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Kernreaktoranlage, bei der die Kühlung des Reaktorkerns durch ein
dampfförmiges Arbeitsmittel erfolgt Es ist bereits bekannt, die in einem Atomkernreaktor
erzeugte Wärme mit Hilfe eines dampfförmigen Mediums, insbesondere Wasserdampf,
abzuführen. Dabei wird der im allgemeinen als Sattdampf in den Reaktor eingeleitete
Dampf überhitzt und hierauf in zwei Teilmengen aufgeteilt. Die eine Teilmenge wird
zur Arbeitsleistung in einer Kondensationsturbine expandiert und das Kondensat einer
Verdampfertrommel oder einem Einspritzkühler zugeführt, in den auch die restliche
Menge des überhitzten Dampfes eingeleitet wird. Die Verhältnisse müssen dabei so
gewählt werden, daß durch die Rückkühlung der gesamten restlichen Menge auf Sattdampftemperatur
eine der ersten Teilmenge entsprechende Flüssigkeitsmenge verdampft wird. Hierbei
muß also die gesamte, den Reaktor durchsetzende Dampfmenge mittels eines Gebläses
umgewälzt werden. Dieses bereits beim Löfflerkessel angewandte Prinzip hat den Nachteil,
daß ein Umwälzgebläse mit beträchtlicher Leistung erforderlich ist.
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Die Erfindung bezweckt nun, die für das Umwälzgebläse erforderliche
Leistung mindestens um einen Bruchteil zu verringern und zudem den Wirkungsgrad
der Anlage zu erhöhen. Sie betrifft eine Kernreaktoranlage, bei der die Kühlung
des Reaktorkerns durch ein dampfförmiges Arbeitsmittel erfolgt, wobei der gesamte
Dampfstrom in zwei Teilströme aufgeteilt ist, von denen der eine Teilstrom als Nutzdampf
eine Arbeitsmaschine antreibt, in der er entspannt und anschließend kondensiert
wird, während der zweite Teilstrom mittels eines Gebl'ases umgewälzt und unter Verdampfung
des Kondensates im ersten Teilstrom zurückgekühlt wird, indem der genannte zweite
Teilstrom als Primärmittel durch einen Oberflächenwärmeaustauscher und anschließend
durch das Gebläse strömt und das Turbinenkondensat des ersten Teilstromes nach Durchströmen
einer Druckpumpe als Sekundärmittel, durch den Oberflächenwärmeaustauscher strömt,
in diesem wenigstens teilweise verdampft und dem zweiten Teilstrom hinter dem Gebläse
beigemischt wird.
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Diese Kernreaktoranlage ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,
daß die Kühlkanäle im Reaktorkern strömungsmäßig in zwei Gruppen zusammengefaßt
sind, von denen der einen Gruppe die Spaltstoffelemente in einem zentralen und der
anderen Gruppe die Spaltstoffelemente in einem peripheren Bereich zugeordnet sind
und der Dampf aus den peripheren Kühlkanälen, der als Nutzdampf die Arbeitsmaschine
antreibt, mit höherer Temperatur eintritt als .der Dampf aus den zentralen Kühlkanälen.
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Bekanntlich benötigt die Turbine einen kleineren Anteil des im Reaktor
überhitzten Dampfes, jedoch aus thermodynamischen Gründen mit möglichst hoher Temperatur.
Für die Verdampfung werden hingegen große Mengen von Dampf benötigt, dessen Temperatur
geringer sein kann, da hauptsächlich dessen Kondensationswärme benötigt wird. Durch
die Maßnahme nach der Erfindung wird in vorteilhafter Weise gleichzeitig dem Bedürfnis
der Turbinenanlage wie auch den Gegebenheiten im Reaktor entsprochen. Da nämlich
die Wärmeentwicklung im Zentrum des Reaktors am größten ist, . entsteht hier ein
größeres Temperaturgefälle als in der Randzone, so daß zur Vermeidung einer Wärmebeschädigung
des Reaktors das Kühlmittel hier, mit einer niedrigeren Temperatur austreten muß.
ingegen kann in der Randzone das Kühlmittel auf eine höhere Temperatur erhitzt werden,
da hier zufolge geringerer Wärmeentwicklung das Temperaturgefälle im Spaltstoff
und in dessen Umhüllungen geringer ist.
