DE1212231B - System aus einem Siedewasser-Reaktor mit direkt angeschlossener Turbine und Verfahren zur Regelung eines derartigen Systems - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G21d

Deutschem.: 21g-21/31

Nummer: 1212 231

Aktenzeichen: U 9177 VIII c/21 g

Anmeldetag: 8. August 1962

Auslegetag: 10. März 1966

Die Erfindung betrifft die Regelung eines Systems aus einem thermischen Kernreaktor vom Siedetyp mit direkt angeschlossener Dampfturbine.

Für eine gegebene Leistungserzeugung ist ein Siedewasserreaktor auf Grund seiner Eigenschaften selbstregelnd; durch die Umwandlung von Wasser in Dampf nimmt nämlich der Moderatormangel in dem Reaktor zu und damit die Reaktivität ab, da wegen des Dichtungsunterschiedes Dampf ein viel geringeres Moderatorvermögen besitzt als Wasser. Für eine gegebene Ausgangsleistung hält sich die Regelung daher von selbst aufrecht.

Sobald sich jedoch der Leistungsbedarf ändert, reagiert ein Siedewasserreaktor gerade in entgegengesetzter Richtung als erwünscht. Nimmt der Bedarf der Turbine zu, so fällt der Druck in dem Reaktor ab, da der Dampf schneller ausströmt. Infolge dieses Abfalls des Dampfdruckes dehnen sich die Dampfblasen aus, wodurch sich die Moderatorwirkung, und damit der Leistungspegel und das Dampferzeugungsvermögen verringern. Bei Abnahme des Turbinenbedarfs liegen die Verhältnisse umgekehrt.

Dieses einer Selbstregelung gerade zuwiderlaufende Verhalten eines Systems aus Siedewasser-Reaktor mit angeschlossener Dampfturbine bildet ein wesentliches Problem für die nutzbringende Anwendung derartiger Systeme. Der Erzielung eines selbstregelnden Verhaltens bei Änderungen des äußeren Leistungsbedarfes kommt daher erhebliche Bedeutung zu.

Bekannt ist bereits ein Verfahren zur Regelung eines Systems aus einem thermischen Kernreaktor vom Siedetyp mit direkt angeschlossener Turbine, bei welchem Kühlwasser in die Brennstoffelemente enthaltende Röhren des Kernreaktor eingespritzt und der Leistungspegel des Systems mittels der Geschwindigkeit der Kühlmitteleinspritzung gesteuert wird, wobei die Speisewasserpumpe der Kühlmitteleinspritzung mittels einer Turbine angetrieben wird, die mit in dem Reaktor erzeugten Dampf betrieben wird, und auf den Leistungsbedarf der Hauptturbine anspricht, derart, daß bei Änderungen des Leistungsbedarfs der Hauptturbine ein selbstregelndes Verhalten erzielt wird.

Bei der bekannten Anordnung liegt dabei die Speisewasserantriebsturbine entweder in der Hauptdampfleitung selbst oder aber wird alternativ mit von der Hauptdampfleitung abgezweigtem Dampf betrieben. In jedem Fall ist jedoch die Anordnung so getroffen, daß die Drehzahl der Speisewasserzufuhrturbine und damit die Speisewasserzufuhr System aus einem Siedewasser-Reaktor mit
direkt angeschlossener Turbine und Verfahren
zur Regelung eines derartigen Systems

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:

Michael Treshow, Del Mar, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 14. August 1961
(131446)

proportional zur Dampffördermenge, d. h. zum Dampfdurchsatz der Hauptdampfleitung ist.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine andere Lösung der Aufgabe, einem derartigen System aus Siedewasserreaktor und direkt angeschlossener Dampfturbine ein selbstregelndes Verhalten bei veränderlichem äußerem Leistungsbedarf zu geben.

Zu diesem Zweck ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die mehrstufige Hauptturbine mit konstanter Drehzahl betrieben wird und daß der Dampf für die Antriebsturbine der Speisewasserpumpe an einer Stelle zwischen den einzelnen Stufen der Hauptturbine abgezweigt wird, derart, daß die Drehzahl der Antriebsturbine und damit die Speisewasserzufuhr proportional dem jeweiligen Dampfdruck an der Abzweigungsstelle veränderlich ist.

