DE1239412B - Verfahren zur Steuerung der Leistungsabgabe eines Siedewasser-Kernreaktor-Systems und Einrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

DEUTSCHES ^MfW PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 21g-21/31

Nummer: 1 239 412

Aktenzeichen: G 32974 VIII c/21 g

1239412 Anmeldetag: 21. August 1961

Auslegetag: 27. April 1967

Die Erfindung bezieht sich auf Dampfkesselreaktoren und befaßt sich im besonderen mit einem verbesserten Reaktorsystem, bei dem die Leistungsabgabe des Reaktors teilweise oder vollständig durch Regulierung der Unterkühlung des dem Reaktor zugeführten Speisewassers geregelt wird.

Es ist schon einige Zeit bekannt, daß die Leistungsabgabe eines Siedewasserkernreaktors durch Steuerung der Temperatur oder, mit anderen Worten, der Unterkühlung des zugeführten Wassers, das den Reaktorkern durchströmt, geregelt werden kann. Dabei steigt die Leistungsabgabe mit Steigerung der Unterkühlung, und sie sinkt, wenn die Unterkühlung geringer wird. Es sind verschiedene Vorschläge für die Steuerung von Dampfkesselreaktoren mit Hilfe der Steuerung der Unterkühlung des Speisewassers gemacht worden, z. B. in der USA-Patentschrift 2861033.

Der Stand der Technik in bezug auf die Konstruktion von Reaktoren ist so weit fortgeschritten, daß nunmehr konzentrierte Anstrengungen gemacht werden, um den grundsätzlichen Reaktortyp so zu verbessern, daß sich eine wirtschaftliche Arbeitsweise ergibt, mit dem Ziel, so bald wie möglich die Krafterzeugung aus der Atomspaltung wirtschaftlich zu gestalten.

Die vorliegende Erfindung ist auch auf dieses Ziel gerichtet und befaßt sich mit einem verbesserten Steuerungssystem für einen Siedewasserkernreaktor und mit einer verbesserten Kombination zwischen dem Reaktorsystem und dem Steuerungssystem. Bei Anwendung der Erfindung werden sowohl die Investitionskosten als auch die Betriebskosten des Reaktorsystems gesenkt und trotzdem ein sehr zufriedenstellender Betrieb ermöglicht.

Die Erfindung geht also von bekannten Verfahren zur Steuerung der Leistungsabgabe eines mit unterkühltem Speisewasser gespeisten Siedewasserreaktorsystems aus, bei dem in Abhängigkeit von der Belastung einer vom Druckgefäß des Reaktors getrennten Dampftrommel ein Dampf-Wasser-Gemisch vom Druckgefäß aus zugeführt wird, dessen Dampfanteil nach seiner Abscheidung an die belastende Antriebsmaschine weitergeleitet wird, während der Wasseranteil im Reaktor wieder zugeführt wird und seinen Kern aufwärts durchströmt.

Gemäß der Erfindung wird sowohl dem Dampfraum der Trommel als auch dem Wasser, das im Reaktor wieder zufließt, unterkühltes Speisewasser getrennt zugeführt, dessen Mengenverhältnis in bezug auf beide Zuführungsstellen in Abhängigkeit von der Last so gesteuert wird, daß die dem Dampfraum

Verfahren zur Steuerung der Leistungsabgabe
eines Siedewasser-Kernreaktor-Systems und
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Anmelder:

General Nuclear Engineering Corporation,
Dunedin, Fla. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,
Stuttgart 1, Rotebühlstr. 70

Als Erfinder benannt:

John Merle West, Dunedin, Fla.;

WalterHenryZinn,

West Hartford, Conn. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 26. August 1960 (52 278)

zugeführte Menge bei fallender Last und bei steigender Last verringert wird.

