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Verfahren zum Regeln der Kühlung eines Leistungskernreaktors Die Erfindu'n'g
betrifft ein Verfahren zum Regeln der Kühlung eines Leistungskernreaktors mit einem
ein primäres Wärmetransportmittel enthaltenden primären Kreislauf und einem aus
Abhitze-Dampferzeuger, Dampfturbine und Kondensator bestehenden sekundären Kreislauf.
Bei solchen Systemen ist es bekannt, als Regelaufgabe Konstanz der Reaktorein- und
-austrittstemperatur des primären Wärmetransportmittels vorzusehen und als eines
der zwei zur Lösung dieser Aufgabe nötigen Mittel den Durchsatz des primären Wärmetransportmittels
über der Last zu ändern.
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Als zweites Mittel kann ein gesteuerter Nebenschluß zum Kessel vorgesehen
werden. Doch sind im Falle eines Systems, bei welchem ein Druckgas-Wärmetransportmittel
zur Anwendung kommt, die massiven bzw. umfangreichen oder sperrigen Stutzen und
Rahrleitungsanlagen, die Ventileinrichtung und die Expansionsrohrverbindungen, welche
für eine solche Nebenschlußleitungsanlage vorgesehen werden müssen, so nachteilig,
daß eine einfachere Steuerungsform gesucht wird.
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Es ist auch bekannt, die Umwälzgebläsedrehzahl mit der Wärmeleistung
des Reaktors zu ändern, um die Reaktoraustrittstemperatur des primären Wärmetransportmittels
konstant zu halten, wobei unterstellt wird, daß die Eintrittstemperatur nicht unmittelbar
gesteuert wird. Außerdem ist es bekannt, den Unterschied zwischen Eintritts- und
Austrittstemperatur konstant zu halten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine andere
zweite Steuerveränderliche als den gesteuerten Kessel-Nebenschluß aufzufinden, um
neben der Reaktoraustrittstemperatur auch die Reaktoreintrittstemperatur bei sich
ändernder Wärmeleistung des Reaktors konstant zu halten. Diese Aufgabe wird dadurch
gelöst, daß ,als Mittel zum Steuern der Reaktoreintrittstemperatur das an sich bekannte
Verändern des Dampfdruckes im Abhitze-Dampferzeuger vorgesehen ist.
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Durch die vorliegende Erfindung kann somit sowohl die Eintritts- als
auch die Austrittstemperatur mit tragbarem technischem Aufwand konstant gehalten
werden. Dies wird durch ein einfaches Dampfsteuerventil in Kombination mit der bekannten
Anordnung zur Eingangstemperatursteuerung erreicht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher dadurch gekennzeichnet, daß
das Konstanthalten der Temperaturen des primären Wärmetransportmittels über der
Last bei der Reaktoraustrittstemperatur durch entsprechendes an sich bekanntes Verändern
des Durchsatzes des primären Wärmetransportmittels und bei der Reaktoreintrittstemperatur
durch an sich bekanntes Verändern des Dampfdruckes im AbhitzeDampferzeuger erfolgt.
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Dar Vorteil, der sich in erster Linie durch die Erfindung gegenüber
der Nebenschlußarbeitsweise ergibt, besteht darin, daß die nachteiligen bzw. sperrigen
Nebenschlußstutzen oder -rohrleitungen, Ventile und Expansionsrohrstöße durch ein
einfaches Drucksteuerventil am Kessel und ein Geschwindigkeitssteuergerät an den
Umwälzgebläsen für das Wärmetransportmittel ersetzt werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich bei einer abgewanderten Ausführungsform
der Erfindung, bei welcher der sekundäre Kreislauf als Mehrfachdrucksystem ausgebildet
ist. (Die Verwendung eines Zweidruckkessels in Kombination bzw. Verbindung mit einem
Kernreaktor ist beschrieben worden in »Nuclear Reactors and Power Productions« von
Sir Christopher Hinton: James Clayton Lecture 1954; The Institution of Mechanical
Engineers.) Ein Mehrfachdrucksystem kann Hoch- und Niederdruck-Kesseleinheiten in
Reihe oder Parallelanordnung relativ zur Reaktorkühlmittelströmung aufweisen und
kann außerdem ni hrfacheinheiten in Parallelanordnung ausr it Me gestattet werden.
