DE1175805B - Kernreaktor mit einem aufrecht in einem senk-recht stehenden Kessel angeordneten Kern - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G 21

Deutsche KL: 21g-21/31

Nummer: 1175 805

Aktenzeichen: G 32376 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 31. Mai 1961

Auslegetag: 13. August 1964

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor mit einem aufrecht im senkrecht stehenden Kessel angeordneten, aus einem festen inneren und davon getrennten äußeren Teil bestehenden Kern, der von einer Moderator-Kühlflüssigkeit umspült wird und bei dem die Reaktivität durch Verschiebung eines Teiles geregelt wird.

Bisher waren meist senkrecht geführte Steuerstäbe in dem Steuersystem des Reaktors üblich. Trotz aller Verbesserungsversuche begegnen diese Systeme grundsätzlichen Schwierigkeiten. Es bestehen beispielsweise Meinungsverschiedenheiten darüber, ob der Antrieb oberhalb oder unterhalb des Reaktors sich befinden sollte. Bei der Wahl von Art und Anordnung des Antriebs ergeben sich Vor- und Nachteile, die gegeneinander abgewogen werden müssen. Daher ist keine der bekannten Typen vom konstruktiven Standpunkt aus optimal. Einige der bekannten Nachteile der Anordnungen von vielen vertikalen Steuerstäben, wie sie in Reaktoren mit siedendem und nichtsiedendem Wasser verwendet werden, sind:

1. Für die gesamte Bewegung des Stabes wird ein großer Weg benötigt. Dadurch ergibt sich oberhalb oder unterhalb des Reaktors ein großer freier Raum, in dem der Antriebsmechanismus arbeitet.

2. Es wird eine große Anzahl von Steuerstäben benötigt. Für jeden Antrieb muß ein Stutzen am Druckbehälter vorgesehen werden. Gewöhnlich sind diese Stutzen so zahlreich und so dicht benachbart, daß die Wandung des Druckbehälters in der Nachbarschaft der Stutzen wesentlich stärker sein muß als an den anderen Stellen.

3. Die Toleranzbedingungen bezüglich dieser Stutzen sind so hoch, daß die Kosten für die Stutzen sehr bedeutend werden.

4. Die Stutzen müssen mit speziellen Abschirmungen versehen werden.

5. Der Antrieb der Stäbe ist gewöhnlich kompliziert, teuer und doch nicht ganz zuverlässig.

6. Der Zugang zu den Antrieben für die Stäbe bei der Montage und/oder bei dem Unterhaltungsdienst ist gewöhnlich sehr kompliziert, weil die Antriebe sehr dicht benachbart sind.

7. Infolge der Schwerkraft sammeln sich im unteren Teil des Druckbehälters radioaktive Teilchen, so daß dort die Radioaktivität besonders groß ist. Deshalb ist der Ersatz oder eine größere Reparatur von Antrieben, die unter dem Boden des Reaktors angebracht sind, besonders kompliziert. Bei solchen Antrieben ist auch die Verhinderung des Durchsickerns von Wasser während der Reparatur oder des Austausches von Antrieben besonders schwierig.

Kernreaktor mit einem aufrecht in einem senkrecht stehenden Kessel angeordneten Kern

Anmelder:

General Nuclear Engineering Corporation,

Dunedin, Fla. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,

Stuttgart 1, Rotebühlstr. 70

Als Erfinder benannt:

lohn Merle West, Dunedin, Fla.,

Frank Bevilacqua, Clearwater, Fla. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 31. Mai 1960 (32 648)

8. Das Kesselhaus muß wesentlich höher sein bei oberhalb und besonders bei unterhalb des Kessels angebrachten Antrieben.

9. Die Probleme des Explosions- und des Luftschutzes sind kompliziert.

10. Oberhalb der Kessel angebrachte Antriebe müssen in einer Umgebung von Naßdampf arbeiten, der die Korrosion fördert.

11. Die Demontage von Antrieben, die oberhalb des Druckbehälters angeordnet sind, ist sehr umständlich und manchmal ein Glücksspiel, wenn nicht gleichzeitig der Deckel des Druckbehälters demontiert wird.

12. Die Steuerstäbe selbst sind teuer, besonders wenn sie aus Hafnium oder angereichertem Bor oder anderen teuren Neutronen-Absorptionsstoffen bestehen. Einige Absorptionsstoffe müssen nach einigen lahren ersetzt werden, weil sie erschöpft sind. Auch die aus Zirkonium bestehenden Mitnehmer, die bei den Steuerstäben üblicherweise verwendet werden, sind teuer.

13. Ein wesentlicher Teil des nützlichen Kerninhalts wird durch die Kanäle für die Steuerstäbe beansprucht und wird damit für die Wärmeerzeugung unwirksam.

14. Das Wasser in den Kanälen für die Steuerstäbe erzeugt schädliche überhitzte Stellen in dem

409 640/295

3 4

Brennstoff, der den Kanälen unmittelbar benach- man vorzugsweise bei besonders großen Reaktoren

bart ist. benutzen. Bei kleineren Reaktoren genügt aber die

15. Das Wasser in den Kanälen für die Steuerstäbe Steuerung mit Hilfe der seitlich beweglichen Kern- und das Zirkonium in den Wänden dieser Kanäle teile.

vermindern das Umwandlungsverhältnis des Reaktors. 5 Vorzugsweise wird ein Dampfkessel-Reaktor ver-

16. Die senkrechte Bewegung der Steuerstäbe wendet mit völlig natürlichem Wasserumlauf. Man stört unausweichlich die Lastverteilung im Kern, so kann die Anordnung aber auch so treffen, daß daß nicht überall das Maximum an Leistung er- Zwangsumlauf für das Kühlmittel durch den festen zeugt wird. Dadurch wird die Leistungsabgabe des inneren Teil des Kernes vorgesehen ist und natür-Reaktors herabgesetzt. io licher oder erzwungener Umlauf durch den äußeren

