DE1147330B

DE1147330B - Nuclear reactor facility with two separate primary circuits

Info

Publication number: DE1147330B
Application number: DES70195A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Paul Profos
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1959-08-29
Filing date: 1960-09-02
Publication date: 1963-04-18

Description

Atomkernreaktoranlage mit zwei voneinander getrennten Primärkreisläufen Die Erfindung betrifft eine Atomkernreaktoranlage, bei der die Nutzenergie durch ein Wärmeübertragungsmittel aus dem Reaktor entnommen und von diesem auf einen die Arbeitsmaschine enthaltenden Sekundärkreis übertragen wird, bei der zum Abführen der im Reaktor erzeugten Wärmezwei voneinander getrennte Primärkreisläufe vorgesehen sind, die verschiedene Wärmeübertragungsmittel enthalten und ihre Wärme auf einen gemeinsamen, ein verdampfbares Arbeitsmittel enthaltenden Sekundärkreis übertragen, bei der die Wärmeübertragungsverhältnisse im Reaktorkern so gewählt sind, daß das Wärmeübertragungsrnittel des einen Primärkreises mit einer Temperatur T1 und dasjenige des anderen Primärkreises mit einer Temperatur T., aus dem Reaktor austritt, die größer ist als die Temperatur T1, und bei der das Wärmeübertragungsmittel mit der niedrigeren Austrittstemperatur zur Verdampfung und das Wärmeübertragungsmittel mit der höheren Austrittstemperatur zur Überhitzung des Arbeitsmittels im Sekundärkreislauf dient.Nuclear reactor plant with two separate primary circuits The invention relates to an atomic nuclear reactor plant, in which the useful energy through a heat transfer medium removed from the reactor and from this to a die Working machine containing secondary circuit is transferred to the discharge of the heat generated in the reactor, two separate primary circuits are provided that contain different heat transfer media and transfer their heat to one common secondary circuit containing a vaporizable working medium, in which the heat transfer conditions in the reactor core are chosen so that the Heat transfer means of a primary circuit with a temperature T1 and that of the other primary circuit with a temperature T., exits the reactor, the is greater than the temperature T1, and at which the heat transfer medium with the lower exit temperature for evaporation and the heat transfer medium with the higher outlet temperature for overheating of the working medium in the secondary circuit serves.

Bei einer derartigen Atomkernreaktoranlage tritt das der Überhitzung dienende Kühlmittel zwar mit höherer Temperatur aus dem Reaktor heraus, tritt jedoch ebenfalls mit höherer Temperatur als das andere Kühlmittel in den Reaktor wieder hinein, da es durch das bereits verdampfte Arbeitsmittel nicht mehr so tief abgekühlt werden kann. Das bedeutet, daß der Teil des Reaktors, der von diesem Kühlmittel durchströmt wird, mit einer wesentlich höheren Temperatur arbeiten muß. Daraus ergeben sich Nachteile für die Spaltstoffelemente, das Druckrohr, in dem sie angeordnet sind, usw.In such an atomic nuclear reactor system, overheating occurs The coolant used for this purpose leaves the reactor at a higher temperature, but occurs again at a higher temperature than the other coolant in the reactor into it, as it is no longer cooled down so deeply by the working fluid that has already evaporated can be. That means that part of the reactor that is used by this coolant is flowed through, must work at a much higher temperature. Result from this disadvantages for the fissile material elements, the pressure pipe in which they are arranged are, etc.

Erfindungsgemäß werden die erwähnten Nachteile dadurch beseitigt, daß das Wärmeübertragungsmittel mit der höheren Austrittstemperatur nach dem überhitzer noch einen Hilfsverdampfer für das Arbeitsmittel durchströmt, welcher ebenfalls an den A rbeitsmittelkreislauf angeschlossen ist.According to the invention, the disadvantages mentioned are eliminated by that the heat transfer medium with the higher outlet temperature after the superheater still flows through an auxiliary evaporator for the working medium, which also is connected to the working fluid circuit.

Durch diese Maßnahme wird nicht nur die Kühlung des Reaktors verbessert, so daß zumindest ein Teil des Reaktors eine niedrigere Arbeitstemperatur mit allen damit zusammenhängenden Vorteilen aufweisen kann, sondern es wird zusätzlich noch an Energie für die Umwälzung des Kühlmittels gespart. Bei gleichem Druckunterschied müssen nämlich bei einer weitergehenden Abkühlung des Kühlmittels geringere Volumina umgewälzt werden.This measure not only improves the cooling of the reactor, so that at least part of the reactor has a lower working temperature with all may have related advantages, but it will additionally still saves energy for circulating the coolant. With the same pressure difference that is to say, if the coolant continues to cool down, smaller volumes must be used be circulated.

