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Mit Wasser gekühlter und moderierter Die Erfindung bezieht sich auf
einen mit Wasser Druckwasserreaktor gekühlten und moderierten Druckwasserreaktor,
insbesondere mit überkritischem Moderatordruck, mit einem - insbesondere kugelförmigen
- Druckgefäß, das am oberen Ende einen halsartigen Fortsatz aufweist, um dessen
Umfang herum mehrere Umwälzpumpen für das Kühlmittel angeordnet sind, wobei die
Wärmetauscherflächen innerhalb des Druckgefäßes um den Kern herum angeordnet sind.
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Derartige wassergekühlte Reaktoren stellen die einfachste Möglichkeit
dar, mit einem nicht von Dampfblasen durchsetzten Kühlmedium höchste Moderatortemperaturen
zu verwirklichen und damit den Sekundärkreislauf so zu beheizen, daß in diesem Dampftemperaturen
von etwa 550°C im Zusammenhang mit hohen Dampfdrücken erzielt werden können. Im
Gegensatz zu den bekannten Siedewasserreaktoren, bei welchen die Brennelemente mit
verschiedenen Medien, nämlich Wasser unter Siedetemperatur, siedendem Wasser mit
darin befindlichen Dampfblasen und überhitztem Dampf gekühlt werden, wobei sehr
unterschiedliche Wärmeübergangsbedingungen vorliegen, besteht der Moderator in mit
überkritischem Druck betriebenen Reaktoren in jedem Fall aus einem homogenen Kühlmittel,
dessen spezifisches Volumen sich allerdings im Laufe des Durchflusses durch die
Brennelementansammlung erheblich verändert. Gerade diese Änderung kann als vorteilhaft
angesehen werden, weil bei zu hoher Erwärmung des Kühlmediums ein größerer Teil
des Moderators zwischen den Brennelementen ein höheres spezifisches Volumen, d.
h. eine Verminderung der Moderierfähigkeit aufweist, die sich in regelungstechnischer
Hinsicht günstig auswirkt.
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Man verbindet bei einer solchen Anlage in vorteilhafter Weise die
Möglichkeit der Verwendung eines unzerstörbaren bzw. jederzeit ergänzbaren Moderators
mit der Erzielung der sonst nur bei mit festen oder flüssig-metallischen Moderatoren
ausgerüsteten Reaktoren erreichbaren hohen Temperaturen.
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Bei Reaktoren der genannten Art ist es konstruktiv von Vorteil, den
Reaktorkern und die Heizflächen nach dem System der sogenannten integrierten Bauart
in einem gemeinsamen Druckbehälter anzuordnen. Auf diese Weise werden die bei höheren
Drükken und Temperaturen, z. B. bei überkritischen Moderatordrücken, sonst erforderlichen
beachtlichen Wandstärken der verbindenden außenliegenden Rohrleitungen und Armaturen
eingespart. Dies betrifft auch die Umwälzpumpen und die Heizflächenanordnung solcher
integrierten Anlagen. So ist es z. B. bei Druckwasserreaktoren bereits bekannt,
die Heizflächen unmittelbar um den Reaktorkern herum anzuordnen (Zeitschrift »The
Engineer«, vom 22. Februar 1963, S. 338, Fig. 4). Auch eine zweckmäßige Anordnung
der Umwälzpumpen im oberen Teil des Reaktors, d. h. am Deckel des Druckbehälters,
ist bereits bekannt (Zeitschrift »The Engineer« vom 22. Februar 1963, S. 338, Fig.
4), obwohl hierbei noch nicht optimale Betriebsverhältnisse erreicht sind, da lediglich
eine Umwälzpumpe vorgesehen ist, was auf die ausreichende Kühlung einen nachteiligen
Einfluß hat.
