DE1296282B

DE1296282B - Nuclear reactor of the pressurized water type with a thermal barrier between the steam space and the water space

Info

Publication number: DE1296282B
Application number: DEA48000A
Authority: DE
Inventors: Mchugh Brian
Original assignee: ATOMENERGIE AB
Current assignee: ATOMENERGIE AB
Priority date: 1964-12-28
Filing date: 1964-12-28
Publication date: 1969-05-29

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor vom Druckwassertyp mit einem Reaktorbehälter, einem Kernbrennstoff enthaltenden Wasserraum im unteren Teil des Reaktorbehälters, einer Vorrichtung zur Zuführung von unter Druck stehendem Wasser zu dem durch den Kernbrennstoff zu erhitzenden Wasserraum, einer Vorrichtung zum Abziehen von erhitztem, unter Druck stehendem Wasser aus dem Wasseraum, einem durch eine Trennwand vom Wasserraum abgeteilten, teilweise mit Wasser und teilweise mit Dampf gefüllten Dampfraum im oberen Teil des Reaktorbehälters, einer Vorrichtung zur Erzeugung von Dampf mit einer Temperatur, die höher liegt als diejenige des unter Druck stehenden Wassers, sowie zur Zuführung dieses Dampfs zu dem Dampfraum, wobei die Trennwand als Wärmebarriere zur Verminderung des Wärmeflusses vom Dampfraum zum Wasserraum dient und unterhalb des normalen Wasserspiegels, jedoch nahe diesem im Reaktorbehälter angeordnet ist und COffnungen zum freien Durchtritt von Wasser enthält.The invention relates to a pressurized water type nuclear reactor with a reactor vessel, a nuclear fuel containing water space in the lower Part of the reactor vessel, a device for supplying pressurized Water to the water space to be heated by the nuclear fuel, a device for drawing off heated, pressurized water from the water room, a separated from the water area by a partition, partly with water and partly steam-filled vapor space in the upper part of the reactor vessel, a device to generate steam at a temperature higher than that of the pressurized water, as well as for supplying this steam to the steam room, wherein the partition wall as a thermal barrier to reduce the flow of heat from the vapor space serves to the water space and below the normal water level, but close to this is arranged in the reactor vessel and CO openings for the free passage of water contains.

Ein Kernreaktor dieser Art ist aus dem deutschen Gebrauchsmuster 1827 096 bekanntgeworden.A nuclear reactor of this type is from the German utility model 1827 096 became known.

Bei plötzlichen Druckstößen geht der Druckausgleich zwischen Dampfraum und Wasserraum bei Reaktoren der genannten Art im laufenden Betrieb nur langsam vonstatten, da bei einem Druckstoß kühleres Wasser durch die Öffnungen in der Trennwand nach oben strömt, sich mit dem oberhalb der Trennwand befindenden Wasser höherer Temperatur vermischt, also mit dem Dampf im Dampfraum nicht in direkte Berührung gelangt. Dieser langsam verlaufende Druckausgleich bei heftigen Druckstößen des Kühlmittels hat umfangreiche und teure Sicherungen für den Reaktorbehälter zur Folge. Darüber hinaus ist auf Grund der ungenügenden Verminderung des Wärmeflusses dem Kühlmittel nur ein geringerer Wärmeinhalt erteilbar, was sich dahingehend nachteilig auswirkt, daß eine größere Kühlmittelmenge zur Abfuhr der im Reaktor entstehenden Wärme im Umlauf gehalten werden muß. Diese gesteigerte Kühlmittelmenge verteuert nicht nur die Anlagekosten, sondern bedingt auch größere, höhere Leistungen aufnehmende Umwälzpumpen, wie auch Wärmeaustauscher mit größeren Abmessungen.In the event of sudden pressure surges, the pressure equalization between the steam space and water space in reactors of the type mentioned only slowly during operation because in the event of a pressure surge, cooler water will pass through the openings in the partition flows upwards, is higher with the water located above the partition wall Mixed temperature, i.e. not in direct contact with the steam in the steam room got. This slow pressure equalization in the event of violent pressure surges in the Coolant results in extensive and expensive safeguards for the reactor vessel. In addition, due to the insufficient reduction in heat flow, the Coolant can only be given a lower heat content, which is disadvantageous in this respect has the effect that a larger amount of coolant to remove the resulting in the reactor Heat must be kept in circulation. This increased amount of coolant makes it more expensive not only the system costs, but also requires larger, higher power consuming Circulation pumps as well as heat exchangers with larger dimensions.