Die Erfindung wird an Hand zweier in der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt Fig. 1 das Schema einer Reaktoranlage, Fig. 2 eine weiter ausgebaute Ausführungsform der Reaktoranlage nach Fig. 1.The invention is illustrated schematically on the basis of two in the drawing Embodiments explained. It shows Fig. 1 the scheme of a reactor plant, FIG. 2 shows a further developed embodiment of the reactor system according to FIG. 1.

Die Fig. 1 zeigt das Prinzipschema einer Reaktoranlage mit zwei Primärkreisläufen. Beim ersten - strichpunktiert dargestellten - Kreislauf I wird das Wärmeübertragungsmittel im Reaktor 1 erhitzt, über eine Leitung 2 durch einen Verdampfer 3 für das Arbeitsmittel geführt und durch die Pumpe 4 wieder in den Reaktor zurück gespeist. Im zweiten - gestrichelt gezeichneten - Kreislauf 1I strömt das im Reaktor 1 erhitzte Mittel über die Leitung 8 in den überhitzer 9, von dem es über einen Hilfsverdampfer 10 durch eine Pumpe 11 in den Reaktor zurückgeführt wird. Falls beim Austritt des Wärmeübertragungsmittels aus dem Reaktor dieses in gemischtphasigem Zustand vorhanden ist, wird ein Flüssigkeitsabscheider eingeschaltet. In Fig. 1 ist ein solcher mit 5 bezeichneter Abscheider in die Leitung 2 eingeschaltet. Nötigenfalls kann eine entsprechende Einrichtung zur Abscheidung der flüssigen Phase auch in der Leitung 8 angeordnet werden. Der Rücklauf der im Abscheider 5 angesammelten Flüssigkeit kann durch ein vom Schwimmer 19 gesteuertes Ventil 13 geregelt werden.Fig. 1 shows the basic diagram of a reactor system with two primary circuits. In the first circuit I - shown in phantom - the heat transfer medium heated in the reactor 1, via a line 2 through an evaporator 3 for the working medium out and fed back into the reactor by the pump 4. In the second - Drawn in dashed lines - circuit 1I flows the agent heated in reactor 1 via line 8 into superheater 9, from which it is via an auxiliary evaporator 10 is returned to the reactor by a pump 11. If at the exit of the heat transfer medium if the reactor is in a mixed-phase state, it becomes a liquid separator switched on. In Fig. 1, such a separator, denoted by 5, is in the line 2 switched on. If necessary, a corresponding device can be used for separation the liquid phase can also be arranged in line 8. The return of the im Separator 5 accumulated liquid can be controlled by a float 19 by a Valve 13 can be regulated.

