DE1232280B

DE1232280B - Kernreaktor

Info

Publication number: DE1232280B
Application number: DED45161A
Authority: DE
Inventors: Dr Christoph Steinert; Dr-Ing Wolfgang Junkermann
Original assignee: Deutsche Babcock and Wilcox Dampfkesselwerke AG
Current assignee: Deutsche Babcock and Wilcox Dampfkesselwerke AG
Priority date: 1964-08-11
Filing date: 1964-08-11
Publication date: 1967-01-12
Also published as: GB1115354A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

G21d

Deutsche Kl.: 21 g - 21/24

D 45161 VIIIc/21g

11. August 1964

12. Januar 1967

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor zur Erzeugung von überhitztem Dampf mit zwei Primärkreisläufen, die durch zwei konzentrisch zueinander angeordnete Bereiche des Reaktorkerns führen und von denen der eine ein Druckwasserkreislauf ist, welcher in einem Wärmeaustauscher Dampf erzeugt, und der andere ein Wasserdampfkreislauf ist, der in einem Wärmeaustauscher überhitzten Dampf erzeugt. Solche Kernreaktoren sind bekannt.

Bei den bekannten Druckwasserreaktoren sind der Reaktorkern und die Dampferzeuger in sogenannter integrierter Bauweise im Druckbehälter angeordnet, und innerhalb desselben ist ein genügend großer Dampfraum zur Selbstdruckhaltung des Systems vorhanden. Im Reaktorkern wird jeweils nur so viel Dampf erzeugt, wie dem Dampfraum durch Wärmeverluste verlorengeht. Das System ist primärseitig vollkommen abgeschlossen, und die bei Sättigungstemperatur arbeitende Kühlmittelflüssigkeit wird über Umwälzpumpen durch die Dampferzeuger geschickt. Die Reaktivität des Reaktors regelt sich weitgehend entsprechnd der sekundären Leistungsentnahme über die Temperatur am Eintritt des ,Reaktorkernes. Da das System zwangläufig bei Sättigungsdruck arbeitet, ist mit mehr oder weniger Dampfblasenbildung im Reaktorkern zu rechnen.

Ein wesentlicher Nachteil des Druckwasserreaktors besteht jedoch darin, daß sekundärseitig nur Dampfzustände in der Nähe der Sättigungstemperatur des Primärsystems erzeugt werden können und daß bei höherem Dampfblasenanteil im Reaktorkern der mittlere Abbrand der Brennelemente zurückgeht. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit ist es aber erwünscht, hohe Abbrände und Dampfzustände zu erhalten.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Dampfblasenbildung, welche über das geforderte Maß der Selbstdruckhaltung hinausgeht, durch Fremddruckhaltung oder Gasdruckhaltung zu unterdrücken. Hierbei entsteht allerdings ein erheblicher technischer Mehraufwand.

Um höhere Dampftemperaturen zu erzielen, sind Druckwasserreaktoren mit nuklearer Dampfüberhitzung bekanntgeworden. Der im ersten Durchlauf durch das Brennelement erzeugte Dampf wird in einem oder mehreren Durchläufen nachüberhitzt, wobei der Dampfstrom im Brennelement umgewendet wird. Abgesehen von den Herstellungskosten dieser Brennelemente ergeben sich beachtliche Schwierigkeiten hinsichtlich der Reaktorregelung und der zu beherrschenden Temperaturgradienten. Außerdem ist ein kompliziertes System von Rohrleitungen im Reaktor vorhanden.

Kernreaktor

Anmelder:

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

Oberhausen (RhId.), Duisburger Str. 375

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Wolfgang Junkermann,

Mülheim-Speldorf;

Dr. Christoph Steinert, Erlangen-Bruck

Es ist bereits auch ein Reaktorsystem vorgeschlagen worden, das aus einem äußeren und einem inneren Reaktorteil besteht, wobei in einem der beiden Teile der Dampf erzeugt und anschließend bei der Durchströmung des zweiten Teiles überhitzt wird. Hier sind die Schwierigkeiten hinsichtlich der Temperaturgradienten zwar geringer, aber die verminderten Wärmeübergangsbedingungen im Dampf verlangen einen wesentlich größeren Überhitzerteil, welcher die Anlage unwirtschaftlich vergrößert. Auch bei dieser Konstruktion hängt die Kühlung der Uberhitzerzone immer von der Menge gebildeten Dampfes in der Verdampferzone des Kernes ab, da die beiden Zonen hinsichtlich der Kühlmittelführung hintereinandergeschaltet sind. Die Kühlung in beiden Zonen ist aber sehr lastabhängig, weil die Eintrittstemperaturen entsprechend der Lastentnahme stark schwanken. Das bedeutet, daß praktisch beide Reaktorzonen getrennt voneinander geregelt werden müssen, womit der Regelaufwand verdoppelt und die Störanfälligkeit des Systems vergrößert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem an sich bekannten Reaktor mit Selbstdruckhaltung und integrierter Bauart durch zwei unabhängig voneinander arbeitende Kreisläufe überhitzten Dampf zu erzeugen, wobei ein Dampfkreislauf die Funktion der Druckhaltung übernimmt und die Dampfblasenbildung in dem Druckwasserkreislauf unterdrückt.

Diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Wasserdampf zwischen dem zentralen Bereich des Kerns eines an sich bekannten Druckwasserreaktors mit Selbstdruckhaltung, bei dem die Umwälzpumpen und die Wärmeaustauscher mit dem Reaktorkern in einem gemeinsamen Druckgefäß angeordnet sind, und den in dem druckhaltenden Dampfdom im Oberteil des gemeinsamen

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Druckgefäßes angeordneten Wärmeaustauschern und Umwälzgebläsen umläuft, wobei eine die Druckhaltung im Druckwasserkreislauf beeinflussende Wärmeabgabe des Wasserdampfkreislaufes an den Dampf des druckhaltenden Dampfdomes stattfindet.

Der zentrale, dampfgekühlte Bereich des Kerns ist als thermische, gegebenenfalls für sich unterkritische, oder als schnelle Spaltzone ausgelegt. Der im Dampfdom eingebaute Teil des Überhitzerkreislaufes ist nur so weit mit einer Wärmeisolierung versehen, wie die Temperatur im Dampfdom über der mittleren Temperatur des flüssigen Primärkühlmittels zu liegen hat, um den Systemdruck über den Sättigungsdruck zu heben und die Dampfblasenbildung im Kern so weit zu unterdrücken, daß optimaler Brennstoffabbrand erzielt wird, indem die Moderatordichte in axialer Richtung des Reaktors nahezu konstant bleibt.

In der Verbesserung der Selbstdruckhaltung durch Erhöhen des Systemdruckes ohne Fremdgaszusatz oder Fremddruckhaltung sowie in der Verbesserung ao des thermischen Wirkungsgrades auf Grund von Heißdampftemperaturen liegt der Fortschritt des Druckwasserreaktors nach der Erfindung.

Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Der Druckwasserreaktor 1 weist einen in senkrechter Richtung langgestreckten Druckbehälter 2 von kreisförmigem Querschnitt auf, in dessen unterer Hälfte der Reaktorkern 3 mit den seitlich liegenden Dampferzeugern 4, die jedoch nur aus Vorwärmer und Verdampfer bestehen, angeordnet ist. Oberhalb der Dampferzeuger 4 sitzen die Umwälzpumpen 5 für das Primärkühlmittel. Der Kern 3 ist durch einen zylindrischen Einsazt 6, der bis zu dem Überhitzerkreislauf 7 oberhalb des Wasserspiegels 18 reicht und mit einem Kugelboden 9 verschlossen ist, in eine innere und äußere Zone 10 und 11 unterteilt. Die innere Zone 10 enthält aus Gründen des Wärmeüberganges mit einem kleineren Durchmesser versehene Überhitzerbrennelemente als jene Brennelemente in der äußeren Zone 11. Das flüssige Primärkühlmittel strömt mittels der Umwälzpumpen 5 durch die Dampferzeuger 4, durch die äußere Zone 11 des Kernes 3 und wieder zu den Umwälzpumpen 5 zurück.

Innerhalb des zylindrischen Einsatzes 6 befindet sich ein zweiter zylindrischer Einsatz 12. In den inneren Einsatz 12 wird Dampf des Überhitzerkreislaufes 7 geleitet, im unteren Kugelboden 9 des äußeren Einsatzes 6 umgelenkt und durch den Ringspalt zwischen den Einsätzen nach oben über die Überhitzer 13, die durch eine äußere Rohrleitung 14 mit den Dampferzeugern 4 verbunden sind, zu den Umwälzgebläsen 15 geleitet, welche den Dampf wieder in den inneren Einsatz 12 drücken.

Durch die Öffnungen 16 im Überhitzerkreislauf 7 besteht Druckgleichheit zwischen überhitztem und gesättigtem Dampf, und es ist ein Dampfaustausch bei Druckunterschieden infolge unterschiedlicher Leistungsentnahme aus den der Überhitzung dienenden Wärmetauschern 13 möglich.

Beim Betrieb des Reaktors wird aus dem Dampfdom 8 ein Dampfstrom entnommen und unabhängig von der Umwälzmenge des flüssigen Primärkühlmittels durch die innere Zone 10 des Kerns 3, welche die Überhitzerbrennelemente trägt, geleitet. Die Umwälzmenge übersteigt ein Vielfaches der entsprechenden flüssigen Primärkühlmittelumwälzmenge, um dem verminderten Wärmeübergang Rechnung zu tragen.

