DE1239410B - Mit Wasser gekuehlter und moderierter Druckwasserreaktor - Google Patents

Mit Wasser gekuehlter und moderierter Druckwasserreaktor

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DE1239410B
DE1239410B DED44133A DED0044133A DE1239410B DE 1239410 B DE1239410 B DE 1239410B DE D44133 A DED44133 A DE D44133A DE D0044133 A DED0044133 A DE D0044133A DE 1239410 B DE1239410 B DE 1239410B
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DED44133A
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Inventor
Dr-Ing Wolfgang Junkermann
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Deutsche Babcock and Wilcox Dampfkesselwerke AG
Original Assignee
Deutsche Babcock and Wilcox Dampfkesselwerke AG
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    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C1/00Reactor types
    • G21C1/32Integral reactors, i.e. reactors wherein parts functionally associated with the reactor but not essential to the reaction, e.g. heat exchangers, are disposed inside the enclosure with the core
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    • G21C1/326Integral reactors, i.e. reactors wherein parts functionally associated with the reactor but not essential to the reaction, e.g. heat exchangers, are disposed inside the enclosure with the core wherein the heat exchanger is disposed next to or beside the core
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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (7)

  1. Patentansprüche: 1. Mit Wasser gekühlter und moderierter Druckwaserreaktor, 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, dadurch gekennzeichnet, daßzumindestdie Wärmetauscherflächen (4) auf der der Druck'-gefäßwand (1) zugekehrten Seite in an sich bekannter Weise von einer Wärmeisolierwand (6) umgeben sind und daß der Zwischenraum zwischen der Isolierwand (6) und der Druckgefäßwand (1) durch eine Trennwand (7) parallel zu diesen Wänden (1 und 6) derart unterteilt ist, daß das Kühlmittel die Wärmetauscherflächen (4) an der den Umwälzpumpen (5) gegenüberliegenden Seite verläßt, durch den Spalt zwischen der Isolierwand (6) und der Trennwand (7) zu den Umwälzpumpen (5), von diesen durch den Spalt zwischen der Trennwand (7) und der Druckgefäßwand (1) zum Kerneintritt und von dort durch den Kern (2) zum Eintritt der Wärmetauscherflächen (4) zurückströmt.
  2. 2. Mit Wasser gekühlter Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlsystem (9), beispielsweise in Form einer Spirale, zur Kühlung des Reaktorbehälterdeckels (8) mittels Speisewasser des Sekundärkreislaufs vorgesehen ist.
  3. 3. Mit Wasser gekühlter Kernreaktor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine keramische oder ähnliche wärmeisolierende Masse an der Innenseite des Deckels (8) angeordnet ist.
  4. 4. Mit Wasser gekühlter Kernreaktor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom des Behälterkühlwassers auf der Druckseite der Pumpe abgezweigt, durch den doppelwandigen Deckel (8) hindurchgeführt und wieder der Ansaugseite der Pumpe zugeleitet ist.
  5. 5. Mit Wasser gekühlter Kernreaktor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrinnendurchmesser der Wärmeübertragungsflächen (4) maximal 10 bis 15 mm betragen.
  6. 6. Mit Wasser gekühlter Kernreaktor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) zylindrisch ausgeführt ist.
  7. 7. Mit Wasser gekühlter Reaktor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er für unterkritischen Moderatordruck verwendbar ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1126 527; deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1852 483; französische Patentschrift Nr. 1138 847; »The Engineer«, 22.2.1963, S. 338; »Atomkernenergie«, Heft 12, 1962, S. 454.
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