Das Arbeitsmittel - vorzugsweise Wasser - wird in flüssigem Zustand von der Pumpe 12 in die Verdampfer 3 und 10 gefördert, in diesen verdampft, im Wärmeaustauscher 9 überhitzt und hierauf der Ar- beitsmaschine zugeführt. Das im Primärkreis II zirkulierende Mittel dient in erster Linie zur Überhitzung des Arbeitsmittels. Die Verhältnisse lassen sich daher im einzelnen stets so wählen, daß im Kreis II im Vergleich zum Kreis I eine kleinere Wärmemenge, jedoch bei einer höheren Temperatur übertragen wird. Wenn daher in beiden Kreisläufen Mittel von im wesentlichen gleichem Dampfdruck-Temperatur-Verlauf verwendet werden, muß nur der Kreis II für das höhere Druckniveau dimensioniert werden. Innerhalb des Reaktors wird das Mittel des Kreises II daher vorzugsweise durch relativ dünne, in den Spaltstoff eingebettete Rohre geführt. Das Mittel in dem Kreis 1, das unter einem niedrigeren Druck steht, kann beispielsweise durch Rohre geführt werden, welche die einzelnen oder eine Mehrzahl zusammengefaßter Spaltstoffstäbe umgeben. Bei einer anderen Variante können die Mittel in den beiden Kreisen durch gleichartig ausgebildete Druckrohre fließen und die Druckrohre zu zwei Gruppen zusammengefaßt sein. Der einen Gruppe sind dann bespielsweise die in einem zentralen Bereich des Reaktorkerns gelegenen Spaltstoffelemente zugeordnet, während die andere Gruppe die im umgebenden peripheren Bereich gelegenen Elemente umfaßt. Die Druckrohre im zentralen Bereich werden vorzugsweise mit dem Primärkreis I und diejenigen des peripheren Bereiches mit dem Kreis II verbunden. Durch diese Wahl der Zuordnung wird dem Umstand Rechnung getragen, daß die äußeren Spaltstoffstäbe einen kleineren Wärmefluß liefern, der mit einer geringeren Temperaturdifferenz zwischen ihrer Oberfläche und dem Kühlmittel abgeführt werden kann, so daß im Kreis 1I mit höherer Temperatur gearbeitet werden kann.The working fluid - preferably water - is conveyed in liquid state by the pump 12 into the evaporator 3 and 10, vaporized in this, superheated in heat exchanger 9 and then supplied to the driven machine working. The medium circulating in primary circuit II is primarily used to overheat the working medium. The individual ratios can therefore always be selected so that a smaller amount of heat is transferred in circuit II compared to circuit I, but at a higher temperature. Therefore, if means with essentially the same vapor pressure-temperature curve are used in both circuits, only circuit II has to be dimensioned for the higher pressure level. Within the reactor, the means of circuit II is therefore preferably passed through relatively thin pipes embedded in the fissile material. The agent in the circuit 1, which is under a lower pressure, can, for example, be passed through tubes which surround the individual or a plurality of combined fissile material rods. In another variant, the agents can flow in the two circles through pressure pipes of the same design and the pressure pipes can be combined into two groups. One group is then assigned, for example, to the elements located in a central area of the reactor core, while the other group includes the elements located in the surrounding peripheral area. The pressure pipes in the central area are preferably connected to the primary circuit I and those in the peripheral area to the circuit II. This choice of assignment takes into account the fact that the outer fissile material rods deliver a smaller heat flow which can be dissipated with a smaller temperature difference between their surface and the coolant, so that a higher temperature can be used in circuit 1I.

Beide Mittel werden in den Reaktor vorzugsweise in flüssigem Zustand eingespeist. Ob sie denselben in der flüssigen oder gasförmigen Phase verlassen, kann für beide Kreise unabhängig voneinander durch entsprechende Einstellung der Drücke festgelegt werden. Dabei spielt natürlich die Wahl der Wärmeübertragungsmittel, die Größe der zu übertragenden Wärmemengen und der maximal zulässige Druck in jedem der Kreise eine wesentliche Rolle. Nachdem die wärmeübertragenden Mittel zum mindesten teilweise als Flüssigkeiten im Reaktorkern vorhanden sind, werden solche Mittel bevorzugt, die auch ein günstiges Moderierverhältnis aufweisen. Im einen Kreis könnte, beispielsweise schweres Wasser und im anderen gewöhnliches Wasser verwendet werden. Das schwere Wasser könnte dann auch ganz oder teilweise den Moderator bilden, wobei zur Erzielung günstiger Wärmeübertragungsverhältnisse Zirkulationswände in den Reaktor einzubauen wären, welche die Moderatorflüssigkeit in definierter Weise entlang der Spaltstoffstäbe führen. In Kombination mit dem flüssigen Moderator könnte zusätzlich noch eine feste Moderatorsubstanz - etwa Graphit - verwendet werden, wobei die Spaltstoffstäbe in Kanälen des Moderators anzuordnen wären. Durch einen zwischen Spaltstoff und Graphit gebildeten ringförmigen Raum könnte dann z. B. das Mittel des Kreises mit niedrigerem Druckniveau geführt werden.Both agents are preferably in the liquid state in the reactor fed in. Whether they leave it in the liquid or gaseous phase, can be set independently for both circuits by setting the Pressures to be set. Of course, the choice of heat transfer medium plays a role here, the size of the amount of heat to be transferred and the maximum allowable pressure in each the circles play an essential role. After the heat transfer means at least in some cases as liquids are present in the reactor core, such agents are used preferred, which also have a favorable moderation ratio. In a circle could for example, heavy water and ordinary water in the other can be used. The heavy water could then also form the moderator in whole or in part, whereby circulation walls in the reactor to achieve favorable heat transfer conditions would have to be incorporated, which the moderator liquid in a defined manner along the Lead fissile material sticks. In combination with the liquid moderator could additionally a solid moderator substance - such as graphite - can be used, with the fissile material rods to be arranged in channels of the moderator. By one between fissile material and Graphite formed annular space could then, for. B. the mean of the circle with lower pressure level.

