DE1229201B - Heterogener Siedewasser-UEberhitzerkernreaktor - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

BiBLiOTHEK

DES DEUTSCHE»

PATEHTAKTES

Int. CL:

G21d

Deutsche Kl.: 21g-21/24

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

D 43313 VIII c/21g
9. Januar 1964
24. November 1966

Die Erfindung betrifft einen heterogenen Siedewasser-Überhitzerkernreaktor, dessen Kern, der in einem Druckgefäß angeordnet ist, im Zentrum Überhitzerelemente und in einer dieses konzentrisch umgebenden Zone mit ringförmigem Querschnitt Verdamperelemente aufweist, bei dem die Verdampferzone und das Überhitzerzentrum von dem Moderator-Kühlmittel nacheinander durchströmt werden, bei dem das Speisewasser unmittelbar nach dem Eintritt in das Reaktordruckgefäß eine den Reaktorkern umgebende Reflektorzone von ringförmigem Querschnitt durchströmt, und danach in die übrigen Bereiche des Reaktordruckgefäßes eintritt.

Siedewasser-Reaktoren haben in der Kernenergietechnik stark an Bedeutung gewonnen auf Grund des bekannten Vorteils, daß in ihnen eine Dampfüberhitzung möglich ist. Ein Nachteil des Siedewasser-Reaktors besteht jedoch darin, daß das Wasser gleichzeitig Moderator und Kühlmittel ist. Als Folge dieser Kopplung entstehen unerwünschte Instabilitäten, die zu regeltechnischen Schwierigkeiten führen, was dadurch bedingt ist, daß der Dampfgehalt im Reaktor variiert und einen bestimmten Wert nicht überschreiten darf. Zur Verbesserung des Regelverhaltens werden daher Siedewasser-Reaktoren großer Leistung häufig mit einer Zweikreislauf-Schaltung ausgerüstet. Hierbei wird ein Teil des Dampfes bei niedrigem Druck in Wärmetauschern erzeugt. Die Aufstellung von Wärmetauschern und Umwälzpumpen erfordert jedoch zusätzliche Kosten.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Verdampfung des Wassers in besonderen Kühlkanälen durchzuführen, wobei das Wasser im Zwangumlauf durch die Verdampferkanäle bewegt wird. Dabei erhalten die Verdampferkanäle, die konzentrisch um die Überhitzerkanäle angeordnet sind, ihre Wärmeenergie entweder durch direkte Berührung des Wassers mit den Uberhitzerkanälen oder durch eigene, in den Verdampferkanälen angeordnete Brennelemente. Die entsprechend hierfür vorgesehene Reaktorkonstruktion vermeidet zwar die unerwünschte Kopplung von Dampferzeugung und Moderierung, berücksichtigt jedoch nicht die besonderen Wärmeübergangsverhältnisse bei Verdampfung von Wasser in Kanälen. Die Wärmeübergangsbedingungen können sich nämlich im Laufe der Betriebszeit in bestimmten Zonen oder in einzelnen Verwärmungselementen derart verschlechtern, daß die Brennelemente durch Übertemperaturen beschädigt oder zerstört werden können. Ferner führt die Unterlassung von Maßnahmen zur Schaffung einer konstanten Überhitzungstemperatur in allen Kanälen zu Verteuerungen. Daher bietet ein

Heterogener Siedewasser-Überhitzerkernreaktor

Anmelder:

Deutsche Babcock & Wilcox-Dampfkessel-Werke Aktien-Gesellschaft,

Oberhausen (RhId.), Duisburger Str. 375

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Reinhold Zwickler, Oberhausen (RhId.)

solcher Reaktor keine Vorteile gegenüber den bisher bekannten Reaktoren zur Erzeugung von Heißdampf mit Hilfe von Kernenergien.

