichsbehälters 33. In die Leitung 32 ist eine Pumpe 34 eingeschaltet, der ein Drosselventil 35 parallelgeschaltet ist. Durch Betätigung des Drosselventils 35 kann der Druck in dem Ausgleichsbehälter 33 und im Ringraum 16 und damit auch die Höhe des Wasserspiegels 17 verändert werden.
Durch die Strahlungs- und Wärmewirkung sammelt sich in dem Helium gasförmiges schweres Wasser sowie Deuterium und Sauerstoff an. D;i-ese Bestandteile werden in der Rekombinationsanlage 36, die in. die von dem Ringraum 16 zum Ausgleichsbehälter 33 führende Leitung 37 eingeschaltet ist, wieder in flüssiges schweres Wasser zurückverwandelt. Durch eine Leitung 38 wird dieses flüssige schwere Wasser dann mittels einer Pumpe 39 in den Ausgleichsbehälter 33 gefördert.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Kernreaktor, bei dem die Brennstoffelemente normales Wasser unmittelbar erhitzen, bei dem der sich aus dem Wasser bildende Dampf unmittelbar zum Betrieb einer Dampfkraftanlage dient und bei dem die überhitzung des in einer zentralen Spaltzone erzeugten Sattdampfes in einer die zentrale Spaltzone umgebenden Ringspaltzone erfolgt, dadurch gekcnnzeichnet, daß der Moderator in der Ringspaltzone schweres Wasser (D2 O) mit einem freien Wasserspiegel (17) von regelbarer Höhe ist und daß die Trennwand(3a) zwischen dem Moderator und der zentralen Spaltzone aus neutronentransparentem Material besteht.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Ringspaltzone umgebende Behälter (3) in seinem oberen Teil mit Helium gefüllt ist und daß das Helium und das schwere Wasser j e durch eine Leitung (31, 32) derart mit einem Ausgleichsbehälter (33) in Verbindung stehen, daß die Höhe des Wasserspiegels (17) durch eine in, die Heliumleitung (32) eingebaute Pumpe (34) veränderbar ist.
3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Oberfläche des Flüssigkeitsspiegels (17) in das Helium gelangende gasförmige schwere Wasser und seine durch Radiolyse entstehenden Bestandteile (Deuterium und Sauerstoff) in einer in die Heliumleitung (37) eingeschalteten Rekombinationsanlage (36) in flüssiges schweres Wasser zurückzuver"vandeln sind, welches in den Ausgleichsbehälter (33) gelangt.
4. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffelemente (7) in der Ringspaltzone aus sogenannten an sich bekannten Nadelelementen bestehen, die, jeweils zu einem Bündel zusammengefaßt, in durch den Moderator geführten Rohren (4, 5 und 6) angeordnet sind.
5. Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf zwei oder mehr konzentrisch nebeneinanderliegende Rohrgruppen nacheinander durchströmt.
6. Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (4, 5 und 6) doppelwandig sind und der Hohlraum zwischen den beiden Wänden (13, 14) mit Helium gefüllt ist.
7. Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Innenfläche (13) der Rohre aus rostfreiem Stahl oder einem anderen korrosionsbeständigen Werkstoff bestehen, während die Außenwände (14) der Rohre aus neutronentransparentem Material bestehen. B.
Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung des schweren Wassers durch einen Wärmeaustauscher (18) erfolgt.
9. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung des Sattdampfes in einer in die Leitung (22, 27, 30) für die Umwälzung des Siedewassers der zentralen Spaltzone geschalteten Kesseltrommel (23) erfolgt, von der aus der Sattdampf durch eine zweite Leitung (10) in den die Ringspaltzone utnschließenden Behälter (3) gelangt.
10. Reaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Kesseltrommel (23) befindliche Wasser, nach Leitung über einen Wärmeaustauscher (28) mit dem Speisewasser gemischt, in den Druckbehälter (1) zurückzuführen ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1039 147 ; französische Patentschrift Nr. 1141064-, Nuelear Science and Engineering, Bd. 1, 1956, S.167.