DE1212230B - Kernkraftanlage zur Dampferzeugung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES ^/MWW^ PATENTAMT Int. α.:

G21d

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21g-21/22

Nummer: 1212 230

Aktenzeichen: U 9978 VIII c/21 g

Anmeldetag: 19. Juli 1963

Auslegetag: 10. März 1966

Zur Dampferzeugung sind Kemkraftanlagen bekannt, welche einen Druckwasserkernreaktor aufweisen, wobei das Primärwasser als Wärmequelle dient und die Dampferzeugung in außerhalb des, Reaktordruckgefäßes vorgesehenen Wärmeaustauscherapparaturen erfolgt. Derartige Anlagen mit Dampferzeugung in einem außerhalb des Druckwasserkernreaktors angeordneten Wärmeaustauscher haben für bestimmte Anwendungsfälle, wo verhältnismäßig v/enig Platz zur Verfügung steht, wie eben bei der Verwendung in Schiffsantrieben, den Nachteil eines verhältnismäßig großen Platzbedarfs und verhältnismäßig hohen Gewichtes. Für derartige Anwendungsfälle war daher eine kompaktere Bauweise erwünscht.

Es wurden bereits Anlagen in dieser Kompaktbauweise bekannt, welche einen Druckwasserkernreaktor aufweisen, bei welchem die der Dampferzeugung dienenden Apparaturen einschließlich des Überhitzers innerhalb des Kernreaktordruckgefäßes selbst eingebaut sind. Diese Kompaktbauweise hat den Vorteil geringeren Platzbedarfs und geringeren Gewichtes sowie einer besseren Ausnutzung der für den Kernreaktor erforderlichen thermischen und biologischen Abschirmung. Insbesondere ist aus der deutschen Patentschrift 1021515 bereits eine Kernkraftanlage zur Dampferzeugung mit Druckwasserkernreaktor in Kompaktbauart bekannt, bei welcher der Umlauf des gleichzeitig als Moderator und Kühlmittel dienenden Primärwassers durch natürlichen Kreislauf erfolgt; bei der bekannten Anordnung weist das Kernreaktordruckgefäß ein beiderseits offenes zylindrisches Steigrohr auf, das in dem Druckgefäß oben und unten mit Abstand von der Druckgefäßwandung angeordnet ist und mit ihm einen Ringraum bildet, wobei der aktive Reaktorkern vertikale Kühlmittelkanäle aufweist und im unteren Teil des Steigrohres angeordnet ist, derart, daß das Primärwasser im natürlichen Kreislauf in dem Steigrohr nach oben und durch den das Steigrohr umgebenden Ringraum nach unten strömt; die Wärmeaustauscher zur Dampferzeugung sind in dem Ringraum oberhalb des Reaktorkerns angeordnet. Durch diese Bauweise v/erden somit besondere Leitungen, Ventile, Pumpen und sonstiger Zubehör für die Zirkulation des Kühlmittels durch den Reaktor und den Wärmeaustauscher erübrigt, was eine weitere Verringerung des Gewichtes und des Raumbedarfs sowie vor allem eine Vereinfachung und eine Erhöhung der Betriebssicherheit mit sich bringt.

Schließlich ist es bei Druckwasserkernreaktoren an sich bereits bekannt, daß der Raum des Druck-Kernkraftanlage zur Dampferzeugung

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,
Washington, D. C. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. C. Wallach, Dipl.-Ing. G. Koch
und Dr. T. Haibach, Patentanwälte,
München 2, Kaufingerstr. 8

Als Erfinder benannt:
John Herman Ammon,
Akron, Ohio (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 16. August 1962
' (217786)

gefäßes oberhalb des den größten Teil des Druckgefäßes erfüllenden Primärwassers als Dampfraum zur Druckerzeugung ausgebildet ist. Hierdurch wird der erforderliche Druck für das Primärwasser ebenfalls in dem Kernreaktorgefäß selbst erzeugt.