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Es ist eine Kernreaktoranlage mit Wasserdampfkühlung des Reaktors
bekannt, bei der das Kondensat in einem Wärmeaustauscher verdampft und in einem
Ejektor mit dem umlaufenden, die Verdampfung bewirkenden Wasserdampf vermischt wird.
Bei dieser Anlage muß die Umwälzenergie vom Kondensat geliefert werden, jedoch zufolge
des Ejektors mit schlechtem Wirkungsgrad. Außerdem ist hier keine
Aufteilung
der Strömungen im Reaktor, wie sie anmeldungsgemäß vorgesehen ist, vorgesehen.
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Es ist auch bereits bekannt, der verschiedenen Temperaturentwicklung
in den einzelnen Zonen eines Reaktorkernes dadurch entgegenzuwirken, daß das Kühlmittel
in diese Zonen mit verschiedenen Temperaturen eingeführt wird. Bei der bekannten
Ausführungsform tritt das Reaktorkühlmittel auch mit verschiedenen Temperaturen
aus den einzelnen Zonen des Reaktorkernes heraus. Die einzelnen Teils4römungen werden
nach dem Austritt aus dem Kern bei der bekannten Ausführungsform miteinander vermischt,
was aus thermodynamischen Gründen nachteilig ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden,
an Hand der Zeichnung erläuterten Ausführungsbeispielen.
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Die F i g. 1 bis 8 zeigen schematisch die Schaltung verschiedener
Reaktoranlagen nach der Erfindung, wobei entsprechende Teile mit gleichen Bezugsziffern
versehen sind.
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Gemäß der F i g. 1 wird von der aus einem Reaktor austretenden Arbeitsmittelströmung
an Abzweigstellen 2 eine Teilströmung abgezweigt und durch eine Rohrleitung 3 einer
Dampfturbine 4 zugeführt. In der Dampfturbine 4 erfolgt eine Entspannung des abgezweigten
Dampfes, der darauf in einem Kondensator 5 kondensiert wird. Eine Speisepumpe 6
entnimmt das flüssige Kondensat dem Kondensator 5 und fördert es in einen durch
einen Oberflächen-Wärmeaustauscher 7 gebildeten Verdampfer. Aus dem Wärmeaustauscher
7 gelangt der Arbeitsmitteldampf in eine Rohrleitung 10, die in eine in den Reaktor
1 führende Rohrleitung 8 mündet.
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Der restliche, aus dem Reaktor 1 austretende Dampf gelangt auf direktem
Wege in den Wärmeaustauscher 7, in -dem er die Verdampfung des flüssigen Arbeitsmittels
bewirkt. Der abgekühlte Dampf gelangt nach seinem Austritt aus dem Wärmeaustauscher
7 in ein Umwälzgebläse 9 und aus diesem in die Rohrleitung 8, wo er mit dem verdampften
Arbeitsmittel aus der Rohrleitung 10 vermischt wird.
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Durch die Verwendung eines Oberlächen-Wärnteaustauschers zur Verdampfung
der durch die Turbine geführten Arbeitsmittelntenge ist es möglich, dieselbe erst
nach dem Gebläse 9 dem rückgekühlten Dampf beizumischen, so daß die Gebläseleistung
zufolge der verringerten Fördermenge kleiner gehalten werden kann. Die Einstellung
des Mengenverhältnisses der beiden aus dem Reaktor 1 austretenden Teilmengen, der
der Turbine zugeführten und der in den Wärmeaustauscher gelangenden Arbeitsmittelmenge,
kann durch an den Abzweigstellen 2 angeordnete Verteilventile von Hand oder durch
eine Regelvorrichtung geschehen.
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Bei gleichen Temperaturen der Spaltstoffoberfiächen wird die Wärme
in den im äußeren Kernbereich gelegenen Kühlkanälen mit im Durchschnitt kleineren
Temperaturdifferenzen zwischen Spaltstoffoberfläche und Kühlmittel abgeführt, so
daß letzteres mit einerhöheren Temperatur aus dem Reaktorkern austreten kann, als
das aus dem zentralen Bereich kommende. Diesem Umstand wird durch die Anordnung
der Abzweigstellen 2 in der aus den äußeren Kühlkanälen führenden Arbeitsmittelströmung
Rechnung getragen.
