DE1237706B - Steuervorrichtung fuer einen heterogenen Kernreaktor - Google Patents

Description

DEUTSCHES #n PATENTAMT DeutscheKl.: 21g-21/31

AUSLEGESCHRIFT »—=

Aktenzeichen: U10217 VIII c/21 g

J 237 706 Anmeldetag: 22.Oktober 1963

Auslegetag: 30. März 1967

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen heterogenen Kernreaktor, dessen Reaktivität durch Veränderung der Eindringtiefe der fest in einem zweidimensionalen Stabgitter angeordneten, von innen gekühlten Spaltstoffelemente in ebenfalls gitterförmig angeordnete, bewegliche Regelelemente steuerbar ist.

Es ist allgemein bekannt, daß bei Erhöhung der Betriebstemperatur und des Betriebsdrucks des Arbeitsmediums in einem Leistungsreaktor der thermische Wirkungsgrad des Leistung erzeugenden Zyklus zunimmt. Höhere thermische Wirkungsgrade resultieren, wenn sie nicht durch eine proportionale Steigerung der Kapitalinvestition oder der Betriebsausgaben ausgeglichen werden, in geringeren Kosten für die Energieerzeugung.

Es sind zwar andere Arbeitsmedien als gewöhnliches Wasser für Kernreaktoren erhältlich, die geringen Kosten von Wasser und der hohe Entwicklungsstand der für Kernreaktoren verwendeten KonstruktionsmateriaUen geben dem Wasser jedoch eine Vorzugsstellung bei der Konstruktion von Leistungsreaktoren.

In den letzten Jahren wurden mit fossilen Brennstoffen beschickte Heizkraftwerke erbaut, die so ausgelegt sind, daß sie über der kritischen Temperatur und dem kritischen Druck des Wassers betrieben werden, um den Vorteil des größeren thermischen Wirkungsgrades gegenüber dem Betrieb bei geringeren Temperaturen und geringeren Drucken auszunutzen. Die Konkurrenzfähigkeit von Leistungsreaktoren mit gewöhnlichen Heizkraftwerken erfordert, daß der thermische Wirkungsgrad von Kernreaktoren annähernd dem von herkömmlichen Heizkraftwerken ist oder größer als dieser ist. Es ist deshalb wünschenswert, mit Kernenergie betriebene Wasserdampfkraftwerke über der kritischen Temperatur und dem kritischen Druck von Wasser zu betreiben. Thermische Wirkungsgrade größer als 40% sind in Kraftwerken, die bei überkritischen Drucken und Temperaturen betrieben werden, im Gegensatz zu einem Wirkungsgrad von 25 bis 30%, der mit Anlagen, die einen Siedewasser- oder Druckwasserreaktor enthalten, erreichbar sind, möglich.

Ein weiterer Parameter, der zum Teil die Wirtschaftlichkeit eines Leistungsreaktors bestimmt, ist die Energiedichte des Reaktors. Im allgemeinen ist die Energie, die in einem Reaktor mit relativ kleinem Kern und hoher Energiedichte erzeugt wird, billiger als die Energie in einem Reaktor mit großem Kern und großer Energiedichte.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Steuervorrichtung für einen heterogenen
Kernreaktor

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,
Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz und Dr. D. Morf,
Patentanwälte, München 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:
Harold Harty,

James Joseph Regimbal, Richland, Wash.;
Kadzuhisa George Toyoda, Pasco, Wah.;
Richard Donald Widrig, Richland, Wash.
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 22. Oktober 1962
(232315)

eine Steuervorrichtung für einen leichtwassergekühlten Kernreaktor mit einer hohen Energiedichte oder einem hohen Leistungsfluß zu schaffen, der so konstruiert ist, daß er bei überkritischem Druck und Temperaturen arbeitet, wobei die Spaltstoffelemente unabhängig von ihrer Eindringtiefe in den Regelelementen von letzteren ganz umgeben sind, so daß der Reaktor immer gegen die Folgen eines Bruchs eines einzelnen Spaltstoffelementes geschützt ist.