Die Erfindung betrifft somit eine Kernkraftanlage zur Dampferzeugung mit einem Druckwasserkernreaktor, bestehend aus einem Druckgefäß, das zum größten Teil mit leichtem Primärwasser als Moderator und Kühlmittel gefüllt ist und oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des Wassers einen Dampfraum zur Druckerzeugung bildet, einem beiderseits offenen zylindrischen Steigrohr, das im Zentrum des Druckgefäßes oben und unten mit Abstand von diesem angeordnet ist und mit ihm einen Ringraum bildet, einem Reaktorkern, welcher vertikale Kühlmittelkanäle aufweist und im unteren Teil des Steigrohres angeordnet ist, derart, daß das Primärwasser in natürlichem Kreislauf in dem Steigrohr nach oben und durch den das Steigrohr umgebenden Ringraum nach unten strömt, sowie aus in dem Ringraum oberhalb des Reaktorkerns angeordneten Wärmeaustauschern, welche aus dem Primärwasser Wärme zur Dampferzeugung aufnehmen. Durch die Erfindung soll eine derartige Kompaktkernkraftanlage weiter-

609 537/322

3 4

verbessert werden, insbesondere soll ihre Anpas- Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung

sungsfähigkeit an wechselnden Dampfbedarf infolge ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines

von Belastungsschwankungen erhöht werden. Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung; diese

Zu diesem Zweck ist gemäß der Erfindung vorge- zeigt in einer teilweise schematischen Aufrißdarstel-

sehen, daß unmittelbar oberhalb des Reaktorkerns 5 lung eine Kernkraftanlage zur Dampferzeugung ge-

ein erster Wärmeaustauscher zur Erzeugung von maß einer Ausführungsform der Erfindung.

Naßdampf und darüber ein zweiter Wärmeaustau- Der als Ganzes mit 10 bezeichnete Reaktor besteht

scher zur Erzeugung von Heißdampf in dem Ring- aus einem zylindrischen Druckgefäß 12, das an seiner

raum zwischen dem Steigrohr und dem Druckgefäß Unterseite geschlossen ist und an seiner Oberseite

vorgesehen sind und daß außerhalb des Druckgefäßes io durch einen Druckerzeuger 14, einen zylindrischen

mindestens ein Behälter vorgesehen ist, welchem der Deckel 16 und eine Haube 18 dicht verschlossen ist.

in dem ersten Wärmeaustauscher erzeugte Naßdampf Eine Dichtung 22 zwischen dem Deckel 16 und dem

zur Abscheidung des in ihm enthaltenen Wassers Druckerzeuger 14 bewirkt einen dichten Abschluß

zugeführt wird und von welchem der so erhaltene des Inneren des Druckgefäßes 12, das mit leichtem

Trockendampf dem zweiten Wärmeaustauscher zur 15 Primärwasser als Moderator und Kühlmittel bis zu

Erzeugung von Heißdampf zugeführt wird, während einem Niveau 23 gefüllt ist.

das abgeschiedene Wasser als Speisewasser in den Im Inneren des Druckgefäßes 12 verläuft ein an

ersten, der Erzeugung von Naßdampf dienenden beiden Enden offenes zylindrisches Kaminrohr 24 in

Wärmeaustauscher fückgeführt wird. vertikaler Richtung längs der vertikalen Achse des

