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Kernreaktoranlage zur Erzeugung von überhitztem Dampf Die Erfindung
bezieht sich auf eine Kernreaktoranlage zur Erzeugung von überhitztem Dampf aus
gesättigtem innerhalb des Reaktorkerns, bei der aus dem Reaktorkern austretender
Dampf Verdampfer zwecks Erzeugung des dem Reaktorkern zuzuführenden Kühldampfes
aus Speisewasser durchströmt.
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Es ist ein Kernreaktor bekannt, in dem gesättigter Dampf aus Speisewasser
durch Wärmeaustausch in einem Verdampfer erzeugt wird, während überhitzter Dampf
beim Durchströmen des Saftdampfes durch den Reaktorkern erzeugt wird. Dabei ist
auch bekannt, daß Wärme dem Speisewasser zugeführt werden kann, um die Anlage zu
stabilisieren. Ein derartiger Reaktor weist einen Reaktorkern auf, in welchem Speisewasser
mittels einer Pumpe über Brennstoffelemente in einer Verdampferanordnung des Reaktors
in Umlauf versetzt wird, wobei darin erzeugter gesättigter Dampf über einen Dampfscheider
nach einem Dampfgenerator strömt. Der gesättigte Dampf gibt latente Wärme an ein
Gemisch von Speisewasser und Dampf im Dampfgenerator ab, um weiteren gesättigten
Dampf zu erzeugen, der über Brennstoffelemente in einer überhitzeranlage des Reaktors
geleitet wird, bevor er einer Turbine zugeführt wird. In den Dampfgenerator einströmendes
Speisewasser wird erst in einem Überhitzungsregler und dann in einem Vorwärmer vorgewärmt.
Ein Teil des in den Einlaß der Turbine strömenden überhitzten Dampfes wird abgezapft,
um durch den überhitzungsregler vor dem Übergang nach einer Zwischenstufe der Turbine
zu strömen. Der Dampfstrom durch den Überhitzungsregler bestimmt auf diese Weise
die Temperatur des Speisewassers am Einlaß des Vorwärmers. Hierbei ist es bekannt,
daß eine höhere Speisewassertemperatur vom Vorwärmereinlaß des Dampfgenerators ein
Zunehmen der im Dampfgenerator erzeugten Dampfmenge zur Folge haben kann, was einen
Temperaturrückgang des Dampfes beim Auslaß der Überhitzeranlage verursacht.
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Es ist auch ein Reaktorkern bekannt, welcher durch einen »Wärmeträger«,
der durch eine Reihe von Verdampfern, Vorwärmern und überhitzern zirkuliert, gekühlt
wird. Eine Wiedererwärmung zwischen den einzelnen Durchgängen durch jeden der Verdampfer
usw. erfolgt nicht, und daher muß das Temperaturgefälle über den Reaktorkern hinweg
sehr groß sein.
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Bei der vorliegenden Reaktoranlage hingegen werden erfindungsgemäß
die Verdampfer in dem Strömungsweg des den Reaktorkern mehrmals hintereinander durchströmenden
Kühldampfes jeweils zwischen dem Dampfaustritt aus dem Reaktorkern und dem Dampfwiedereintritt
in den Rektorkern angeordnet, so daß durch Rückkühlung des austretenden überhitzten
Dampfes in die Kühlkanäle des Reaktorkerns stets gesättigter Dampf eintritt. Dadurch
wird erreicht, daß eine Anzahl kleiner Verdampfer an Stelle eines einzigen großen
Verdampfers verwendet werden können, so daß höhere Verdampfungsdrücke als bisher
zur Anwendung kommen können. Auch dies Temperaturgefälle über dem Reaktorkern kann
relativ niedrig gehalten werden.
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Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden
Zeichnung näher erläutert werden, welche in den F i g. 1 und 2 Strömungsdiagramme
zweier Ausführungsbeispiele zeigen.