Gemäß der Erfindung ist somit die Anordnung so getroffen, daß die Drehzahl der Speisewasserantriebsturbine und damit die Speisewasserzufuhr proportional dem Druck an der Abzweigungsstelle zwischen den Turbinenstufen der .Hauptturbine ist, und nicht wie bei der bekannten Anordnung proportional dem Dampfdurchsatz in der Hauptdampfleitung. Unter der Voraussetzung, daß die Hauptturbine auf konstanter Drehzahl gehalten wird, erhält man so in einfacher Weise ein zuverlässiges Selbstregelungsverhalten der Anlage. Nimmt beispielsweise der

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äußere Leistungsbedarf und damit der Dampfbedarf oder leichtes Wasser sein. In den Räumen zwischen der Turbine ab, so wird infolge der vorausgesetzten den Brennstoffröhren 11 sind verschiebbare Regel-Betriebsweise mit konstanter Drehzahl die Dampf- stäbe 16 a beweglich angeordnet,
zufuhr zu der Turbine durch die Drehzahlregelung Die Zufuhrleitung 14 ist mit einer Stirnkammer gedrosselt, wodurch der Dampfdruck an der Ab- 5 17 mittels eines hohlen Teils 18 verbunden, das am zweigungsstelle zwischen den Turbinenstufen ent- Boden des Gefäßes 10 befestigt ist und die Kammer sprechend absinkt. Da die Drehzahl der Speisewas- 17 trägt. In dem Hohlteil 18 ist ein Mittelteil 19 serantriebsturbine auf diesen Druck an der Ab- vorgesehen, das mit dem Hohlteil zusammen einen zweigungsstelle anspricht, verringert sich somit die ringförmigen Raum 19 α bildet, welcher den aus der Speisewasserzufuhr derart, daß der Dampfanteil in- io Zufuhrleitung 14 kommenden Speisewasserstrom in nerhalb des Reaktors annimmt, und somit die Reak- geeigneter Weise auf die Kammer 17 verteilt,
tivität und die Leistungserzeugung des Reaktors in Von der Kammer 17 aus wird das Speisewasser der erwünschten Weise abnehmen. Entsprechend über Düsen 20 zugeführt, welche sich bis an die unhat eine Zunahme des Leistungsbedarfs der Turbine teren Enden der Röhren 1Ϊ oder etwas in diese Mnzur Folge, daß der Dampfdruck an der Abzweigungs- 15 ein erstrecken, wobei jeweils für jede Röhre 11 eine stelle ansteigt; dies hat eine Drehzahlerhöhung der auf sie ausgerichtete besondere Düse 20 vorgesehen Speisewasserantriebsturbine und damit eine Er- ist. Die einzelnen Düsen 20 dienen nicht nur der höhung des Wasseranteils und eine Zunahme der Zufuhr von Speisewasser zu den entsprechenden Reaktivität zur Folge, was zu der gewünschten Er- Röhren 11, sondern bewirken auch, daß ein Teil der höhung der Leistungserzeugung des Reaktors führt. 20 Moderatorwassermenge 13 unmittelbar außerhalb

Gegenüber dem bekannten Prinzip, bei welchem der betreffenden Röhren 11 in diese eingesaugt wird,

die Speisewasserantriebsturbine auf den jeweiligen Auf diese Weise ergibt sich ein Strömungsfluß des Dampfdurchsatz der Hauptdampfleitung anspricht,. Moderatorwassers längs der Außenseite der Röhren

besitzt das Prinzip der vorliegenden Erfindung, wo- 11, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Siedens an

nach die Speisewasserantriebsturbine auf den Druck 25 der Außenseite der Röhre weitgehend verringert

an der Abzweigungsstelle zwischen den Turbinen wird. Da ferner nur ein Teil des jeweils durch die

anspricht, vor' allem den Vorteil, daß die Speise- einzelnen Röhren 11 fließenden Wassers durch die

wasserpumpenturbine klein sein kann und beim Ein- Düsen 20 eintritt, kann die für die Zufuhr des

fahren der Anlage soweit abgedrosselt werden kann, Speisewassers durch die Zufuhrleitung 14 erforder-

bis die richtige Entsprechung zwischen Kühlmittel- 30 liehe Pumpkapazität kleiner sein, als wenn das ge-

fluß und Leistungsbedarf der Leistungsturbine er- samte die Röhren 11 durchsetzende Wasser durch

reicht ist. Bei der bekannten Anordnung, wo die die Düsen 20 einträte.