Besonders günstige Verhältnisse lassen sich erzielen, wenn im Kreislauf II ein Mittel mit bei gleichen Temperaturen wesentlich niedrigerem Dampfdruck als Wasser verwendet wird. Es kommen dabei in erster Linie organische Substanzen aus der Gruppe der Polyphenyle in Frage. Diphenyl hat beispielsweise bei 340° C einen Dampfdruck von nur 5 at und weist außerdem ein günstiges Moderierverhältnis auf. Wenn man es im Kreis 11 verwendet, kann es ganz oder teilweise den Moderator des Reaktors bilden. Nachdem die Verhältnisse leicht so gewählt werden können, daß nur der kleinere Teil der insgesamt anfallenden Nutzwärme vom Kreis 1I abgeführt werden muß, spielen auch die Bedenken, die bisher gegen die Verwendung organischer Substanzen vorgebracht wurden, nämlich ihre geringeren Wärmeübergangszahlen sowie ihre kleinere spezifische Wärme keine bedeutsame Rolle mehr.Particularly favorable conditions can be achieved when in circulation II an agent with a significantly lower vapor pressure than at the same temperatures Water is used. Primarily organic substances come from here the group of polyphenyls in question. Diphenyl, for example, has one at 340 ° C Vapor pressure of only 5 at and also has a favorable moderation ratio. If it is used in district 11, it can wholly or partly be used by the moderator of the Form reactor. After the ratios can easily be chosen so that only the smaller part of the total usable heat is dissipated from district 1I must also play the concerns that have hitherto been raised against the use of organic substances were put forward, namely their lower heat transfer coefficients as well as their smaller ones specific heat no longer plays an important role.

In der in Fig. 2 gezeigten Anlage sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1. Im Primärkreislauf I fließt ein Wärmeübertragungsmittel, etwa leichtes oder schweres Wasser, während im Kreis II ein Mittel mit wesentlich höherer Verdampfungstemperatur, z. B. das obenerwähnte Diphenyl, zirkulieren soll.In the system shown in Fig. 2, identical parts are identical Reference numerals as in Fig. 1. A heat transfer medium flows in the primary circuit I, for example light or heavy water, while in circle II a medium with essential higher evaporation temperature, e.g. B. the above-mentioned diphenyl is to circulate.