Die Erfindung geht von der bekannten Tatsache seitlich beweglichen Teil des Kernes, aus, daß man einen Reaktor auch dadurch regeln Als besonders nützlich erweist sich sowohl in bekann, daß man einen Teil der kritischen Masse zug auf die Steuerung als auch auf die Konstruktion gegenüber einem anderen feststehenden Teil ver- und den Betrieb des Reaktors die Verwendung des schiebt. Die Erfindung gibt eine besonders einfache 15 bekannten Zweikreissystems in einem Dampfkessel-Lösung für dieses Regelprinzip an und besteht darin, Reaktor.

daß die äußeren Teile des Kerns in dem Zwischen- In der Regel wird bei wassergekühlten Reaktoren

raum zwischen dem festen inneren Teil und der von dem Brennstoff, der sich in der Nähe der Kerninneren Wandung des Kessels angeordnet sind und mitte befindet, sehr viel mehr Hitze erzeugt als von zur Regelung der Reaktivität seitlich von einer dem 20 dem Brennstoff, der sich mehr an der Peripherie inneren Teil der benachbarten Stellung nach außen des Kernes befindet. Deshalb wird bei dem dualen in eine von dem inneren Teil entfernte Endstellung Umlaufsystem ein Zwangsumlauf des Wassers für beweglich sind, und umgekehrt. Dabei können die die Mitte des Kernes vorgesehen, während ein natürdie Bewegung der äußeren Teile bewirkenden Mit- licher Umlauf in dem Bereich stattfindet, der das tel diese in Richtung auf die vom inneren Teil ent- 25 Innere des Kernes umgibt. Da die Mitte des Kernes fernte Stellung vorspannen. am meisten Leistung abgibt, wird durch den

Es ist zwar schon bekannt, die seitlichen Ab- Zwangsumlauf durch diese schon für eine ausstände der Brennelementstäbe und gegebenenfalls reichende Kühlung gesorgt, und der Reaktorkonstrukauch der Regelstäbe durch besondere Antriebe zu teur kann sicher sein, daß eine solch ausreichende verstellen, z. B. durch Systeme von Gelenkvierecken. 30 Kühlung auch eintritt. Da aber der Teil des Kernes, Diese Anordnungen haben jedoch ähnliche Nach- der um den inneren Bereich herum angeordnet ist, teile wie die eingangs erwähnten Antriebe für senk- eine wesentlich geringere Leistungsabgabe hat, ist recht zu verschiebende Steuerstäbe. dort ein Zwangsumlauf für die ausreichende Küh-

Der Reaktor nach der vorliegenden Erfindung be- lung nicht erforderlich. Es reicht dort natürlicher nötigt also keine oder nur einige Steuerstäbe, weil 35 Umlauf aus, so daß die größeren Anforderungen der Kern des Reaktors aus zwei Teilen besteht, von eines Zwangsumlaufes nicht gestellt werden und sich denen der eine im Inneren senkrecht und feststehend eine wirtschaftlichere Anordnung ergibt. Diese Komangeordnet ist, während der andere seitlich davon bination von natürlichem und erzwungenem Wasserbeweglich ist. Wie das Ausführungsbeispiel zeigen umlauf ergibt ein sehr viel wirtschaftlicheres System wird, kann der äußere Teil des Kernes in eine An- 40 für Reaktoren mittlerer und größerer Leistungen, zahl voneinander unabhängige Abschnitte unterteilt Außerdem kann eine zweimalige Trennung von werden, die den festen Teil des Kernes umgeben. Dampf und Wasser vorgenommen werden, und zwar Dabei können diese Abschnitte den Seitenflächen einmal in dem Reaktorbehälter und in einem besondes inneren Kernteiles benachbart angeordnet sein deren Abscheider, der als Trommel ausgebildet sein und können seitlich aus einer unmittelbar benach- 45 kann und einen Teil des Umlaufsystems bildet. Es harten Stellung in eine vom Kern weiter entfernte können also nicht nur die Steuerstäbe vermieden Stellung bewegt werden. Wenn die Abschnitte des oder vermindert werden, sondern es ergeben sich äußeren Kernes auf den inneren Kernteil zubewegt auch Verbesserungen bezüglich der Trennung von werden, erhöht sich natürlich die Reaktivität des Dampf und Wasser in bezug auf die Sicherstellung Kernes und damit seine abgegebene Leistung. So 5° eines angegebenen Umlaufes mit geringsten Kosten kann durch seitliche Einstellung dieser äußeren Ab- und geringstem Aufwand.

schnitte des Kernes die Leistung des Reaktors ge- Die Steuerung des Reaktors durch seitliche Bewe-

steuert werden. Die äußeren Abschnitte des Kernes gung der äußeren Kernteile kann ergänzt werden sind so angebracht, daß sie durch die Schwerkraft durch eine Steuerung des Verhältnisses der Zugabe in ihre äußere Stellung gezogen werden. In dieser 55 von unterkühltem Speisewasser zu den äußeren äußeren Stellung ist der Kern unterkritisch, wenn Kernteilen und den inneren Kernteilen. Es wird also die Steuerung des Reaktors ausschließlich mit die- das Verhältnis des Wasserzuflusses zu diesen beiden sen seitlichen Kernteilen vorgenommen wird. Kernteilen verändert. Diese zusätzliche Steuerung

Der größte Vorteil der Erfindung ergibt sich na- hat den Vorteil, daß die Leistung geregelt werden türlich, wenn die gesamte Steuerung des Reaktors 60 kann und trotzdem das Umwandlungsverhältnis aufdurch diese äußeren Kernteile erfolgt. Es kann abet rechterhalten bleibt.