Bei einem Mehrfaehdruckkes.sel ist es möglich, die Anordnung so zu treffen, daß
die Temperatur des Wärmetransportmittels beim Eintritt in den Reaktor ganz oder
nahezu auf einen vorbestimmten Wert gebracht oder innerhalb eines Wertbereiches
gehalten wird, wenn die Wärmeleistung des Reaktors sich ändert, und zwar dadurch,
daß
entweder nur ein Kesseldruck oder daß zuerst der unterste bzw.
kleinste Druck und dann die höheren Drücke in aufsteigender Reihenfolge verändert
werden. Im Falle eines Zweidruckkessels, der eine turboelektrische Generatoranlage
mit Dampf versorgt, kann es beispielsweise eingerichtet werden, daß der Druck des
Hochdruckteiles konstant an der Turbine gehalten wird, während -der Niederdruckteil
eingeregelt wird, um dadurch die erforderliche Steuerung der Reaktoreintrittstemperatur
zu erhalten.
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Eine selbsttätige Steuerung kann durch Steuergeräte erzielt werden,'
welche einerseits eine automatische Steuerung des Massenstromes des Wärmetransportmittels
dadurch zuwege bringen, daß die Drehzahl der Umwälzgebläse entsprechend Impulsen
verändert wird, welche von Thermostaten her übermittelt erhalten werden, die die
Reaktoraustrittstemperatur des primären Wärmetransportmittels messen, sowie andererseits
eine selbsttätige Steuerung des Kesseldrucks dadurch, daß die Öffnung und damit
die Drosselwirkung der Dampfauslaßventile entsprechend Impulsen verändert wird,
welche von Thermostaten übermittelt werden, die die Reaktoreintrittstemperatur messen,
und von Druckmeßgeräten her, welche den Dampfdruck am Hochdruckeinlaß der Turbine
im Falle einer Mehrfachdruckanlage messen.
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Die Erfindung wird nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden
Zeichnungen näher erläutert, und zwar zeigt Fig. 1 ein Strömungsdiagramm, welches
das Regelsystem für die Handstteuerung zeigt, und Fig. 2 ein Strömungsdiagramm,
welches die automatische bzw. selbsttätige Regelung zeigt.
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In Fig. 1 enthält ein durch Druckgas gekühlter Kemreaktorbehälter
250 einen Reaktor-Kemaufbau bzw. ein Innengefüge 260 und Regulierstäbe 251 und hat
vier Auslaßleitungem 252 und vier Einlaßleitungea 253 für ein Druckgas-Wärmetransportmittel.
Die Leitungen 252 sind jeweils mit Kesseln 254 über Ventile 255 verbunden
(wobei nur zwei Kessel gezeigt sind). Die Leitungen 253 sind jeweils an die Kessel
254 über Ventile 286 und Umwälzgebläse 287, welche durch Motoren mit veränderliches
Drehzahl 256 angetrieben werden, angeschlossen. Ein kleiner leistungsfähiger Kreislauf
266 mit einem Gebläse 272 ist vorgesehen, um durch den Kern hindurch in einem geschlossenen
Kreislauf zu zirkulieren. Trocken- und Filtereinheiten 295 sind über dem Umwälzgebläse
287 vorgesehen. Ungefähr 2% des Wärmetransportmittel-Drucksatzes wenden in diesen
Einheiten behandelt. Für dringende Behelfszwecke sind Gleichstrom-Hilfsmotoren 257
mit den Umwälzgebläsen 287 über Freiläufe 258 gekuppelt.
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Auf der Dampferzeugungsseite sind in jedem Kessel 254 Abteilungen
296 und 297 vorgesehen, um jeweils Hoch- und Niedrigdruckdampf zu erzeugen. Der
Hochdruckdampf verl'al3t die Abteilung 296 über ein Rückschlagventil259 und ein
Ventil 261,
von wo aus er zu einer Turbine 264 über ein Geschwindigkeits-
und Druck-Steuerventil 262 geleitet wird. Der Niederdruckdampf verläßt jede Niederdruckabteilung
297 über ein Rückschlagventil 267 und ein Druck-Reguherventil 268, von wo aus er
über ein Drucksteuerventil 269 nach einem gezeigten Punkt in der Turbine 264 geleitet
wird'. Das Ventil 269 ist ein selbsttätiges überströmventil, welches durch Stromaufwärtsdruck
betätigt wird, und die überströmung wird über eine Steuerleitung 290 eingeregelt.