Aus dem Buch von A. W. Kramer, »Boiling Water Reactors«, 1958, Reading, USA, S. 447 bis 448 bzw. 482 bis 487, ist schon ein Siedewasserreaktorsystem beschrieben, bei dem das Dampf-Wasser-Gemisch aus dem Reaktor einer getrennten Dampf- und Wassertrommel zugeführt wird, während der Wasseranteil unterkühlt dem Reaktor zugeführt wird. In diesem und ähnlichen Systemen (»Kernenergie«, Bd. 2, 1959, Nr. 3, S. 262 und 263; französische Patentschrift 1207 488) ist gemeinsam, daß die Menge des zugeführten Speisewassers genau der Dampfmenge entspricht, die von der Trommel bzw. durch ein Sekundärsystem der Turbine zugeführt wird. Bei Anwendung der Erfindung braucht jedoch — bei Berücksichtigung der Unterkühlung — nur so viel Wasser zugeführt zu werden, wie für die Regelung erforderlich ist. Das ergibt sich daraus, daß bei der Erfindung nur das Mengenverhältnis und damit die Größe der jeweiligen Unterkühlung geregelt wird.
Man kann die Zufuhr des unterkühlten Speisewassers zwischen dem Dampfraum und dem Wasserraum in der Trommel also regeln, d. h., das unterkühlte Speisewasser kann entweder dadurch einge-

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führt werden, daß es in den Dampfraum gesprüht wird, oder dadurch, daß es über eine Verteilungsleitung unmittelbar dem Wasser im unteren Teil der Trommel zugeführt wird. Dabei ist ein geeignetes Steuerventil vorgesehen, das das Verhältnis der Speisewassermengen, die an beiden Stellen zugeführt werden, zu regeln gestattet. Beim Einsprühen des Speisewassers in den Dampfraum der Trommel wird das Wasser erhitzt bis auf die Sättigungstemperatur, so daß solches Wasser₅ wenn es dem Reaktorsystem zugeführt wird, nicht unterkühlt ist. Das Wasser, das unmittelbar dem Wasser in dem unteren Bereich der Trommel zugeführt wird, unterkühlt dieses Wasser, so daß es sich unterhalb der Siedetemperatur befindet, wenn es in den Reaktorkern eintritt. Wenn man also das Verhältnis der Speisewasserzufuhr zu diesen beiden Stellen regelbar macht, wird der Grad der Unterkühlung des Wassers, das den Reaktorkern durchströmt, geregelt und damit auch die Leistungsabgabe des Reaktors.

Es ist nicht unbedingt nötig, daß das unterkühlte Wasser dem Wasserraum der Dampf- und Wassertrommel zugeführt wird, es genügt, wenn es nur dem Wasser zugesetzt wird, das aus dem Dampfabscheider dem Reaktorkern wieder zufließt.

Durch die Benutzung einer besonderen Trommel, wie sie oben erwähnt wurde, wird ein Bereich geschaffen, in dem die Abscheidung von Dampf verhältnismäßig leicht durchgeführt werden kann, während es eine schwierige und teure Aufgabe ist, wenn die Dampfabscheidung im Reaktordruckkessel selbst durchgeführt werden soll. Man kann aber auch das System so ausbilden, daß die Dampfabscheidung sowohl im Reaktordruckkessel als auch in einer besonderen Dampf- und Wassertrommel erfolgt. Dann wird nur ein Teil des im Reaktorkern erzeugten Dampfes der Dampf- und Wassertrommel zugeführt. Es entstehen dann zwei Zonen der Wasserabscheidung, und dementsprechend wird die ziemlich schwierige Aufgabe der Trennung von Dampf und Wasser in einem Siedewasserkemreaktor erleichtert.

Die Erfindung ist besonders geeignet für einen Zweiwegereaktor, da sich in Zusammenarbeit mit dem Steuersystem, das oben erwähnt wurde, ein sehr wirkungsvolles wirtschaftliches und betriebssicheres System ergibt. Bei einem Zweiwegereaktor ist der Kern durch Einbau entsprechender Trennwände in einen inneren zentralen Bereich und einen äußeren oder peripheren Bereich getrennt. Die Anordnung wird so getroffen, daß das Wasser, das in den Reaktorkessel am unteren Ende eintritt, durch den inneren Bereich des Kernes mit Hilfe einer Pumpe gedrückt wird. Der dabei entwickelte Dampf wird beim Austritt aus dem inneren Bereich vom Wasser getrennt und am oberen Ende des Druckkessels abgeführt. Das Wasser strömt nun abwärts gerichtet an der Außenseite des Reaktorkernes herab und dann wieder durch den peripheren Teil des Kernes. Das Dampf-Wasser-Gemisch, das sich am oberen Ende dieses peripheren Teiles ergibt, wird der Dampf- und Wassertrommel zugeführt. Da der innere Bereich des Kernes in einem solchen Reaktor die größte Empfindlichkeit auf Änderungen in der Neutronenmoderierung oder Absorption besitzt, ist die Wirkung der Unterkühlung des Wassers, das in diesem Bereich des Kernes aufwärts strömt, von größerem Einfluß auf die Leistungsabgabe, als es bei einem üblichen Einweg-Dampfkesselreaktor der Fall wäre.