auch von wesentlichem Vorteil sein, dieser Steue- Zum besseren Verständnis wird nun die Erfindung

rung in Kombination mit Steuerstäben zu verwenden. unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Dann wird nämlich die Anzahl der Steuerstäbe er- In den Zeichnungen stellt dar heblich vermindert, so daß viele der Nachteile der 65 F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Aus-Steuerstäbe vermieden werden können. Die kombi- führungsbeispiels einer Kernreaktoranlage, nierte Steuerung, d.h. die Steuerung durch Steuer- Fig. 2 einen Querschnitt durch den Reaktor ent-

stäbe und durch bewegliche äußere Kernteile, wird lang den Linien 2-2, der die Ausbildung und An-

5 6

Ordnung der verschiedenen Kernabschnitte erkennen triebsgliedes, das in der Zeichnung mit 26 bezeich-

läßt, net ist. Eine Stange 28 ist aus dem Reaktorbehälter

F i g. 3 einen vergrößerten Längsschnitt durch den durch eine geeignete druckdichte Manschette 30 herunteren Teil des Reaktorbehälters, und zwar entlang ausgeführt und mit einem Motorantrieb 32 von der Linie 3-3 der F i g. 2, 5 irgendeiner bekannten und geeigneten Type verbun-

Fig. 4 schematisch ein abgeändertes Ausfüh- den. Dabei wird der Motorantrieb so gestaltet, daß

rungsbeispiel einer Kernreaktoranlage, die Bewegung des äußeren Kernteiles bei Einstellung

F i g. 5 einen Querschnitt enlang der Linie 5-5 der der Leistung des Reaktors verhältnismäßig langsam

F i g. 4, ist, dagegen sehr schnell ist, wenn die Notwendigkeit

Fig. 6 einen Längsschnitt entlang der Linie6-6 io eintritt, die äußeren Kernteile schnell in die äußere

der Fig. 5. Stellung zu bringen, um den Reaktor abzuschalten.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zeigt einen Die Bewegung, die in waagerechter Richtung

Druckbehälter 10 für den Reaktor, in dem der Kern nötig ist, um den Reaktor mit Hilfe der äußeren

12 befestigt ist. Der Kern besteht aus einer großen Kernteile zu steuern, ist verhältnismäßig klein. Bei

Zahl von senkrecht angeordneten Brennelement- 15 einem Reaktor für leichtes Wasser genügt zur Ent-

stäben (z. B. Zirkoniumrohre, in denen UO₂ enthal- kupplung der äußeren Kernteile eine Bewegung von

ten ist). Diese Brennelementstäbe sind zu einer einigen Zentimetern. Die horizontalen Antriebe brau-

Anzahl von Brennelementeinheiten zusammengebaut chen daher nur geringe Anschläge zu haben, z. B.

und diese wiederum bilden den Kern. Die Brenn- um 15 cm herum. Der für diese Bewegung nötige

elementstäbe besitzen einen gewissen Abstand von- ²⁰ Mechanismus ist wesentlich einfacher als der, der

einander, um senkrechte Kanäle für das Kühlwasser für die Bewegung der Steuerstäbe in den bisher

zu bilden. Der Kern kann, wie in F i g. 2 dargestellt, üblichen Reaktoren benötigt wurde. Auch in Reak-

quadratisch im Querschnitt sein. toren mit schwerem Wasser wird die Bewegung zwar

Der feste, innere Teil 14 ist von vier äußeren etwas größer, ist aber immer noch verhältnismäßig

Kernteilen 16 umgeben, und zwar ein Teil für jede ²5 klein.

Seitenfläche des festen Teiles. Die äußeren Teile 16 Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 ist das sind seitlich beweglich. Um die äußeren Kernteile 16 Umlaufsystem derart eingerichtet, daß Wasser aufin seitlicher Richtung einstellbar gegenüber den festen wärts durch den mittleren Kernbereich 14 gedrückt Teilen des Kernes zu machen, ist jeder dieser Kern- wird. Aus diesem Bereich treten Dampf und Wasteile in einem sich senkrecht erstreckenden Gehäuse 3° ser in das Innere des Kanals ein. Das Wasser wird oder einer Steigleitung 18 angebracht. Diese Steig- dann abwärts an dem äußeren Kernteil 16 herableitung 18 bestimmt in senkrechter Richtung die Ge- geführt und steigt in den äußeren Kernteilen wieder stalt des äußeren Kernteiles. Er ist oben nach der hoch. Sowohl beim Durchfluß durch den mittleren Seite und nach außen abgebogen und drehbar auf Kernteil als auch beim Durchfluß dprch den äußeren der Achse 20 gelagert. Diese Achse wird von zwei 35 Kernteil wird Dampf erzeugt. Wie dargestellt, besitzt Klammern 22 gehalten, die ihrerseits an der Wan- das Umlaufsystem des Reaktors eine Pumpe 34, dung des Kessels befestigt sind und sich nach innen deren Ausgang mit dem unteren Ende des Reaktorerstrecken. Die Steigleitungen 18 sind sowohl an behälters 10 über eine Leitung 36 verbunden ist. Im ihrem oberen Ende 24 als auch an ihrem unteren unteren Teil des Reaktorbehälters ist ein Führungs-Ende offen. Sie können aus der in F i g. 3 stark aus- 4° rohr 38 angebracht, dessen Aufgabe darin besteht, gezogenen, dem inneren Kern 14 benachbarten Stel- das Wasser von der Leitung 36 unmittelbar dem lung in die gestrichelt dargestellte, dem inneren Kern inneren Kernteil 14 des Reaktors zuzuführen und entferntere Stellung bewegt werden. Die Aufhängung den Abfluß zu dem äußeren Teil zu verhindern, der Kernteile 16 ist so getroffen, daß sie danach Oberhalb des inneren Kernteiles 14, dessen obere streben, die von dem festen Kernteil entfernte Stel- 45 Begrenzungslinie mit 41 bezeichnet ist, befindet sich lung einzunehmen, so daß der Reaktor nach der das feste Kernsteigrohr 40. Das Wasser fließt also Einstellung größter Sicherheit tendiert. In dieser von dem Ende dieses Steigrohres zusammen mit dem äußeren Einstellung sind die äußeren Kernteile 16 Dampf ab, der bei dem Durchfluß des Wassers genügend weit von dem inneren Kern entfernt, daß durch den inneren Kernteil erzeugt wurde. Dampf sie davon ausgekuppelt werden können. Es sei be- 5° und Wasser werden dann getrennt, und der Dampf merkt, daß man bei Dampkessel-Reaktoren den verläßt den Behälter 10 durch die Auslaßleitung 42. Druckbehälter nicht zu vergrößern braucht, um den Das Wasser fließt abwärts und an dem äußeren nötigen Raum für die Bewegung des äußeren Kern- Kernteil im Bereich 44 vorbei und tritt dann am unteiles zu gewinnen. Dieser Zwischenraum, der bei teren Ende eines jeden äußeren Kernteiles 16 ein. Es der Erfindung für die Bewegung des äußeren Kern- 55 fließt aufwärts hindurch und durch das Steigrohr 18, teiles benutzt wird, ist in solchen Reaktoren schon das es beim Auslaß 24 als Dampf-Wasser-Mischung vorhanden, weil er für andere Zwecke benötigt wird. verläßt. Ein Teil dieses Dampfes gelangt zur Aus-Die schwenkbare Aufhebung eines jeden äußeren laßleitung 42, während ein anderer Teil und ein we-Kernteiles 16 befindet sich am oberen Ende des sentlicher Anteil von Wasser durch die Leitung 46 Steigrohres 18, um dadurch den Radius, durch den 60 unterhalb des Wasserspiegels im Kessel abgeführt diese Teile schwenkbar sind, möglichst groß zu wird. Diese Leitung 46 ist mit dem Dampfabscheider machen. Da der Kernteil 16 sich im unteren Bereich oder der Dampf- und Wassert-rommel 48 verbunden, des Steigrohres 18 befindet und da dieses Steigrohr von der wiederum die Leitung SO eine Verbindung von erheblicher Länge ist, wird die Bewegung des mit dem Eingang der Pumpe 34 herstellt. Der Kernteiles 16 in bezug auf den festen Kernteil 14 65 Dampf W_{s 2}, der im Abscheider 48 abgeschieden nahezu horizontal. wurde, wird über die Leitung 52 der Leitung 42 zu-Die seitliche Einstellung der äußeren Kernteile 16 geführt, so daß der gesamte Dampf dem Trockner geschieht mit Hilfe eines motorangetriebenen An- 54 und dann der Turbine 56 über die Leitung 58