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Von wesentlicher Bedeutung bei solchen integrierten Reaktoranlagen
ist, wie auch bereits am Ende des letzten Abschnittes erwähnt wurde, die ausreichende
Kühlung des Druckbehälters. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, beim
eingangs genannten Druckwasserreaktor in einfacher Weise eine ausreichende Kühlung
des Druckbehälters sicherzustellen. Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß
erfindunsgemäß zumindest die Wärmetauscherflächen auf der der Druckgefäßwand zugekehrten
Seite in an sich bekannter Weise von einer Wärmeisolierwand umgeben sind und daß
der Zwischenraum zwischen der Isolierwand und der Druck-01 durch eine Trennwand
parallel zu diesen Wänden derart unterteilt ist, daß das Kühlmittel die Wärmetauscherflächen
an der den Umwälzpumpen gegenüberliegenden Seite verläßt, durch den Spalt zwischen
der Isolierwand und der Trennwand zu den Umwälzpumpen, von diesen durch den Spalt
zwischen der Trennwand und der Druckgefäßwand zum Kerneintritt und von dort durch
den Kern zum Eintritt der Wärmetauscherflächen zurückströmt. Auf diese Weise ist
eine ausreichende Kühlung gewährleistet, wie sie z. B. bei der bekannten Konstruktion
mit nur einer Umwälzpumpe nicht möglich ist. Es ist zwar bereits eine Isolierwand
bekannt (Zeitschrift »Atomkernenergie«, Heft 12, 1962, S. 454, Abb. 5),
jedoch
kann die Anordnung einer einzigen Wärmeisolierwand nicht die Wirkungen erwarten
lassen, wie sie aus der vorliegenden Erfindung hervorgehen.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft und bedeutsam, ein
Kühlsystem, beispielsweise in Form einer Spirale, zur Kühlung des Reaktorbehälterdeckels
mittels Speisewasser des Sekundärkreislaufs vorzusehen. Ein derartiges Kühlsystem
bringt eine beträchtliche Erweiterung und Verbesserung der Kühlung solcher integrierten
Kernreaktoren mit sich.
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Eine andere Möglichkeit der Kühlung des Behälterdeckels besteht gemäß
einem weiteren Merkmal der Erfindung darin, daß eine keramische oder ähnliche wärmeisolierende
Masse an der Innenseite des Deckels angeordnet ist. Ferner ist es auch günstig,
daß man einen Teilstrom des Behälterkühlwassers auf die Druckseite der Pumpe abzweigt,
durch den doppelwandigen Deckel hindurchführt und dann wieder der Ansaugseite der
Pumpe zuleitet. In diesem Fall herrscht zwischen Deckelinnen- und -außenwand etwa
der gleiche Druck wie im Primärsystem, so daß die Innenwand verhältnismäßig dünn
ausgeführt werden kann.
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Hinsichtlich der räumlichen Anordnung lassen sich die geschilderten
Konstruktionseinzelheiten des inneren Sekundärsystems nur verwirklichen, wenn die
Dampferzeuger mit gegenüber dem konventionellen Dampferzeugerbau verhältnismäßig
geringeren Rohrdurchmessern ausgeführt werden. Nur hierdurch halten sich die Wandstärken
in für die Herstellung und für den Wärmedurchgang erträglichen Grenzen. Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung sollen daher die Rohrinnendurchmesser nicht über 10
bis 15 mm liegen, wobei sich eine entsprechend kompakte Heizfläche mit niedrigem
Raumbedarf einbauen läßt.
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Zu erwähnen ist noch, daß die Wärmeübertragungsflächen nach Entfernung
des Brennstoffes bzw. der Abschirmungswände zu Reparaturzwecken aus dem Druckbehälter
ausbaubar sind. Sie sind deswegen mit Verbindungselementen an die nach außen gehenden
Rohrleitungen und Ringleitungen angeschlossen.
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In der Zeichnung ist ein Reaktor gemäß der Erfindung dargestellt.
Er besteht aus dem Reaktorbehälter 1, welcher kugelförmig ausgeführt ist und zentral
den Reaktorkern 2 mit den diesen umgebenden Abschirmungen 3 und den Wärmetauscherflächen
4 aufnimmt. Am halsartigen Ansatz des Behälters 1 sind mehrere Umwälzpumpen 5 angeordnet,
welche zur Kühlung der Behälterwand den in den Wärmetauscherflächen 4 abgekühlten
Moderator zunächst innen zwischen einer Isolierwand 6 und einer Trennwand 7 nach
oben zu den Umwälzpumpen 5 führen und von diesen wiederum an der Außenseite zwischen
der Trennwand 7 und der Wand des Behälters 1 nach unten fördern. Das Kühlmittel
durchfließt sodann in Aufwärtsströmung den Reaktorkern als Moderator und beginnt
einen neuen Kreislauf. Die Zwischenräume zwischen den genannten Wänden sind segmentartig
am Umfang des Behälters 1 unterteilt.
