DE1236670B

DE1236670B - Atomkernreaktor

Info

Publication number: DE1236670B
Application number: DEA43263A
Authority: DE
Inventors: Peter Heinrich Erwin Margen
Original assignee: Studsvik Energiteknik AB
Current assignee: Studsvik Energiteknik AB
Priority date: 1962-06-06
Filing date: 1963-06-05
Publication date: 1967-03-16
Also published as: US3205145A; GB961827A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. a.:

G21c

DeutscheKl.: 21g-21/20

Nummer: 1236 670

Aktenzeichen: A 43263 VIII c/2l g

Anmeldetag: 5. Juni 1963

Auslegetag: 16. März 1967

Die Erfindung bezieht sich auf einen Atomkernreaktor, bestehend aus einem nicht druckfesten, dünnwandigen Reaktorbecken, einem Wasserraum im Reaktorbecken, einem Dampfraum im Reaktorbecken, einem druckfesten, das Reaktorbecken umschließenden Gefäß, einem gasgefüllten Raum zwischen dem Reaktorbecken und dem druckfesten Gefäß, einer Druckausgleichverbindung zwischen dem Dampfraum und dem gasgefüllten Raum und einer Einrichtung zum Gasabzug aus dem gasgefüllten Raum. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Kernreaktor, in dem siedendes leichtes oder schweres Wasser als Kühlmittel verwandt wird.

Kernreaktoren dieser Art sind aus den deutschen Auslegeschriften 1039146 und 1097 048, aus den französischen Patentschriften 1163 494 und 1279117 sowie aus der USA.-Patentschrift 2 743 225 bekannt. Bei diesen bekannten Kernreaktoren gelangt somit ständig Wasserdampf aus dem Reaktorbecken über die Druckausgleichverbindung in den gasgefüllten Raum. Im Fall, daß, wie gemäß der deutschen Auslegeschrift 1039146, der gasgefüllte Raum ebenfalls mit Wasserdampf gefüllt ist, hat dies keine schädliche Wirkung auf die Leistung des Kernreaktors. Wenn jedoch der gasgefüllte Raum zwischen dem Reaktorbecken und dem das Reaktorbecken umschließenden druckfesten Gefäß mit einem nicht aus Wasserdampf bestehenden Inertgas gefüllt ist, vermischt sich dieses Inertgas allmählich mit Wasserdampf, der sich in dem gasgefüllten Raum nach und nach ansammelt und bei entsprechenden Temperaturen auch kondensiert. Eine solche Durchmischung des Inertgases mit Wasserdampf ist daher ein großer Nachteil bekannter Kernreaktoren der geschilderten Bauart, dessen Beseitigung sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe gestellt hat. Diese besteht also darin, einen Kernreaktor des beschriebenen Typs zu schaffen, bei dem der Dampfraum des Reaktorbeckens und der gasgefüllte Raum in völlig offener Verbindung stehen, wobei jedoch trotzdem eine Durchmischung des Gases in dem gasgefüllten Raum mit dem Dampf im Reaktorbecken verhindert wird.

Dies wird bei dem eingangs genannten Reaktor dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß eine Einrichtung zur Entfernung von in dem abgezogenen Gas etwa enthaltenem Dampf und eine Einrichtung zur Zuführung des vom Dampf befreiten Gases zu dem gasgefüllten Raum vorhanden sind.

Vorzugsweise besteht die Verbindung zwischen dem Dampfraum und dem gasgefüllten Raum aus einer Rohrleitung, die einen verengten Durchlaß enthält, der in Nebenschluß mit einer Rohrleitung Atomkernreaktor

Anmelder:

Aktiebolaget Atomexnergi, Stockholm
Vertreter:

Dr. H. H. Willrath, Patentanwalt. ?j%
Wiesbaden, Hildastr. 18 ^V;

Als Erfinder benannt:

Peter Heinrich Erwin Margen,

Näsbypark (Schweden)

Beanspruchte Priorität:
Schweden vom 6. Juni 1962 (6368)

liegt, die einen Umwälzer und einen Gastrockner enthält.

Der Dampf kann aus dem Gas etwa durch Kühlen des Dampf-Gas-Gemisches entfernt werden, wobei sich das Wasser niederschlägt, während das Gas, das beispielsweise aus Helium besteht, unkondensiert bleibt. TJer Wasserdampf kann aber auch in anderer Weise entfernt werden, indem man beispielsweise das Dampf-Gas-Gemisch durch ein Trockenmittel leitet.

