DE1274254B

DE1274254B - Boiling nuclear reactor with a double-shell centrifugal steam separator unit

Info

Publication number: DE1274254B
Application number: DEL55297A
Authority: DE
Inventors: Juergen Vollradt
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1966-12-16
Filing date: 1966-12-16
Publication date: 1968-08-01

Description

Siede-Kernreaktor mit einer doppelschaligen Zentrifugal-Dampfabscheidereinheit Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit aus dem Kern austretendem Zweiphasengemisch und darauf zur Dampfabscheidung aufgesetztem, im Reaktordruckgefäß angeordnetem Zentrifugalabscheider.Boiling nuclear reactor with a double-shell centrifugal steam separator unit The invention relates to a nuclear reactor with a two-phase mixture emerging from the core and placed thereon for vapor deposition and arranged in the reactor pressure vessel Centrifugal separator.

Das in dem Kern eines Siedewasserreaktors entstehende Dampf-Wasser-Gemisch tritt nach oben aus und wird mittels Dampfabscheidern bekanntlich in die einzelnen Phasen getrennt. Die flüssige Phase strömt dann in den Fallraum nach unten, während der Dampf nach oben durch die Dampftrockner geleitet wird. Die technische Entwicklung der Dampfabscheider ist zur Zeit noch in vollem Gang.The steam-water mixture created in the core of a boiling water reactor exits upwards and is known to be in the individual by means of vapor separators Phases separated. The liquid phase then flows down into the fall space while the steam is directed upwards through the steam dryer. The technical development the steam separator is currently still in full swing.

Es sind bereits zahlreiche Dampfabscheider bekannt, die Zentrifugalkraftfelder aufbauen, in denen die Phasen des Flüssigkeit-Gas-Gemisches sich auf Grund ihrer unterschiedlichen spezifischen Gewichte trennen. Unterschiede bestehen lediglich in der Strömungsführung. Hier sind vor allem die auf langen Standrohren angeordneten Einzelzyklone zu nennen, die über dem Reaktorkern angeordnet sind und axial von unten angeströmt werden.Numerous steam separators are already known, the centrifugal force fields build up in which the phases of the liquid-gas mixture are based on their separate different specific weights. There are only differences in the flow guidance. Here are mainly those arranged on long standpipes To name individual cyclones, which are arranged above the reactor core and axially from flow below.

Vorgeschlagen wurden ferner Einzelzyklone, die in oder teilweise über dem Fallraum zwischen Reaktordruckgefäßwand und Kernmantel angeordnet sind und axial oder tangential von oben angeströmt werden.Individual cyclones that are in or partially over have also been proposed the case space between the reactor pressure vessel wall and core jacket are arranged and axially or flow tangentially from above.

Weiterhin wird der sogenannte »Radial-Vane-Separator« entwickelt, der aus einem oben abgeschlossenen Gemischsammelkasten besteht, an dessen zylindrischer Wand, die von dem nach oben verlängerten Kernmantel gebildet wird, senkrecht stehende gekrümmte Schaufeln nach außen angebracht sind. Durch vertikale Schlitze in der Wand gelangt in diesen Separatoren das vom Reaktorkern in den Gemischsammelkasten einströmende Zweiphasengemisch in die Schaufeln. Dort trennt es sich in nach oben abströmenden Dampf und in Wasser, das horizontal zur Druckgefäßwand und von dort nach unten zum Fallraum strömt.Furthermore, the so-called »Radial Vane Separator« is being developed, which consists of a mixture collecting box closed at the top, on the cylindrical of which Wall, which is formed by the upwardly extended kernmantle, standing vertically curved blades are attached to the outside. Through vertical slots in the In these separators, the wall gets from the reactor core into the mixture collecting box two-phase mixture flowing into the blades. There it separates upwards outflowing steam and into water that is horizontal to the pressure vessel wall and from there flows down to the fall chamber.