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Bei der Ausführungsform nach F i g. 2 wird der Dampf dem Reaktorkern
1 mittels voneinander getrennten Zuleitungen 11 und 12 zugeführt. Es ist damit noch
besser wie bei der Ausführungsform nach F i g. 1 möglich, den besonderen Verhältnissen
der Wärmeerzeugung in einem Reaktor Rechnung zu tragen. Da zufolge des verschiedenen
Neutronenflusses in zentral gelegenen Brennstoffteilen wesentlich mehr Wärme entsteht
als in solchen, die in der Nähe der Peripherie des Reaktorkernes liegen, müssen
die zentral gelegenen Spaltstoffteile stärker gekühlt werden als die äußeren. Dies
ist gemäß F i g. 2 dadurch möglich, daß ein zweistufiges Gebläse 9a, 96 verwendet
wird, wobei nach der ersten Stufe der zur Kühlung der im äußeren Bereich liegenden
Spaltstoffteile dienende Dampf abgezweigt wird, während der Dampf nach der zweiten
Stufe mit entsprechend höherem Druck über die Leitung 12 den Spaltstoffelementen
im zentralen Bereich des Reaktorkernes zufließt und dessen Kühlkanäle mit entsprechend
höherer Geschwindigkeit durchströmt.
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Die F i g. 3 zeigt eine Anlage, bei der die Aufteilung in die beiden
Teilmengen des Dampfes bereits vor dem Eintritt in den Reaktor erfolgt. Um ein vorgeschriebenes
Mengenverhältnis zu erreichen, müssen daher jedem der ausgangsseitig voneinander
getrennten Leitungszweige eine entsprechende Anzahl von Kühlkanälen zugeordnet werden.
Dieses Verhältnis kann natürlich noch durch ein an der Verzweigungsstelle 2 artgeordnetes
Verteilventil in gewissen Grenzen geregelt werden.
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Mit der in F i g. 4 gezeigten Ausführungsform ist eine weitere Senkung
der für den Antrieb des Umwälzgebläses erforderlichen Leistung möglich. Dies wird
dadurch erreicht, daß die der Turbine zuzuführende Teilmenge des Dampfes an der
Stelle 2 von der Verbindungsleitung zwischen dem Wärmeaustauscher und dem Gebläse
abgezweigt wird.
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Die Anlage gemäß F i g. 5 unterscheidet sich von derjenigen nach F
i g. 4 nur dadurch, daß die Nutzmenge vor dem Wärmeaustauscher abgenommen, ohne
Rückkühlung nochmals durch den Reaktor geführt und hierauf der Arbeitsmaschine zugeleitet
wird. Die Endüberhitzung des Nutzdampfes erfolgt hier wieder in Brennstoffelementen
in einem peripheren Bereich des Reaktorkernes, bei denen infolge der geringeren
Wärmeerzeugung eine höhere Austrittstemperatur des Dampfes zulässig ist.
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F i g. 6 zeigt eine Anlage mit einer zweistufigen Turbine 4a,
4 b und Zwischenüberhitzung des Arbeitsmittels im Reaktor.
Dabei kann, wie bei 16 angedeutet, ein kleiner Teil des Speisewassers eingespritzt
werden und so zur regelbaren Rückkühlung des Dampfes vor der Zwischenüberhitzung
verwendet werden.
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Bei den Ausführungsformen der F i g. 7 und 8 schließlich wird die
gesamte Dampfmenge nach der Vereinigungsstelle 8 in zwei in Serie geschalteten Durchgängen
durch den Reaktorkern hindurchgeführt. Dabei kann, wie in F i g. 7 gezeigt, nach
dem ersten Durchgang eine Rückkühlung des Dampfes in einem zusätzlichen Wärmeaustauscher
7a erfolgen, oder der Dampf kann gemäß F i g. 8 ohne Rückkühlung in einem zweiten
Durchgang durch den Reaktor geführt werden.