Es ist ferner ein Überhitzer-Reaktor bekannt, bei dem in der Außenzone des Reaktorkerns Wasser verdampft und der erzeugte Sattdampf nach einer Umlenkung in innen befindlichen Kanälen überhitzt wird. In diesem Reaktor ist das Wasser in der Verdampfungszone gleichzeitig Moderator und Kühlmit-

tel. Mit zunehmender Verdampfung nimmt die Moderierung bekanntlich ab. Die Überhitzerelemente werden nur von Dampf durchströmt, wobei eine Moderierung durch Wasser nicht vorgesehen ist. Hierbei ergeben sich in der Verdampferzone die bereits erwähnten Instabilitäten, und zwar in viel stärkerem Maße als bei Siedewasser-Reaktoren mit geringem Dampfgehalt am Austritt aus den Verdampferelementen. Es sind ferner zusätzliche Maßnahmen zur Aufrechterhaltung der Kettenreaktion im oberen Teil der Verdampferelemente erforderlich.

Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung derartiger Siedewasser-Reaktoren. Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, daß das Reaktordruckgefäß vollständig vom Wasser erfüllt ist, das über eine oberhalb des Reaktorkerns angeordnete Öffnung im Reaktordruckgefäß und eine außerhalb des Reaktordruckgefäßes angeordnete Leitung in unterhalb des Reaktorkerns angeordnete Verteilerleitungen strömt, die die rohrförmigen Verdampferelemente speisen, welche ebenso wie die rohrförmigen Überhitzerelemente innen durchströmt werden und über oberhalb des Reaktorkerns angeordnete Sammler und Verteilerleitungen an diese angeschlossen sind. Eine solche Anordnung gewährleistet eine vollständige Trennung der Funktionen des Wassers als Kühlmittel und Moderator, was bei den bekannten Siedewasser-Reaktoren nicht gegeben ist. Das Moderator-

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wasser durchströmt 'den gesamten Reaktorinnenraum, ohne einen Wasserspiegel mit einem darüberliegenden Dampfraum zu bilden. Dabei sind alle Brennelemente in der Verdampfungs- und Überhitzungszone von Moderatorwasser konstanter Dichte umgeben, so daß keine regeltechnischen Schwierigkeiten zu erwarten sind. Die vollständige Trennung von Moderator und Kühlmittel ist weiterhin daraus zu ersehen, daß das eingespeiste Wasser nach Erfüllung seiner Funktion als Moderator über eine oberhalb des Reaktorkerns angeordnete Öffnung im Reaktordruckgefäß und eine außerhalb des Reaktordruckgefäßes angeordnete Leitung in unterhalb des Reaktorkerns angeordnete Verteilerleitungen strömt, die die rohrförmigen Verdampferelemente speisen. Gegenüber den bekannten Konstruktionen tritt erst in diesen Verdampferelementen die Verdampfung ein, und der mit einem bestimmten Dampfgehalt χ austretende Dampf wird schließlich in den Überhitzerkanälen auf die erforderliche Heißdampftemperatur gebracht. Hierbei läßt sich eine derartige Beaufschlagung der Verdampferelemente mit Wasser erreichen, daß ein verschlechterter Wärmeübergang, z. B. durch Filmverdampfung, nicht auftreten kann. Zu bemerken ist noch, daß ohne eine einwandfreie Funktionstrennung von Moderator und Kühlmittel der Reaktor nicht funktionsfähig ist, da bei vollständiger Verdampfung des Wassers die Moderierung infolge des sehr geringen Wasservolumens erlischt.

Von wesentlicher Bedeutung bei der erfindungsgemäßen Art des Siede-Reaktors ist, daß sich durch die vorgesehene Art und Richtung der Strömung des Wassers sowie durch die konstruktive Gestaltung der Kühlkanäle und Aufteilung der Zahl der Brennelemente für die Teilverdampfung und die Lastverdampfung mit Überhitzung der Dampf gehalt χ so festlegen läßt, daß bei einer Verschlechterung des Wärmeüberganges in den Verdampferelementen diese Verschlechterung im oberen Teil des Reaktors bei mäßigen Heizflächenbelastungen auftritt. Auf diese Weise läßt sich eine eingehende Schonung der Brennelemente erreichen.

In Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das weitere Merkmal von Bedeutung, daß die Verdampferelemente und Überhitzerelemente von gleieher Bauart sind und durch Druckfedern abgestützt sind, welche auf einer Tragplatte ruhen. Das Merkmal der gleichen Bauart hat den großen Vorteil, daß die Elemente im Bedarfsfall untereinander austauschbar sind.

Eine konstruktive Besonderheit des Siedewasser-Reaktors gemäß der Erfindung besteht ferner darin, daß Drosselventile in die Umführungsleitungen eingebaut sind zur Dosierung der Wassermengen auf die einzelnen Zonen der Verdampferelemente in radialer Richtung des Reaktorkerns entsprechend der Wärmeerzeugung der einzelnen Zonen über die diesen Zonen entsprechenden Sammler. Hierdurch bietet sich mit einem geringen Einsatz konstruktiver Mittel die vorteilhafte Möglichkeit, die Wassermengen durch Verdampferelemente gleicher Leistung so zu regeln, daß Elemente, die zeitweise durch verschlechterte Wärmeübergangsbedingungen gefährdet sind, mit größerer Wassermenge beaufschlagt werden können.

Der Aufbau und die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Siedewasser-Uberhitzerreaktors mit Zwangdurchlauf geht aus der nachfolgenden Beschreibung und den Abbildungen hervor. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch den Reaktor,

F i g. 2 mehrere Teilschnitte durch den Reaktor nach Fig. 1.

Der Reaktor besteht aus dem Druckbehälter 1, in welchem die von einem Mantel 2 umschlossenen Verdampferelemente 3 und die von letzteren umgebenen überhiizerelemente 4 angeordnet sind. Die Verdampferelemente 3 bestehen aus einer Anzahl von Kühlkanälen und werden durch untere Ringsammler 5 gespeist. Sie sind mit den Überhitzerelementen 4 der inneren Zone durch entsprechende obere Ringsammler 6 verbunden. Eine Speiseleitung 7 ist mit dem Druckbehälter 1 verbunden, während Umführungsleitungen 8, welche den oberen Teil des Reaktors mit dem unteren verbinden, das Speisewasser als Kühlmittel nach Bestreichen der Verdampferelemente 3 von außen zu den unteren Ringsammlern 5 führen, von wo es in die Verdampferelemente 3 gelangt.

Die Verdampferelemente 3 und Überhitzerelemente 4 sind in ihrer Lage durch Druckfedern 9 abgestützt, welche auf einer Tragplatte 10 ruhen. Auf dieser ist der Mantel 2 angeordnet. Auf diese Weise erhält man eine einfache und billige Abstützung des Reaktors.

Das Speisewasser tritt durch die Speiseleitung 7 oberhalb des Reaktorkerns in den Druckbehälter 1 ein. Es strömt zunächst in Pfeilrichtung in dem Ringraum zwischen Behälterwand und Mantel 2 abwärts, wobei es die Behälterwand kühlt. Nach einer Umlenkung dient das Wasser beim Aufwärtsströmen zwischen den Trennrohren der Verdampferelemente als Moderator. Hierbei erwärmt es sich geringfügig. Nach Verlassen des Druckbehälters 1 wird das Wasser, wie bereits oben beschrieben, über die Umführungsleitungen 8 den Verdampferelementen 3 zugeführt, welche es nun von innen durchströmt.

Die Wärmebelastung im Reaktor nimmt bekanntlich von innen nach außen ab. Um in allen Kanälen etwa gleiche Austrittsenthalpien zu erreichen, muß der Wasserdurchsatz durch die Kühlkanäle der Verdampferelemente den verschiedenen Wärmebelastungen angepaßt werden. Das geschieht in der Weise, daß je 25 Kühlkanäle zu je einem Verdampferelement zusammengefaßt und etwa gleich belastete Verdampferelemente parallel geschaltet werden. Die parallel durchströmten Verdampferelemente sind, wie bereits erwähnt, an je einen unteren Ringsammler 5 (zwei Hälften) angeschlossen und bilden eine Zone. Der jeweilige Ringsammler wird mit einer für die betreffende Zone notwendigen Wassermenge beaufschlagt. Die Dosierung der Wassermengen auf die einzelnen Zonen geschieht mit Hilfe von Drosselventilen 11. Im vorliegenden Beispiel sind drei Zonen vorgesehen.