Die oberhalb des Kerns angeordneten Einzelzyklone haben den Nachteil, daß sie sehr hoch gebaut und in der Herstellung teuer sind. In ihrer Funktion sind sie sehr stark vom Wasserstand im Druckgefäß abhängig, was um so unangenehmer ist, als sie zudem einen gekrümmten Wasserspiegel im Druckgefäß bewirken. Ferner ist die direkte vertikale Dampfabströmung nachteilig, die in die darüber angeordneten Trockner viel Wasser führt. Schließlich müssen Zyklone dieser Art bei jedem Brennelementwechsel ausgebaut werden.The single cyclones arranged above the core have the disadvantage that they are built very tall and expensive to manufacture. In their function are it depends very much on the water level in the pressure vessel, which is all the more uncomfortable, than they also cause a curved water level in the pressure vessel. Furthermore is the direct vertical steam outflow is disadvantageous for those located above The dryer carries a lot of water. After all, cyclones of this type have to be used every time the fuel element is changed get extended.

Die im oder teilweise über dem Fallraum angeordneten Einzelzyklone haben den Nachteil eines relativ großen Druckverlustes. Bei sehr großen Reaktorleistungen bestehen möglicherweise Anordnungsschwierigkeiten. Bei Einsatz von internen Axialpumpen müssen. die Zyklone aus Gründen der Zugänglichkeit der Pumpen ausgebaut werden. Sofern interne Strahlpumpen verwendet werden, besteht der Nachteil der Zyklone darin, däß sie dann nicht im, sondern nur oberhalb des Fallraumes angeordnet werden -können. Das bedingt ein langes Druckgefäß. Schließlich ist nachteilig, daß die genannten Zyklone die Unterbringung der für die Kernnotkühlung notwendigen Speicherwassermengen erschweren.The individual cyclones arranged in or partially above the fall space have the disadvantage of a relatively large pressure loss. With very large reactor outputs there may be arrangement difficulties. When using internal axial pumps have to. the cyclones are removed for reasons of accessibility to the pumps. If internal jet pumps are used, the disadvantage of cyclones is that that they can then not be arranged in, but only above the fall space. This requires a long pressure vessel. Finally, it is disadvantageous that the aforementioned Cyclones accommodate the storage water quantities required for emergency core cooling make more difficult.

Der Radial-Vane-Separator steht noch in der Entwicklung, vor allem weil er eine nachteilige Wasserabströmung hat, die leicht zu einem Mitreißen von Dampf aus dem Dampfraum in den Fallraum führen kann. Schon jetzt feststehender Nachteil ist der Umstand, daß dieser Abscheider im Druckgefäß besonders wenig Raum beläßt für Speicherwassermengen. Außerdem ist dieser Abscheider schwierig in der Wasserstandsregelung.The radial vane separator is still under development, especially because it has adverse water drainage that is easy to entrain Steam can lead from the steam space into the fall space. Already an established disadvantage is the fact that this separator leaves particularly little space in the pressure vessel for storage water quantities. In addition, this separator is difficult to control the water level.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Dampfabscheider zu schaffen, der ohne nennenswerten Druckverlust eine große Durchsatzkapazität hat und dennoch die Nachteile der bisher bekannten Ausführungen vermeidet.The invention is based on the problem of providing a vapor separator create that has a large throughput capacity without significant pressure loss and yet avoids the disadvantages of the previously known designs.

Gemäß der Erfindung wird das Problem dadurch gelöst, daß in dem Reaktordruckgefäß ein einziger Abscheider angeordnet ist, der ein einziges Zentrifugalkraftfeld mit vertikaler Rotationsachse hat. Der Abscheider kann aus einer mit Löchern versehenen Außenschale und einer mit Leitschaufeln versehenen Innenschale bestehen.According to the invention, the problem is solved in that in the reactor pressure vessel a single separator is arranged, which has a single centrifugal force field vertical axis of rotation. The separator can consist of a perforated Outer shell and an inner shell provided with guide vanes.