Es ist bereits eine Steuervorrichtung für einen Kernreaktor bekannt (deutsche Auslegestfhrift 1 045 565), die eine Vielzahl von gruppenweise angeordneten hexagonalen Spaltstoffstäben aufweist, die von innen durch Wasser gekühlt werden, wobei jeder Spaltstoffstab von einem walzenförmig ausgebildeten neutronenabsorbierenden Regelelement umgeben ist. Die Regelelemente bilden zusammen einen Absorberrost, der relativ zu den Spaltstoffstäben in Längsrichtung der Spaltstoffstäbe verschiebbar ist.

In der bekannten Steuervorrichtung ist jedoch die Höhe des Absorberrosts ungefähr gleich der Länge der Spaltstoffstäbe, so daß bei einer Relativbewegung zwischen Absorberrost und Spaltstoffstäben letztere nicht mehr völlig vom Absorberrost umgeben werden.

Diese letztere Bedingung wird erst durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Steuervorrichtung

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eingehalten. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß die Regelelemente aus einem ersten Teil aus stark neutronenabsorbierendem Material und einem in axialer Richtung dazu anschließenden zweiten Teil aus schwach neutronenabsorbierendem Material bestehen und so lang sind, daß in jeder Stellung der Regelelemente relativ zu den Spaltstoffelementen jedes Regelelement jedes Spaltstoffelement über seine ganze Länge umgibt.

Der Reaktor besitzt von innen gekühlte Spalt-Stoffelemente, da die Erfahrung gezeigt hat, daß Konstruktionsmaterialien zur Verfügung stehen, aus denen relativ kleine Druckrohre hergestellt werden können, die Wasserdampf unter überkritischen Bedingungen enthalten können. Andererseits sind keine Konstruktionsmaterialien bekannt, aus denen ein großer Druckkessel hergestellt werden kann, der Wasserdampf bei Temperaturen größer als 373,89° C und Drucken größer als 224,494 kg/cm³ (entsprechend der kritischen Temperatur und dem kritischen Druck von Wasser) einschließen kann.

Wegen der relativ hohen Energiedichte eines Kernreaktors, der nach der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, können Materialien für die Hochtemperaturdruckrohre verwendet werden, die für mit herkömmlichen Brennstoffen beheizten Dampfgeneratoren viel zu teuer kämen, da deren Wärmetauschflächen wesentlich größer sein müssen als in Kernreaktoren. Die Verwendung solcher Materialien würde auch in Reaktoren mit geringer Flußdichte unwirtschaftlich sein.

An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Kernreaktor;

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine Spaltstoffgruppe längs der Linie 2-2 in Fig. 13, wobei die Regeleinrichtung im Umriß angedeutet ist;

Fig. 3 zeigt einen Horizontalschnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 2;

Fig. 4 zeigt einen Horizontalschnitt längs der Linie 4-4 in Fig. 2, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit der Trägerrost für den Kern weggelassen ist;

Fig. 5 zeigt einen Horizontalschnitt längs der Linie 5-5 in F i g. 2;

Fig. 6 zeigt einen Teilschnitt längs der Linie 8-8 in Fig. 5;

F i g. 7 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein Regelelement für den Reaktor, wobei die Brennstoffelementengruppe im Umriß angedeutet ist, und

Fig. 8 zeigt einen Horizontalschnitt längs der Linie 13-13 in Fig. 7.