Inwieweit der Wasserdampf aus dem Dampf-Gas-Gemisch entfernt werden muß, ist von Fall zu Fall zu entscheiden und hängt davon ab, wieviel Wasserdampf in dem gasgefüllten Raum toleriert werden kann. Vorzugsweise wird das Gas aus der Druckausgleichverbindung zwischen dem Dampfraum und dem gasgefülten Raum abgezogen, das abgezogene Gas so getrocknet, daß jeglicher Dampf daraus entfernt wird, und das getrocknete Gas dem gasgefüllten Raum zugeführt.

Die Erfindung wird weiter nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert, die in Fig. 1 schematisch den Aufbau eines Schwerwasserreaktors nach der Erfindung zeigt. Der Reaktor besteht aus einem Druckgefäß 1 aus vorgespanntem Beton, das mit einer Öffnung 2 an der Oberseite versehen ist, die durch einen Deckel verschlossen ist. Das Druckgefäß enthält ein verhältnismäßig dünnwandiges Reaktorbecken 3 aus nichtrostendem Stahl. Dieses Becken ist mit einer Öffnung 4 an der Oberseite versehen, durch die das Reaktionsgefäß in offener Verbindung mit dem Raum 7 zwischen dem Reaktorgefäß und dem Druckgefäß steht. Dieser Raum ist mit einem Gas

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gefüllt, das bei normaler Temperatur nicht kondensiert und unter demselben Druck steht, wie der Dampfdruck im Reaktorgefäß. Der Raum 7 enthält Einrichtungen 5, um das Reaktorbecken in dem Druckgefäß zu tragen. Außerdem enthält der Raum 7 einen Wärmeschirm, der aus mehreren Zylindern 6 aus kohlenstoffhaltigem Stahlblech besteht.

Speisewasser tritt am Boden in das Reaktorgefäß durch eine Leitung 10 ein, und nach Vermischung mit zurückgeleitetem Wasser fließt es aufwärts durch Rohre 11 in den Reaktorkern 8. Während seines Aufwärtsflusses durch die Rohre 11 tritt Sieden ein. Der Dampf fließt abwärts durch Rohre 12, die durch den Reaktorkern führen, und auf diese Weise wird er überhitzt. Der überhitzte Dampf wird in einem Verteilungsstück 13 gesammelt und hieraus durch ein Rohr 14 zu seiner Verbrauchsstelle, z. B. einer Turbine, abgezogen. Der Verteiler 13 ist in einem Raum 16 angeordnet, der vom Reaktorgefäß durch eine Betonwand 15 getrennt ist, die als Strahlungsschild dient, so daß es möglich ist, in den Raum 16 durch ein Mannloch 17 nach Abschaltung des Reaktors einzutreten, um den Verteiler usw. zu untersuchen.

Die Entfernung verbrauchter Brennerelemente aus dem Reaktorgefäß und der Einsatz neuer Elemente erfolgt mit Hilfe einer Lademaschine 18, die unter dem Druckgefäß angeordnet und an das Reaktorgefäß durch ein Rohr 19 angeschlossen ist. Im Reaktorgefäß wird das Brennerelement mit Hilfe einer Betätigungsvorrichtung 32 gehandhabt, die durch die Öffnung an der Spitze des Reaktorgefäßes und des Druckgefäßes ein- und ausgeführt wird.

Außerhalb des Druckgefäßes ist eine Expansionskammer 20 angeordnet, die an den Verteilerkopf 13 für überhitzten Dampf durch ein Rohr 21 angeschlossen ist. Die Expansionskammer 20 ist durch ein Rohr 22 an ein nicht dargestelltes Wassergefäß angeschlossen. Im Rohr 22 befindet sich ein Sicherheitsventil 26, das auf einen vorher eingestellten Öffnungsdruck eingestellt ist. Die Expansionskammer 20 und die Rohre 10 und 14 für Speisewasser und überhitzten Dampf sind in einem Betonabzugskanal 27 angeordnet, der an einen nicht dargestellten Schlot angeschlossen ist.

