DE1237233B - Kernreaktor-Dampferzeugerzelle - Google Patents

Description

DEUTSCHES WfWWS PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 21g-21/24

Nummer: 1237 233

Aktenzeichen: C 29094 VIII c/21,

1 237 233 Anmeldetag: 6.Februar 1963

Auslegetag: 23. März 1967

Die Erfindung betrifft eine Kernreaktor-Dampferzeugerzelle, die in ihrem Zellenmantel durch Kernbrennstoff beheizte Verdampfer-Rohrelemente enthält und mit wenigstens einer Vorrichtung zum Einspeisen von Flüssigkeit unter Druck versehen ist, welche unter Ausbildung eines turbulenten Flüssigkeitsfilms an den Wandflächen der Verdampfer-Rohrelemente auf ihrem Weg zum Dampfauslaß der Zelle zumindest teilweise verdampft.

Die Erfindung ist insbesondere bei Reaktorzellen dieser Art anwendbar, die durch den zentralen Bereich des Kernreaktors hindurchragen und Dampf mit zur unmittelbaren Speisung einer Dampfturbine geeignetem Druck und geeigneter Temperatur erzeugen.

Es ist bekannt, daß bei einem Rohrverdampfer das Einbringen von Flüssigkeitströpfchen mit großer Geschwindigkeit in einen zentralen Strom eines dampfförmigen Mediums sowie die Turbulenz des Flüssigkeitsfilms, der durch das Auftreffen der Tröpfchen auf die Rohrwand an dieser entsteht und vorzugsweise mit einer tangentialen Umlaufkomponente längs der Rohrwand fließt, eine wesentliche Erhöhung des Wärmeaustausches zwischen dem Medium und der Rohrwand möglich macht, insbesondere wegen der teilweisen Verdampfung der flüssigen Phase. Es zeigt sich aber, daß bei Kernreaktor-Dampf erzeugerzellen, in denen die spezifische Wärmeleistung hoch ist, und die Durchflußgeschwindigkeit des teils flüssigen, teils dampfförmigen Strömungsmediums daher groß sein muß, die Stärke eines Flüssigkeitsfilms so schnell abnimmt, daß ein solcher Film bereits in einem Längenbereich der Verdampferzelle vollständig verdampft sein kann, in dem die Wärmeerzeugung noch sehr hoch ist. Da der Wärmeübergang an das dampfförmige Strömungsmedium wesentlich geringer ist als an den turbulenten Flüssigkeitsfilm, kann es in diesem Zellenbereich zu Überhitzungen der Verdampferelemente und zu einem »Durchbrennen« kommen.

Um diese Gefahr zu vermeiden, muß man durch Vergrößern des Flüssigkeitsdurchsatzes und Verkleinerung des zu verdampfenden Flüssigkeitsanteils den Flüssigkeitsfilm zumindest im zentralen Bereich des Reaktors mit der höchsten Wärmeleistungsdichte stark genug halten. Ferner muß man die latente Verdampfungswärme der aus der Zelle austretenden flüssigen Phase durch anschließendes Entspannen ausnutzen, was aber den Nutz-Dampfdruck und den Wirkungsgrad der Turbine herabsetzt.

Die Erfindung hat den Zweck, diese Nachteile durch eine neue Ausbildung der Brennstoffzellen zu Kernreaktor-Dampferzeugerzelle

Anmelder:

Commissariat ä !'Energie Atomique, Paris
Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Beetz und Dipl.-Ing. K. Lamprecht, Patentanwälte, München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:
Ennemond Maillet, Paris

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 8. Februar 1962 (887 434)

vermeiden, welche es gestattet, selbst bei einer sehr hohen Dampfgeschwindigkeit einen Flüssigkeitsfilm mit einer das »Durchbrennen« sicher verhindernden Mindeststärke aufrechtzuerhalten und dennoch den Dampfanteil am Auslaß der Zelle zu steigern.

