DE1243287B - Siedewasserkernreaktor - Google Patents

Description

DEUTSCHES 40ίΠΓ^ PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Nummer: 1243 287

Aktenzeichen: G 30662 VIII c/21 g

Auslegetag: 29. Juni 1967

Siedewasserkernreaktor

Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktoren und speziell auf Siedewasser-Reaktoren.

Anmelder:

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

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,
Stuttgart I₅ Rotebühlstr. 70

Als Erfinder benannt:
John Merle West,
Dunedin, Fla. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 9. Oktober 1959 (845 531)

spezifischen Leistung, einer längeren Korrosion des Brennstoffs, geringerer Umsetzungsverhältnisse, einer umfangreichen Abschirmung usw. Sie haben schwerwiegende wirtschaftliche Folgen, so daß es bei großen Reaktoren mit großer Leistungsabgabe vorteilhaft ist, den Zwangumlauf des Wassers durch den Reaktor zu wählen, trotz der zusätzlichen Kosten und Umstände, welche den Zwangumlauf-Vorrichtungen anhaften. Der Gewinn an anderer Stelle bezüglich des Aufwandes bei der Herstellung und beim Betrieb ist jedoch so groß, daß er die unerwünschten Faktoren des Zwangumlaufes mehr als aufwiegt. Es gibt jedoch einen großen Bereich zwischen den kleinen Siedewasser-Reaktoren mit natürlichem Umlauf und den sehr großen Reaktoren mit Zwangumlauf, in dem sowohl natürlicher Umlauf als auch Zwangumlauf als einziges System des Reaktors bestimmte unerwünschte Eigenschaften haben, welche die Konstruktion des Reaktors komplizieren oder ihn unwirtschaftlich machen.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen verbesserten Siedewasser-Reaktor, der eine Kombination des

Eine ähnliche Serienschaltung aber nicht auf einen Siedewasser-Reaktor angewendet, ist aus der französischen Patentschrift 1162270 bekannt, jedoch dient hier der zweite Teil des Reaktorkerns ausschließlich zur Überhitzung.

Die vorliegende Erfindung verwendet diese an sich bekannten Serienschaltungen auf neuartige Weise, sowohl zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Reaktors als auch zur Steuerung seiner Leistungsabgabe.

Bei einem Siedewasserkernreaktor, bestehend aus einem Reaktordruckbehälter und einem innerhalb des Reaktordruckbehälters angeordneten Kern, der aus strömungsmäßig voneinander getrennten Bereichen besteht, geschieht dies erfindungsgemäß dadurch, daß die Bereiche des ausschließlich der Leistungserzeugung dienenden Kerns bezüglich der Kühlwasserströmung in Reihe geschaltet sind.
Wenigstens einige der Kernbereiche haben unterschiedliche Leistungsdichten. Dem Reaktor wird unterkühltes Speisewasser zugeführt. Ferner sind Steuerglieder vorgesehen, die die Leistungsabgabe

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des Reaktors durch Veränderung der den Bereichen verschiedener Leistungsdichte zugeführten Menge an Speisewasser regeln. Diese Steuerung geschieht derart, daß bei steigender Leistung die dem Bereich größerer Leistungsdichte zugeführte Wassermenge steigt, und umgekehrt.

Ein Betriebsverfahren für den oben bezeichneten Siedewasserkernreaktor mit Speisung durch unterkühltes Wasser besteht darin, daß das Speisewasser einem gewünschten veränderlichen Verhältnis zugeführt wird, Kernbereichen unterschiedlicher Leistungsdichte je gesondert zugeführt wird und die abgegebene Leistung des Reaktors durch Änderung des Verhältnisses der den verschiedenen Bereichen zugeführten Speisewassermenge derart geregelt wird, daß bei steigender Leistung die dem Bereich größerer Leistungsdichte zugeführte Wassermenge steigt.

Wie eingangs dargelegt, wird durch diese Reihenschaltung die erforderliche Pumpenleistung wesentlich herabgesetzt, weil die nötige Strömungsgeschwindigkeit bei einer Reihenschaltung weniger Leistung erfordert als bei einer Parallelschaltung der Kernbereiche. Diese Strömungsgeschwindigkeit ist notwendig, um die Dampfblasen vom Kern abzustreifen und dem Dampfwassertrenner zuzuführen. Da, wie oben erwähnt, eine Kombination des Zwangumlaufsystems mit dem System des natürlichen Umlaufes erfolgt, ergibt sich durch die Erfindung eine weitere Verminderung der notwendigen Pumpenleistung, da diese den Bereich mit natürlichem Umlauf nicht zu bedienen hat. Entsprechendes gilt für das Rohrsystem für das Speisewasser das sehr viel einfacher und weniger aufwendig wird.

Diese und andere Vorteile der Erfindung werden klarer erkennbar durch die nachstehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die in den F i g. 1 und 2 dargestellt sind.

Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 ist in dem Druckbehälter 10 des Reaktors der Kern 12 montiert, der seinerseits aus einer großen Anzahl von senkrecht angeordneten umkleideten Brennstoffstäben besteht. Diese Stäbe sind zu einer Brenneinheit zusammengefügt, und diese Einheiten werden ihrerseits zu den Kernen zusammengebaut. Der Kern kann jeden gewünschten senkrechten Querschnitt haben, und in ihm sind die Brennstoffstäbe so gegeneinander versetzt, daß senkrechte Kanäle für das Kühlwasser zwischen ihnen entstehen. Mit Hilfe geeigneter Trennbleche 14 und 16 wird der Kern in einen senkrecht angeordneten zentralen Bereich 18, der seinerseits von einem äußeren röhrenförmigen Bereich 20 an der Peripherie umgeben ist, geteilt. Seitlich von dem Druckbehälter 10 befindet sich die Dampf- und Wassertrommel, die auch als Trenntrommel 22 bezeichnet wird. Dieser wird Dampf und Wasser von der Druckkammer über die Leitung 24 zugeführt. Von der Trommel 22 führt die Leitung 26 abwärts, die ihrerseits mit der Pumpe 28 verbunden ist. Die Pumpe 28 besitzt einen Antrieb für unterschiedliche Geschwindigkeit und liefert Wasser in den unteren Teil des Druckbehälters 10 durch die Leitung 30. Das Wasser, das in den Druckbehälter 10 über die Leitung 30 eintritt, wird nach oben über den Durchlaß 18 geführt, der aus entsprechenden Führungsblechen 32 besteht. Durch diese Führung wird das Wasser daran gehindert, den inneren Bereich 18 zu verlassen oder in den Bereich 20 zu fließen. Vielmehr bleibt das gesamte Wasser, das aus der Leitung

30 zufließt, im Bereich des Durchlasses 18. Da dieser Durchlaß 18 den mittleren Bereich des Kerns umfaßt, der auch der Bereich der größten Krafterzeugung ist, wird durch diesen Wasserzufluß eine ausreichende Kühlung des inneren oder zentralen Bereiches sichergestellt. Beim Vorbeistreichen des Wassers im Kern entsteht Dampf, der beim Verlassen des Durchlasses 18 nach oben weiterströmt und den Druckbehälter am Auslaß 34 verläßt,
ίο Der Kern 12 ist in dem Druckbehälter 10 so angeordnet, daß ein äußerer Ringzylinder 36 zwischen dem Kern und der Wandung des Druckbehälters entsteht. Dieser Ringzylinder dient zur Herabführung des Wassers im Druckbehälter. Dabei fließt das Wasser, wie durch die Pfeile 35 angedeutet, durch den Ringzylinder hindurch abwärts und aufwärts durch den Bereich 20. Der Umlauf in diesem Bereich ist ein ausführlicher, d. h., der Unterschied in der Dichte zwischen dem Dampf-Wasser-Gemisch im Bereich 20 und dem Wasser in dem Ringzylinder 30 hat diesen Umlauf zur Folge. Ein Teil des Dampfes, der beim Durchfluß des Wassers zwischen den Brennelementen im Bereich 20 entsteht, strömt weiter zum oberen Teil des Druckbehälters 10 und verläßt ihn durch den Auslaß 34. Der verbleibende Dampf zusammen mit einem wesentlichen Teil Wasser strömt vom Druckbehälter 10 über die Leitung 24 zu der Dampf-Wasser-Trommel 22. In dieser Trenntrommel 22, die von üblicher Bauweise sein kann, wird der Dampf vom Wasser getrennt. Der Dampf verläßt die Trommel 22 durch die Leitung 38, die ihrerseits die Verbindung zur Leitung 40 vom Auslaß 34 darstellt. Der Dampfstrom vom Auslaß 34 ist mit W_{s t} und der von der Trommel 22 mit W_s2 bezeichnet. Der kombinierte Strom aus beiden Teilströmen wird mit W_s bezeichnet. Dieser Dampf passiert dann den Trockner 41, der von irgendeiner bekannten Bauart sein kann, und wird dann über die Leitung 39 einem geeigneten Verbraucher, z. B. einer Turbine 42, zugeführt. Nach dem Verlassen der Turbine 42 passiert der Dampf den Kondensator 44, und das Kondensat wird mit Hilfe der Pumpe 46 in die Trommel 22 über die Leitung 47 zurückgepumpt. Das Kondensat wird mit Frischwasser gemischt, so daß das Gemisch ausreichend unterhalb der Sättigungstemperatur sich befindet, und dann dem Reaktor zum erneuten Umlauf wieder zugeführt.

Wie gezeigt, kann ein Teil des Kondensats über die Leitung 49 dem Ringzylinder 36 zugeführt werden, anstatt es der Trommel 22 zufließen zu lassen. Diese Einführung des Speisewassers in die Ringkammer 36 setzt die Temperatur dort herab. Dementsprechend wird der Dampfporengehalt in diesem Bereich 20 herabgesetzt. Die Bemessung der Kondensatzufuhr zur Trommel 22 und zur Ringkammer 36 wird durch ein besonderes System gesteuert, und zwar in einer Weise und zu einem Zweck, der nachstehend beschrieben wird.

Es wird also durch die Anordnung eines doppelten Umlaufes erreicht, daß ein erzwungener Umlauf im mittleren Bereich des Kerns stattfindet, wo die größte Leistung erzeugt wird und ein natürlicher Umlauf in dem Bereich des Kerns vorgesehen ist, wo die Krafterzeugung verhältnismäßig klein ist. Es werden also natürliche und Zwanglaufsysteme da verwendet, wo ihre Benutzung besonders vorteilhaft ist. Gleichzeitig ergibt sich die größte Wirtschaftlichkeit des Systems. Bei dieser Anordnung ist es auch unnötig, einen

Kompromiß bezüglich der Konstruktion des Kerns zu schließen, weil der Zwangumlauf dort vorgesehen ist, wo ein natürlicher Umlauf nachteilig wäre, und umgekehrt der natürliche Umlauf sich dort befindet, wo er ausreichende Kühlung und Wasserverteilung bietet.

Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 ist allgemein gesehen ähnlich dem der F i g. 1 mit der Ausnahme, daß an Stelle des äußeren Bereiches 20, der nach oben in das Innere des Druckbehälters mündet, ein Abschluß 56 vorgesehen ist. Dadurch ist es möglich, daß die Trommel 22 niedriger angeordnet wird als im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1, wo der Flüssigkeitsstand in der Trommel und im Druckbehälter 10 sehr nahe beieinanderliegen können. Deshalb kann bei Ausführungsbeispiel 2 eine Wassersäule zwischen L₁ und L_ä den natürlichen Umlauf durch den äußeren Bereich des Kerns 12 unterstützen. Es ist zweckmäßig, die Deckel 56 aufklappbar anzuordnen, so daß der Kern zum Zweck der Entfernung von Brennelementen zugänglich bleibt. Die Deckel brauchen auch nicht fest zu schließen, da eine kleine Undichtigkeit ohne Bedeutung ist und die Deckel 56 in der geschlossenen Stellung durch die Druckdifferenz gehalten werden, die zwischen ihren gegenüberliegenden Seiten besteht, sobald das Reaktorsystem in Betrieb ist.

Die Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 ist die gleiche wie nach Fig. 1. Das Wasser wird von der Pumpe 28 durch den mittleren Durchlaß 18 des Kerns gepumpt, wo ein Teil davon in Dampf übergeht, der seinerseits durch den Auslaß 34 austritt. Das Wasser fließt durch die Ringkammer 36 abwärts und aufwärts durch den äußeren peripheren Teil oder Bereich 20 des Kerns. Dabei tritt das Dampf-Wasser-Gemisch, das im oberen Teil dieses Bereiches entsteht, durch den Auslaß 60 aus und über die Leitung 24 zur Dampf-Wasser-Trommel 22. Die Frischwasserzufuhr zur Ringkammer 36 vermindert in diesem Ausführungsbeispiel die Wassermenge, die von der Pumpe 28 gefördert werden muß und auch den Dampfporengehalt dieses zweiten Wasserumlaufes.

Zusätzlich oder an Stelle des natürlichen Umlaufes, der sich in dem äußeren Bereich 20 auf Grund der Wassersäule 58 ergibt, kann dieser Umlauf durch einen entsprechenden Druckabfall über die Leitung 34 erzielt werden. Zu diesem Zweck kann ein Ventil 43 in der Leitung 40 vorgesehen sein. Dieses Ventil kann fest eingestellt, von Hand oder automatisch reguliert sein, um dadurch einen Druckabfall zu erzeugen, der mit Größerwerden des Dampfflusses (W_sl) wächst und den Wasserumlauf entsprechend vergrößert. Falls das Ventil automatisch geregelt wird, wird es mit Hilfe der Steuervorrichtung 45 eingestellt, um einen bestimmten Druckabfall im Verhältnis zur Belastung des Systems oder, mit anderen Worten, zum Dampfbedarf der Turbine herzustellen. Ein Vorteil, der sich durch die Anwendung des Druckabfalles zur Unterstützung des natürlichen Umlaufes im Bereich 20 ergibt, ist der, daß die Trommel 22 in jeder beliebigen Höhe angeordnet werden kann. In diesem Fall ist es nötig, die Trommel unterhalb des Wasserspiegels im Reaktor anzuordnen. Man kann also, indem man die Trommel höher anordnet, zusätzliche Wassersäule gewinnen, um den Zwangumlauf über die Pumpe 28 zu unterstützen.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die Ausführungsbeispiele nach F i g. 1 und 2 ein System mit doppeltem Wasserumlauf für einen Dampfkesselreaktor darstellen, das besonders wirtschaftlich ist. Die Vorteile der Erfindung sind leicht einzusehen, wenn man einen Vergleich des natürlichen Umlaufes und des Zwangumlaufes in bezug auf Dampfkesselreaktoren anstellt.

Einige Vorteile der Systeme mit natürlichem Umlauf sind:

1. kein Aufwand für Pumpen, Rohre, Armaturen, Instrumente und Abschirmung usw., wie sie beim Zwangumlauf erforderlich sind;

2. keine Notwendigkeit zum Niederhalten der Brennstoffelemente, wie es bei Reaktoren mit Zwangumlauf notwendig ist, um das Anheben der Elemente durch Druckabfallkräfte zu verhindern, wie sie in Reaktoren mit Zwangumlauf auftreten;

3. keine Wartung für die Ausrüstung des Umlaufes;

4. keine Abhängigkeit von einer elektrischen Stromquelle;

5. keine Notwendigkeit, die Durchflußkanäle zu beschränken;

6. keine Notwendigkeit, radioaktive Kühlkreise abzuschirmen;

7. keine Verunreinigung von Kühlkreisen mit radioaktiven Niederschlägen.

Einige Nachteile der natürlichen Umlaufsysteme im Vergleich zu solchen mit Zwangumlauf sind:

1. die Leistung ist nicht so genau vorhersehbar;

2. die Möglichkeiten der Instabilität sind größer;

3. die Brennstoffsätze müssen für geringen Druckabfall konstruiert sein. Der Reaktor hat daher eine geringe spezifische Leistung und ein geringeres Umsetzungsverhältnis;

4. die Leistungsverteilung wird durch die Dampfporenverteilung geführt, die sich natürlich ergibt;

5. die Reaktionsfähigkeit in den Dampfporen muß hoch sein, wenn die Leistungsdichte ausreichend sein soll. Dies kann sowohl ein Problem der Sicherheit als auch ein Problem der Steuerung sein;

6. wegen der geringeren Leistungsdichte muß der Druckbehälter größer und teurer werden. Es ergibt sich auch mehr Aufwand für den Steuermechanismus und die Abschirmung;

7. die größere Wasser- und Brennstoffmenge bedingt einen größeren gasdichten Behälter oder einen solchen, der für höheren Druck ausgelegt ist;

8. eine größere Empfindlichkeit bei Übergangsbedingungen, z. B. bei Änderungen der elektrischen Belastung;

9. bei geringerer spezifischer Leistung muß der Brennstoff länger im heißen Wasser bleiben, um eine bestimmte Ausnutzung, die vorherbestimmt ist, zu erreichen. Die längere Lebensdauer des Brennstoffes vermehrt die Benutzungsbelastung und vergrößert damit die Wahrscheinlichkeit von Fehlern im Brennstoff;

10. wegen des prohibitiven Druckabfalles können keine mechanischen Dampf-Wasser-Abscheider verwendet werden.