Im Rohr 21 befindet sich ein Sicherheitsventil 24. Dies ist so eingestellt, daß es sich automatisch öffnet, wenn die Betriebsbedingungen des Reaktors von den normalerweise zugelassenen abweichen. Das Ventil

24 wird deshalb von einem Mechanismus gesteuert, der auf solche Abweichungen von den normalen Betriebsbedingungen innerhalb des Druckgefäßes anspricht. Dieser Mechanismus kann so eingerichtet sein, daß er einen anormalen Anstieg der Temperatur oder des Druckes abtastet.

Das Rohr 10 für Speisewasser enthält ein Schnellschlußventil 23, und das Rohr 14 für überhitzten Dampf ist mit einem ähnlichen Schnellschlußventil

25 ausgerüstet. Diese beiden Ventile sind so eingestellt, daß sie automatisch schließen, wenn die Reaktorbetriebsbedingungen von den normalerweise zulässigen abweichen, z. B. wenn ein Rohrriß außerhalb des Druckgefäßes oder ein Druckanstieg in seinem Innern eintritt. Die Ventile Werden beispielsweise durch Druck- oder Temperaturanstieg im Innern des Druckgefäßes, durch Druckabnahme in der Speisewasserleitung oder der Dampfleitung außerhalb des Druckgefäßes oder durch Druckanstieg in dem Abzugskanal 27 gesteuert.

Die Ventile 23, 24 und 25 sind im Abzugskanal 27 außerhalb des Druckgefäßes, aber so dicht daneben wie möglich angeordnet. Der Wasserdampf im Dampfrohr 9 des Reaktorgefäßes steht in Berührung mit dem nicht kondensier baren Gas im Raum 7 in dem Bereich oberhalb der Öffnung des Reaktorgefäßes.

Um zu verhindern, daß das nicht kondensierbare Gas in das Reaktorgefäß eintritt und der Dampf

ίο daraus in den Raum 7 übertritt, ist ein Rohr 28 eingebaut, das oben aus der Öffnung 4 herausführt. Durch dieses Rohr wird ein Dampf-Gas-Gemisch abgezogen und einem Kondensator 29 zugeführt, wo das Gasgemisch so weit abgekühlt wird, daß das Wasser sich niederschlägt. Das trockene Gas wird über eine Pumpe 30 und ein Rohr 31 in den Bodenabschnitt 16 des Druckgefäßes abgezogen und fließt nach oben in den Raum 7 zwischen den Blechzylmdern, die den Wärmeschild bilden.

Fig. 2 erläutert die Grundgedanken eines abgeänderten Weges zur Erzielung eines Druckausgleiches in einem Kernreaktor, der D₂O als Kühlmittel and Moderator enthält. Ein Gefäß 37 aus vorgespanntem Beton enthält ein dünnwandiges Reaktorbecken 36 aus nichtrostendem Stahl. Der Wasserraum des Reaktorbeckens ist mit 38 und der Dampfraum mit 39 bezeichnet. Das Betongefäß weist an seiner Innenfläche Blöcke 56 aus Isolierbeton auf. Das Betongefäß enthält auch nicht dargestellte Wasserrohre, durch die Kühlwasser kreist.

Eine Rohrverbindung 41 verbindet den Dampfraum 39 innerhalb des Reaktorbeckens mit einem gasgefüllten Raum 40 zwischen dem Reaktorbeeicen und dem Betongefäß. Die Rohrverbindung enthält ein kleines Speichergefäß 47 und einen engen Durchlaß 48. Dieser enge Durchlaß liegt im Nebenschluß mit einem Kreis, der einen Umwälzer 51 und eine Trockeneinheit 52 aufweist. Der Umwälzer wird verwendet, um einen stetigen Gasfluß in Richtung der oberen Pfeile aufrechtzuerhalten und damit eine Rückdiffusion von D₂O-Dampf zum Raum 40 auf der Außenseite des Reaktorgefäßes zu verhindern. Ein Hochdruckgasspeichergefäß 55 ist an den Nebenschluß über einen Kompressor 53 und ein Drossel- ventil 54 angeschlossen.