Eine diese Aufgabe lösende erfindungsgemäße Kernreaktor-Dampferzeugerzelle, die in ihrem Zellenmantel durch Kernbrennstoff beheizte Verdampfer-Rohrelemente enthält und mit wenigstens einer Vorrichtung zum Einspeisen von Flüssigkeit unter Druck versehen ist, welche unter Ausbildung eines turbulenten Flüssigkeitsfilms an den Wandflächen der Verdampfer-Rohrelemente auf ihrem Weg zum Dampfauslaß der Zelle zumindest teilweise verdampft, ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle in ihrem mittleren Bereich durch eine dicht mit dem Zellenmantel verbundene Quertrennwand in zwei Zellenteile von im wesentlich gleicher Länge unterteilt ist, die an ihren äußeren Enden je einen Dampfauslaß aufweisen, und jeder Zellenteil mit zumindest einer sich innerhalb des Zellenmantels bis in die unmittelbare Nähe der mittleren Trennwand erstreckenden Druckflüssigkeitszuleitung zur Speisung seiner Verdampfer-Rohrelemente von deren trennwandseitigen Enden her versehen ist.

Da bei der Reaktorzelle gemäß der Erfindung, die zumindest teilweise zu verdampfende Flüssigkeit im mittleren Bereich der Zelle in die beiden Zellenteile eingespeist wird, in dem die Wärmeleistungsdichte am höchsten und deshalb die Verdampfung am stärksten ist und der Flüssigkeitsfilm aus diesem Bereich nach beiden äußeren Enden der Zellenteile fließt, die sich in Bereich des Reaktors mit ab-

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nehmender Leistungsdichte erstrecken, in denen die Uberhitzungs- oder Durchbrenngefahr zumindest stark abnimmt, wird nicht nur diese Gefahr sicher vermieden, man kann auch die Verdampfung viel weiter treiben, so die Flüssigkeitsumlaufmenge verringern und auch den Wirkungsgrad der Reaktoranlage erhöhen.

Um bereits an den inneren Enden der beiden Zellenteile den turbulenten Flüssigkeitsfilm an den Rohrwänden zu erzielen, der dem gebildeten Dampf einen freien Durchtritt gestattet, ist es zweckmäßig, wenn die Druckflüssigkeitszuleitungen mit den trennwandseitigen Enden der Verdampfer-Rohrelemente über beiderseits der mittleren Trennwand vorgesehene, an sich von Lösungs-Rohrverdampfern bekannte Verteilerkanäle mit düsenförmigen Einschnürungen für das Entspannen der bis fast auf ihre S ättigungstemperatur erwärmten Druckflüssigkeit und ihr tangentiales Einspritzen verbunden sind.

In der Zeichnung wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Teildarstellung eines Längsschnittes durch eine Kernreaktor-Dampferzeugerzelle,

F i g. 2 in ihrem rechten Teil einen Querschnitt durch die Zelle gemäß F i g. 1 und in ihrem linken Teil die Ausbildung eines Verbindungskanals zwischen der Zuführleitung der Druckflüssigkeit und einem rohrförmigen Verdampfungselement,

Fig. 3 ein Diagramm, das die Lage der Kurve des noch ohne Gefährdung zu erreichenden Wärme-Busses im Vergleich zu den Kurven des Grenzflusses darstellt, bei dem in einem Reaktor-Verdampferrohr bekannter Bauart ein »Durchbrennen« eintritt,

F i g. 4 ein Diagramm entsprechend F i g. 3, das die Verhältnisse in der Verdampferzelle gemäß F i g. 1 wiedergibt, bei der eine Injektion in der Mitte der Zelle stattfindet,

F i g. 5 ein Diagramm, welches die Verbesserung erkennen läßt, die sich aus der Injektion der flüssigen Phase in die Zelle und gleichzeitigem Aufrechterhalten einer Rotation des Flüssigkeitsfilms auf den Wänden der rohrförmigen Verdampfungselemente ergibt,

F i g. 6 eine andere Ausführungsform einer Verdampferzelle,

F i g. 7 einen Teilquerschnitt durch die Zelle gemäß F i g. 6.