Wie in F i g. 1 dargestellt, weist der Reaktor einen Kern 20 auf, der in einem Behälter 21 angeordnet ist. Dieser Behälter besteht aus einem zylindrischen Mantel 22 und einer verschieblichen Bodenplatte 23, die in einem Betongehäuse 24 angeordnet sind. Die verschiebliche Bodenplatte 23 wird von Stäben 25 getragen und geführt sowie von Motoren 26 unter Verwendung von Kabeln 27 gehoben und gesenkt. Der Kern 20 ist in einen Wassertank 28 eingetaucht, der als Moderator dient. Die Oberfläche des Wassers wird durch einen Überlauf 29 bestimmt, der unmittelbar unter einem Tragrost 30 für den Kern angeordnet ist. Der Rost 30 und der zylindrische Mantel 22 werden von dem Betonbehälter 24 vermittels Tragschienen 31 getragen. Ein Wassertank 32, der als Abschirmung dient, befindet sich in dem Betonbehälter 24 außerhalb des Reaktorbehälters 21. Das Niveau in dem Wassertank 32 ist tiefer als das Niveau in dem Wasertank-28, was durch eine entsprechende Anordnung des Überlaufrohres 33 bedingt ist. Ebenfalls ist eine Fördereinrichtung 34, die von einem Motor 35 über ein Kabel 36 angetrieben wird, vorgesehen. Weiter sind in Fig. 1 Kühlmitteleinlaß- und Auslaßleitungen 37 A und 37B, ein Abzugsrohr 38 und eine Wasserversorgungsleitung 38^4, die mit einem Verteiler 38 B verbunden ist, der sich unmittelbar über der Bodenplatte 23 befindet, zu sehen.

Der Kern 20 weist 85 Gruppen 39 von Kernbrennstoffelementen auf, die von dem Rost 30 herabhängen. Ebenfalls sind in dem Kern 85 Regelelemente 40 vorgesehen, von denen jeweils eines eine der 85 Spaltstoffgruppen einschließt und diese Gruppe durchdringt. Die Regelelemente 40 sind durch Motoren 41 über Kabel 42 zu betätigen. Anschläge 43 (s. F i g. 12) verhindern, daß die Regelelemente 40 durch den Boden des Reaktors hindurchfallen.

Der Betonbehälter 24 ist 20,12 m hoch und 9,75 m breit. Der zylindrische Mantel 22 besitzt einen Durchmesser von 3,66 m und eine Länge von 10,06 m. Auf diese Weise ist der Reaktorkern wenigstens in einer Höhe von 2,44 bis 3,05 m vollständig von Wasser umgeben.

Wie in den Fig. 2 bis 5 dargestellt, besteht eine Spaltstoff gruppe 39 aus sieben hexagonalen Spaltstoffelementen 44, die in einem hexagonalen Muster 44,45 mm voneinander entfernt angeordnet sind. Einer Elementengruppe ist eine Kühlmittelverteilungsanordnung 45 zugeordnet. Diese weist auf einen ringförmigen Einlaß 46, ein einzelnes Einlaßrohr 47, das den Ringeinlaß 46 mit der Einlaßleitung 37 A (s. Fig. 1) verbindet, sieben Einlaßrohre 48, die von dem Ringeinlaß 46 zu den Spaltstoffelementen 44 führen, eine in der Mitte angeordnete Auslaßsammelleitung 49, sieben Abzugsleitungen 50, die von den Spaltstoffelementen 44 zu der Sammelleitung 49 führen und ein einzelnes Auslaßrohr 51, das die Sammelleitung 49 mit der Kühlmittelauslaßleitung 37 B verbindet.

Der Tragrost 30 für den Kern besitzt 85 Öffnungen 52, deren Form und Größe so gewählt ist, daß die Verteileranordnung 45 gerade durch diese Öffnungen hindurchgeführt werden kann. Die Öffnungen 52 sind an ihrer Unterseite durch eine Platte 53 abgedeckt. Brennstoffelemente 44 sind an der Platte 53 mit Schrauben 54 befestigt, und die äußersten Spaltstoffelemente 44 sind mit dem Gitter oder Rost 30 durch Bolzen 55 verbunden (s. ebenfalls F i g. 8).