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Der Reaktorbehälter 1 ist mit einem Deckel 8 verschlossen,
durch welchen die Beschickung des Reaktors erfolgt. Die Kühlung des Deckels 8 erfolgt
mittels eines Kühlsystems 9, welches vorzugsweise in Form einer Spirale ausgeführt
wird. Diese Spirale wird vom Speisewasser des Sekundärkreislaufs durchströmt, welches
sodann über den Ringsammler 10 in die Wärmeübertragungsflächen 4 eintritt
und diese als Heißdampf über einen zweiten Ringsammler 11
wieder verläßt.
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Die Kühlung des Deckels 8 läßt sich gemäß einer Weiterbildung der
Erfindung auch dadurch ausführen, daß eine keramische oder ähnliche wärmeisolierende
Masse an der Innenseite des Deckels angeordnet ist.
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Die Rohre der Wärmetauscherflächen 4 haben, wie oben ausgeführt
wurde, einen Rohrinnendurchmesser von maximal 10 bis 15 mm, wodurch, abgesehen von
dem verbesserten Wärmeübergang, eine optimale kompakte Bauart erreicht wird.
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Für das Anfahren eines solchen Reaktordampferzeugers muß eine ausreichende
Zulaufhöhe zu den Pumpen vorhanden sein. Diese kann man in bekannter Weise dadurch
erzielen, daß man den Behälter völlig mit Wasser füllt und durch eine Zuführleitung
unter einen entsprechenden Anfangsdruck setzt. Im Laufe der Erwärmung wird sich
die Flüssigkeit ausdehnen und muß dann durch ein Ablaßventil (Sicherheitsventil)
entweichen können, sobald der zulässige Höchstdruck erreicht ist. Man kann jedoch
auch den Behälter nur mit einer bestimmten Wassermenge bis zu einer entsprechenden
Höhe füllen und den oberen Raum mit einem Gas, beispielsweise Wasserstoff, von entsprechendem
Druck auffüllen, welcher später zugleich mit einem Teil des Dampfes weitgehend abgeblasen
wird, sobald sich ein genügender Dampfdruck eingestellt hat. An der Wasseroberfläche
herrschen dann die dem Dampfpartialdruck entsprechende Siedetemperatur und der Gesamtdruck
des darüber befindlichen Raumes. Da das Wandkühlwasser durch die Wärmeübertragungsflächen
zur Pumpe fließt, ist es dort bei etwa gleichem Druck so weit abgekühlt, daß ein
Abreißen der Flüssigkeit an den Pumpenschaufeln nicht mehr zu befürchten ist.
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Eine Variante zu dieser vorwiegend für große Leistungen gedachten
Behälterform stellt die zylindrische Ausführung dar, welche insbesondere für kleinere
Einheiten zur Verwendung kommen soll. Der Vorteil hierbei besteht in der Vorfertigung
im Werk, da sich ein zylindrischer Behälter auch leichter transportieren läßt als
ein kugelförmiger, welcher im wesentlichen auf der Baustelle erstellt wird. Hierbei
sind zweckmäßigerweise die Wärmetauscherflächen oberhalb des Reaktorkerns angeordnet.
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Der Kernreaktor gemäß der Erfindung ist nicht nur für thermische Reaktoren,
sondern auch für mittelschnelle und schnelle Reaktoren verwendbar, wobei sich nur
die Kernauslegung ändert, ohne jedoch die Grundgedanken der Erfindung zu verlassen.
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Ebenso ist es möglich, daß die gleichen konstruktiven Einzelheiten
der Erfindung auch in vorteilhafter Weise sowohl für Reaktoren mit überkritischem
als auch unterkritischem Moderatordruck verwendet werden können. Auch hier ergeben
sich eine gleichmäßige Wandtemperatur des Gefäßes und ein kleines Volumen der Heizflächen.