Speisewasserturbine in der Hauptdampfleitung selbst Die Röhren 11 enthalten jeweils mehrere Brennangeordnet ist, ist eine derartige Drosselung nicht Stoffelemente 12; diese haben die Form verdrillter möglich, weil hierdurch gleichzeitig auch die Dampf- 35 bzw." verwundener Bänder, die miteinander in Kanzufuhr zu der Leistungsturbine gedrosselt würde. tenberührung gehalten sind. Die einzelnen Brenn-Außerdem muß die Speisewasserantriebsturbine bei Stoffelemente 12 weisen jeweils eine korrosionsder bekannten Anordnung verhältnismäßig groß beständige Mantelhülle und einen Kern auf, welcher sein, um die Dampfzufuhr zu der Leistungsturbine Material enthält, das durch Neutronen thermischer nicht unzulässig zu begrenzen. 40 Energie spaltbar ist. Die Brennstoffelemente 12 sind

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung in Reihen angeordnet, wobei jeweils das untere Ende

ergeben sieh aus der folgenden Beschreibung eines jedes Brennstoffelements einer gegebenen Reihe mit

Ausführungsbeispieles an Hand der Zeichnungen; in einem von mehreren Streifen 21 verbunden ist,

diesen zeigt welche in Schlitzen in einer Tragstange 22 befestigt

F i g. 1 in Schnittdarstellung einen zur Anwendung 45 sind, die jeweils am unteren Ende der Röhre 11 in

der vorliegenden Erfindung geeigneten Kernreaktor, dieser angeordnet ist und von ihr getragen wird. Die

Fig. 2 eine Detailschnittdarstellung einer Ein- Tragstange22 wird durch einen Ring23α gehalten,

spritzdüse mit dem Ende einer Brennstoffröhre des der sich an der Innenseite eines konischen Teils 23

Reaktors, an welcher die Düse angeordnet ist, der Röhre 11 abstützt.

Fig. 3 eine Schnittdarstellung längs der Linie3-3 50 Wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich, sind die

in Fig. 2, aus welcher sich die Befestigung der Röhren 11 an ihrem unteren Ende jeweils seitlich

Brennstoffröhre an der Düse ergibt, und in vertikaler Richtung gegen drei Arme 26 ab-

Fig. 4 eine schematische Darstellung, welche die gestützt, welche an der zugeordneten Düse 20 beAnwendung der vorliegenden Erfindung bei dem in festigt sind und sich von dieser aus in Abständen den Fig. 1 bis 3 dargestellten ^Reaktor veranschau- 55 voneinander in radialer Richtung erstrecken. Die licht. Oberteile der Röhren 11 werden in Querrichtung

Der in den F i g. 1 und 2 gezeigte Reaktor 9 weist durch ein Gitter 27 gehalten, durch welches sie sich ein Druckgefäß 10, mehrere Röhren 11 in dem hindurcherstrecken. Eine thermische Abschirmung Druckgefäß 10 sowie Brennstoffelemente 12 in den 28 wird durch (nicht dargestellte) Mittel in Abstand '*γ Röhren 11 auf; in dem Gefäß 10 ist eine Kühl·- 60 von der zylindrischen Innenwandung des Druckwassermenge 13 enthalten, welche die Röhren 11 gefäßes 10 gehalten; sie ist mit der Prallvorrichumgibt, ferner ist eine Eintrittsleitung'14 für die Zu- tang 16 verbunden und trägt diese,
fuhr von Speisewasser in das Gefäß 10 sowie eine Wie aus Fig.4 ersichtlich, verläßt der Dampf \ Austrittsleitung 15 für den in dem Gefäß 10 erzeug- den Reaktor 9 durch die Austrittsleitung 15 und geten Dampf sowie schließlich eine Stauvorrichtung 16 65 langt durch diese in eine mehrstufige Turbine 106. t" im oberen TeE des Gefäßes 10 zur Abtrennung von Der teilweise entspannte Dampf wird durch die Wasser und Dampf vorgesehen. Das Speisewasser Leitungen 108 und 110 von Stufe zu Stufe geführt und das Moderatorwasser können entweder schweres und gelangt sodann durch die Leitung 114 in den NfM·

Kondensator 112. Die Turbine 106 wird durch einen Regler 115, der auf ein Drosselventil 116 wirkt, auf einer vorgegebenen Umlaufgeschwindigkeit gehalten.