In Weiterbildung der Erfindung sind in den Leitschaufeln Bohrungen angebracht, die zwischen dem Wasser in der Innenschale und dem Wasser außerhalb der Außenschale eine Verbindung herstellen. Der Dampfabscheider kann auch so konstruiert sein, daß die Innenschale getrennt von der Außenschale ausbaubar ist. Besonders vorteilhaft ist es, getrennt einsetzbare Drosselringe verschiedener Höhe vorzusehen. In Weiterbildung der Erfindung ist der ringförmige Dampfaustrittskanal mit einem Leitring versehen, der den vertikal austretenden Dampf in die Horizontale umlenkt.In a further development of the invention, there are bores in the guide vanes attached between the water in the inner shell and the water outside make a connection to the outer shell. The vapor separator can also be constructed in this way be that the inner shell can be removed separately from the outer shell. Particularly It is advantageous to provide throttle rings of different heights that can be used separately. In a further development of the invention, the annular steam outlet channel is with a Provide guide ring, which diverts the vertically escaping steam to the horizontal.

Im Rahmen der Weiterentwicklung der Siedewasserreaktoren stellt der Gegenstand der Erfindung eine Alternative sowohl zum Radial-Vane-Separator wie zu Einzelzyklonen dar. Dem Dampfabscheider gemäß der Erfindung liegt die Erfahrung zugrunde, daß man mit relativ geringen Trennkräften bzw. Zentrifugalbeschleunigungen auskommt und die Schwierigkeiten einer guten Trennung der beiden Phasen Dampf und Wasser voneinander lediglich bei der für alle Lastfälle richtigen Dimensionierung der Abströmquerschnitte der getrennten Phasen liegen. Im Gegensatz zu der Dampfkesseltechnik, die die horizontal angeordnete Trommel verwendet, nutzt das beschriebene Dampfabscheidersystem mit Hilfe der vertikalen Lage des Reaktordruckgefäßes dessen für den Aufbau von Zentrifugalkraftfeldern günstige zylindrische Form aus.As part of the further development of the boiling water reactors, the The invention provides an alternative both to the radial vane separator and to The steam separator according to the invention is based on experience based on the fact that one with relatively low separating forces or centrifugal accelerations gets by and the difficulties of a good separation of the two phases steam and Water from each other only with the correct dimensioning for all load cases the outflow cross-sections of the separate phases. In contrast to steam boiler technology, which uses the horizontally arranged drum uses the described steam separator system with the help of the vertical position of the reactor pressure vessel for the construction of Centrifugal force fields favorable cylindrical shape.

Die Vorteile des Gegenstandes gemäß der Erfindung bestehen darin, daß seine Herstellung billiger als die Fertigung vieler Einzelzyklone ist. Der Dampfabscheider läßt den Fallraum so weit frei, daß sowohl interne Strahlpumpen als auch interne Axialpumpen ein- und ausgebaut werden können, eventuell sogar ohne daß der Dampfabscheider dabei aus dem Druckgefäß herausgehoben werden muß. Das Vorhandensein großer Wasserspeicher für die Kernnotkühlung ist besonders vorteilhaft, ebenso wie die leichte Auswechselbarkeit wichtiger Teile der Dampfabströmung. Schließlich läßt sich der Dampfentnahmeströmungsquerschnitt in vorteilhafter Weise beliebig groß machen und bestimmt daher nicht mehr wie bei Falltypzyklonen den Gesamtdruckverlust, so daß sich ein wesentlich kleinerer Gesamtdruckverlust ergibt.The advantages of the object according to the invention are that it is cheaper to manufacture than many individual cyclones. The steam separator leaves the case space so free that both internal jet pumps and internal Axial pumps can be installed and removed, possibly even without the steam separator must be lifted out of the pressure vessel. The presence of large reservoirs of water for core emergency cooling is particularly advantageous, as is the ease with which it can be replaced important parts of the steam outflow. Finally, the steam extraction flow cross-section advantageously make any size and therefore no longer determined as in Fall-type cyclones the total pressure drop, so that there is a much smaller total pressure drop results.

Die doppelschalige Dampfabscheidereinheit gemäß der Erfindung wird an Hand des folgenden Beispiels näher erläutert.The double-shell vapor separator unit according to the invention is explained in more detail using the following example.

In der Zeichnung ist der Querschnitt durch ein Reaktordruckgefäß und den darin enthaltenen Kern sowie durch die doppelschalige Dampfabscheidereinheit dargestellt.In the drawing is the cross section through a reactor pressure vessel and the core contained therein as well as the double-shell steam separator unit shown.