Aus der deutschen Patentschrift 1027 338 ist bekannt, den bei einem Druckwasserreaktor erforderlichen Überdruck mit Hilfe einer Pumpe aufrechtzuerhalten. Dies hat den Nachteil, daß der Reaktorbehälter so gebaut sein muß, daß er hohen Druckdifferenzen zwischen seinen verschiedenen Teilen standhält.From the German patent specification 1027 338 it is known that at a Pressurized water reactor required overpressure to be maintained with the help of a pump. This has the disadvantage that the reactor vessel must be built so that it is tall Withstands pressure differences between its various parts.

Aus der deutschen Patentschrift l055140 ist es bekannt, den erforderlichen Überdruck dadurch zu erzeugen, daß der Reaktionsbehälter mit einem komprimierten Gas beaufschlagt wird. Dabei ist nachteilig, daß durch das sich im Wasser lösende Druckgas beispielsweise in der Pumpe, die das Wasser in dem Kühlmittelsystem zirkulieren 1'äßt, eine Blasenbildung auftritt.From the German patent 1055140 it is known, the required Generate overpressure in that the reaction vessel with a compressed Gas is applied. The disadvantage here is that it dissolves in the water Pressurized gas for example in the pump that circulates the water in the coolant system 1 'leaves, blistering occurs.

Aus der französischen Patentschrift 1351253 ist ein Druckwasserreaktor mit einem einen Dampf- und Wasserraum umschließenden Reaktorbehälter bekannt. Der Überdruck wird durch den sich im Dampfraum befindenden Dampf auf das Kühlmittel aufgebracht. Als Mangel wird bei dieser Ausführungsform empfunden, daß keine wirksame Wärmebarriere zwischen Dampfraum und Wasserraum vorhanden ist. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kernreaktor der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine wirksamere Wärmebarriere geschaffen wird, die gleichzeitig sicherstellt, daß bei den durch die Anlagentemperatur bedingten Schwankungen des Wasservolumens eine der Volumenschwankung entsprechende Druckeinstellung im Pufferraum erfolgt.From the French patent specification 1351253 a pressurized water reactor is known with a reactor vessel enclosing a steam and water space. Of the Overpressure is created by the steam in the steam space on the coolant upset. A deficiency in this embodiment is felt that it is not effective There is a thermal barrier between the steam space and the water space. Object of the invention is to improve a nuclear reactor of the type mentioned at the beginning, that a more effective thermal barrier is created, which at the same time ensures that with the fluctuations in the water volume caused by the system temperature a pressure setting corresponding to the volume fluctuation takes place in the buffer space.

Diese Aufgabe wird beim eingangs genannten Kernreaktor dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die Trennwand weitere, durch Röhren gebildete öffnungen aufweist, wobei sich die Röhren bis oberhalb des normalen Wasserspiegels erstrecken.In the case of the nuclear reactor mentioned at the outset, this object is achieved by that according to the invention the partition wall has further openings formed by tubes, the tubes extending above normal water level.