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In F i g. 1 ist ein schwerwassermoderierter, dampfgekühlter Kernreaktor
l gezeigt, welcher vier Durchlässe 18, 19, 20, 21 für den Kühldampf, vier Verdampfer
2, 3, 4, 5, eine einen Generator 46 antreibende Turbine 6, einen Kondensator 7 und
eine Extraktionspumpe 8, einen Primär-Speisevorwärmer 9, eine Speisepumpe
10, einen Sekundär-Speisevorwärmer 11, eine Kondensatorpumpe 12 und einen
Hilf s-Speisevorwärmer 13 aufweist.
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Überhitzungsdampfrohrleitungen 14, 15, 16, 17 stellen jeweils Verbindungen
von den Durchlässen 18, 19, 20 und 21 an der Auslaßseite des Reaktors nach der Einlaßdampfseite
der Verdampfer 2, 3, 4 und 5 her. Sättigungsdampfrohrleitungen 22, 23, 24 und 25
führen jeweils von den Verdampfern 2, 3, 4 und 5 nach den Durchlässen 18, 19, 20
und 21 an der Einlaßseite
des Reaktors; die Rohrleitungen
23, 24 und 25 kommen vom Auslaß der »Dampf«-Seite der Verdampfer 2, 3 und
4, während die Rohrleitung 22 vom Auslaß der »Wasser«-Seite aller Verdampfer herkommt.
Eine gemeinsame Speisewasserzufuhrleitung 26 steht mit dem Einlaß der »Wasser«-Seite
aller Verdampfer in Verbindung. Ein Auslaß 27 von der »Dampf«-Seite (welche
überhitzten Dampf enthält) des Verdampfers 5 führt entlang der Rohrleitung
28 zur Turbine 6. Ein Nebenschluß zum Verdampfer 5 wird durch eine
Rohrleitung 29 gebildet, welche ein Ventil 30 aufweist, das durch eine Steuervorrichtung
31, welche der Turbinendampfleitung 28 zugeordnet ist, temperaturgesteuert wird,
und zwar derart, daß dann, wenn die Temperatur in der Turbine abfällt, mehr Dampf
durch die Rohrleitung 29 zu strömen vermag. Ein Nebenschluß zur Turbine, zum Kondensator,
zu den Speisevorwärmern und der Speisepumpe wird durch eine Rohrleitung
32
gebildet, welche ein Ventil 33 aufweist, das durch eine Steuervorrichtung
34, welche der Turbinendampfleitung 28 zugeordnet ist, derart durckgesteuert
wird, daß dann, wenn der Druck an der Turbine abfällt, mehr Dampf durch die Rohrleitung
32 zu strömen vermag. Die Rohrleitung 32 bildet den »Dampf«-Seiteneinlaß nach dem
Hilfsspeisevorwärmer 13. von welchem das Kondensat mittels einer Rohrleitung 35
über die Pumpe 12 entnommen und von dort in eine Hauptspeisewasserleitung
36 geleitet wird, welche durch die »Wasser«-Seite des Vorwärmers 13 hindurchführt,
von wo es in die Speisewasserzufuhrleitung26 abzweigt. Die Steuerung für den Reaktor
ist durch einen Steuerstab 37 und eine Antriebseinheit 38 angedeutet. Der Einheit
38 wird zuerst eine Einstellung entsprechend der Stellung des Turbinendrosselventils
gegeben, d. h., wenn das Ventil in die Geschlossenstellung bewegt wird, findet nur
eine geringere Strömung durch das Ventil hindurch statt, und bei konstanten Temperatur-
und Druckverhältnissen in der Turbine wird der Reaktor somit weniger Leistung erzeugen,
so daß die Einheit den Steuerstab 37 in einer solchen Richtung bewegt, daß die Reaktivität
herabgesetzt wird. Um diesen Vorgang zu ermöglichen, ist eine Strömungssteuervorrichtung
41 in der Rohrleitung 38 vorgesehen und mit der Einheit durch eine Steuerleitung
40 verbunden. Daraufhin wird ein Temperatur-Fehlersignal von einer Temperatursteuervorrichtung
39 her erhalten, welche mit der Auslaßseite des Durchlasses 21 in Verbindung steht,
und dieses Fehlersignal wird der Einheit 38 übermittelt, um dadurch die Temperatur
des Durchlaßauslasses 21 konstant zu halten und somit den Reaktor mit konstanter
Leistungsabgabe arbeiten zu lassen (wobei die Massenströmung für eine gegebene Belastung
der Turbine konstant ist). Die Reaktor-Moderator-Temperatur wird dadurch gesteuert,
daß Schwerwasser vom Reaktor 1 her durch eine Kühlvorrichtung 42 hindurch
in Umlauf gehalten wird, wo die Wärme mit zirkulierendem Kühlwasser von einer Zufuhr
43 her ausgetauscht wird, die einen Nebenschluß mit einem Ventil 44 aufweist.