Da die Kühlung der inneren Zone 10 des Kerns 3 unabhängig von der äußeren Zone 11 erfolgt und zu jeder Zeit genügend Dampf der Sättigungstemperatur im Dampfraum 8 zur Verfügung steht, ist die Kühlung der inneren Zone 10 immer gewährleistet. Daher braucht die innere Zone 10 nicht abhängig von der äußeren geregelt werden. Es kann unter Umständen auf die Regelung der inneren Zone 10 verzichtet werden, falls die innere Zone für sich unterkritisch oder nur mit einem geringen Reaktivitätsüberschuß ausgestattet ist und eine ausreichende Kopplung der Reaktivität zwischen beiden Reaktorzonen besteht. Die Leistungsentwicklung in dem zentralen Bereich 10 des Kerns 3 ist dann automatisch der Leistungsentwicklung in der äußeren Zone angepaßt. Die Leistungsentwicklung des Reaktors kann noch wesentlich erhöht werden, wenn die innere Zone als schnelle Reaktorzone ausgebildet ist, d. h. ihre Kernspaltungen von schnellen Neutronen stammen. Hierbei ist der Raumbedarf der inneren Zone wesentlich kleiner als bei einem vergleichbaren Reaktor mit abhängiger Dampf kühlung.

Die Wärmeisolierungen 17 des Überhitzerkreislaufes 7 sind derart ausgelegt, daß noch eine gewisse Wärmeabfuhr an den Dampf im oberen Dampfraum des Reaktors erfolgt und die Temperatur des Wassers an der Grenzfläche 18 zum Dampfraum über die Temperatur des flüssigen Primärkühlmittels am Kernaustritt hinausgeht. Der dadurch höhere Systemdruck unterdrückt die Dampfblasenbildung im Reaktorkern und erhöht somit die Leistungsdichte und den mittleren Brennstoffabbrand. Die Dampfblasenbildung kann, je nach Grad der Wärmeisolierung, unter Kontrolle gehalten werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Kernreaktor zur Erzeugung von überhitztem Dampf mit zwei Primärkreisläufen, die durch zwei konzentrisch zueinander angeordnete Bereiche des Reaktorkerns führen und von denen der eine ein Druckwasserkreislauf ist, welcher in einem Wärmeaustauscher Dampf erzeugt, und der andere ein Wasserdampfkreislauf ist, der in einem Wärmeaustauscher überhitzten Dampf erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampf zwischen dem zentralen Bereich (10) des Kerns (3) eines an sich bekannten Druckwasserreaktors mit Selbstdruckhaltung, bei dem die Umwälzpumpen (5) und die Wärmeaustauscher (4) mit dem Reaktorkern (3) in einem gemeinsamen Druckgefäß (2) angeordnet sind, und den in dem druckhaltenden Dampfdom (8) im Oberteil des gemeinsamen Druckgefäßes angeordneten Wärmeaustauschern (7) und Umwälzgebläsen (15) umläuft, wobei eine die Druckhaltung im Druckwasserkreislauf beeinflussende Wärmeabgabe des Wasserdampfkreislaufes an den Dampf des druckhaltenden Dampfdomes stattfindet.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale, dampfgekühlte Bereich (10) des Kerns (3) als thermische, gegebenenfalls für sich unterkritische, oder als schnelle Spaltzone ausgelegt ist.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der im Dampfdom (8) eingebaute Teil des Überhitzerkreislaufes (7) mit den Wärmetauschern (13) und den Umwälzgebläsen (15) nur so weit mit einer Wärmeisolie-

rung (17) versehen ist, wie die Temperatur im Dampfdom (8) über der Temperatur des flüssigen Primärkühlmittels am Kernaustritt zu liegen hat, um den Systemdruck so weit zu heben, daß die Dampfblasenbildung im Kern (3) gerade unterdrückt und optimaler Brennstoffabbrand erzielt wird.

4. Kernreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Öffnungen (16) in dem im Dampfdom (8) befindlichen Teil des Überhitzerkreislaufes (7) ein Dampfaustausch zwischen den beiden Primärkreisläufen stattfindet und deshalb Druckgleichheit zwischen ihnen besteht.

5. Kernreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Bereich (10) von dem umgebenden flüssigen Primärkühlmittel durch einen zylindrischen, bis zu dem Überhitzerkreislauf (7) oberhalb des Wasserspiegels (18) hineinragenden Einsatz (6), der unterhalb des Kerns (3) durch einen Kugelboden (9) verschlossen wird, getrennt ist.

6. Kernreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zylindrischen Einsatz (6) ein zweiter zylindrischer Einsatz (12) konzentrisch angeordnet ist, der vom Kugelboden beabstandet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1051425;
Nucleonics, Vol. 22,1964, No.

7, S. 23 bis 25.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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• Bundesdruckerei Berlin