Das Kondensat gelangt aus dem Kondensator 112 durch die Speisewasserleitung 118 in die Pumpe 120, welche es durch die Zufuhrleitung 14 in den Reaktor 9 pumpt. Falls mehr Wasser zur Betätigung der Düsen 20 benötigt wird, wird es durch die Austrittsleitung 122, welche sich mit der Speisewasserleitung 118 an der Verbindungsstelle 124 vereint, aus dem Reaktor 9 abgezogen. Die Austrittsleitung 122 wird mittels eines Ventils 126 gesteuert, das auf ein Drucksignal eines Fühlers 128 anspricht, sobald ein Druckabfall die Notwendigkeit zusätzlicher Wasserzufuhr anzeigt.

Die Pumpe 120 wird mit Dampf betrieben, der an einer Zwischenstufenstelle der Turbine 106, in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel an einer Stelle zwischen der ersten und der zweiten Stufe, über eine Zufuhrleitung 130 abgezapft wird. Die Dampfzufuhr wird mittels eines von Hand betätigten Regelventils 132 eingestellt. Der Abdampf der Pumpe 120 wird durch die Abdampfleitung 134 über die Verzweigung 136 in den Kondensator zurückgeführt.

Indem man das Wasser mittels der Einspritzdüsen 20 durch die Röhren 11 pumpt, erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit des durch die Röhren fließenden Wassers und damit die Nennleistung des Reaktors. Bei einer Änderung der Pumpweise ändert sich die Nennleistung des Reaktors 9. Übernimmt der Reaktor selbst das Pumpen, d. h. hängt die Strömung des Wassers durch die Röhren 11 vom Unterschied zwischen der Dichte des Dampfes und des Wassers in den Röhren und der Dichte des Wassers außerhalb der Röhren ab, so ist die Strömungsgeschwindigkeit, und damit die Leistung, automatisch begrenzt, da eine Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit von einer Zunahme der Dampfmenge abhängt, welche die Moderatorwirkung und damit die Reaktivität herabsetzt. Die Änderung der Wassereinspritzung wird durch Änderung der Umlaufgeschwindigkeit der Pumpe 120 vorgenommen. Ist die Speisewasserzuführung unzureichend, so wird das benötigte Wasser durch die Leitung 122 aus dem Reaktor 9 abgezogen.