Gemäß dem weiteren Merkmal der Erfindung wird daher das Wasser, das von der Dampf- und Wassertrommel zurückströmt, zunächst einem begrenzten inneren Bereich des Kernes in diesem Zweiwegereaktor, um dadurch einen besonders großen Einfluß auf die Leistungsabgabe des Reaktors zu erzielen, und dann dessen äußerem Bereich zugeführt.

Im Zweiwegereaktor kann außer dem großen Regelbereich, der sich durch die Veränderung des Speisewasseranteils, der dem Dampfraum und dem Wasserraum in der Dampf- und Wassertrommel zugeführt wird, ergibt, eine zusätzliche Steuerung der Leistungsabgabe des Reaktors dadurch erzielt werden, daß man das Verhältnis der Speisewassermengen zwischen dem Wasserraum in der Dampf- und Wassertrommel und dem Wasser, das den äußeren Bereich des Kernes speist, verändert. Im letzteren Fall wird tatsächlich das Verhältnis der Speisewasserzufuhr zwischen dem inneren und äußeren Teil des Kernes geregelt. Die Wirkung auf die Leistungsabgabe ist größer, wenn der Grad der Unterkühlung in dem mittleren Bereich des Kernes geändert wird, und kleiner, wenn es in dem äußeren Teil des Kernes geschieht. Durch eine Änderung des Verhältnisses zwischen den Speisewassermengen kann also tatsächlich die Leistungsabgabe geändert werden.

Im allgemeinen wird man es vorziehen, das Verhältnis zwischen den Speisewassermengen, die dem inneren und äußeren Bereich des Kernes zugeführt werden, fest einzustellen. Es kann aber auch vorteilhaft sein, eine Grobeinstellung durch Änderung des Verhältnisses der Speisewassermenge zwischen Dampf- und Wasserraum in der Dampf- und Wassertrommel zu erzielen und eine Feineinstellung durch Veränderung des Verhältnisses der Speisewasserzufuhr in der Trommel und dem äußeren Bereich des Kernes.

Zum Einspritzen von Speisewasser in den Dampfraum der Trommel sind in diesem Sprühelemente angeordnet. Die Dampf- und Wassertrommel ist mit dem Reaktor-Druckkessel durch geeignete Leitungen verbunden, und die Anordnung ist so getroffen, daß plötzliche und große Druckveränderungen in der Dampf- und Wassertrommel, die z. B. durch Änderung der zugeführten Wassermenge eintreten können, wenig oder gar keine Wirkung auf den Druck im Druckkessel des Reaktors haben. Dies ergibt sich aus der verhältnismäßig beschränkten Verbindung zwischen der Dampf- und Wassertrommel und dem Reaktor-Druckkessel. Es ist dies ein wesentliches Merkmal, da die Leistung des Reaktors so weitgehend vom Druck im Reaktorkessel abhängt, daß bei großen Druckänderungen ein unstabiler Zustand im Reaktor eintreten könnte, der große Unsicherheit bedeutet.

Obwohl die Erfindung mit besonders großem Erfolg bei einem Zweiwegereaktor angewendet werden kann, kann sie auch auf Einwegreaktoren angewendet werden, wie sich aus der Beschreibung ergeben wird.