Das im Reaktor aufgeheizte Mittel im Kreis 111 strömt durch den Wärmeaustauscher 9 und überhitzt dabei den von den Verdampfern 3 und 10 gelieferten Sattdampf. Ein durch ein Verteilerventil 22 regelbarer Teil des über die Leitung 8 fließenden Mittels wird durch eine By-pass-Leitung 14 am überhitzer 9 vorbeigeführt. Das Verteilerventil wird dabei von einem in der Zuleitung 15 zur Nutzturbine liegenden Temperaturfühler 16 gesteuert. Durch letzteren kann auf konstante Temperatur oder auf einen von außen einstellbaren Temperatur-Sollwert des Arbeitsmittels geregelt werden. Die Regelung der Temperatur des überhitzten Arbeitsmittels kann außerdem durch Einspritzen von flüssigem Arbeitsmittel in den Überhitzer selbst vorgenommen werden. Eine solche temperaturabhängig gesteuerte Einspritzstelle ist in Fig. 2 mit 17 bezeichnet. Vor der Nutzturbine 18 ist ein Druckhalteventü 30 eingeschaltet, das für konstanten Druck in der Leitung 15 sorgt. Die durch den Überhitzer 9 und die By-pass-Leitung 14 fließenden Teilmengen des Wärmeübertragungsmittels werden im Verteilerventil 22 wieder vereinigt. Nach dem Ventil 22 wird ein Teil des Mittels durch den Hilfsverdampfer 10 und ein Ventil 24 geführt, während der restliche Teil über ein Ventil 23 neben dem Hilfsverdampfer 10 vorbeigeführt wird. Die durch den Hilfsverdampfer 10 geführte Menge läßt sich durch entsprechende Einstellung der beiden Ventile 23 und 24 regeln, was von Hand oder mittels eines Meßwertfühlers automatisch erfolgen kann. Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Einstellung mittels eines Temperaturfühlers 25 erfolgt, durch den die Eintrittstemperatur des Mittels in den Reaktor auf einem konstanten Wert gehalten wird. Zu diesem Zweck kann auch ein Verteilerventil analog dem Ventil 22 an der Vereinigungsstelle 28 verwendet werden, das in Abhängigkeit von der Eintrittstemperatur des Mittels in den Reaktor gesteuert wird. Durch die am Austritt der beiden Primärkreise aus dem Reaktor angeordneten Temperaturfühler 26 und 27 werden die Ventile 20 bzw. 21, welche die Durchflußmenge durch den Reaktor regeln, derart verstellt, daß die Temperaturen am Reaktoraustritt konstant gehalten werden. In jedem der drei Kreise sind in an sich bekannter - und daher nicht dargestellter - Weise dem Volumenausgleich dienende Behälter vorhanden, aus welchem die Flüssigkeiten durch Pumpen wieder in die einzelnen Kreise zurückgeführt werden. Die Wasserstände des Arbeitsmittels in den beiden Verdampfern 3 und 10 werden durch die Ventile 40 konstant gehalten, welche durch die Niveau-Impulsgeber H gesteuert werden.The agent heated in the reactor in circuit 111 flows through the heat exchanger 9 and in the process superheats the saturated steam supplied by the evaporators 3 and 10. A part of the medium flowing via the line 8, which can be regulated by a distributor valve 22, is guided past the superheater 9 through a bypass line 14. The distributor valve is controlled by a temperature sensor 16 located in the feed line 15 to the power turbine. The latter can be used to regulate to a constant temperature or to an externally adjustable temperature setpoint of the working medium. The temperature of the superheated working medium can also be regulated by injecting liquid working medium into the superheater itself. Such a temperature-dependently controlled injection point is denoted by 17 in FIG. In front of the power turbine 18, a pressure holding valve 30 is switched on, which ensures constant pressure in the line 15. The partial quantities of the heat transfer medium flowing through the superheater 9 and the bypass line 14 are combined again in the distributor valve 22. After the valve 22, part of the agent is passed through the auxiliary evaporator 10 and a valve 24, while the remainder is passed through a valve 23 next to the auxiliary evaporator 10. The amount passed through the auxiliary evaporator 10 can be regulated by appropriate setting of the two valves 23 and 24, which can be done manually or automatically by means of a measured value sensor. It is particularly expedient if the setting is made by means of a temperature sensor 25, by means of which the inlet temperature of the agent into the reactor is kept at a constant value. For this purpose, a distribution valve analogous to the valve 22 at the junction 28 can also be used, which is controlled as a function of the inlet temperature of the agent into the reactor. By means of the temperature sensors 26 and 27 arranged at the outlet of the two primary circuits from the reactor, the valves 20 and 21, which regulate the flow rate through the reactor, are adjusted in such a way that the temperatures at the reactor outlet are kept constant. In each of the three circles there are containers in a manner known per se - and therefore not shown - serving for volume compensation, from which the liquids are pumped back into the individual circles. The water levels of the working medium in the two evaporators 3 and 10 are kept constant by the valves 40, which are controlled by the level pulse generator H.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Nuclear reactor plant, in which the useful energy taken by a heat transfer medium from the reactor and from this to a the secondary circuit containing the working machine is transferred to the discharge two separate primary circuits are provided for the heat generated in the reactor that contain different heat transfer media and transfer their heat to one transfer a common secondary circuit containing a vaporizable working medium, in which the heat transfer conditions in the reactor core are chosen so that the Heat transfer medium of a primary circuit with a temperature T1 and that of the other primary circuit with a temperature T, exits the reactor, the is greater than the temperature T "and at which the heat transfer medium with the lower exit temperature for evaporation and the heat transfer medium with the higher outlet temperature for overheating the working medium in the secondary circuit serves, characterized in that the heat transfer medium with the higher outlet temperature an auxiliary evaporator for the working medium flows through after the superheater, which is also connected to the working fluid circuit.

2. Reactor plant according to claim 1, characterized in that the Amount of the heat transfer medium can be regulated with the help of a bypass line.

3. Reactor plant according to claim 1, characterized in that the through the superheater The flow rate of the heat transfer medium can be regulated with the aid of a bypass line is.

4. Reactor plant according to claim 1, characterized in that the heat transfer medium in one primary circle heavy water and in the other primary circle ordinary water is.

5. Reactor plant according to claim 1, characterized in that the primary circuit with the higher temperature level used heat transfer medium is an organic one Is a substance with good moderating properties.

6. reactor system according to claim 5, characterized in that the organic substance is diphenyl. Considered Publications: German Auslegeschrift No. 1051425.