Der Abscheider besteht aus einer Außenschale 1 und einer Innenschale 2 mit den dazwischenliegenden, das Zentrifugalkraftfeld bewirkenden Leitschaufeln 3. Diese Einheit ist eingebaut im Druckgefäß 4 über dem Reaktorkern 5 und mit einem Innenflansch 6 am Kernmantel 7 befestigt. Das im Kern erzeugte Dampf-Wasser-Gemisch, das im allgemeinen einen Dampfgehalt von größenordnungsmäßig 10 "/u bzw. ein Volumenstromverhältnis Dampf zu Wasser von etwa 2: 1 hat, tritt direkt von unten in den Abscheider 1 und wird von den Leitschaufeln 3 in Rotation versetzt, wobei die Schaufeln und Schalen so dimensioniert sind, daß Radialbeschleunigungen auftreten, deren Größenordnung gerade noch zur Phasentrennung genügt. Es stellt sich dann eine Grenzfläche ein, wie sie in der Zeichnung von der strichpunktierten Linie 8 angedeutet ist. Das Wasser strömt außen mit einer Tangentialgeschwindigkeitskomponente, die so groß ist, daß sie einen Zentrifugaldruck auf die Außenschale 1 bewirkt, der das Wasser durch die Löcher 9 gegen den - zwecks Wirbelvermeidung außen höher als innen stehenden - Wasserstand in den Fallraum 10 austreten läßt. Auf Grund dieser Strömungsführung fließt das Wasser blasenfrei zusammen mit dem durch den Stutzen 11 von der Turbine kommenden Kondensat der Umwälzpumpe 12 zu und tritt dann von unten wieder in den Reaktorkern ein. Der Dampf verläßt den Abscheider durch den Ringkanal 13 und wird zwecks Vertrocknung von dem Leitblech 14 seitlich teils zur Druckgefäßwand, teils zur Druckgefäßmitte hin umgelenkt, bevor er über Trockner 15 das Druckgefäß verläßt. Das vor Erreichen der Trockner in die Innenschale zurückfallende vorabgeschiedene Wasser strömt durch Kanäle 16, die sich in allen unten hohlgegossenen Leitschaufeln befinden, in den Fallraum 10. Durch diese Kanäle 16 sind die beiden Wasserspiegel kommunizierend miteinander verbunden. Erfindungsgemäß steht dadurch das in der Innenschale gespeicherte Wasser für die Kernnotkühlung zur Verfügung und nimmt in erwünschter Weise ganz allgemein an Transientenvorgängen teil. Außerdem ist auf diese Weise der Aufwand für die Wasserstandsregelung gering.The separator consists of an outer shell 1 and an inner shell 2 with the intermediate guide vanes 3 causing the centrifugal force field. This unit is installed in the pressure vessel 4 above the reactor core 5 and attached to the core jacket 7 with an inner flange 6. The steam-water mixture generated in the core, which generally has a steam content of the order of magnitude of 10 "/ u or a volume flow ratio of steam to water of about 2: 1, enters the separator 1 directly from below and is guided by the guide vanes 3 in Rotation offset, the blades and shells are dimensioned so that radial accelerations occur, the magnitude of which is just sufficient for phase separation. An interface then appears, as indicated in the drawing by the dash-dotted line 8. The water flows with the outside a tangential velocity component which is so great that it causes a centrifugal pressure on the outer shell 1, which allows the water to escape through the holes 9 against the water level, which is higher on the outside than on the inside, into the falling space 10 Water without bubbles together with the condensate of the circulation pump coming through the nozzle 11 from the turbine 12 and then re-enters the reactor core from below. The steam leaves the separator through the annular channel 13 and is deflected laterally by the guide plate 14 partly towards the pressure vessel wall and partly towards the center of the pressure vessel before it leaves the pressure vessel via the dryer 15. The pre-separated water falling back into the inner shell before reaching the dryer flows through channels 16, which are located in all guide vanes cast at the bottom, into the fall chamber 10. These channels 16 connect the two water levels to one another in a communicating manner. According to the invention, the water stored in the inner shell is thus available for emergency core cooling and, as desired, takes part in transient processes in general. In addition, the effort for water level control is low in this way.