Bei einer ersten Ausführungsform einer Kernreaktor-Verdampferzelle, die in Fig. 1 dargestellt ist, hat die Zelle einen äußeren starkwandigen Mantel 1, der koaxial innerhalb einer Schutzhülle oder isolierenden Hülse 2 angeordnet ist; der Raum zwischen diesen beiden Elementen kann ausgenutzt werden, um dort irgendeine Wärmeisolation oder eine stagnierende Schicht eines neutralen Gases unterzubringen, die eine gute thermische Isolierung der Zelle gegenüber der äußeren Umgebung gewährleistet.

Der Mantel 1 ist durch eine mittlere Trennwand 3 in zwei Teile von im wesentlichen gleicher Länge unterteilt; der Umfang der Trennwand ist dicht mit dem Mantel verbunden. Die Trennwand 3 ist an jeder ihrer beiden Seiten durch starre Sohlenplatten 3 a versteift, welche der Trennwand die notwendige Festigkeit geben. Die beiden Raumteile innerhalb des Mantels 1 sind in gleicher Art ausgestattet; jeder dieser Teile enthält eine zentrale Zuleitung 4 und eine Reihe von Leitungen oder Rohrelementen 5, die

rings um die zentrale Zuleitung 4 angeordnet sind. Alle diese Elemente stützen sich auf einen Träger 6 ab, in dem radiale Kanäle 7 angeordnet sind, die das innere Ende der zentralen Zuleitung 4 mit jedem der Rohrelemente 5 verbinden. Diese Radialkanäle haben in der Nähe ihrer Verbindungsstelle mit den Rohrelementen 5 (s. den linken Teil der F i g. 2) eine düsenförmige Einschnürung Ta und münden in die Rohrelemente tangential zu deren Wandfläche ein.

Das Beheizen der Verdampfer-Rohrelemente erfolgt durch Kernbrennstoff, d. h. spaltbares Material, das in diesem Beispiel in Form von die Rohrelemente 5 umgebenden ringförmigen oder Hohlzylinderelementen 8 innerhalb der Zellenteile angeordnet ist; der Raum zwischen den Rohrelementen 5 bzw. den sie umgebenden Brennstoffelementen 8 und der zentralen Zuleitung kann mit einem Stoff 9 ausgefüllt sein, der wenig Neutronen absorbiert oder Moderatoreigenschaften hat, beispielsweise mit Graphit.

Bei dem Betrieb des Reaktors erfolgt die Abfuhr der Wärme, die bei der Spaltungsreaktion des Brennstoffs entsteht, in folgender Weise:

Man führt in die zentrale Zuleitung 4 mit einem bestimmten Druck eine bestimmte Durchsatzmenge eines Kühlmittels in flüssiger Phase ein. Um in diesem Bereich die Verdampfung zu verhindern, wird die Flüssigkeit mit genügend hohem Druck eingeführt; ihr Durchlaufweg durch die Zelle ist durch die Pfeile 10 veranschaulicht. Man sieht, daß die Flüssigkeit am hinteren Ende jedes Rohrelementes 5 nach einer flächenhaften Ausbreitung der flüssigen Phase in der düsenartigen Einschnürung 7 a des betreffenden Radialkanals 7 in dieses Element eingespritzt wird. Das Einspritzen erfolgt tangential, so daß der sich dabei auf den Innenwänden der Rohrelemente 5 bildende Flüssigkeitsfilm (der durch die gestrichelten Linien 10 a veranschaulicht ist) eine Rotationsbewegung bekommt, deren vorteilhafte Wirkungen auf die Verbesserung des Wärmeaustauschkoeffizienten später erläutert werden.