Die Zwischenschaltung eines oder mehrerer Stabi- 20 Gefäßes 12. Das obere und das untere Ende des lisierungsbehälter zwischen die beiden Wärmeaus- *Kamins 24 befinden sich jeweils in Abstand von der tauscher hat eine Reihe wesentlicher Vorteile zur Oberseite bzw. von dem Boden des Gefäßes 12. In-Folge: Zum einen wird durch die in dem Stabilisie- nerhalb des Kamins 24 und dessen unteren Teil ausrungsbehälter vorgenommene Trennung von Wasser füllend befindet sich der Kern 26, welcher zylin- und Trockendampf zuverlässig gewährleistet, daß in 25 drische Form hat und den aktiven Teil des Reaktors den als Überhitzer wirkenden zweiten Wärmeaus- 10 darstellt. Der Kern 26 enthält spaltbare Brenntauscher nur trockener Dampf gelangt; vor allem stofMemente, die in bekannter Weise zu einer kritiwirkt der bzw. wirken die zwischen die beiden sehen Masse angeordnet sind.
Wärmeaustauscher zwischengeschalteten Stabilisie- Um den Kamin 24 herum sind im Bereich des rungsbehälter als Dampfreservoir zur elastischen 30 Kerns 26 mehrere zylindrische thermische Abschir-Anpassung der Anlage an plötzliche Änderungen mungen 28, 32 und 34 in geeigneter Weise angeorddes Leistungsbedarfs; so ist beispielsweise im Fall net, wobei die zuletzt erwähnte Abschirmung 34 in plötzlicher Belastungsspitzen gewährleistet, daß in- einen gebogenen unteren Teil 36 mit einer Mittelfolge des in der zu der Turbine oder dem sonstigen öffnung 38 übergeht; unmittelbar über der Mittel-Dampfverbraucher führenden Dampfleitung auftre- 35 öffnung ist eine Prallplatte 42 vorgesehen, die einertenden plötzlichen Druckabfalls zusätzlich Wasser seits eine gleichmäßigere Verteilung der in den Kern unter Erhöhung des zur Verfugung stehenden Dampf- 26 eintretenden Primärflüssigkeit bewirken und anstroms verdampft wird. Schließlich bewirken die dererseits eine Strahlungsabschirmung zum Schutz Stabilisierungsbehälter bei Ausfall sämtlicher Pum- des Bodens des Druckgefäßes 12 gewährleisten soll, pen (etwa im Falle eines Schiffsschadens) eine 40 welcher ansonsten Strahlung durch die Öffnung 38 Wasserzirkulation durch die Wärmeaustauscher im hindurch ausgesetzt wäre. Der Kern 26 ist mit Brenninneren des Druckgefäßes, wodurch die Abfuhr der Stoffelementen versehen, welche vertikale Kanäle be-Abldingwärme in dem Reaktorkern zuverlässig ge- sitzen, um eine Strömung der Primärflüssigkeit durch währleistet ist. Schließlich können mittels der Stabi- sie hindurch nach oben zu ermöglichen,
lisierungsbehälter ohne Beeinträchtigung des Ver- 45 Zur kernenergetischen Regelung des Reaktors 10 brauches die Rohrleitungen gespült bzw. das in den sind mehrere Regelstäbe 44 vorgesehen; diese wer-Wärmeaustauschern enthaltene Wasser ausgeblasen den von einem auf dem Deckel 16 innerhalb der werden. Haube 18 angeordneten Steuerstabmechanismus 46

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der gehaltert und angetrieben. Die Stäbe 44 erstrecken

Erfindung ist vorgesehen, daß die Wärmeaustauscher 50 sich abwärts durch Steuerstabröhren 48 und Füh-

aus mehreren Verdampfern bzw. Überhitzern be- rungsplatten 52 und 54 hindurch, die mit Öffnungen

stehen und daß in den Speisewasserzufuhrleitungen 52 a bzw. 54 a versehen sind, um eine Zirkulation

für diese Abschnitte Sperrventile zur Abschaltung der Primärflüssigkeit zu ermöglichen. Der Kern 26

jedes beliebigen dieser Abschnitte vorgesehen sind. ist in bekannter Weise mit (nicht dargestellten)

Nach einer weiteren besonders vorteilhaften Aus- 55 Schlitzen für die Steuerstäbe 44 versehen, welche

führungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der zur Steuerung der Geschwindigkeit der Kernspaltung

zur Druckerzeugung .dienende Dampfraum unter- in dem Kern 26 auf- und abbewegt werden,

halb der Wasseroberfläche des in ihm stehenden Was- Zur Dampferzeugung innerhalb des Reaktors 10

sers Heizvorrichtungen und/oder oberhalb der Pri- ist in dem Gefäß 12 in dem Ringraum um den

märwasseroberfläche Kühlsprühdüsen aufweist. Hier- 60 Kamin 24 herum oberhalb der thermischen Abschir-

durch kann der Dampfraum in dem für das Druck- mungen 28, 32 und 34 ein Dampfgenerator vorge-

gefäß gewünschten Gleichgewichtszustand mit dem sehen, welcher aus mehreren Verdampferabschnitten

Primärwasser gehalten werden, indem alternativ ent- 56 und Überhitzerabschnitten 58 besteht. DieDampf-

weder mittels der Heizvorrichtung der Dampfdruck erzeugungsanlage ist nur schematisch angedeutet, da

erhöht oder mittels der Sprühkühlung erniedrigt wird. 65 sie im einzelnen je nach dem jeweiligen Standard

Insbesondere kann mittels der elektrischen Heizvor- der Heizkesseltechnik ausgebildet werden kann,

richtungen beim Anfahren der Anlage Dampf in dem Um den Druckerzeuger 14 des Reaktors 10 herum