Die Temperatur wird mittels einer Steuervorrichtung 45 gesteuert, welche der Moderator-Auslaßtemperatur
zugeordnet ist.
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Von den Verdampfern 2, 3, 4 und 5 herkommender gesättigter
Dampf wird durch die Rohrleitung 22 zum Reaktor 1 geleitet, wo er
im ersten Durchlaß 18 überhitzt wird, von dort strömt er nach dem Verdampfer
2 durch die Rohrleitung 14, wo er Wärme abgibt, und fließt daraufhin
nach dem zweiten Durchlaß 19 des Reaktors durch die Rohrleitung 23.
Die zweiten,
dritten und vierten durch den Reaktor hindurchführenden Durchlässe sind jeweils
an die Verdampfer 3, 4 und 5 angeschlossen, und das End= produkt fließt
vom Verdampfer 5 durch die Rohrleitung 27 hindurch ab. Gesättigter Dampf
wird erzeugt durch Wärmeübertragung von bei jedem Reaktordurchgapg erzeugtem überhitztem
Dampf nach dem Speisewasser, welches vom Vorwärmer 13 geliefert wird, wobei
der Wärmeaustausch in den Verdampfern 2, 3, 4 und 5 erfolgt.
Eine geringe Menge des vom Drucksteuerventil33 gesteuerten überhitzten Dampfes wird
mitgerissen, um die Turbine durch die Rohrleitung 32 hindurch zu umgehen.
Diese geringe Menge wird im Dampfvorwärmer 13
kondensiert, wobei dem Speisewasser,
welches nach den Verdampfern 2, 3, 4 und 5 fließt, Wärme zugeführt
wird.
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Das Kondensat vom Speisevorwärmer 13 wird mittels der Kondensatpumpe
12 nach dem Speisewasserkanal36 zurückgeleitet, während das Kondensat vom
Kondensator 7 mittels der Extraktionspumpe 8
durch den Primär-Speisevorwärmer
9 und mittels der Speisepumpe 10 durch den Sekundär-Speisevorwärmer
11 und den Speisevorwärmer 13 nach der Speisewasserleitung
26 zurückgeleitet wird.
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Bei Betrieb ergaben sich folgende typische Strömungsdaten: Dampf nach
der Turbine 2,22 - 108 kg je Stunde bei 42 kg/cm= Druck und 454,4° C: die Strömung
durch den Nebenschluß 32 betrug 63 500 kg je Stunde. Bemerkenswerte Wärmegleichgewichtsänderungen
in der Anlage, und zwar in einem Sinne zur Erreichung von Stabilitätsverhältnissen,
können erreicht werden durch Änderungen der Wärmemenge, die dem Speisewasser übertragen
wird, welches vom entlang der Rohrleitung 32 fließenden überhitzten Dampf abgeleitet
wird. Die Strömung entlang der Rohrleitung 29 hält die vorgegebene Dampftemperatur
nach der Turbine hin aufrecht.