Die Größe und Verteilung der Löcher 9 auf der Außenschale 1 hängt von den bei Voll- und Teillast vorliegenden Wasserströmen ab. Bei mit der Last abnehmendem Wasserdurchsatz - das ist bei Umwälzregelung der Fall - ist bei Teillast eventuell eine Absenkung des Wasserstandes notwendig. Für ganz kleine umlaufgeregelte Teillasten kann es sinnvoll und erfindungsgemäß möglich sein, mit geflutetem Abscheider zu fahren, um so die Dampfabscheidung der natürlichen Schwerkraftwirkung zu überlassen.The size and distribution of the holes 9 on the outer shell 1 depends on the water flows present at full and partial load. With decreasing with the load Water throughput - this is the case with circulation control - may be at part load a lowering of the water level is necessary. For very small circulation-controlled partial loads it may be sensible and possible according to the invention to close with a flooded separator to leave the vapor separation to the natural effects of gravity.

Nachträglich notwendig werdende Änderungen in der Dimensionierung der Abströmquerschnitte lassen sich teilweise recht einfach durch nachträglichen Einsatz eines anderen Dampfabströmdrosselringes 17 beheben.Changes in the dimensioning that become necessary afterwards the outflow cross-sections can in some cases be easily retrofitted Rectify the use of a different steam outlet throttle ring 17.

Für den Brennelementwechsel wird zunächst das Leitblech 14 mitsamt den Stützen 18 und den Flanschringen 19 abgenommen, danach die in den Halbzylindern 20 aufliegende Innenschale 2 mitsamt den mit ihr befestigten Schaufeln 3 abgehoben. Die Schaufeln sind zu diesem Zweck geteilt. Das äußere Ende 21 ist mit der Außenschale fest verbunden. Diese braucht beim Brennelementwechsel nicht bewegt zu werden. Will man jedoch z. B. für Inspektionszwecke an die im Fallraum angeordneten internen Pumpen herankommen, so wird die Verbindung 6 zwischen Außenschale und Kernmantel gelöst und die Außenschale seitlich verschoben. Sie braucht dadurch nicht aus dem Druckgefäß herausgenommen zu werden, so daß ein anderenfalls dafür notwendiges Absatzbecken eingespart wird.To change the fuel element, the guide plate 14 together with the supports 18 and the flange rings 19 are first removed, then the inner shell 2, together with the blades 3 attached to it, lying in the half-cylinders 20, is lifted off. The blades are split for this purpose. The outer end 21 is firmly connected to the outer shell. This does not need to be moved when changing the fuel element. However, if you want z. B. for inspection purposes to get to the internal pumps arranged in the drop space, the connection 6 between the outer shell and the core jacket is released and the outer shell is shifted laterally. As a result, it does not need to be removed from the pressure vessel, so that an otherwise necessary sedimentation basin is saved.

Claims

Claims: 1. Boiling nuclear reactor with exiting from the core Two-phase mixture and on top of it for vapor deposition, in the reactor pressure vessel arranged Centrifugal separator, characterized in that in the reactor pressure vessel a single separator is arranged, which has a single centrifugal force field with vertical Has axis of rotation.

2. Boiling nuclear reactor according to claim 1, characterized in that that the separator consists of an outer shell provided with holes and one with guide vanes provided inner shell.

3. Boiling nuclear reactor according to claim 2, characterized in that that in the guide vanes holes are arranged between the water in the Connect the inner shell and the water outside the outer shell.

4. Boiling nuclear reactor according to claim 2 or 3, characterized in that the inner shell can be removed separately from the outer shell.

5. Boiling nuclear reactor according to claim 2 or 4, characterized in that flow restriction rings which can be used separately different heights are present in the separator.

6. Boiling nuclear reactor according to claim 5, characterized in that the annular steam outlet channel with a guide ring is provided, which diverts the vertically escaping steam into the horizontal.