zufließt. Der von der Turbine 56 kommende Dampf wird im Kondensator 60 kondensiert, und das unterkühlte Kondensat dieses Kondensators wird über die Leitung 62 der Pumpe 64 zugeführt. Von dieser Pumpe 64 gelangt das Wasser zu dem Dreiwegeventil V-2, das den Zweck hat, das Verhältnis des Speisewasserflusses zwischen der Trommel 48 und dem absteigenden Zug 44 zu bestimmen. Dies geschieht zu dem weiter unten beschriebenen Zweck.

und 6 dargestellt. An der Stelle, wo die Steigleitung 18' mündet, ist die Kopfleitung 70 mit Öffnungen 72 versehen, die mit dem Inneren der Steigleitungen in Verbindung stehen, so daß das Dampf-Wasser-Ge-5 misch durch die Steigleitung in die Kopfleitung eintritt und über die Leitung 46' dem Dampfabscheider 48 zugeführt wird. Durch diese Anordnung wird es möglich, die Trommel 48 niedriger anzuordnen als im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, wo der Flüs-

Dabei fließt das Speisewasser der Trommel über die io sigkeitsstand in der Trommel und im Behälter 10 Leitung 66 und dem absteigenden Zug 44 über die und dementsprechend auch die beiderseitigen Drücke Leitung 68 zu. sich sehr nahe kommen. Durch die niedrigere An-

Bei dem dargestellten Umlaufsystem wird ein Ordnung der Trommel 48 kann, wie dargestellt, eine Zwangsumlauf für den inneren Kernbereich 14 vor- Wassersäule 74 zwischen den Flüssigkeitsständen L₁ gesehen, wo ein hoher Neutronenfluß und eine grö- 15 und L₂ bestehen. Diese unterstützt den natürlichen ßere Wärmeerzeugung sich ergeben. Der Zwangsum- Umlauf durch die äußeren Kernteile 16. lauf in diesem Bereich stellt eine angemessene Küh- Die Wirkungsweise der Anordnung nach F i g. 4

lung sicher, und die Konstruktion des Kernes braucht ist derjenigen nach F i g. 1 sehr ähnlich. Die Pumpe auf die Kühlung keine Rücksicht zu nehmen, son- 34 drückt Wasser ausschließlich durch den inneren dem kann optimal vom Standpunkt des Neutronen- 20 T_eji 14 des Kernes, wo ein Teil des Wassers in flusses gewählt werden. Der äußere Kernbereich, bei Dampf verwandelt wird, der den Kessel durch die dem weniger Wärme erzeugt wird und bei dem des- Auslaßleitung 42 verläßt. Das Wasser fließt durch halb ein Zwangsumlauf zur Erzielung ausreichender den ringförmigen Abzug 44 nach unten und durch Kühlung nicht nötig ist, wird mit Hilfe des natür- die äußeren Kernteile 16 wieder nach oben. Dabei liehen Umlaufes gekühlt, so daß sich Kosten und 25 gelangt das Dampf-Wasser-Gemisch in die ringför-Größe der notwendigen Ausrüstung vermindern. Es mige Kopfleitung 70 und wird der Trommel 48 über ergibt sich, daß das besondere Steuersystem mit den die Leitung 46' zugeführt.