Durch die mit Röhren versehene Trennwand ist ein Wärmefluß von dem sich oberhalb der Trennwand befindenden Kühlmittel zu dem unterhalb der Trennwand auf ein unbedeutendes Maß herabgesetzt. Dadurch kann dem Kühlmittel ein höherer Wärmeinhalt erteilt werden, wodurch die vorangehend genannten Nachteile vermieden sind. Durch die Wärmebarriere nach der Erfindung wird nicht nur der Wärmefluß auf einem erträglichen Wert gehalten, sondern die Röhren gemäß der Erfindung stellen sicher, daß das Kühlwasser bei 'einer Volumenänderung frei vom Wasserraum zum Dampfraum überwechseln kann, ohne sich vorher mit dem sich oberhalb der Trennwand befindenden Wasser zu vermischen. Bei einem plötzlichen Druckanstieg des Wassers im Wasserraum strömt Wasser bzw. Kühlmittel durch die Röhren der Trennwand in den Dampfraum und gelangt in direkte Berührung mit dem Dampf, wodurch dieser kondensiert. Diese Kondensation geht unter gleichzeitigem Druckabfall auf Grund der Temperaturdifferenz zwischen dem Dampf und dem aufsteigenden Kühlmittel, wie auch des Massenverhältnisses zwischen beiden sehr schnell vor sich. Dadurch ist sichergestellt, daß bei einem heftigen, temperaturbedingten Anstieg des Kühlmittelvolumens und damit auftretender Druckstoß keine Überbelastung des Reaktorgehäuses eintreten kann. Weiterhin ist durch die erfindungsgemäße Ausführungsform sichergestellt, daß bei allen Betriebsbedingungen des Reaktors das Sieden des Kühlmittels wirksam unterbunden ist, denn bei Ansteigen des Wasservolumens tritt ein rascher Druckabfall im Dampfraum auf, und bei Abfall des Wasservolumens ist für das sich oberhalb der Wärmebarriere befindende Wasser ausreichend Zeit gegeben, zu verdampfen, um den Druck den Betriebsbedingungen entsprechend einzustellen.There is heat flow from the tube through the partition wall coolant located above the partition to that below the partition reduced to an insignificant level. This allows the coolant to have a higher Heat content are given, thereby avoiding the disadvantages mentioned above are. The heat barrier according to the invention not only increases the heat flow kept a tolerable value, but put the tubes according to the invention ensure that the cooling water is free from the water space to the steam space when there is a change in volume can change over without first using the one above the partition To mix water. In the event of a sudden increase in the pressure of the water in the water space water or coolant flows through the tubes of the partition wall into the steam space and comes into direct contact with the steam, causing it to condense. This condensation goes with a simultaneous pressure drop due to the temperature difference between the steam and the rising coolant, as well as the mass ratio between both of them very quickly. This ensures that in the event of a violent, temperature-related increase in the coolant volume and the resulting pressure surge no overloading of the reactor housing can occur. Furthermore, through the Embodiment according to the invention ensures that under all operating conditions of the reactor, the boiling of the coolant is effectively prevented, because when it rises of the volume of water, there is a rapid pressure drop in the steam space, and if it drops of the water volume is for the water located above the thermal barrier given sufficient time to evaporate to the pressure according to the operating conditions to adjust.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Trennwand in an sich bekannter Weise horizontal mehrfach unterteilt, um eine gute Wärmeisolation zu erhalten.According to a preferred embodiment of the invention, the partition divided horizontally several times in a manner known per se in order to ensure good thermal insulation to obtain.

Die Erfindung kann weiterhin dahingehend vorteilhaft ausgestaltet werden, daß die Röhren Trennwände enthalten, welche die Röhren zur Verminderung der Wasserzirkulation in den Röhren in eine Mehrzahl paralleler Kanäle trennen.The invention can also be designed advantageously to this effect be that the tubes contain partitions, which the tubes to reduce separate the water circulation in the tubes into a plurality of parallel channels.

Zweckmäßigerweise wird die Erfindung weiterhin derart ausgebildet, daß die Trennwände einer Röhre gleitbar in der Röhre gelagert sind und als Neutronen absorbierende Kontrolleinrichtung ausgebildet sind, wobei die Röhre eine Führung für diese Kontrolleinrichtung ist.The invention is expediently further embodied in such a way that that the partitions of a tube are slidably mounted in the tube and as neutrons absorbent control devices are formed, wherein the tube is a guide for this control device is.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben; es stellt dar F i g. 1 einen Kernreaktor und F i g. 2 in vergrößertem Maßstab eine Wärmebarriere zwischen Dampfraum und Wasserraum. Der Reaktor umfaßt einen Reaktorbehälter 1, der einen Kern 2 mit dem Kernbrennstoff enthält. Der Kern enthält mehrere Brennstoffelemente 3, durch die Wasser in der angezeigten Richtung hindurchströmt; der Klarheit halber ist lediglich ein einziges Brennstoffelement dargestellt. Das erhitzte Wasser verläßt den Reaktor durch eine Leitung 4, gibt seine Wärme in einem Wärmeaustauscher 5 ab und wird durch eine Leitung 6 zu dem Reaktor zurückgepumpt.In the following the invention is described with reference to the drawing; it represents F i g. 1 a nuclear reactor and FIG. 2, on an enlarged scale, a thermal barrier between the steam space and the water space. The reactor comprises a reactor vessel 1 which contains a core 2 with the nuclear fuel. The core contains several fuel elements 3 through which water flows in the direction indicated; For the sake of clarity, only a single fuel element is shown. The heated water leaves the reactor through a line 4, gives off its heat in a heat exchanger 5 and is pumped back through a line 6 to the reactor.