Die Turbine hat einen Kondensator 273 und einen Kühlturm 274. Ein Anfahrkondensator
275 ist vorgesehen, und an diesen sind die Hoch- und Niederdruckleitungen über Ventile
276 und 277 jeweils angeschlossen. Sicherheitsventile 278 sind vorgesehen. Das Speisewasser
läuft von den Kondensatoren 273, 275 her durch die Leitungen 291 nach den Kesseln
254.
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An der elektrischen Seite ist ein Wechselstromgenerator 279 mit der
Turbine 264 gekoppelt. (Eine zweite Turbine und ein zweiter Wechselstromgenerator
sind mit den beiden in der Zeichnung naht gezeigten Kesseln verbunden.) Die Ausgangsleistung
des Wechselstromgenerators 279 wird an einen Ganeratorsteuerraum 289 über eine Leitung
280 übermittelt, von wo aus. die Elektrizität an eine Ausgangsleitung 281 und an
eine Leitung 282, welche die Motoren 256 speist, verteilt wird.
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Die drei Hauptsteuerfunktionen werden jeweils durch Handsteuerung
vom Reaktorsteuerraum 283 her ferngesteuert. Die erste dieser Steuerfunktionen ist
die der Reaktor-Wärmeausgangsdeistum& welche auf normale Weise durch Manipulieren
der Reguherstäbe 251 erfolgt. Diese Steuerung ist in der Zeichnung durch die Linie
284 angegeben. Die zweite Funktion, die Drehzahlsteuerung der Umwälzgebläcse 287,
hält die Temperaturen des Gases in den Rohrleitungen 252 konstant. Die Steuerung
ist durch 1 däe Linie 285 angegeben. Die dritte Steuerfunktion ''ist die
des Einregelns des Drucksteuerventits 269 über die Steuerleitung 290, so daß die
Drücke der zugeordneten Niederdruck-Kesselabteilungen, und sonif die Temperatur
des Kühlgases, welches aus d' Kesseln 254 austritt und in den Reaktor eintritt gesteuert
wird. Diese Steuerung ist durch die Linie 290 dargestellt. Temperaturmeßloltungen
265 sind von Meßstellen bzw. Meßpunkten 293, 294 her abgeleitet.
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Die Ventile 261 und 268 können getrimmt werden, und die Drehzahlen
der Umwälzgebläse 287 können ebenfalls getrimmt werden, um allen Kesseln `die gleichen
Bedingungen bzw. Zustände zu geben.
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Bezug nehmend auf Fig. 2 wird nunmehr die selbsttätige Steuerung beschrieben.
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Der Reaktorbehälter 250 und das Kerngefüge 260 werden dargestellt.
Es sind vier Auslaßleitungen'252 und vier Einlaßleitungen 253 für das primäre Wärmetransportmittel
vorgesehen, we ches durch Umwälzgebläse 287, welche von Motoren mit veränderlicher
Drehzahl 256angetrieben werden, urigewälzt wird (wie dies mit Hinweis auf Fig. 1
beschrieben ist). Es ist nun erforderlich, daß die Temperatur in den Auslaßleitungen
252 konstant bleibt. Dies wird durch eine hydraulisch betätigte Anlage erreicht,
welche eine Druckquelle 300 aufweist, welche vier temperaturempfindliche Druckgeber
301 über eine Zuf'tihxleitung 302 und eine Rückleitung 303 speist.
Die Druckgeber 301 sind temperaturempfindlich je nach der Temperatur bimetallischer
Elemente 304, welche jeder Leitung 252 zugeordnet sind, wobei der Druckgeber mit
der jeweiligen Höchsttemperatur jeweils die Steuerung vornimmt. Die von einem der
Druckgeber 301 eingenommene Stellung bestimmt den Druck in einer Steuerleitung 305,
welche mit einem Relais 306 gekoppelt ist, welches so eingerichtet ist, daß es einen
Hebel 307 bewegt, wodurch die Einstellung des Drehzahlregulierers der Motoren
256
eingeregelt wird, um den Massenstrom des Wärmetransportmittels
in dem Sinne zu ändern, daß die Temperatur des in den Leitungen 252 strömenden Kühlmittels
entsprechend verändert wird.