Mit Hilfe der Erfindung läßt sich also die Regelung von Siedewasserreaktoren wesentlich einfacher und wirtschaftlicher gestalten. Der Regelbereich wird größer. Diese und andere Vorteile der Erfindung werden in der speziellen Beschreibung auch im einzelnen im Zusammenhang mit den technischen Merkmalen erläutert, wo sie sich besser darstellen lassen.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Druckkessel 10 des

Reaktors vorgesehen, in dem der Kern 12 angeordnet ist. Der Kern besteht aus einer großen Anzahl senkrecht angeordneter umkleideter Brennstäbe. Diese sind zu einer Anzahl von Brenneinheiten zusammengefaßt, die ihrerseits zum Kern zusammengebaut sind. Geeignete vertikale Trennwände 14 und 16 teilen den Kern in einen senkrecht angeordneten mittleren Bereich 18. der von einem äußeren ringförmigen oder peripheren Bereich 20 umgeben ist.

Seitlich neben dem Druckkessel 10 ist die Dampfund Wassertrommel oder der Abscheider 22 angeordnet, dem Dampf und Wasser vom Druckkessel über die Leitung 24 zugeführt werden. Von der Trommel 22 führt die Leitung 26 abwärts und ist mit der Zirkulationspumpe 28 verbunden, die ihrerseits dem unteren Ende des Kessels 10 über die Leitung 30 Wasser zuführt. Das in den Kessel 10 über die Leitung 30 eintretende Wasser strömt im mittleren Bereich 18 aufwärts und wird durch die horizontale Trennwand 32 daran gehindert, andere Wege, z. B. über den äußeren Bereich 20, zu nehmen. Es strömt vielmehr die gesamte Wassermenge, die aus der Leitung 30 austritt, durch den inneren Teil 18. Da in diesem Teil 18 der mittlere Bereich des Kernes angeordnet ist, in dem der größte Teil der Leistung erzeugt wird, hat der erzwungene Durchfluß des Wassers durch diesen mittleren Bereich ausreichende Kühlung zur Folge, und der Dampf wird beim Durchfluß des Wassers erzeugt. Der am oberen Ende des mittleren Bereiches 18 austretende Dampf strömt zum oberen Ende des Druckkessels und über die Leitung 34 aus diesem heraus.

Der Kern 12 ist im Druckkessel 10 so angeordnet, daß ein ringförmiger oder peripherer Durchlaß 36 außerhalb des Kernes, und zwar zwischen dem Kern und der Wandung des Kessels entsteht. Dieser ringförmige Raum dient als Abführungsleitung für das Wasser im Kessel. Das Wasser fließt, wie durch die Pfeile 35 angedeutet, abwärts und dann wieder durch den peripheren Bereich 20 des Kernes aufwärts. Das obere Ende des Kernbereiches 20 ist in bezug auf das Kesselinnere geschlossen mit Hilfe der horizontalen Abschlußwände 38. Das Wasser, das durch den peripheren Bereich 20 hindurchfließt, wird über die Leitung 24 der Dampf- und Wassertrommel 22 zugeführt. Das Strömungsmittel, das durch die Leitung 24 fließt, ist eine Mischung von Dampf und Wasser, deren Dampfanteil beim Durchfluß des Wassers durch den peripheren Kernbereich 20 erzeugt wurde. Nach Eintritt in die Trommel 22 werden Dampf und Wasser getrennt, so daß die Trommel einen oberen Dampfraum 40 und einen unteren Wasserraum 42 besitzt.

Der Dampfraum 40 ist mit der Leitung 34 mit Hilfe der Leitung 42 so verbunden, daß der Dampf aus der Trommel 22 dem Dampf führenden Teil des Systems über die Leitung 34 zugeführt wird. Die Leitung 34 ist mit einem Wärmeaustauscher 44 verbunden, der — wie schematisch dargestellt ■— einen primären Teil 46 und einen sekundären Teil 48 besitzt. In diesem Wärmeaustauscher wird Wärme vom Dampf führenden primären Teil 46 auf den Flüssigkeit führenden sekundären Teil 48 übertragen. Der in dem sekundären Teil 48 erzeugte Dampf wird der Turbine 50 zugeführt, die ihrerseits den Generator 52 antreibt. Der aus der Turbine austretende Dampf durchströmt den Kondensator 54 und gelangt zur Pumpe 56. Letztere pumpt das Wasser durch den

Speisewasservowärmer 58 und dann durch den Teil 48 des Wärmeaustauschers 44.