in waagerechter Richtung beweglichen äußeren Kern- Zusätzlich zu der Unterstützung, die der natür-

teilen 16 außerordentlich gut für diesen Reaktor mit liehe Wasserumlauf durch die äußeren Kernteile 16 dualem Wasserumlauf geeignet ist. Es ergeben sich 30 von der Wassersäule 74 erhält, oder auch an Stelle die Vorteile sowohl des Wasserumlaufsystems als der Wassersäule 74, kann dieser Wasserumlauf durch auch des Steuersystems für die äußeren Kern- einen geeigneten Druckabfall in der Leitung 42 unteile. terstützt werden. Zu diesem Zweck ist in der Lei-

Die seitliche Steuerung hat eine Anzahl beson- tung 42 (Fig. 4) eine einstellbare Drosselöffnung76 ders wünschenswerter Vorteile im Vergleich zu der 35 vorgesehen. Diese kann von Hand oder automatisch üblichen Steuerung mit Steuerstäben. Diese seitliche eingestellt werden, um einen Druckabfall zu erzeu-Steuerung hat eine Senkung der Kosten des Reaktors g_en, der mit dem Dampffluß W_{s t} ansteigt. Dadurch zur Folge und bringt auch die Möglichkeit mit sich, wird der Wasserumlauf durch die Kernteile 16 versehr viel weniger störungsanfällige Steuermechanis- stärkt. Wenn diese Öffnung automatisch reguliert men zu verwenden. Der größte Vorteil im Vergleich 40 wird, so wird sie mit Hilfe der Steuervorrichtung 77 zu dem System mit Steuerstäben besteht aber in der _So eingestellt, daß ein vorbestimmter Druckabfall im größeren Leistungsfähigkeit des Reaktors. Es lassen Verhältnis zur Belastung des Systems, d. h. der Tursich Leistungen erzielen, die 5O°/o größer sind als bine, sich ergibt.

mit einem Reaktor, der mit senkrechten Steuerstäben Die Ausführungsform der Anordnungen nach

gesteuert wird. Dieser Gewinn ergibt sich hauptsäch- 45 F i g. 1 und 4 ist mit der gleichen Steuereinrichtung lieh daraus, daß überhitzte Punkte und Flußverzer- _zur Steuerung der vom Reaktor abgegebenen Leistung, der Flüssigkeitsstände im System, der Umlaufgeschwindigkeiten usw. ausgestattet.

Wie dargestellt, wird die Leistungsabgabe durch
5° eine Kombination der Steuerung der seitlich beweglichen äußeren Kernteile und der Steuerung des Verhältnisses des Speisewassers zu den beiden Reaktorteilen gesteuert.

Die Leistung wird automatisch als Funktion der Die Steigleitungen 18', in denen sich die äußeren 55 angeforderten Leistung in einem verhältnismäßig Kernteile befinden, stehen vielmehr mit dem Inneren weiten vorbestimmten Bereich, z. B. zwischen 100 des Kessels über eine Ringleitung 70 (Fig. 5 und 6) und 4O°/o der vollen Leistung gesteuert. Zur Aufin Verbindung. Die Ringleitung bildet auch das rechterhaltung des Umwandlungsverhältnisses des drehbare Lager für die äußeren Kernteile im Aus- Reaktors sieht man die Änderung der Leistung durch führungsbeispiel der Fig. 4. Die Steigleitung 18' ist 60 Steuerung der Blasenbildung im Kern vor. Die bisher an ihrem oberen Ende nicht offen gegenüber dem bekannten Reaktoren mit direktem Umlauf konnten Inneren des Kessels 10. Das obere Ende der Steig- nur beschränkt in bezug auf die Blasenbildung geleitung wird verbreitert, wie es dargestellt ist, so daß steuert werden, wenn man die Absicht hatte, die die Kopfleitung 70, die ringförmig im Kessel ange- Leistungsabgabe des Reaktors der Leistungsanfordeordnet ist und von den Klammern 22 gehalten wird, 65 rung anzupassen. Die duale Umlaufeinrichtung gedie Steigleitungen 18 durchdringt. Dabei sind die stattet jedoch einen weiteren Steuerungsbereich für Steigleitungen auf der Kopfleitung drehbar gelagert. die Blasenbildung im Kern, z.B. können etwa 4O°/o Diese Anordnung ist im einzelnen in den Fig. 5 der Vollast durch Änderung der Unterkühlung in

rungen vermieden werden, die bei der Verwendung
von Steuerstäben in Reaktoren unvermeidlich sind.
Es ergibt sich auch ein Gewinn bezüglich des Umwandlungsverhältnisses.

Das Ausführungsbeispiel der F i g. 4 ist im allgemeinen dem nach F i g. 1 ähnlich, jedoch sind die
oberen Enden der äußeren Kernteile 16 nicht gegenüber dem Behälter 10 über die Steigrohre 18 offen.

jedem Zweig gesteuert werden. Die zusätzliche Steuerung von 20 °/o, die für eine Gesamtaussteuerung von 60% nötig ist, wird durch die automatische Verstellung der seitlichen Kernteile erreicht. Man kann natürlich das Verhältnis der Steuerung, die durch jede dieser Möglichkeiten erzielt wird, variieren. Man kann z.B. den größeren Teil der Steuerung durch die seitliche Verstellung der äußeren Kernteile erzielen, wenn dies wünschenswert ist.