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Zusätzlich ist erforderlich, daß die Temperatur in den Einlaßleitungen
253 konstant gehalten wird. Dies wird durch eine hydrauliche Anlage erreicht, welche
die gleiche Druckquelle 300 aufweist, welche jedoch vier temperaturempfindliche
Druckgeber 308 über eine Zufuhrleitung 309 und eine Rückleitung 310 speist. Die
Druckgeber 308 sind temperaturempfindlich je nach der Temperatur der bimetallischen
Elemente 311, welche jeder Leitung 253 zugeordnet sind, wobei der Druckgeber mit
der jeweiligen Höchsttemperatur für die Steuerung maßgebend ist. Die von einem der
Druckgeber 308 eingenommene Stellung bestimmt den Druck in einer Steuerleitung 312,
welche mit einem Relais 313 gekoppelt ist, welches so eingerichtet ist, daß es einen
Hebel 314 bewegt, wodurch die Einstellung des Ventils 269 eingeregelt wird, um den
Druck in der Leitung 299 von der Niederdruckabteilung des Kessels zwecks entsprechender
Beeinflussung der Temperatur des in den Leitungen 253 strömenden Kühlmittels zu
verändern.
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Das Inbetriebsetzen der gemäß Fig. 1 beschriebenen Anlage geschieht
dadurch, daß die Dampfleitungen 298 und 299 an die Anfahrkondensatoren 275 angeschlossen
werden, und daß die Umwälzgebläse 287 auf eine Drehzahl für mäßige Reaktorleistung
eingeregelt werden. Der Reaktor wird in einen kritischen Zustand bei einer niedrigen
Leistung (ungefähr 1 kw) gebracht, dann wird die Reaktorleistung allmählich gesteigert,
während die Kerntesnperatur genau abgegrenzt wird, um ein zu schnelles Erwärmen
der Brennstoffelemente und der Anlage zu verhindern. Die Reaktoreintrittstemperatur
des primären Wärmetransportmittels wird beobachtet, und die Druckeinstellung der
Ventile 268 wird so eingeregelt, daß sie bei einem niedrigen Wert liegt, so daß
das Erwärmen bzw. das Anheizen des ganzen Systems während einer sicheren Zeitspanne
vor sich geht. Die Reaktoraustrittstemperatur wird ebenfalls beobachtet und in dieser
Stufe entweder durch Einregeln der Regulierstäbe oder durch die Drehzahl der Umlaufpumpen
287 reguliert. Wenn die vollen Drücke und Temperaturen erreicht worden sind, kann
das Generator-Kontrollpersonal den Dampf verwenden, und zwar durch dessen Ableitung
vom Anfahrkondensator 275 nach der Turbine hin.
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Um die Anlage stillzulegen, wird die Reaktor-Wärmeleistung verringert,
bis die Anlage auf 100/0 ihrer vollen Belastung heruntergekommen ist, wobei die
Reaktor-Gaseinlaß- und -auslaßtemperaturen immer noch konstant sind. Der Anfahrkondensator
275 ist dann betriebsbereit, der Reaktor wird stillgelegt und die Umlaufpumpen werden
beschleunigt (z. B. auf 40% der vollen Leistung), um die Kühlung zu beenden. Wenn.
die Gastemperatur fällt, sinkt auch der Druck in den Hochdruckverdampfern, und die
Ventile 268 werden allmählich geöffnet, um eventuell in der Niedeadruckabteilung
einen Trommeldruck von 2 at zu ergeben. Die Reaktor-Auslaßgastemperatur beträgt
dann ungefähr 150°C und die Leistung ungefähr 1% der Vollbelastung. Nun wird im
Gassystem der Druck gesenkt und zwei der vier Umwälzgebläse laufen bei voller Geschwindigkeit,
um die Temperaturbedingungen bei dem drucklosen Gas zu erhalten. ' Während die Erfindung
in bezug auf die Erzeugung elektrischer Leistung durch Dampf beschrieben worden
ist, sind andere Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung in Betracht gezogen. Beispielsweise
kann der Dampf entweder zum Antrieb beispielsweise eines Schiffes, zur Raumbeheizung
oder für chemische Verfahren verwendet werden.
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Die Erfindung ist in ihren Anwendungsmöglichkeiten nicht auf die Dampferzeugung
beschränkt. Andere Arbeitsmittel, wie beispielsweise ein Diphenyl-Diphenyloxyd-Eutektikum,
können verwendet werden.