Der Dampf, der in dem Dampfkesselreaktor erzeugt wurde, strömt nach Austritt aus dem Wärmeaustauscher 44 durch den Speisewasservorwärmer 58, wo er kondensiert und dadurch das Wasser im Sekundärteil erhitzt. Vom Speisewasservorwärmer 58 wird das Wasser des Primärteiles, das sich nunmehr im unterkühlten Zustand befindet, in das Reaktorsystem mit Hilfe der Speisewasserpumpe 60 zurückgepumpt. (Es sei bemerkt, daß der Wärmeaustauscher 44 auch weggelassen werden kann und der im Reaktor erzeugte Dampf unmittelbar der Turbine 50 zugeführt werden kann. Auch insoweit stellt die Zeichnung nur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.)

Das System mit der Zweiwege- oder Doppelzirkulation des im Ausführungsbeispiel gezeigten Dampfkesselreaktors hat den Vorteil, daß im mittleren Bereich 18 des Reaktorkernes Zwangsumlauf des Wassers besteht im Hinblick auf die Tatsache, daß dieser Bereich der Bereich der größten Wärmeerzeugung und deshalb auch der Zwangsumlauf am notwendigsten ist.

Beim Ausführungsbeispiel besteht in dem peripheren Teil 20 des Kernes eine Kombination von natürlichem Umlauf, der sich aus der Differenz der Dichte in dem Fluidum im Bereich 20 und in der Abführungsleitung 36 ergibt, und einem Zwangsumlauf, der sich aus der Druckdifferenz zwischen der Trommel 22 und der entsprechenden Stelle an der Abführungsleitung 35 ergibt. Diese Druckdifferenz resultiert aus der Differenz des Wasserspiegels zwischen der Trommel 22 und dem Druckbehälter 10 sowie aus dem Druckabfall, der sich durch den Dampf ergibt, der über die Leitung 34 abfließt. Es ergibt sich also, daß der Umlauf durch den äußeren Bereich 20 des Kernes der geringeren Wärmeerzeugung gegenüber dem inneren Bereich 18 angepaßt ist. Darüber hinaus ergibt sich durch diese Zweiwegekonstruktion des Reaktors, daß sehr viel weniger Wasser durch die Pumpe 28 gefördert werden muß, als dies bei den üblichen Einwegeanordnungen der Fall wäre. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine Trennung von Dampf und Wasser sowohl im Druckkessel 10 als auch in der Dampf- und Wassertrommel 22 vor sich geht, so daß die schwierige Aufgabe einer angemessenen Trennung des Dampfes vom Wasser sehr erleichtert wird.

Wie dargestellt, wird der Reaktor dadurch gesteuert, daß die Unterkühlung des Wassers, das aufwärts durch den Reaktorkern strömt, verändert wird. Das Speisewasser, das dem Reaktorsystem durch die Speisewasserpumpe 60 zugeführt wird, ist, wie früher erwähnt, unterkühlt, d. h., seine Temperatur ist wesentlich niedriger als die Sättigungstemperatur. Das Wasser wird von der Pumpe 60 über die Leitung 62 dem Verteilerventil 64 zugeführt. Von diesem Ventil aus kann das Wasser über die Leitung 66, den Sprühkopf 68 oder auch über die Leitung 70 abgeführt werden. Das Ventil 64 kann so gesteuert werden, daß die Anteile des Speisewassers, die über die Leitungen 66 und 70 fließen, verändert werden. Die Leitung 70 ist mit der Leitung 72 verbunden, die zur Verteilungsleitung 86 im Wasserraum der Trommel 22 führt. Sie ist auch verbunden mit der Leitung 74, die zum Verteilungsring 88 im abwärts führenden Bereich 36 des Reaktor-Druckkessels führt. Dement-

sprechend kann das aus dem Ventil 64 austretende Wasser über die Leitung 70 entweder in den Wasserraum der Trommel 22 oder in den abwärts führenden Bereich 36 des Druckkessels geleitet werden. Die Ventile 76 und 78 sind in den Leitungen 72 und 74 angeordnet, um die Wasserzufuhr zu diesen beiden Stellen zu regeln.