Dampfraum erzeugt werden. sind mehrere dicht abgeschlossene Stabilisierungs-

trommeln 60 für einen später noch zu erläuternden Zweck vorgesehen. Die Speisewasserzufuhr zu den Heizabschnitten 56 erfolgt über Leitungen 62 und Verteiler 64. Der aus den Heizabschnitten 56 austretende Dampf gelangt in Sammler 66 und Leitungen 68, welche in den oberen Teil der Trommeln 60 münden. Innerhalb der Stabilisierungstrommeln 60 wird der aus den Heizabschnitten 56 kommende Naßdampf in Wasser und Trockendampf getrennt. Das sich am Boden der Trommeln 60 ansammelnde Wasser wird mittels (nicht dargestellter) Leitungen in den (nicht dargestellten) üblichen Speisewassertank oder in den (nicht dargestellten) Entlüfter zurückgeführt, wobei die Strömung durch ein automatisch betätigtes (nicht dargestelltes) Ablaßventil kontrolliert wird. Von den Trommeln 60 führen Leitungen 72 zurück zu den Speisewasserleitungen 62; diese Leitungen 72 werden durch normalerweise geschlossene Ventile 73 gesteuert, die eine Notkühlung des Kerns 26 bei Schiffsschaden ohne Pumpen gewährleisten.

Der in den Trommeln 60 befindliche Dampf wird durch Leitungen 74 nicht dargestellten Sammlern und sodann den Überhitzerabschnitten 58 zugeführt. Der Heißdampf gelangt aus den Überhitzerabschnitten 58 in Sammler 76 und verläßt von da den Reaktor 10 mittels Leitungen 77 zur Leistungserzeugung. In den Speisewasserzufuhrleitungen 62 sind Absperrventile 75 vorgesehen, um bestimmte Teile des Dampfgenerators zu isolieren, wenn nämlich irgendeiner der Abschnitte eine Betriebsstörung zeigen sollte.

In dem Druckerzeuger 14 sind, wie gestrichelt angedeutet, elektrische Heizvorrichtungen 82 in dem Primärwasser unmittelbar unterhalb des Wasserspiegels 23 vorgesehen sowie Öffnungen 84 als Wassersprühdüsen in der Seitenwandung.

Im Betriebszustand des Reaktors 10 wird das Primärwasser in dem Kern 26 durch die als Folge der ablaufenden Kernspaltungskettenreaktion erzeugte Wärme erhitzt; die Spaltungskettenreaktion wird in bekannter Weise durch Verstellung der Regelstäbe 44 gesteuert. Das Primärwasser strömt dann im Kreislauf in der durch die Doppelpfeile angedeuteten Weise, nämlich durch den Kamin 24 nach oben und durch die Überhitzerabschnitte 58 und die Heizabschnitte 56 abwärts.

In den Abschnitten 56 wird aus dem über die Kopfstücke 64 eintretenden Speisewasser Dampf erzeugt. Der Naßdampf wird aus den Abschnitten 56 den Stabilisierungstrommeln 60 zugeführt; in diesen werden Wasser und Dampf voneinander getrennt und das Wasser in die (nicht dargestellten) Speisewassertanks zurückgeführt; der Dampf wird zur Überhitzung mittels Leitungen 74 den Abschnitten 58 zugeführt. Der in die Trommeln 60 eintretende Dampf ist nahezu trocken. Die in dem Dampf noch enthaltene Feuchtigkeit kann im Inneren der Trommeln 60 in einfacher Weise mittels Prall- bzw. Stauvorrichtungen abgetrennt werden. Das Wasser wird zur Verwendung bei Belastungsschwankungen gesammelt.

Die Stabilisierungstrommeln 60 üben in dem Reaktor 10 äußerst bedeutsame Funktionen aus. Neben der bereits beschriebenen Trennung von Wasser und Trockendampf, wodurch gewährleistet wird, daß nur trockener Dampf in die Überhitzerabschnitte 58 gelangt, wirken sie gleichzeitig als Dampfreservoir im Falle plötzlicher Belastungsspitzen, d. h., daß infolge eines plötzlichen Druckabfalls in der zu der Turbine oder dem sonstigen Dampfverbraucher führenden Dampfleitung Wasser unter Erhöhung des Dampfstroms verdampft wird. Im Falle eines Schiffsschadens, wenn sämtliche Pumpen außer Tätigkeit sind, werden die Trommeln 60 mittels der Leitungen 72 eine Wasserzirkulation durch die Kesselröhrenabschnitte zur Abfuhr der Nachwärme in dem Kern 26 bewirken. Außerdem dienen die Trommeln 60 als Vorrichtung zur Spülung, der Rohrleitungen und zum Ausblasen des Kesselwassers, ohne Beeinträchtigung des Verbrauchers.