Die Nachteile des natürlichen Umlaufes werden im zentralen Bereich des Kerns gemäß der Erfindung vermieden, indem ein Zwangumlauf in diesem Bereich verwendet werden wird. Andererseits werden die Vorteile des natürlichen Umlaufes in dem äußeren Bereich des Kerns verwirklicht, wo ein Zwangumlauf nicht notwendig ist. Der äußere Bereich eines Reaktordampfkessels arbeitet nämlich mit verhältnismäßig geringer Leistungsdichte und geringerer spezifischer Leistung. Weder die Temperatur in der Mitte des Brennstoffes noch die Ansammlung von Dampfporen stellen in diesem Bereich ein ernstes Problem dar. Die Brennstoffstäbe aus UO₂ können einen großen Durchmesser besitzen und in verhältnismäßig großem Abstand voneinander angeordnet sein, um den natürlichen Umlauf zu vergrößern. Es darf betont werden, daß bei dieser Ausbildung der Brennstoffkonstruktion nichts bezüglich des Umwandlungsverhältnisses und der Hitzeerzeugung geopfert wird.

Der mittlere Bereich eines Reaktorkerns arbeitet ao aber demgegenüber mit viel höherer Leistungsdichte als der äußere Bereich. Wenn U0₂-Brennstoffstäbe von großem Durchmesser in diesem Bereich in großem Abstand voneinander angeordnet würden, wie es soeben für den äußeren Bereich des Kerns vorgeschlagen wurde, dann würde der Schmelzpunkt von UO₂ überschritten werden. Bei natürlichem Umlauf würde auch die Ansammlung der Dampfporen die Reaktoinsfähigkeit erhöhen und wegen des Zusammenwirkens der Reaktionsfähigkeit mit den hydraulischen Effekten den Reaktor unstabil machen. Um die Wärme von den Brennstoffstäben abzuführen ohne ihren Schmelzpunkt zu überschreiten, muß die Zahl der Stäbe vergrößert und ihr Durchmesser verkleinert werden. Außerdem müssen die Stäbe dichter aneinander angeordnet sein. Tut man dies, dann wird der Druckabfall innerhalb des Kems vergrößert, und zwar in solchem Maß, daß der natürliche Umlauf nicht genügend Kühlwasser bringt. Deshalb haben natürlicher Umlauf und hohe Leistungsdichte die Tendenz, miteinander unvereinbar zu sein. Deshalb wird im vorliegenden Fall im mittleren Bereich des Kerns mit Zwangumlauf gearbeitet. Dadurch bringt man genügend Kühlwasser in diesen Bereich, ohne dadurch die Anordnung des Kerns und seine Konstraktion in irgendeiner Weise zu beeinträchtigen. Man kann also die vom physikalischen Standpunkt beste Konstruktion verwenden. Der zentrale Bereich umfaßt in der Regel ein Viertel bis die Hälfte des gesamten Querschnitts des Kerns. Dabei hängt der Anteil von den Konstruktionseinzelheiten des einzelnen Kerns ab.

In den F i g. 1 und 2 ist auch ein Steuersystem zur Steuerung der Leistungsabgabe des Reaktors, der verschiedenen Flüssigkeitsstände im System, der Umlaufsgeschwindigkeit u. dgl. dargestellt.

Bei einem Dampfkesselreaktor ergeben sich Änderungen in der Reaktionsfähigkeit und damit Änderungen der Leistung hauptsächlich durch

1. Änderungen des Raumanteiles des Dampfes im Reaktorkern,

2. Änderungen der mittleren Temperatur des Moderatorwassers,

3. Änderungen in der Lage der Steuerstäbe, ⁶S

4. Ansammlung von nuklearen Giften,

5. Ausbrand des Brennstoffes.

Die Ansammlung nuklearer Gifte und der Ausbrand des Brennstoffes sind Änderungen der Reaktionsfähigkeit, die sich über lange Zeit erstrecken und deshalb nicht zur Steuerung der Leistungsabgabe benutzt werden können. Auch Änderungen der mittleren Temperatur des Moderatorwassers, die sich auf Grund von Änderungen des Druckes im Reaktor ergeben, werden in Normalfällen nicht benutzt, um den Leistungsbedarf zu steuern, weil der größte Anteil der Überschußreaktionsfähigkeit auf den Dampfporen im Kern beruht. Die beiden wichtigsten Verfahren, die benutzt werden können, sind die Steuerung des mittleren Porenanteiles im Kern oder die Verstellung der Steuerstäbe.