Im allgemeinen ist es wünschenswert, ein festes Verhältnis der Wasserzufuhr über die Leitung 70 zu diesen beiden Stellen zu haben. Nach einmaliger Einstellung brauchen daher die Ventile 76 und 78 nicht mehr betätigt zu werden.

Die Leitungsabgabe des Reaktors wird durch Betätigung des Ventils 64 geregelt. Es wird dadurch der Wasseranteil, der dem Dampfraum über die Leitung 66 zugeführt wird und der dem Wasserraum der Trommel 22 zugeführt wird und der der Abführungsleitung 36 des Druckkessels 17 über die Leitung 70 zugeführt wird, geändert. Das Ventil 64 wird automatisch mit Hilfe des Motors 80 geregelt, der seinerseits wiederum durch ein Steuerglied 82 beeinflußt wird, das unmittelbar auf die Belastung des Generators anspricht.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist so, daß bei Lastabfall am Generator 52 der Motor 80 über das Steuerglied 42 das Verhältnisventil 64 so einstellt, daß ein größerer Anteil unterkühlten Speisewassers von der Pumpe 60 dem Sprühkopf 68 zugeführt wird und der über die Leitung 70 abgeführte Anteil verringert wird. Das Speisewasser, das der Dampf- und Wassertrommel 22 über den Sprühkopf 68 zugeführt wird, wird durch den Dampf im Dampfraum 40 auf Sättigungstemperatur erhitzt. Durch Erhöhung des über den Sprühkopf 68 fließenden Speisewassers wird also die Unterkühlung des Wassers, das durch den Reaktorkern aufwärts strömt, sehr wirkungsvoll verringert und damit auch die Leistungsabgabe des Reaktors herabgesetzt. Das System wird vorzugsweise so bemessen, daß bei Vollast, d. h. bei 100% Kapazität, wenig oder gar kein Speisewasser dem Dampfraum 40 über den Sprühkopf 68 zugeführt wird, so daß sich ein maximaler Unterkühlungseffekt ergibt. Wenn die Belastung geringer wird, wird der Anteil des Speisewassers, der dem Dampfraum 40 über den Sprühkopf 68 zugeführt wird, nach und nach vergrößert. Dadurch wird der Unterkühlungseffekt vermindert und auch die Leistungsabgabe des Reaktors.

Um sicherzustellen, daß ausreichende Dampfmenge und ein ausreichender Dampfstrom in der Trommel 22 vorhanden ist, auch dann, wenn große Wassermengen über den Sprühkopf 68 zugeführt werden, kann die Leitung 84, wie dargestellt, mit dem Ventil 85 und die Leitung 34 mit dem Ventil 88 versehen sein, die dann betätigt werden, wenn man Dampf von der Leitung 34 der Trommel 22 zuführen will.

Wie oben erwähnt, ist es im allgemeinen wünschenswert, ein festes Verhältnis des Speisewasserflusses zwischen dem Wasserraum in der Trommel 22 und dem Abführungskanal 36, d. h. zwischen den Leitungen 72 und 74 aufrechtzuerhalten. Es kann jedoch unter bestimmten Umständen vorteilhaft sein, auch zwischen diesen beiden Stellen den Speisewasseranteil zu regeln. Die Grobeinstellung der Leistungsabgabe des Reaktors kann man dann mit Hilfe des Verteilerventils durchführen, während man die Feineinstellung durch die Ventile 76 und 78 durchführt. Dadurch wird die Zufuhr von unterkühltem