Eine Änderung der wirksamen Unterkühlung des Reaktors wird durch unterschiedliche Aufteilung der vom Kondensator 60 zurückfließenden Speisewassermenge (W_c) auf den inneren Reaktorkern 14 (W₁. ^ und auf den äußeren Reaktorkern 16 (W _c2) erzielt. Obwohl die Temperatur des Kondensates im wesentlichen auch bei Leistungsänderungen konstant und unterhalb der Sättigungstemperatur bleibt, so ist doch der Reaktivitätswert der Blasen im ersten Weg größer als der im äußeren Teil des Kernes. Mit anderen Worten: Eine Änderung der Dichte des Moderators im inneren Teil des Reaktors hat viel größere Wirkungen als eine Änderung von gleichem Betrag und umgekehrter Richtung im äußeren Teil des Reaktors. Deshalb ergibt die Zuführung einer größeren Menge Wassers im ersten Weg einen größeren Effekt als die Verminderung der Zufuhr kalten Wassers in dem zweiten Weg. Deshalb ergibt sich eine Änderung der gesamten Leistungsabgabe bei Veränderung der Menge an zugeführtem Kondensat in jedem Weg. Bei Vollast des Reaktors wird beispielsweise das Kondensatverhältnisventil V-2 auf ein vorbestimmtes Speisewasserverhältnis eingestellt. Man führt beispielsweise 65% des Kondensates dem ersten Weg 14 und 35% dem zweiten Weg 16 zu. Dieses Verhältnis kann durch Stellung des Ventils C-2 geändert werden. Wenn man annimmt, daß das Verhältnis so geändert wird, daß der erste Weg 0% und der zweite Weg 100% des Kondensates erhält, so ergibt sich ein ganz erheblicher Leistungsabfall (z. B. 40% auf Grund der Veränderung des Blasengehaltes in jedem Weg). Diese Leistungsänderung muß eintreten, um die Reaktivität, die in den Blasen enthalten ist, konstant und in stationärem Zustand zu halten.

Die Steuerung, die durch die Kombination der seitlichen Einstellung des äußeren Kernteiles 16 und durch das einstellbare Verhältnis des Speisewassers erzielt wird, wird im einzelnen durch zwei Nachlaufregelungen erreicht, die den Reaktor veranlassen, die abgegebene Leistung automatisch der von der Turbine angeforderten Leistung über den ganzen gewünschten Steuerungsbereich von beispielsweise 40 bis 100% Vollast anzupassen.

Der Blasensteuerkreis ist ein einfacher Nachlaufregler, der das Verhältnisventil V-2 als eine Funktion der Turbinendrosselsteilung T steuert. Die Drosselstellung bringt die angeforderte Leistung bei konstantem Druck zum Ausdruck. Sie wird automatisch durch die Einstellung^' eingestellt, so daß ein vorbestimmtes Verhältnis, z. B. die Hälfte der Belastung, als unmittelbare Funktion der Drosselstellung in den vorbestimmten Bereich (0 bis 100% der Vollast) durch das Verhältnisventil V-2 geregelt wird. Die Grundstellung des Verhältnisventils kann von Hand jederzeit geändert werden, so daß der Steuerbereich für den Blasengehalt jederzeit vergrößert oder verkleinert werden kann. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Reaktor mit der höchsten Wirtschaftlichkeit bezüglich der Neutronen gefahren werden soll.

Es sei bemerkt, daß eine Verstellung der Kernteile 16 im oberen Steuerbereich (d. h. z. B. zwischen 100 und 60% der Vollast) in das Steuerglied C-2 des Ventils V-2 so eingeführt würde, daß die Endstellung des Ventils nicht durch die Drosselstellung, sondern durch den Nullfehler zwischen der von der Turbine angeforderten Leistung und der vom Reaktor abgegebenen Leistung bestimmt würde. In diesem Falle würde die Steuerung des Blasengehaltes ausreichen, um einen großen Teil der Last zu steuern (etwa 40%), ohne daß es nötig wäre, die Kernteile 16 in seitlicher Richtung zu verstellen.

Ein vorbestimmter Prozentsatz der Vollast kann jedoch nur durch die seitliche Bewegung der Kernteile 16 gesteuert werden. Wie gezeigt, stellt der Servomotor S₀ die Kemteile 16 über das Steuerglied 78 und die Motoren 26 so ein, daß der Druck des Reaktors dem vorher eingestellten Druck P_ref gleich wird. Da der Dampfdruck P_s, der der Turbine zugeliefert wird, das Bestreben hat, sich mit der angeforderten Leistung zu- ändern, ist nur dieses Signal für den Servomotor nötig. Es wird durch den Druckmeider 80 und das Steuerglied 82 erzeugt. Um jedoch ein noch schnelleres und stabileres Ansprechen des Servos bei Änderung der angeforderten Leistung zu erzielen, wird noch ein zusätzliches Signal dem Druckabweichungssignal hinzugefügt. Dieses Signal ist der Änderungsgeschwindigkeit des Dampfflusses proportional und wird durch einfache Differenzierung des Dampfflusses W_s zur Turbine hin durch die Differenzierungseinrichtung 84 erzeugt.

Im normalen Betrieb wird bei automatischer Lastanforderung A¹ eine Änderung der Last eine Änderung der Drosselstellung T zur Folge haben. Diese Änderung wird als automatische Änderung der Unterkühlung in den beiden Kühlwegen weitergegeben, und zwar in der beschriebenen Weise mit Hilfe des Verhältnisventils V-2, das von der Steuereinrichtung C-2 entsprechend der Drosselstellung der Turbine eingestellt wird. Gleichzeitig hat die Änderung der Drosselstellung T eine Änderung des Dampfflusses W_s zur Folge, der automatisch die Motoren 26 veranlaßt, die äußeren Kernteile 16 so lange zu bewegen, wie sich der Dampffluß ändert. Wenn die im Reaktorsystem gespeicherte Energie und die Leistungsänderungen auf Grund der Steuerung des Blasengehaltes und der äußeren Kernteile der Änderung der angeforderten Leistung nicht zu folgen vermögen, so wird der Dampfdruck P_s sich ändern. Dadurch ergibt sich eine weitere Verstellung der äußeren Kernteile, bis Dampfdruck und angeforderte Leistung in Überein-Stimmung stehen. Die Steuerung ist so eingerichtet, daß bei einer Verringerung der angeforderten Leistung ein größerer Teil des Speisewassers in den zweiten Durchlaß 16 und ein kleinerer Teil in den ersten Durchlaß 14 einströmt und die äußeren Kernteile 16 vom inneren Kernteil 14 entfernt werden. Wenn die angeforderte Leistung größer wird, findet eine Steuerung im umgekehrten Sinne statt.