Beim Austritt aus den Verdampferelementen 3 der Verdampfungszone strömt der Naßdampf in den oberen Ringsammler 6, wird gemischt und nach einer Umlenkung den innen angeordneten Uberhitzerelementen 4 zugeführt. Der Heißdampf verläßt den Reaktor durch mehrere Rohre 12, die durch den Behälterboden durchgeführt werden.

Die Regelung des Reaktors erfolgt durch Kontrollstäbe 13, die von oben eingefahren werden. Die Zahl der Kontrollstäbe ist aus Gründen lokaler Flußüberhöhungen möglichst gering zu halten.

Die Verdampferelemente gehen am unteren Ende in Rohre über, die in die Wasserzuführungsrohre hineinragen. Das Einführen der Elemente kann durch

trichterförmige Erweiterungen 14 erleichtert werden. Die Verdampfer- und Überhitzerelemente gehen am oberen Ende ebenfalls in Rohre 15 über. Diese sind mit Hilfe einer lösbaren Zentrierplatte 16 mit den entsprechenden Rohren des Dampfumlenksystems und des oberen Ringsammlers 6 verbunden.

Zum Auswechseln der Verdampferelemente muß die Verbindung mit dem Dampfumlenksystem gelöst werden. Zum Herausziehen der Überhitzerelemente ist zusätzlich eine Trennung der Heißdampfrohre außerhalb des Reaktors erforderlich.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Heterogener Siedewasser-Uberhitzerkernreaktor, dessen Kern, der in einem Druckgefäß angeordnet ist, im Zentrum Überhitzerelemente und in einer dieses konzentrisch umgebenden Zone mit ringförmigem Querschnitt Verdampferelemente aufweist, bei dem die Verdampferzone und das Überhitzerzentrum von dem Moderator-Kühlmittel nacheinander durchströmt werden, bei dem das Speisewasser unmittelbar nach dem Eintritt in das Reaktordruckgefäß eine den Reaktorkern umgebende Reflektorzone von ringförmigem Querschnitt durchströmt, und danach in die übrigen Bereiche des Reaktordruckgefäßes eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktordruckgefäß (1) vollständig vom Wasser erfüllt ist, das über eine oberhalb des Reaktorkerns angeordnete Öffnung im Reaktordruckgefäß und eine außerhalb des Reaktordruckgefäßes angeordnete Leitung (8) in unterhalb des Reaktorkerns angeordnete Verteilerleitungen (5) strömt, die die rohrförmigen Verdampferelemente (3) speisen, welche ebenso wie die rohrförmigen Überhitzerelemente (4) innen durchströmt werden und über oberhalb des Reaktorkerns angeordnete Sammler und Verteilerleitungen (6) an diese angeschlossen sind.

   2. Siedewasser-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampferelemente (3) und die Uberhitzerelemente (4) von gleicher Bauart und durch Druckfedern (α) abgestützt sind, welche auf einer Tragplatte (10) ruhen.

   3. Siedewasser-Reaktor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Drosselventile (11) in die Umführungsleitungen (8) eingebaut sind zur Dosierung der Wassermengen auf die einzelnen Zonen der Verdampferelemente (3) in radialer Richtung des Reaktorkerns entsprechend der Wärmeerzeugung der einzelnen Zonen über die diesen Zonen entsprechenden Sammler (5).

   4. Siedewasser-Reaktor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (15) mit dem Dampfumlenksystem durch eine Zentrierplatte (16) verbunden sind.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 127 506,
   039 659.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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