Die Leistung wird automatisch als Funktion der Leistungsanforderung über einen verhältnismäßig großen, vorherbestimmten Bereich, z. B. zwischen 100 und 40 °/o der vollen Leistung, gesteuert. Um das Umsetzungsverhältnis im Reaktor aufrechtzuerhalten, wird die Leistungsänderung durch Steuerung des Porengehaltes im Kern benutzt an Stelle der Bewegung von Steuerstäben. Bei bekannten Reaktoren mit direktem Umlauf ist die Benutzung des Porengehaltes zur automatischen Steuerung der Reaktorleistung sehr begrenzt. Die Zweiwegeanordnung nach der Erfindung gestattet jedoch eine Steuerung über einen großen Bereich, indem man die Poren im Kern beeinflußt. Durch Unterkühlung in jedem der beiden Wege können ungefähr 40% der vollen Leistung ausgesteuert werden. Die zusätzliche Steuermöglichkeit von z. B. 20% — wenn man insgesamt 60% benötigt — wird durch eine automatische Steuerung eines Steuerstabes erreicht, bei dem die Steuerstäbe 55 wirksam werden.

Zwischen dem Brennstoff können Steuerstäbe benutzt werden, um die Reaktorleistung auf den gewünschten niedrigen Stand zu bringen, z. B. von 0 bis 40% der Leistung. Diese Steuerstäbe dienen auch zum Ausgleich langsamer Änderungen der Reaktionsfähigkeit beim Ausbrand des Brennstoffes und zur Kompensation von Xe- und Sm-Bildungen oder anderer giftiger Spaltprodukte, die sich ansammeln. Schließlich werden noch zusätzliche Absorberstäbe in den Brennstoffsätzen des Reaktorkerns angebracht, um die Überschußreaktionsfähigkeit herabzusetzen. Einige dieser Stäbe werden während der Erneuerung des Brennstoffes entfernt. Wenn der Gleichgewichtszustand des Verbrennungsvorganges erreicht ist, werden alle diese Stäbe aus den Brennstoffsätzen herausgezogen.

In einem Reaktordampfkessel, der mit konstantem Druck arbeitet, kompensiert der Reaktionsfähigkeitswert des mittleren Porenanteiles äc die Überschußreaktionsfähigkeit des Reaktors, der nicht von den Stäben kompensiert wird. Wenn die Stäbe nicht zur Änderung der Reaktionsfähigkeit bewegt werden, dann bleibt bei konstantem Druck die Reaktionsfähigkeit, die beim Dauerzustand in den Poren vorhanden ist, geöffnet, wenn die Unterkühlung des Speisewassers geändert wird. Im Übergang ändert sich die Reaktionsfähigkeit oder der mittlere Porengehalt des Kerns, so daß die Leistung sich nach der Richtung ändert, daß die Reaktionsfähigkeit, die in den Poren enthalten ist, wieder auf den ursprünglichen Wert kommt (für alle praktischen Zwecke ist das der mittlere Porengehalt des Kerns äc). Die Änderung der wirksamen Unterkühlung wird bei dem Reaktor nach der Erfindung dadurch herbeigeführt,

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daß das Verhältnis zwischen dem Kondensat bzw. Speisewasser (W_c), das von dem Kondensator 44 zu dem mittleren oder ersten Durchlaß 18 (W_c j) und dem Wasser, das zu dem äußeren oder zweiten Durchlaß 20 (W_u2) zurückkehrt, geändert wird. Obwohl die Temperatur des unterkühlten Kondensatwassers mit gleichbleibender Leistung im wesentlichen konstant bleibt, ist der Reaktionsfähigkeitswert der Poren im zweiten Durchlaß kleiner als der Re-0,7% Ak/k. Dadurch wird sichergestellt, daß die Größe eines Leistungsanstieges, der bei fehlerhafter Funktion des Antriebes für den Steuerstab eintreten könnte, klein ist. Alle, außer den mittleren Steuerstäben, können mit Hilfe von Zahnstangentrieben angetrieben werden, die magnetische Kupplungen besitzen. Bei Ausführung dieser Kupplungen durch ein entsprechendes Signal rutschen die Stäbe abwärts. Der mittlere Stab wird vorzugsweise mit einem elek-

aktivitätswert der Poren im ersten Durchlaß, oder, io irischen Antrieb versehen, um ihn in dem Kern in

mit anderen Worten, die Wirkung eines Wechsels der Moderatordichte in der Mitte des Reaktors ist viel größer als die Wirkung einer Änderung gleicher Größe, aber umgekehrter Richtung im äußeren Teil eine entsprechende Stellung zu bringen.

Das Steuersystem benutzt zwei Servoantriebe, um die Reaktorleistung automatisch den Anforderungen der Turbine über den ganzen gewünschten Steuer-

des Reaktors. Wenn man daher dem ersten Durch- 15 bereich anzupassen, z. B. dem Bereich von 40 bis laß mehr kaltes Wasser zuführt, so überwiegt dies 100% der vollen Leistung.

eine gegenteilige Wirkung geringerer Wasserzuführung zum zweiten Durchlaß. Es ergibt sich also eine Änderung der gesamten Leistungsabgabe, wenn man die Menge des Kondensats ändert, das jedem Durchlaß zugeführt wird. Für den Fall voller Leistungsabgabe des Reaktors wird das »Kondensat-Verhältnis-Ventil« V-2 für den Anfang so eingestellt, daß das Speisewasser in bestimmter Weise verteilt wird, z. B.