Während des Anlassens stehen die Räume 39 und 40 in freier Verbindung durch die Verbindungsleitung 41 und befinden sich daher auf dem gleichen Druck. Wenn Reaktortemperatur und -druck erhöht werden, wird das Drosselventil 54 in einer vorbestimmten Weise durch die Reaktortemperatur in solcher Weise betätigt, daß das Gas, ζ. Β. Stickstoff, das Speichergefäß 47 zum größten Teil füllt. Der Grund hierfür liegt darin, daß es erwünscht ist, eine Diffusion von Stickstoff in nennenswerten Mengen zum Reaktorgefäß und die Diffusion von Wasserdampf in den Raum 40 zu vermeiden. Das Speichervolumen 47 und der Nebenschlußkreis sorgen für eine angemessene Sicherheit gegen eine derartige Er scheinung.

Wenn einmal voller Arbeitsdruck und volle Arbeitstemperatur erreicht sind, pumpt die Umwälzeinrichtung 51 ein Gemisch von Dampf und Gas durch die Trockeneinheit 52, wo Wasser aus dem

Gas entfernt wird.

Bei einer Abänderung des Reaktors nach Fig, 2 hat das Reaktorbecken solche Abmessungen, daß es mit den Isolierbetonblöcken in Berührung kommt,

Claims

wenn der Reaktor seine volle Temperatur und seinen vollen Druck erreicht. Die Isolierblöcke übertragen dann den Innendruck vom Reaktorbecken auf das vorgespannte Betongefäß. Wenn dieser Zustand erreicht worden ist, besteht weiterhin kein Bedarf mehr für einen Druckausgleich mittels des Gases. Deshalb wird bei dieser Ausführungsform die Druckausgleicheinrichtung, wie sie in F i g. 2 gezeigt ist, nur während der Einschaltung und Abschaltung gebraucht. Der Kreis 41 enthält auch ein Abschaltventil 42, das durch zwei Rohre 43, 45 in Nebenschluß gelegt ist. Diese enthalten Sicherheitsventile 44 und 46, und zwar eines in jeder Richtung. Wenn voller Betriebsdruck erreicht ist, wird Ventil 42 geschlossen, und der Druck im Raum 40 wird auf etwa 70% des Reaktordruckes fallengelassen. Der ernsteste Notfall bei der eben beschriebenen Ausführungsform würde ein rascher Abfall in der Reaktortemperatur und im Reaktordruck infolge Abblasens von Sicherheitsventilen sein. Wenn die Temperatur fällt, zieht sich das Reaktorgefäß 36 zusammen und ist Zugspannungen ausgesetzt. Gleichzeitig fällt jedoch die Druckdifferenz, die zur Beanspruchung des Gefäßes durch diese Zugspannung zur Verfügung ist, und wird Null, wenn das Reaktorgefäß den Druck des Raumes 40, d. h. etwa 70% des normalen Reaktordruckes, erreicht. Sollte nach diesem Zeitpunkt der Reaktordruck weiter fallen, dann öffnet sich das Sicherheitsventil 44 und gleicht den Druck zwischen den beiden Räumen aus, indem es etwas Stickstoffgas zum Reaktor fließen läßt. Patentansprüche:

1. Atomkernreaktor, bestehend aus einem nicht durckfesten, dünnwandigen Reaktorbecken,

einem Wasserraum im Reaktorbecken, einem Dampfraum im Reaktorbecken, einem druckfesten, das Reaktorbecken umschließenden Gefäß, einem gasgefüllten Raum zwischen dem Reaktorbecken und dem druckfesten Gefäß, einer Druckausgleichverbindung zwischen dem Dampfraum und dem gasgefüllten Raum und einer Einrichtung zum Gasabzug aus dem gasgefüllten Raum, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Entfernung von in dem abgezogenen Gas etwa enthaltenem Dampf und durch eine Einrichtung zur Zuführung des vom Dampf befreiten Gases zu dem gasgefüllten Raum.

2. Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Dampfraum und dem gasgefüllten Raum aus einer Rohrleitung besteht, die einen verengten Durchlaß enthält, der in Nebenschluß mit einer Rohrleitung liegt, die einen Umwälzer und einen Gastrockner enthält.

3. Verfahren zur Betätigung eines Atomkernreaktors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gas aus der Verbindung abgezogen, das abgezogene Gas so getrocknet wird, daß jeglicher Dampf daraus entfernt wird, und das getrocknete Gas dem gasgefüllten Raum zugeführt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschriften Nr. 1039 146,
1097048;

französische Patentschriften Nr. 1163 494,
117;

USA.-Patentschrift Nr. 2 743 225.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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