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Bei einer abgeänderten Ausführungsform der Anlage sind die Nebenschlußleitung
32 und das Ventil 33 weggelassen, und eine elektrische Anzapfstelle vom Generator
her führt über die Leitung 47 und den Regelwiderstand 48 nach einem
Heizelement 49
im Speisevorwärmer 13. Der Regelwiderstand wird durch eine
Leitung 50 von der Drucksteuervorrichtung 40 her derart gesteuert, daß die
Wärme im Element 49 dann zunimmt, wenn der Druck in der Leitung
28 nach der Turbine abfällt. Bei Verwendung des elektrischen Heizelementes
49 fallen die Kondensatorpumpe 12 und die Rohrleitung 35 ebenfalls
weg.
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Bei einer weiteren Abänderung kann der Speisevorwärmer 13 mit Öl oder
Kohle beheizt werden.
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In F i g. 2 weist ein Kernreaktor einen Wärme erzeugenden Kern
101 mit sechzehn Primärüberhitzerdurchlässen 102 a, 102 b 102 c
... 102n für den Kühldampf, drei Primärverdampfer 103a, 103b,
103e,
dreizehn »_=#.rbeits-« oder Sekundärverdampfer 105a, 105b 105c
... 105m, dreizehn Sekundärüberhitzer 104 a,
104 b, 104c ... 104 m, eine einen elektrischen
Generator 107 antreibende Turbine 106,
deren Auslaßseite nach einem
Sekundär-Kondensator 108 führt, jeweilige Primär- und Sekundärspeisepumpen
109 und 110 und einen Primärkondensator 111 auf. In der Zeichnung
sind Primärdampfleitungen durch nicht gestrichelte Linien, Sekundärdampfleitungen
durch
doppelte Linien, Primärspeiseleitungen durch gestrichelte Linien und Sekundärspeiseleitungen
durch strichpunktierte Linien angedeutet.
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Die Primärverdampfer 103a, 103b, 103c weisen jeweilige Speisewassereinlässe
112 a, 112 b, 112 c auf, die an einen Zentralauslaß 113 der Primärspeisepumpe
109 angeschlossen sind. Die Primärverdampfer 103a, 103b, 103c weisen
außerdem Sättigungsdampfauslässe 114 a, 114 b, 114 c auf, die an eine
gemeinsame Abzweigung 115 angeschlossen sind, welche nach dem Primärüberhitzerdurchlaß
102a führt. Überhitzter Dampf vom Durchlaß 102a wird durch einen Auslaß 116a nach
dem Primärverdampfer 103 a geleitet, wo er seine Überhitzung beim Verdampfen von
Speisewasser abgibt, welches in den Verdampfer durch den Einlaß 112a eintritt. Vom
Verdampfer 103 a wird der nunmehr gesättigte Dampf nach dem Primärüberhitzerdurchlaß
102b mittels eines Einlasses 117a geleitet, um erneut eine überhitzung
zu erfahren. Der Dampf wird daraufhin durch den Primärverdampfer 103 b mittels eines
Auslasses 116b und zurück durch den Reaktorkern mittels eines Einlasses 117 b und
des Primärüberhitzerdurchlasses 102c geleitet und daraufhin durch einen Auslaß 116
c nach dem Primärverdampfer 103 c. Vom Primärverdampfer 1C3 c kann der Dampf dann
durch einen Auslaß 117c entweder durch einen Speisevorwärmer 118 oder eine Nebenschlußleitung
132 oder durch beide zugleich nach dem Primärüberhitzerdurchlaß 102d mittels eines
Auslasses 119d fließen. Der überhitzte Dampf wird daraufhin jeweils durch die Sekundärüberhitzer
und Verdampfer 104 a und 105 a mittels eines Einlasses
120 d geleitet, von wo er im gesättigten Zustand durch einen Auslaß
119 e zurückgeleitet wird, welcher nach dem Primärüberhitzerdurchlaß 102e
führt. Daraufhin wird der Dampf in ähnlicher Weise jeweils durch Sekundärüberhitzer
104 b, 104 c ... 104 m, und Sekundärverdampfer 105 b,
105 c ... 105m mittels jeweiliger Einlässe und Auslässe 120 e, 120
f ... 120 p und 119 f, 119 g ... 119 p durch die Primärüberhitzungsdurchlässe
102e, 102 f ... 102p und schließlich in einem gesättigten Zustand vom Sekundärverdampfer
105m mittels einer Leitung 121 nach dem Primärkondensator 111 geleitet. Der
Dampf wird dann kondensiert und das Kondensat nach der Speisepumpe 109 mittels
einer Leitung 122 zurückgeführt.