Zur Regelung des Wasserstands in den Stabilisierungstrommeln 60, um zu verhindern, daß der Wasserstand zu hoch wird, kann ein herkömmliches »Drei-Element«-Speisewasserregelsystem Anwendung finden. Durch eine derartige Anordnung mit einem (nicht dargestellten) Ablaßventil von den Trommeln 60 und direkter Steuerung der Speisewasserventile und der Dampfauslaßventile (nicht dargestellt) können die Wasserstände in den Trommeln 60 in dem jeweils gewünschten Bereich gehalten werden.

Die die Abschnitte 56 und 58 bildenden Kesselrohre können vom kontinuierlichen Schleifentyp und in Bündel unterteilt sein, die bei einem Leitungsausfall mittels der äußeren Sperrventile 75 einzeln isoliert werden können.

Der Druckerzeuger 14 bildet einen Hohlraum oberhalb der Führungsplatte 52; in diesem wird ein Dampfraum (oberhalb des Wasserspiegels 23) im Gleichgewichtszustand mit dem Wasser gehalten, und zwar alternativ entweder unter Verwendung elektrischer Heizvorrichtungen oder einer Sprühkühlung aus den Düsenöffnungen 84, je nachdem, wie der Zustand des Systems es verlangt. Der Wasserspiegel in dem Druckerzeuger wird innerhalb der zulässigen Schwankungsgrenzen gehalten, indem man in bekannter Weise die Strömung des Primärwassers nach außen in das Reinigungssystem reguliert und die durch die (nicht dargestellte) Ladepumpe rückgeführte Wassermenge verändert. Zur Erzeugung von Dampf in dem Dampfraum beim Anfahren oder während des Betriebs des Reaktors 10 dienen die elektrischen Heizvorrichtungen 82.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Kernkraftanlage zur Dampferzeugung mit einem Druckwasserkernreaktor, bestehend aus einem Druckgefäß, das zum größten Teil mit leichtem Primärwasser als Moderator und Kühlmittel gefüllt ist und oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des Wassers einen Dampfraum zur Druckerzeugung bildet, einem beiderseits offenen zylindrischen Steigrohr, das im Zentrum des Druckgefäßes oben und unten mit Abstand von diesem angeordnet ist und mit ihm einen Ringraum bildet, einem Reaktorkern, welcher vertikale Kühlmittelkanäle aufweist und im unteren Teil des Steigrohres angeordnet ist, derart, daß das Primärwasser in natürlichem Kreislauf in dem Steigrohr nach oben und durch den das Steigrohr umgebenden Ringraum nach unten strömt, sowie aus in dem Ringraum oberhalb des Reaktorkerns angeordneten Wärmeaustauschern, welche aus dem Primärwasser Wärme zur Dampferzeugung aufnehmen, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar oberhalb des Reaktorkerns ein erster Wärmeaustauscher (56)

zur Erzeugung von Naßdampf und darübdr ein zweiter Wärmeaustauscher (58) zur Erzeugung von Heißdampf in dem Ringraum zwischen dem Steigrohr (24) und dem Druckgefäß (12) vorgesehen sind und daß außerhalb des Druckgefäßes (12) mindestens ein Behälter (60) vorgesehen ist, welchem der in dem ersten Wärmeaustauscher. (56) erzeugte Naßdampf zur Abscheidung des in ihm enthaltenen Wassers zugeführt wird und von welchem der so erhaltene Trockendampf dem zweiten Wärmeaustauscher (58) zur Erzeugung von Heißdampf zugeführt wird, während das abgeschiedene Wasser als Speisewasser in den ersten, der Erzeugung von Naßdampf dienenden Wärmeaustauscher (56) rückgeführt wird.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Druckerzeugung dienende Dampfraum (14) unterhalb der Wasseroberfläche

des in ihm stehenden Wassers Heizvorrichtungen (82) und/oder oberhalb der Primärwasseroberfläche Kühlsprühdüsen (84) aufweist.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscher (56, 58) aus mehreren Verdampfern bzw. Überhitzern bestehen und daß in den Speisewasserzufuhrleitungen (62) für diese Abschnitte Sperrventile (75) zur Abschaltung jedes beliebigen dieser Abschnitte vorgesehen sind.

4. Anlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelstäbe (44) sich durch das Steigrohr (24) abwärts in dem Kern (26) erstrecken.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1021515,
652, 1053 683, 1084 845.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609 537/322 3.66 © Bundesdruckerei Berlin