Die Porenkontrollschleife ist eine einfache Servoeinstellung, mit deren Hilfe das Verhältnisventil V-2 für Funktion der Stellung der Drossel T der Turbine eingestellt wird. Die Stellung der Drossel entspricht dem Leistungsbedarf bei der Turbine bei konstantem Druck. Die Drossel wird automatisch eingestellt durch den automatischen Turbinenregler^'bei einem vorbestimmten Verhältnis, z. B. bei der Hälfte der

65 % Kondensat zu dem ersten Durchlaß (18) und 25 Turbinenbelastung wird das Verhältnisventil un-

35% Kondensat zum zweiten Durchlaß (20). Dieses Einstellverhältnis kann durch Verstellen von V_ref geändert werden. Es wird dann das Steuerventil C-2 verstellt und die zugeführte Menge geändert. Wenn man annimmt, daß das Verhältnis so geändert wird, daß der erste Durchlaß nichts und der zweite Durchlaß 100% des Kondensats erhält, dann wird ein wesentlicher Rückgang der Leistung erzielt, z. B. 40%. Dies ist das Resultat des Porengehaltes in mittelbar durch die Stellung der Drossel in dem vorbestimmten Bereich der Vollast eingestellt. Die Ausgangsstellung des Verhältnisventils kann von Hand jederzeit geändert werden, um dadurch den Anteil der Steuerung durch die Poren größer oder kleiner werden zu lassen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn man den Reaktor mit höchstem Neutronenwirkungsgrad zu betreiben beabsichtigt. Da das vorbeschriebene Steuersystem einen bestimmten Leistungsbereich

jedem Durchlaß. Diese Änderung der Leistung muß 35 zu überstreichen gestattet, und zwar mit Hilfe der sich ergeben, damit die Reaktionsfähigkeit in den Steuerung der Poren, wird das System mit automati-Poren konstant im stationären Zustand gehalten wird. sehen Steuerstäben für den verbleibenden LeistungsGemäß der Erfindung wird eine Steuerung des Re- bereich, wie weiter unten beschrieben, eingesetzt, aktors über den ganzen Leistungsbereich dadurch Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß keine erzielt, daß man die Steuerung mit Hilfe des Speise- 40 Bewegung der Steuerstäbe im oberen Teil des Steuerwassers mit der Steuerung durch Bewegung von bereiches (z. B. zwischen 100 und 60% der Vollast) Steuerstäben kombiniert. Es ist eine Anzahl von erforderlich wäre, wenn die Steuervorrichtung C-2 Steuerstäben 55 vorgesehen, die in den Kern 12 mit des Ventils V-2 so eingerichtet wäre, daß sie als Hilfe von Betätigungsgliedern 57 hineingeführt und proportionierender Servomotor wirkt, deren Einstelwieder herausgeführt werden können. Diese Stäbe 45 lung nicht von der Stellung der Drossel abhängig ist, sind im allgemeinen gleichmäßig über den ganzen
Querschnitt des Kerns verteilt.

sondern von der Nullabweichung zwischen der Leistungsanforderung der Turbine und der Leistung des Reaktors. In diesem Fall könnte das Porensteuersystem einen bestimmten Teil der Vollast (z. B. 40 %) regeln, ohne daß die Steuerstäbe bewegt werden. Solch ein System wäre sehr vorteilhaft für die Turbine, wenn der Leistungsbedarf von Hand durch das EinstellgliedM' eingestellt wird. In diesem Fall ist immer ein ausreichender Steuerbereich vorhanden,

Das Steuerstabsystem wird von Hand betätigt, um den Reaktor anzulassen und abzustellen und um langfristige Reaktionsänderungen, die sich aus dem Brennstoff und nuklearen Giften ergeben, auszugleichen. Der Schalter 62 ist zu diesem Zweck umlegbar, so daß er mit der HandkontrolleM verbunden werden kann. Einer der Stäbe 55, bevorzugt

wird der, der ganz zentral im Kern angeordnet ist, 55 um normale Leistungsschwankungen des Reaktors

wird als automatischer Steuerstab verwendet, um den Druck im Reaktor konstant zu halten und um zu gewährleisten, daß die Reaktorleistung sich den Anforderungen der Turbine anpaßt. Dies wird nachstehend beschrieben.

Der Schalter 62 liegt dann am Kontakt A für die automatische Steuerung. Um dabei die Steuerung der Reaktionsfähigkeit bei der Steuerung des Reaktors niedrig zu halten, wird gleichzeitig immer nur ein Steuerstab bewegt, darüber hinaus wird seine Geschwindigkeit bei der Steuerung niedrig gehalten. Zusätzlich dazu ist der Gesamtbetrag der Reaktionsfähigkeit, der automatisch gesteuert wird, kleiner als ausgleichen zu können. Die Steuerstäbe können auch immer dann von Hand betätigt werden, wenn die Leistungsanforderung von Hand geändert wird, um das Porensteuersystem in dem günstigsten Arbeitsbereich zu belassen.

Das Steuersystem mit den Kontrollstäben ist vorzugsweise so ausgelegt, daß automatisch etwa 0,7 Δ k/k mit einer Größenänderung der Reaktionsfähigkeit von 0,01% dk/sec geregelt wird. Die Regelung erfolgt dabei, wie gesagt, durch Veränderung der Stellung des Steuerstabes. Durch die Steuerung mit dem Steuerstab kann automatisch ein vorbestimmter Bereich der Vollast gesteuert werden (z. B. 35%). Wie

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dargestellt, stellt der Servomotor S₀ den Steuerstab so ein, daß der Druck des Reaktors gleich dem vorgegebenen Druck P_ref ist. Da der Reaktordruck sich mit der Leistungsanforderung ändert, ist im Normalfall nur dieses einzige Signal für den Servomotor nötig. Es wird erzeugt durch die druckempfindliche Vorrichtung 61 und das Steuerorgan 63. Um jedoch ein schnelleres Ansprechen auf Laständerungen zu erzielen, wird noch ein zusätzliches Signal vorgesehen. Dieses Signal ist proportional der Änderung des Dampfflusses und wird dadurch erzeugt, daß der Dampffluß W_s einfach durch die Vorrichtung 64 differenziert wird.