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Der Primärkondensator 111 wird durch Speisewasser gekühlt, welches
nach einer Leitung 123 durch die Sekundärspeisepumpe 110 gepumpt wird. Das erwärmte
Speisewasser wird daraufhin durch eine Leitung 124, die sich in zwei getrennte Leitungen
125,126 aufteilt, geleitet, wobei die Leitungen 125, 126 jeweils an den Speisevorwärmer
118 und die Sekundärverdampfer 105a, 105b ... 105 m angeschlossen
sind. Das Sekundärspeisewasser nimmt Wärme vom Primärdampf auf, welcher durch seine
Sekundärverdampfer 105 a. . .105 m fließt, und zwar durch Anschlußleitungen
127 a, 127 b . .. 127 m nach jeweiligen Sekundärüberhitzern, 104
a, 104 b ...
104m, und von dort nach einer Zentraldampfleitung
129 durch Anschlußleitungen 128a ... 128 m. Die Sekundärdampfleitung
129 ist an den Einlaß der Turbine 106 angeschlossen, wo der Dampf nach seinem Durchgang
durch die Turbine und nach dem Leisten von Nutzarbeit im Kondensator 108 kondensiert,
ehe er über die Sekundärseite der Anlage wieder in Umlauf gebracht wird.
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Die Steuerung erfolgt jeweils durch die Dampfströmungs-Steuerventile
130, 131; das Ventil 130 ist ein von Hand zu betätigendes Ventil, welches in die
Leitung 121 eingebaut ist, welche nach dem Primärkondensator 111 führt, und
es steuert das Ausströmen von Primärdampf aus den überhitzerdurchlässen 102
a, 102 b ... usw. durch die jeweiligen Sekundärüberhitzer und
-verdampfer 104 a ... usw. und 105 a . . . usw. Durch die Einstellung
des Ventils 130 wird die Dampfströmung durch die Primärseite des Systems gesteuert,
welche wiederum das Erzeugen von Sekundärdampf steuert. Die Turbine 106
ist
mit dem üblichen Einlaßventilgehäuse 133 versehen, wobei ein von einem Regler betätigtes
Ventil sich, falls erforderlich, bei Überschreiten der zulässigen Drehzahl der Turbine
zu schließen vermag. Ein Dampfströmungssteuerventi1134 und eine Drucksteuervorrichtung
135, welche in die Dampfleitung 129 eingebaut sind, steuern zusammen den Dampfdruck
am Einlaß der Turbine 106.
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Das Strömungssteuerventil 131 ist in der Leitung 132 eingebaut, welche
den Speisevorwärmer 118
umgeht, und es steht unter der Steuerwirkung einer
Drucksteuervorrichtung 136, die an die Primärdampfabzweigleitung 115 angeschlossen
ist. Ein Dampfdruckabfall innerhalb der Abzweigleitung 115
hat eine Schließbewegung
des Ventils 131 zur Folge, während eine Druckerhöhung innerhalb der Abzweigleitung
zu einem Öffnen des Ventils 131 führt.
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Ein Dampfdruckabfall innerhalb der Abzweigleitung 115, der als Folge
einer größeren Öffnung des Strömungssteuerventils 130, eines Ausfallens der
Primärverdampfung oder einer Explosion auftreten kann, hat eine Zunahme des latenten
Wärmebedarfs der Sekundärverdampfer 105 a, 105 b
... 105 m zur Folge, und diese Wärme wird durch Erhöhung der
Primärdampfströmung durch den Speisevorwärmer 118 hindurch erzeugt, woraus sich
eine erhöhte Übertragung von Wärme nach dem Sekundärspeisewasser innerhalb der Sekundärverdampfer
105 a,
105 b ... 105 m ergibt.