Nach den F i g. 7 und 8 bestehen die Einrichtungen zum Steuern des Kernreaktors aus der gleichen Anzahl von langen honigwabenförmigen Elementen 40, wie Spaltstoffgruppen 39 vorhanden sind. Die Steuerelemente oder Regelelemente 40 umgeben jede Gruppe 39 von Spaltstoffelementen und durchdringen diese Gruppen. Sie weisen sechs hexagonale Zellen 73 auf, die eine einzelne, in der Mitte angeordnete hexagonale Zelle 73 umgeben. Die Regelelemente 40 sind 6,10 m lang, wobei die oberen 3,05 aus einem Abschnitt 74 eines neutronenabsorbierenden Materials bestehen und die unteren 6,05 ni einen Anschlußteil oder eine Führung 75 bilden.

Der neutronenabsorbierende Abschnitt 74 ist aus einem 9,53 mm starken, korrosionsbeständigen Stahl

Claims (2)

hergestellt, an dessen äußerem Rand Regelelemente, die 4,76 mm stark sind, angeordnet sind. Der Führungsteil 75 besitzt die gleichen Abmessungen und ist aus Aluminium hergestellt. Zum Hineinnehmen des Regelelements sind Griffe 76 vorgesehen. Im Betrieb der Anlage wird Kondensat von 33,17° C aus dem Turbinenkondensator entgast, vorgefiltert und entionisiert. Drei Niederdruckerhitzungsstufen in dem Moderator heben die Temperatur des Kondensats auf 70° C an. Das Kondensat wird dann weiter auf 141,22° C in den drei Stufen eines Niederdruckerhitzers durch aus der Hauptturbine extrahierten Dampf erhitzt. Die letzte Stufe dieser drei aufeinanderfolgenden Erhitzungsstufen wird in einem Entgasungserhitzer durchgeführt. Das Beschickungswasser wird durch Überdruckpumpen unter Druck gesetzt, um den erforderlichen Druck für die von der Turbine angetriebenen Hauptbeschickungspumpen zu erzeugen. Hierbei wird der Druck auf 323 atü erhöht und die Beschickung weiter auf 282,38° C in vier Stufen durch von der Hauptturbine extrahierten Dampf erhitzt. Das Beschickungswasser betritt den Reaktor mit einer Temperatur von 282,38° C und einem Druck von etwa 315 atü. Bei dem ersten Durchgang durch den Reaktor wird die Wassertemperatur auf 429,44 und bei dem zweiten Durchgang durch den Reaktor auf 565,56° C erhitzt. Nach dem zweiten Durchgang strömt die superkritische Druckflüssigkeit zu Wärmetauschern, wo die Wärme aus der 565,56° C heißen superkritischen Druckflüssigkeit sowohl dem Hochdruckdampfauslaß als auch der ersten Heizstufe der Turbine zugeführt wird. "Eine Regenerationserhitzung erhöht die Temperatur des erhitzten Dampfes wieder auf 537,78° C und verringert die Temperatur der superkritischen Druckflüssigkeit auf 438,33° C Diese Flüssigkeit wird dann dem Reaktor wieder zugeführt, um schließlich auf 565,56° C erhitzt zu werden, bevor sie die Turbine bei einem Druck von 246 atü beaufschlagt. Das Nettoverhältnis von Wärme zu tatsächlichem elektrischem Ausgang der Anlage ist 7935 Btu/kWh und dementsprechend der Nettowirkungsgrad der Anlage 43%. Der Reaktor wird mit leichtem Wasser moderiert. Wegen der Erhitzung des Moderators 28 und der Steuerelemente 40 durch Kernenergie und wegen des Wärmeabflusses von den Spaltstoffelementen 44 wird der Moderatorkühlmittelstrom anfangs von der umgebenden Wasserabschirmung 32 durch den Zylindermantel 22, der oben offen, jedoch unten durch die verschiebliche Bodenplatte 23 geschlossen ist, getrennt. Das Wasser wird unten zu dem Reaktorbehälter 21 durch Zufuhrleitungen 38 und den Verteiler 38B mit 32,22° C zugeführt und während es nach oben strömt, in etwa 15,88 mm breite Spalten, die durch die Spaltstoffelemente 44 und die Regelelemente 40 begrenzt werden, verteilt. Eine Strömungsgeschwindigkeit des