Um den Reaktor vor Schaden infolge hohen Drukkes zu schützen, ist ein Nebenschlußventil VS vorgesehen, das von der Steuereinrichtung C-S eingestellt wird. Dieses Ventil ist beim Betrieb der Turbine mit dem konstruktiv zulässigen Druck, z. B. 88 kg je Quadratzentimeter, geschlossen. Für den

409 64Ä/295

Dampf wird jedoch ein Nebenschluß geöffnet, wenn der Eingangsdampfdruck der Turbine größer wird als ein bestimmter vorgegebener Druck, z. B. 89 kg je Quadratzentimeter. Die Dampfmenge, die durch den Nebenschluß abgeleitet wird, ist proportional der Druckerhöhung über den normalen Druck, so daß der. Druck im Reaktor aufrechterhalten wird, wenn die Leistung des Reaktors sich vermindert hat. Die Kapazität des Ventils V-S ist so groß, daß bei voller Öffnung mehr Dampf abfließen kann, als es der Dampfabgabe bei Vollast des Reaktors entspricht.

Es ist möglich, daß die Leistung im Reaktor Ausgleichsvorgänge zeigt, wenn das Turbinendrosselventil plötzlich schließt. Dann ist vorgesehen, daß unmittelbar das Nebenschlußventil geöffnet und der Reaktor schnell stillgesetzt wird. Da dann die vom Reaktor abgegebene Leistung sich vermindert, fällt der Druck, und das Nebenschlußventil beginnt sich zu schließen, um den Druck im Reaktor aufrechtzuerhalten.

Zusätzlich zu der zufriedenstellenden Wirkung des Steuersystems für die Reaktivität ist die Steuerung der Kraftanlage auch davon abhängig, daß die Wasserstände und Wasserströme in den verschiedenen Teilen des Systems aufrechterhalten werden.

Der Strom des Kondensates W_c, das dem Reaktor wieder zufließt, wird durch ein bekanntes Drosselventil V-I über die Steuervorrichtung C-I gesteuert. Diese Steuerung ist abhängig von der Differenz zwischen dem Dampfstrom W_s zur Turbine und dem Gesamtrückfluß an Kondensat W_c zum Reaktor. Dabei soll der Zufluß an Kondensat dem Abfluß an Dampf gleich sein. Zu diesem Zweck werden geeignete Abtasteinrichtungen W_s, W_c vorgesehen, die die Ströme abtasten, wie dies schematisch angedeutet ist. Zusätzlich dazu wird die Einstellung des Drosselventils durch ein Signal L₃ gesteuert, das der Differenz zwischen dem Sollwasserstand im Kondensator und dem tatsächlichen Wasserstand im Kondensator entspricht.

Die Wasserstände L₁ im Reaktor und L₂ im Dampfabscheider sind voneinander abhängig und werden anfänglich durch Einstellung der rückfließenden Wassermenge W₁. und Einstellung des veränderlichen Drosselventils V-3 bestimmt. Dieses Ventil liegt zwischen dem äußeren Kernteil oder dem zweiten Weg 16 des Reaktors und dem Dampfabscheider 48. Für eine bestimmte Rückflußgeschwindigkeit W_r werden die Wasserstände L₁ und L₂ durch den Unterschied der Wasserstände bestimmt, der nötig ist, um den Druckabfall in der Verbindungsleitung 46 zwischen dem zweiten Weg 16 und dem Dampfabscheider 48 zu überwinden. Für eine bestimmte Wasserrückflußgeschwindigkeit wird dieser Stand konstant bleiben, mit Ausnahme kleiner Abweichungen, die sich auf Grund von Laständerungen ergeben, die wiederum Änderungen im Druck des zweiten Weges zur Folge haben und im Druck zwischen dem zweiten Weg und dem Dampfabscheider. Änderungen des Wasserstandes L₁ und L₂ in der gleichen Richtung, derart, daß die Differenz konstant bleibt, haben eine Änderung im Wasserstand L₃ des Turbinenkondensators zur Folge. Da diesem eine Wasserstandssteuerung zugeordnet ist, wird die Korrektur von L₁ und L₂ durch Korrektur von L₃ erzielt.

Es sind auch Alarmvorrichtungen für hohen und niedrigen Wasserstand vorgesehen, und zwar beim Reaktor, beim Dampfabscheider und beim Hauptturbinenkondensator. Diese Alarmvorrichtungen sind Teile des Wasserstandsabtastungs- und -Steuerungssystems und dienen dazu, jede Undichtigkeit im Wassersystem und jede falsche Funktion der Steuervorrichtungen zu melden.

An Stelle der gezeigten Änderung des Strömungswiderstandes des Ventils V-3 oder der Rückflußgeschwindigkeit W₁. von Hand kann natürlich auch

ίο eine automatische Einstellung des Ventils V-3 und der Rückflußgeschwindigkeit vorgesehen sein. In diesem Falle wird die Einstellung des Ventils V-3 durch die Steuervorrichtung 83 in der Weise vorgenommen, daß sich eine vorbestimmte Einstellung von V-3 für jede Stellung des Turbineneingangsventils ergibt. Auf diese Weise kann der Strömungswiderstand von V-3 um den gewünschten Betrag herabgesetzt werden, wenn der Dampfstrom sich vergrößert. Dabei kompensiert dann der Leistungsanstieg den zusätzlichen Abfall im zweiten Weg.

Wie oben erläutert, haben Änderungen der Rückflußgeschwindigkeit Änderungen des Wasserstandes im Reaktor zur Folge. Außerdem entsteht aber auch eine Änderung der Leistung des Reaktors. Um den Fluß des zurückfließenden Wassers W_r konstant zu halten, ist die Geschwindigkeit des Antriebes der Pumpe 34 veränderlich und wird durch die Steuervorrichtung C-3 gesteuert. Diese Steuervorrichtung hält die Rückflußgeschwindigkeit W₁. des Wassers konstant und gleich dem Sollwert (W_rel). Diese Steuerung ist unabhängig von der Geschwindigkeit, mit der das Kondensat zurückkehrt. Es wird die Differenz zwischen dem Strom W₁, der durch den mittleren Teil tatsächlich fließt, und dem Anteil an Speisewasser gemessen, der dem mittleren Teil zugeliefert wird (W_C1). Diese Messung geschieht mit Hilfe der schematisch angedeuteten Einrichtungen. Die Differenz stellt das zurückgeführte Wasser W_r dar, und dieser Wert wird mit dem Sollwert (W_ref) durch die Steuervorrichtung 66 verglichen, die ihrerseits die Einstellvorrichtung C-3 beeinflußt.