Speisewasser zwischen dem Wasserraum 42 in der Trommel 22 und dem herabführenden Kanal 36 im Druckkessel 10 geregelt. Diese Steuerung kann automatisch mit Hilfe der Steuerglieder 82 und der Motoren 83 und 95 durchgeführt werden. Speisewasser, das in den Raum 42 eingeführt wird, hat eine Unterkühlung des Wassers zur Folge, das den mittleren Bereich 18 des Reaktorkernes durchströmt, während das Speisewasser, das im Bereich des abwärts führenden Kanals 36 eintritt, eine Unterkühlung des Wassers zur Folge hat, das den peripheren Teil 20 des Kernes durchströmt. Es ergibt sich eine Änderung in der Leistungsabgabe des Reaktors durch Veränderung des Speisewasseranteils zwischen dem mittleren Bereich 18 und dem peripheren Bereich 20 deshalb, weil der Reaktivitätswert der Poren im zweiten Weg geringer ist als der Reaktivitätswert der Poren im ersten Weg, oder, mit anderen Worten, eine Änderung der Dichte des Moderators im mittleren Bereich des Reaktors ist wesentlich größer als eine Änderung gleicher Größe, aber umgekehrter Richtung im äußeren Bereich des Reaktors. Wenn man also mehr kaltes Wasser dem ersten Weg zuführt, so überwiegt die sich dadurch ergebende Regelung den Effekt, der sich durch die geringere Zuführung von kaltem Wasser in dem zweiten Weg ergibt. Durch eine Veränderung der zugeführten Menge von Kondensat zu jedem Weg ergibt sich also eine Veränderung der gesamten Leistungsabgabe des Reaktors.

Offensichtlich ist die Änderung der Leistung, die sich aus der Veränderung der Kühlwasserzufuhr im mittleren Bereich 18 und äußeren Bereich 20 ergibt, sehr viel geringer als die Änderung der Leistungsabgabe, die sich aus der Veränderung des Speisewasserzuflusses zwischen dem Dampfraum 40 und dem Wasserraum 42 der Trommel ergibt. Im letzteren Fall wird die Unterkühlung sowohl im inneren Bereich 18 als auch im äußeren Bereich 20 im gleichen Sinn verändert, während im ersteren Fall die Veränderung der Unterkühlung in beiden Bereichen 18 und 20 im entgegengesetzten Sinn erfolgt. Dementsprechend ist diese Anordnung gut geeignet, die Grobeinstellung mit Hilfe des Verteilerventils 64 durchzuführen, so daß mehr oder weniger Wasser in den Dampfraum 40 gesprüht wird, während die Feineinstellung durch Verstellung der Ventile 76 und 78 erfolgt, die das Verhältnis der Unterkühlung im mittleren Bereich 18 und äußeren Bereich 20 steuern.

Es ergibt sich also, daß die Steuereinrichtung in Kombination mit dem Zweiwegereaktor ein außerordentlich wirtschaftliches und zufriedenstellendes Reaktorsystem und seine Steuerung ermöglichen. Dabei geschieht die Steuerung automatisch, und sie ist in der Lage, die Reaktorleistung der Belastung anzupassen, ohne daß Steuerstäbe eingestellt werden. Auch sind diese Teile sehr viel billiger herzustellen und zu warten. Es handelt sich nämlich nur um die Sprühelemente 68, die Leitungen 66, 72 und 74 sowie die Ventile und Leitungen, um diese Elemente mit unterkühltem Wasser zu speisen, und um den Verteilerring 88. Es sei aber darauf hingewiesen, daß nur die Steuerung der vom Reaktor abgegebenen Leistung in Abhängigkeit von der Belastung besorgt wird.

Steuerstäbe wird man noch für die Abschaltung des Reaktors und die Kompensation von Veränderungen der Reaktoren benötigen, die sich auf Grund der Anwesenheit von Spaltprodukten oder der Er-

Claims (6)