Moderators von 3800 gpm ist erforderlich, um die örtliche Maximaltemperatur auf weniger als 93,33° C zu halten. Die durchschnittliehe Moderatortemperatur des den Behälter oben verlassenden Moderators beträgt 73,33° C. Der Überlauf des Reaktorbehälters 21 läuft in den Reaktortank und wird mit Wasser der Abschirmung gemischt. Der Moderator und die Primärsysteme sind getrennt, um eine Verunreinigung der Primärsysteme, im Fall ein Spaltstoffelement bricht, zu vermeiden. Es ist klar, daß eine der wesentlichsten Gefahren in dem beschriebenen Reaktor von der sehr hohen Temperatur und dem sehr hohen Druck des Arbeitsmediums herrührt. Es ist klar, daß es wirtschaftlich nicht sinnvoll ist, Druckrohre so zu dimensionieren, daß sie niemals infolge der sehr hohen Temperatur und des sehr hohen Drucks des Wasserdampfs brechen können. Ein solcher Bruch könnte zu großen Schwierigkeiten führen, wenn er nicht auf ein einzelnes Spaltstoffelement, wie in dem vorliegenden Reaktor, lokalisiert wäre. Die Regelelemente 40 des Reaktors sind deshalb so ausgelegt, daß sie die Wirkung eines Bruches irgendeines Druckrohres in einem Spaltstoffelement, in dem dieses Druckrohr angeordnet ist, auffangen. Jede Zelle 73 der wabenförmigen Anordnung der Regelelemente 40 enthält ein Spaltstoffelement 44. Die Stärke des Materials, aus dem das Regelelement hergestellt ist, ist hinreichend, um jeden möglichen Zufall, der durch den Bruch eines Druckrohres entsteht, hinreichend zu widerstehen. Die Regelelemente enthalten nicht nur einen neutronenabsorbierenden Abschnitt 74, sondern auch einen Führungsteil 75 desselben Ausmaßes wie der neutronenabsorbierende Abschnitt. Jedes Spaltstoffelement 44 ist entweder von dem neutronenabsorbierenden Abschnitt eines Regelelementes oder von dem Führungsteil zu jeder Zeit in dem Reaktor eingeschlossen. Wenn der Regelabschnitt 74 aus dem aktiven Kern herausgezogen ist und keine Wirkung auf die Reaktivität des Reaktors besitzt, ist der hohle Führungsteil 75 in den Reaktorkern eingefahren und umgibt das jeweilige Spaltstoffelement getrennt in den Reaktorkern. Auf diese Weise wird ein Maß an Sicherheit erreicht, das in superkritischen Druckleistungsreaktoren bisher für wirtschaftlich unerreichbar gehalten wurde. Patentansprüche:

1. Steuervorrichtung für einen heterogenen Kernreaktor, dessen Reaktivität durch Veränderung der Eindringtiefe der fest in einem zweidimensionalen Stabgitter angeordneten, von innen gekühlten Spaltstoffelemente in ebenfalls gitterförmig angeordnete, bewegliche Regelelemente steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelelemente aus einem ersten Teil aus stark neutronenabsorbierendem Material und einem in axialer Richtung dazu anschließenden zweiten Teil aus schwach neutronenabsorbierendem Material bestehen und so lang sind, daß in jeder Stellung der Regelelemente relativ zu den Spaltstoffelementen jedes Regelelement jedes Spaltstoffelement über seine ganze Länge umgibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit Spaltstoffelementen, die hexagonale Querschnitte besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß die in Gruppen zusammengefaßten Regelelemente honigwabenförmig ausgebildet sind und jede Regelelementgruppe sechs hexagonale Zellen besitzt, die symmetrisch um eine siebte hexagonale Zelle, die sich in der Mitte befindet, angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1045 565.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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