Falls die Belastung der Dampfturbine 106 zunimmt, verringert sich die Umlaufgeschwindigkeit, bis der Regler 115 auf das Drosselventil 116 wirkt. Der Regler 115 wirkt dabei so auf das Drosselventil 116, daß sich die durchgelassene Dampfmenge und damit der Druck erhöht. Dieser erhöhte Druck seinerseits tritt zwischen den Turbinenstufen auf. Da dieser zwischen den Stufen abgezapfte Dampf über die Leitung 130 die Speisewasserpumpe 120 antreibt, wird mehr Wasser durch die Düsen 20 in dem Reaktor 9 gepumpt, wodurch sich die Wasserströmung proportional erhöht. Diese Strömung wird selbstverständlich durch die Venturi-Wirkung der Düsen 20, welche die von der Pumpe 120 bewirkte Strömungszunahme vergrößert, noch erhöht. Die Zunahme des Kühlwassers bewirkt eine Verringerung des Dampf-Leeranteils in den Brennstoffröhren 11 und damit eine Zunahme des Moderator/Brennstoff-Verhältnisses. Hierdurch erhöht sich die Reaktivität des Reaktors 9 und damit die Dampferzeugungsgeschwindigkeit. Eine Abnahme des Leistungsbedarfs der Turbine 106 hat die umgekehrte Wirkung. Hierdurch wird eine Selbstregelung des Systems erzielt.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Regelung eines Systems aus einem thermischen Kernreaktor vom Siedetyp mit direkt angeschlossener Turbine, bei welchem Kühlwasser in die Brennstoffelemente enthaltende Röhren des Kernreaktors eingespritzt und der Leistungspegel des Systems mittels der Geschwindigkeit der Kühhnitteleinspritzung gesteuert wird, wobei die Speisewasserpumpe der Kühhnitteleinspritzung mittels einer Turbine angetrieben wird, die mit in dem Reaktor erzeug-'tem Dampf betrieben wird und auf den Leistungsbedarf der Hauptturbine anspricht, derart, daß bei Änderungen des Leistungsbedarfs der Hauptturbine ein selbstregelndes Verhalten erzielt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrstufige Hauptturbine (106) mit konstanter Drehzahl betrieben wird und daß der Dampf für die Antriebsturbine der Speisewasserpumpe (120) an einer Stelle (108) zwischen den einzelnen Stufen der Hauptturbine (106) abgezweigt wird, derart, daß die Drehzahl der Antriebsturbine und damit die Speisewasserzufuhr proportional dem jeweiligen Dampfdruck an der Abzweigungsstelle (108) veränderlich sind.

2. System aus einem Siedewasser-Kernreaktor mit direkt angeschlossener Turbine, zur Durchführung des Regelverfahrens nach Anspruch 1, mit einer Speisewasserpumpe zur Einspritzung von als Kühlmittel und Moderator dienendem Wasser in die Brennstoffelemente enthaltende Röhren des Kernreaktors, sowie mit einer auf den Leistungsbedarf der Hauptturbine ansprechenden, mit dem in dem Reaktor erzeugtem Dampf betriebene Antriebsturbine für die Speisewasserpumpe, gekennzeichnet durch eine von einer Stelle (108) zwischen den einzelnen Stufen der Hauptturbine (106) zu der Antriebsturbine der Speisewasserpumpe (120) führende Dampfzufuhrleitung (130).

3. System nach Anspruch 2, mit einem Siedewasser-Reaktor, bei welchem die Brennstoffelemente in Röhren angeordnet sind, mit welchen die Ausgangsleitung der Speisewasserpumpe verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hauptspeisewasserzuflußleitung (118) zu der Speisewasserpumpe (120) ein Druckfühler (128) angeordnet ist, und daß in einer von dem Reaktor (9) zu der Speisewasserpumpe (120) führenden Hufszufuhrleitung (122) ein Drosselventil (126) vorgesehen ist, das auf ein von dem Druckfühler (128) in der Hauptzufuhrleitung erzeugtes Signal anspricht.

4. System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Ende der Brennstoffröhren (11) Düsen (20) vorgesehen sind, welchen das Speisewasser von der Speisewasserpumpe (120) über eine Eintrittsleitung (14) zugeführt wird.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Brennstoffröhre (11) jeweils eine Düse (20) am unteren Ende in solcher Anordnung vorgesehen ist, daß zusätzlich zu dem durch die Düse eingespritzten Speisewasser durch die Düsenwirkung umgebendes Mode-

ratorwasser mit in die Brennstoffröhren eingesaugt wird.

6. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Druckgefäß (10) des Kernreaktors (9) oberhalb der Brennstoffröhren (11) an sich bekannte Vorrichtungen (16) vorgesehen sind, welche das aus den Brennstoffröhren (11) oben austretende Wasser-Dampf-Gemisch trennen und das abgetrennte Wasser in das die Brennstoffröhren umgebende Moderatorwasser (13) zurückführen.

7. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsleitung (14) der Speisewasserpumpe

(120), welche das Speisewasser den Einspritzstellen (20) innerhalb des Reaktors zuführt, in eine Sammelkammer (17) innerhalb des Reaktors mündet, mit welcher die Einspritzdüsen (20) in Verbindung stehen.

8. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Dampfzufuhrleitung (15) zu der Turbine (106) ein auf die Umdrehungszahl der Turbine ansprechendes (115) Drosselventil (116) vorgesehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1083 944.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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