1 Schöpfung des Brennstoffes ergeben. Da solche Steuerstäbe wohlbekannt sind, sind sie nicht in der Zeichnung dargestellt. Man kann auch die Steuerung in Kombination mit Steuerstäben benutzen, um die Leistungsabgabe des Reaktors in Abhängigkeit von der Belastung zu steuern. In diesem Fall ist die Zahl der Steuerstäbe, die für diesen Zweck benötigt werden, wesentlich geringer. Durch Anwendung der vorliegenden Steuerung kann ein sehr großer Bereich überstrichen werden, weil das Speisewasser, das über die Verteilungsleitung 86 und auch über die Sprühköpfe 68 geführt wird, den mittleren Bereich des Kernes durchströmt, wo der Reaktivitätswert der Poren am größten ist. Die Stelle, wo das Speisewasser in den Dampfraum eingespritzt wird, wird so zum Reaktor-Druckkessel angeordnet, daß plötzliche und große Änderungen des Druckes im Dampfraum nicht mehr auf den Reaktor-Druckkessel in einem wesentlichen Umfange Übertragen werden. Dies geschieht dadurch, daß der Dampfraum an den Druckkessel über einen genügend großen Strömungswiderstand angeschlossen wird, um dadurch die notwendige Dämpfung zu erzeugen. Beim Ausführungsbeispiel hat die Zuführung von Speisewasser in den Dampfraum 40 über den Sprühkopf 68 wenig oder gar keinen Einfluß auf den Druck im Reaktor-Druckkessel. Dies führt zu einem besonders großen Erfolg in der einmaligen Anwendung auf einen Zweiwegereaktor, wie oben beschrieben und in der Zeichnung dargestellt ist. Sie ist aber nicht auf ein Zweiwegereaktorsystem beschränkt und könnte ohne weiteres auch bei einem Einwegsystem angewendet werden, wenn man eine Dampf- und Wassertrommel, wie dargestellt, mit dem Reaktor-Druckkessel verbindet, so daß dieser Trommel ein Dampf-Wasser-Gemisch zugeführt wird. Es ergibt sich also, daß die vorliegende Erfindung eine wesentliche Verbesserung eines Krafterzeugungssystems bedeutet, das einen Kernreaktor des Dampfkesseltyps enthält und eine einfache wirtschaftliche und sichere automatische Steuerung angibt, die mit Hilfe der Änderung der Unterkühlung des Speisewassers im Kernreaktor arbeitet. Patentansprüche:

1. Verfahren zur Steuerung der Leistungsabgabe eines mit unterkühltem Speisewasser gespeisten Siedewasserkernreaktorsystem in Abhängigkeit von der Veränderung der Belastung, bei dem einer vom Druckgefäß des Reaktors getrennten Dampftrommel ein Dampf-Wasser-Gemisch von dem Reaktor-Druckgefäß aus zugeführt wird und 412

von dort aus der Dampfanteil nach seiner Abscheidung in einen Wärmeaustauscher oder eine Dampfturbine weitergeleitet wird, während der abgetrennte Wasseranteil dem Reaktor wieder zugeführt wird und seinen Kern aufwärts, durchströmt, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl dem Dampfraum der Trommel als auch dem Wasser, das von der Trommel dem Kern des Reaktors zugeführt wird, unterkühltes Speisewasser getrennt zugeführt wird, dessen Mengenverhältnis in bezug auf beide Zuführungsstellen in Abhängigkeit von der Last so gesteuert wird, daß die dem Dampfraum zugeführte Menge bei fallender Last erhöht und bei steigender Last verringert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Trommel kommende Wasser zunächst einem begrenzten inneren Bereich des Reaktorkernes und dann dessen äußerem Bereich zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich unterkühltes Speisewasser einer Stelle im äußeren Bereich des Kernes zugeführt wird und daß die Wasserzufuhr an beiden Stellen in Abhängigkeit von der Last so geregelt wird, daß der Anteil der Wassermenge, die dem inneren Bereich zuströmt, ansteigt, wenn die Last ansteigt, und fällt, wenn die Last fällt.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Dampfraum (40) der Trommel (22) Sprühelemente (68) zum Einspritzen des Speisewassers in den Dampf vorgesehen sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (12) des Reaktors durch vertikale Trennwände (14) in einen inneren (18) und einen äußeren Bereich (20) unterteilt ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Bereich (20) des Kernes durch eine weitere vertikale Trennwand (16) nochmals unterteilt ist und die Zuführungsstelle (88) für zusätzliches Speisewasser in dem äußersten Bereich (36) zwischen der Wand des Reaktordruckgefäßes (10) und der weiteren Trennwand (16) angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1207 488;
»Kernenergie«, Bd. 2, 1959, Nr. 3, S. 262 und 263; A. W. K ram er, »Boiling Water Reactors«, 1958, Reading, USA., S. 447, 448, 482 bis 487.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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