Durch die beschriebene Anordnung erreicht man innerhalb der rohrförmigen Austrittselemente 5 und unter einem Druck, der kleiner ist als der Druck in dem zentralen Zuführungsrohr 4, eine günstige Verdampfung des flüssigen Anteils der Mischung dank der starken Entspannung, die in den Kanälen 7 auftritt, wobei jedoch ständig ein an den Innenwänden der Rohrelemente 5 rotierender Flüssigkeitsfilm aufrechterhalten wird. Die Zirkulation und die Zumessung der Flüssigkeit in der zentralen Zuführleitung 4 gewährleistet überdies eine thermische Regelung der Zelle; da das Einspritzen der Flüssigkeit stets mit einigen Graden unterhalb der Sättigungstemperatur erfolgt, ist eine konstante Regelung oder Überwachung des Dampfgehalts am Eintritt in die Rohrelemente 5 möglich.

In der F i g. 3 ist ein Diagramm dargestellt, das in seinen Ordinaten den Verlauf der Kurven des Wärmeflusses und in seiner Abszisse den Anteil des Dampfes wiedergibt, der in den Rohrelementen einer Kernbrennstoffzelle erzeugt wird. Die Kurven q>_b sind für Massendurchsätze gezeichnet, die zwischen 200g/cm²/s (<p_6l) und 500 g/cm²/s (<p_ö2) variieren und die Kurven des Wärmeflusses darstellen, bei dem ein »Durchbrennen« eintritt und unterhalb derer die Kurve des Wärmeflusses liegen muß, welche den Wärmeaustausch wiedergibt, der in der Zelle tat-

Claims (6)

sächlich erzielt wird. Man stellt fest, daß unter Berücksichtigung eines ausreichenden Sicherheitsspielraumes der nutzbare Fluß des Reaktors q>r sehr begrenzt ist, was die entsprechende Verringerung des Wärmeaustausches erklärt. Die F i g. 4 zeigt die Anpassung der Kurvendarstellung gemäß F i g. 3 an den Fall einer Wärmetauscherzentrale der in den F i g. 1 und 2 veranschaulichten Art. Das Einspritzen der Flüssigkeit in den mittleren Teil der Zelle gestattet es. von den ent- ίο sprechenden Kurven - der Fig. 3 jeweils nur einen günstigen Teil auszunutzen, und bringt einen wesentlichen Gewinn in bezug auf die Höhe und die Breite der Kurve cpr mit sich, die noch zugelassen werden kann. Außerdem verbessert das durch die Unterteilung der Zelle in zwei von der Zellenmitte aus »gespeiste« Hälften begünstigte Aufrechterhalten der Rotation der Strömung in doppelter Phase mit Hilfe irgendeiner geeigneten Anordnung, wie beispielsweise schraubenförmigen Leitflächen innerhalb der Rohrdemente, den Kontakt des Flüssigkeitsfilms mit der Rohrwand. Hieraus folgt, daß die Grenzkurve des Durchbrennfiusses cfb bis zu der Kurve wb' zurückgedrückt wird, wie sie die F i g. 5 zeigt, was die Möglichkeit für den Verlauf der Kurve φΓ erweitert und selbst für einen Dampfgehalt an der Austrittsseite der rohrförmigen Elemente, der einen Wert von 0,6 bis 0,8 erreicht, eine vollkommen ausreichende Betriebssicherheit ergibt. Das Einführen der Flüssigkeit kann auch in anderer Weise als durch einen zentralen Zuführungskanal, z. B. mit Hilfe besonderer Rohre, erfolgen. Wenn beispielsweise die Hohlzylinder-Brennstoifelemente8 aus keramischem Material, beispielsweise UO2, bestehen, ist es vorteilhaft, nicht nur eine Kühlung von der Innenseite gemäß der Ausführung nach den F i g. 1 und 2 vorzusehen, sondern auch eine Kühlung von der Außenseite. In diesem Fall kann das Kühlmedium bis in den mittleren Teil der Zelle über zwischen den Brennstoffelementen vorgesehene Hohlräume eingeführt werden, deren Querschnitt gegebenenfalls durch eine gewisse Schichtdicke eines absorbierenden Materials oder eines geeigneten Moderators verkleinert ist, um den Durchsatz der flüssigen Phase auf einen günstigen Wert zu begrenzen. Die F i g. 6 zeigt eine Zelle dieser Art, in der am äußeren Umfang liegende Kanäle 11 mit kleinem Querschnitt für das Einführen der flüssigen Phase bei einer unter dem Sättigungspunkt des Dampfes liegenden Temperatur vorgesehen sind; die inneren Kanäle 12 mit wesentlich größerem Querschnitt sind für die Führung des Naßdampfes mit geringer Dichte bestimmt, der, wie bei dem vorhergehenden Beispiel, während des Durchfließens durch die Kanäle 12 in Richtung auf den Austritt der Zelle erzeugt wird. Die F i g. 7 stellt einen Teilquerschnitt der entsprechenden Zelle dar. Patentansprüche:

1. Kernreaktor-Dampferzeugerzelle, die in ihrem Zellenmantel durch Kernbrennstoff be-

heizte Verdampfer-Rohrelemente enthält und mit wenigstens einer Vorrichtung zum Einspeisen von Flüssigkeit unter Druck versehen ist, welche unter Ausbildung eines turbulenten Flüssigkeitsfilms an den Wandflächen der Verdampfer-Rohrelemente auf ihrem Weg zum Dampfauslaß der Zelle zumindest teilweise verdampft, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle in ihrem mittleren Bereich durch eine dicht mit dem Zellenmantel (1) verbundene Quertrennwand (3) in zwei Zellenteile von im wesentlichen gleicher Länge unterteilt ist, die an ihren äußeren Enden je einen Dampfauslaß aufweisen, und jeder Zellenteil mit zumindest einer sich innerhalb des Zellenmantels bis in die unmittelbare Nähe der mittleren Trennwand erstreckenden Druckflüssigkeitszuleitung (4 bzw. 11) zur Speisung seiner Verdampfer-Rohrelemente (5 bzw. 12) von deren trennwandseitigen Enden her versehen ist.

2. Reaktorzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckflüssigkeitszuleitungen (4 bzw. 11) mit den trennwandseitigen Enden der Verdampfer-Rohrelemente (5 bzw. 12) über beiderseits der mittleren Trennwand (3) vorgesehene, an sich von Lösungs-Rohrverdampfern bekannte Verteilerkanäle (7) mit düsenförmigen Einschnürungen (7 a) für das Entspannen der bis fast auf ihre Sättigungstemperatur erwärmten Druckflüssigkeit und ihr tangentiales Einspritzen in die Verdampfer-Rohrelemente verbunden sind.

3. Reaktorzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zellenteil eine einzige Zuleitung (4) für die Druckflüssigkeit aufweist, die axial in der Mitte des Zellenteils angeordnet und über radiale Kanäle (7) mit den rohrförmigen Verdampfungselementen (5) verbunden ist, die symmetrisch um die Zuleitung verteilt sind.

4. Reaktorzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmigen Verdampfungselemente (5) von ring- oder zylinderförmigen Elementen (8) aus spaltbarem Material umgeben sind (F i g. 1 und 2).

5. Reaktorzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmigen Verdampfungselemente (12) symmetrisch zwischen zylindrischen Elementen (8) liegen, welche mit spaltbarem Material gefüllt und parallel zur Achse der Zelle angeordnet sind.

6. Reaktorzelle nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den Zuleitungen (4 bzw. 11), den rohrförmigen Verdampfungselementen (5 bzw. 12) und den Kernbrennstoffelementen (8) vorhandene Zwischenraum durch ein als Moderator wirkendes oder Neutronen wenig absorbierendes Material (9) gefüllt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Österreichische Patentschriften Nr. 211796,
864;

USA-Patentschrift Nr. 2995343.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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