Im Normalbetrieb mit automatischer Laständerung A bringt diese Belastungsänderung eine Veränderung der Einstellung der Drossel Γ. Diese Änderung wird sich in einer automatischen Änderung der Unterkühlung der beiden Durchlässe auswirken, weil das Verhältnisventil V-2 der Stellung der Turbinendrossel, gesteuert vom Steuerorgan C-2, folgt. Gleichzeitig bedingt die Veränderung der Stellung der Drossel eine Änderung des Dampfstromes (JP_s), der seinerseits automatisch eine Verstellung des mittleren Steuerstabes zur Folge hat, die wiederum so lange dauert, bis der Dampffluß sich ändert. Wenn die im Reaktorsystem gespeicherte Energie und die addierten Leistungsänderungen, die sich auf Grund der Porenstabsteuerung ergeben, die Änderung in der Leistungsanforderung nicht ausgleichen können, so beginnt der Dampfdruck (P_s) sich zu ändern. Daraus folgt eine weitere Verstellung des Steuerstabes, bis Druck und Turbinenanforderung sich angepaßt haben. Es wird so gesteuert, daß bei steigender Leistungsanforderung ein größerer Anteil von Speisewasser durch den zweiten Durchlaß 20 und ein kleinerer Anteil durch den ersten Durchlaß 18 fließt und gleichzeitig der mittlere Steuerstab tiefer in den Reaktorkern eingeführt wird. Im umgekehrten Sinn wird gesteuert, wenn weniger Leistung angefordert wird.

Um den Reaktor vor Beschädigungen durch zu hohen Druck zu schützen, ist ein Zweigweg vorgesehen, dessen Ventil V-5 durch die Steuervorrichtung C-5 gesteuert wird. Dieses Ventil ist während des normalen Betriebes geschlossen und wird geöffnet, wenn der zulässige Druck, z.B. 88 kg/cm² (1250 psig) überschritten wird. Die Dampfmenge, die über den Nebenweg abströmt, ist proportional der Druckerhöhung über den normalen Druck zu dem Zweck, den Reaktordruck aufrechtzuerhalten, sobald die Reaktorleistung nachgelassen hat. Der Durchlaß des Ventils V-5 ist so groß, daß es bei voller Öffnung noch etwas mehr Dampf durchläßt, als es der vollen Leistungsabgabe des Reaktors entspricht.

Da im Reaktor Leistungsschwankungen auftreten können, wenn die Turbinendrossel plötzlich schließt, ist vorgesehen, daß in diesem Fall das Nebenwegventil V-5 geöffnet wird und der Reaktor mit Hilfe des Steuerstabes heruntergeregelt wird. Da damit die Leistung des Reaktors sinkt, sinkt auch der Druck, und das Nebenwegventil V-5 beginnt sich zu schließen, um den Druck im Reaktor aufrechtzuerhalten.

Zusätzlich zu dem Steuersystem für die Reaktionsfähigkeit ist der Betrieb der Anlage auch von der Aufrechterhaltung des Wasserflusses und der Wasserstände in den verschiedenen Teilen des Systems abhängig.

Der Zufluß des gesamten unterkühlten Kondensats W_c zum Reaktor wird durch ein Drosselventil üblicher Bauart gesteuert, das mit V-I bezeichnet ist und das von der Steuereinrichtung C-I gesteuert wird. Diese SteuereinrichtungC-I erhält Signale, die abhängig sind von der Differenz zwischen dem Dampfstrom W_s zur Turbine und dem Kondensatzufluß (W_c) zum Reaktor. Dabei soll der Zufluß zum Reaktor gleich dem Dampfabfluß sein. Um dies sicherzustellen, sind entsprechende Abtastgeräte vorgesehen, wie dies schematisch in den Figuren angedeutet ist.

Abgesehen davon, daß der Dampfstrom W_s gleich dem Kondensatfluß W_c gemacht wird, ist zusätzlich vorgesehen, daß das Drosselventil V-X auch von einem Signal L₃ gesteuert wird, das proportional der Differenz zwischen dem Sollspiegel im Kondensator und dem tatsächlichen Wasserspiegel ist.

Die Wasserstände L₁ im Reaktor L₂ in der Dampftrommel sind voneinander abhängig und anfänglich bestimmt von der Menge des wieder zulaufenden Wassers W_r sowie von der Einstellung des Ventils V-3 zwischen dem zweiten Durchlaß 20 des Reaktors und der Dampf abscheidetrommel. Für einen gegebenen Wasserumlauf W_r werden die Wasserstände L₁ und L₂ durch die Differenz der Wassersäule bestimmt, die notwendig ist, um den Druckabfall in der Verbindungsleitung zwischen dem zweiten Durchlaß und der Dampfabscheidetrommel zu überwinden. Für einen bestimmten Wasserumlauf bleibt der Wasserstand konstant mit Ausnahme kleiner Änderungen, die sich auf Grund von Leistungsänderungen ergeben, die wiederum eine Änderung des Druckabfalles im zweiten Durchlaß und zwischen dem zweiten Durchlaß und der Dampfabscheidetrommel zur Folge haben. Eine Änderung der Wasserstände L₁ und L₂ im gleichen Sinn, so daß die Differenz der Wasserstände konstant bleibt, muß eine Änderung des Wasserstandes im Fallwasser des Hauptturbinenkondensators zur Folge haben. Da dieser Wasserstand gesteuert wird, ergibt sich die Korrektur von L₁ und L₂ durch die Korrektion von L₃.