Vorstehend wurde die Steuervorrichtung, die schwenkbar angeordnete Kernteile benutzt, in Verbindung mit einem Dampfkessel-Reaktor beschrieben, der einen dualen Wasserumlauf besitzt und mit einer Steuereinrichtung zur Verteilung des unterkühlten Speisewassers versehen ist. Es ergibt sich so eine besonders wirkungsvolle und praktische Kombination. Diese Steuerung durch seitliche Bewegung der äußeren Kernteile kann aber auch verwendet werden in einem Dampfkessel-Reaktor, der vollständig natürlichen Wasserumlauf hat und keine Aufteilung des Speisewassers besitzt. In solchen Fällen wird es sich meist um verhältnismäßig kleine Dampfkessel-Reaktoren handeln. Die Erfindung kann aber auch in Kombination mit einem Dampfkessel-Reaktor verwendet werden, der Steuerstäbe besitzt. Dies wird wohl meist bei sehr großen Dampfkessel-Reaktoren der Fall sein. Wenn man geeignete flexible Verbindüngen an den äußeren beweglichen Kernteilen anbringt, kann man auch andere Kühlmittel (Flüssigkeiten, z. B. D₂O, Diphenyl usw. oder Gas) mit Zwangsumlauf oder natürlichem Umlauf verwenden, und zwar in Druck-Reaktoren oder in kochenden Reaktoren. Um aber die Konstruktionsprobleme gering zu halten, sollte der Moderator, der die beweglichen Kernteile umgibt, und das Kühlmittel, das durch sie hindurchfließt, vom gleichen Material sein,

obwohl es sich in verschiedenen physikalischen Zuständen befinden kann.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Kernreaktor mit einem aufrecht in einem senkrecht stehenden Kessel mit einem Abstand von dessen Wandung angeordneten, aus einem festen, inneren und einem davon getrennten äußeren Teil bestehenden Kern, bei dem eine Moderator-Kühlflüssigkeit durch den Kern zirkuliert und die Reaktivität durch Bewegung eines Teiles der kritischen Masse gegen einen anderen festen Teil verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Teile (16) des Kernes in dem Zwischenraum (44) zwischen dem festen, inneren Teil (14) und der inneren Wandung des Kessels (10) angeordnet sind und zur Regelung der Reaktivität seitlich von einer dem inneren Teil benachbarten Stellung nach außen in eine von dem inneren Teil entfernte Endstellung beweglich sind, und umgekehrt.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Bewegung der äußeren Teile bewirkenden Mittel diese in Richtung auf die vom inneren Teil (14) entfernte Stellung vor- _a5 spannen.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Teile aus einer Anzahl von Abschnitten bestehen, die symmetrisch um den inneren Teil angeordnet sind und die schwenkbar in dem Kessel zum Zweck der Bewegung zwischen den beiden Endstellungen befestigt sind.

4. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schwenkbare Aufhängung (20) so angeordnet ist, daß der daran aufgehängte Abschnitt des äußeren Teiles sich durch die Wirkung der Schwerkraft in die vom inneren, festen Teil entfernte Stellung bewegt.

5. Kernreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der innere, feststehende Teil des Kernes den Querschnitt eines Vieleckes hat und daß sowohl der innere Teil als auch die äußeren, beweglichen Teile senkrecht angeordnete Brennelemente haben.

6. Kernreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende des inneren Teiles und die unteren Enden der äußeren Teile des Kernes zum Inneren des Kessels (10) hin offen sind und daß eine Pumpe (34) vorgesehen ist, die die Zirkulation von Wasser bewirkt, das am unteren Ende des mittleren Teiles eintritt, ihn am oberen Ende verläßt und erst dann die äußeren Teile des Kernes durchfließt.

7. Kernreaktor nach Anspruch 6, dadurch gegekennzeichnet, daß die äußeren Teile des Kernes zum Inneren des Kessels an ihrem oberen Ende (22) offen sind.

8. Kernreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Teile des Kernes an ihren oberen Enden gegen das Kesselinnere abgeschlossen sind, jedoch mit dem Zirkulationssystem (bei 70) in Verbindung stehen, das auch einen Dampfabscheider (48) enthält zur Trennung des in den äußeren Kernteilen erzeugten Dampfes vom umlaufenden Wasser.

9. Kernreaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Kernteile aus Steigleitungen (18') bestehen, die an ihren unteren Enden offen und an ihren oberen Enden verschlossen sind, und daß die Steigleitungen schwenkbar an ihren oberen Enden im Kessel aufgehängt sind.

10. Durch eine Dampfkraftmaschine belasteter Kernreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Steuerglieder (80) vorgesehen sind, die auf den Druck des an die Antriebsmaschine (56) gelieferten Dampfes ansprechen, um die Einstellung der äußeren Kernteile zu steuern, und daß Regelglieder (T) vorgesehen sind, die abhängig von der von der Antriebsmaschine angeforderten Leistung die anteilige Zufuhr des Speisewassers zu einer Stelle, von der aus es zunächst den mittleren Kernteil durchfließt, und einer anderen Stelle, von der aus es zunächst den äußeren Kernteil durchströmt, regeln.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 902 282;
deutsche Auslegeschriften Nr. 1 062 353,
684;
schweizerische Patentschrift Nr. 233 278.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

409 640/295 8.64 © Bundesdruckerei Berlin