Alarmvorrichtungen für Wasserhochstand und Wassertiefstand sind auch im Reaktor im Dampfabscheider und im Hauptturbinenkondensator vorgesehen. Sie sind ein Teil der Abtast- und Steuervorrichtungen an diesen Stellen und haben den Zweck, jede Undichtigkeit im Wassersystem und jede Funktionsstörung der Steuervorrichtungen zu melden.

Obwohl keine automatische Steuerung von L₁ und L₂ in dem Ausführungsbeispiel gezeigt ist, kann natürlich die Einstellung der Wasserstände von Hand erfolgen, indem das Durchflußventil V-3 oder die Rückflußgeschwindigkeit W_r geregelt wird. Falls gewünscht, kann natürlich das Ventil V-3 und die Rückflußgeschwindigkeit automatisch geregelt werden. In diesem Fall wird die Einstellung des Ventils V-3 durch die Steuervorrichtung 72 in der Weise bestimmt, daß eine bestimmte Einstellung von V-3 für jede Stellung des Turbineneintrittsventils vorgesehen ist. Auf diese Weise kann der Widerstand von V-3 um den gewünschten Betrag verringert werden, wenn der Dampffluß mit der Leistung größer wird. Dadurch wird dann auch der zusätzliche Druckabfall im zweiten Durchlaß kompensiert. Es war oben erläutert worden, daß Änderungen der Rückflußgeschwindigkeit den Wasserstand im Reaktor ändern. Zusätzlich ist auch eine Änderung der Leistung des Reaktors die Folge. Um die Menge des zurückgeführten Was-

Claims (8)

sers (Wr) konstant zu halten, wird ein drehzahlgeregelter Antrieb für die Pumpe 28 verwendet, der von dem Steuerglied C-3 gesteuert wird. Das Steuersystem für diesen Antrieb hält die Menge des rückgeführten Wassers (Wr) konstant und gleich der vorgegebenen Menge (Wrei) und unabhängig von der Menge des rückgeführten Kondensats. Dies geschieht durch Abtasten der Differenz zwischen dem Fluß (W1) durch den mittleren Teil und der Menge des Speisewassers, das dem mittleren Teil zugeführt wird (Wcl). Diese Abtastung geschieht mit Hilfe der schematisch dargestellten Vorrichtungen. Die erwähnte Differenz stellt das rückgeführte Wasser dar (Wr). Dieser Wert wird dann mit dem vorgegebenen Wert (Wref ) durch die Steuervorrichtung 66 verglichen, die ihrerseits wiederum die Steuervorrichtung C-3 beeinflußt. Falls gewünscht, kann die Einstellung der Reaktorleistung durch Verstellung der vorgegebenen Menge des zurückzuführenden Wassers erfolgen. ao Patentansprüche:

1. Siedewasserkernreaktor, bestehend aus einem Reaktor-Druckbehälter und einem innerhalb des Reaktor-Druckbehälters angeordneten Kern, der aus strömungsmäßig voneinander getrennten Bereichen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche (18, 20) des ausschließlich der Leistungserzeugung dienenden Kerns (12) bezüglich der Kühlwasserströmung in Reihe geschaltet sind.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Wassermenge nach Austritt aus dem ersten Bereich (18) den weiteren Bereich (20) durchströmt.

3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampf-Wasser-Mischung aus jedem der Bereiche in Trennvorrichtungen strömt, von denen eine der innere Druckbehälter (10) ist, der den Kern (12) enthält, während wenigstens eine weitere Trennvorrichtung (22) außerhalb des Druckbehälters (10) angeordnet ist.

4. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die getrennten Kernbereiche (18, 20) konzentrisch zueinander angeordnet sind und daß das Wasser durch den innersten Bereich (18) mit Hilfe von Pumpen (28) gedrückt wird.

5. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der Kernbereiche unterschiedliche Leistungsdichten haben, daß dem Reaktor unterkühltes Speisewasser zugeführt wird und daß Steuerglieder vorgesehen sind, um die Leistungsabgabe des Reaktors durch Veränderung der den Bereichen verschiedener Leistungsdichte zugeführten Menge an Speisewasser zu regeln.

6. Reaktor nach Anspruch 5 mit Steuerstäben, die die Leistungsabgabe des Kerns steuern, dadurch gekennzeichnet, daß Steuerglieder vorgesehen sind, die abhängig vom Druck des vom Reaktor abgegebenen Dampfes die Einstellung der Steuerstäbe so steuern, daß der Dampfdruck einen gewünschten Wert behält.

7. Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in den inneren Bereichen angeordneten Brennelementstäbe einen kleineren Querschnitt haben und dichter angeordnet sind als die Brennelementstäbe der äußeren Bereiche.

8. Betriebsverfahren für Siedewasserreaktoren nach Anspruch 1, die mit unterkühltem Speisewasser gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Speisewasser in einem gewünschten veränderlichen Verhältnis zugeführt wird, Kernbereichen unterschiedlicher Leistungsdichte je gesondert zugeführt wird und die abgegebene Leistung des Reaktors durch Änderung des Verhältnisses der den verschiedenen Bereichen zugeführten Speisewassermenge derart geregelt wird, daß bei steigender Leistung die dem Bereich größerer Leistungsdichte zugeführte Wassermenge steigt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschriften Nr. 1039 659,
363;

französische Patentschriften Nr. 1162 270,
224;

britische Patentschrift Nr. 792171;

»Genfer Bericht«, P/1451 UK, vorgel. auf der 2^nd U. N. Int. Conf. on the Peaceful Uses of Atomic Energy;

D. H. Hughes, »Problems in Nuclear Engineering«, Vol. I, 1957, New York, S. 285 bis 291;

M. A. Schultz, »Control of Nuclear Reactors and Power Plauts, 1955, New York, S. 131 bis 135.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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