Der Reaktorbehälter 1 enthält eine horizontale Trennwand 7, die den Behälter in einen oberen, als Dampfraum 8 bezeichneten Abschnitt und einen unteren, als Wasserraum 9 bezeichneten Abschnitt aufteilt, der die Brennstoffelemente 3 enthält. Die Trennwand 7 ist zweiteilig ausgebildet. Sie weist mehrere senkrechte Röhren 10 auf, die sich über die Trennwand 7 hinaus erstrecken. Diese senkrechten Röhren 10 enthalten Trennwände 11 bzw. 12 mit kreuzförmigem Querschnitt, die jede Röhre in vier enge senkrechte Kanäle teilen. Eine der kreuzförmigen Trennwände, die mit 12 bezeichnet ist, erstreckt sich über die Röhren 10 hinaus und ist in einer der Röhren 10 gleitend angeordnet. Diese kreuzförmige Trennwand 12 ist eine der Neutronen absorbierenden Kontrolleinrichtungen des Reaktors und an dem oberen Ende eine Antriebsstabs 13 befestigt, der sich durch einen senkrechten Kanal 16 in dem Reaktorkern erstreckt; der Klarheit halber ist lediglich ein Antriebsstab 13 dargestellt, der durch einen Mechanismus 14 betätigt und in der die kreuzförmige Trennwand 12 umgebenden Röhre 10 geführt wird.The reactor vessel 1 contains a horizontal partition 7, which divides the vessel into an upper section, designated as steam space 8, and a lower section, designated as water space 9, which contains the fuel elements 3. The partition 7 is formed in two parts. It has a plurality of vertical tubes 10 which extend beyond the partition wall 7. These vertical tubes 10 contain dividing walls 11 and 12, respectively, of cruciform cross-section, which divide each tube into four narrow vertical channels. One of the cross-shaped partitions, indicated by 12, extends beyond the tubes 10 and is slidably disposed in one of the tubes 10. This cruciform partition wall 12 is one of the neutron absorbing control devices of the reactor and attached to the upper end is a drive rod 13 which extends through a vertical channel 16 in the reactor core; For the sake of clarity, only a drive rod 13 is shown, which is actuated by a mechanism 14 and is guided in the tube 10 surrounding the cruciform partition wall 12.

Der Dampfraum 8 des Reaktorbehälters 1 ist durch eine Leitung 17 mit einem elektrischen Boiler 18 verbunden. Der Boiler 18 wird durch eine Leitung 19, die ein Seitenarm der Leitung 6 ist, mit Wasser bebeschickt. Leitung 19 ist über eine Verbindungsleitung 20 mit einer Sprühdüse 21 verbunden, die oben im Reaktorbehälter 1 angebracht ist.The vapor space 8 of the reactor vessel 1 is connected to an electric boiler 18 by a line 17 . The boiler 18 is charged with water through a line 19, which is a side arm of the line 6. Line 19 is connected via a connecting line 20 to a spray nozzle 21 which is attached to the top of the reactor vessel 1 .

Die doppelte Trennwand 7 ist in dem Reaktorbehälter etwas unterhalb des normalen Wasserspiegels 23 befestigt. Folglich wird der Dampfraum 8 bei normalem Betrieb eine Wassermenge 24 enthalten. Die Röhren 10 sollen sich etwas über den normalen Wasserspiegel 23 hinaus erstrecken. Zusätzlich zu den Röhren 10 weist die Trennwand 7 Atemöffnungen 15 auf.The double partition wall 7 is fastened in the reactor vessel somewhat below the normal water level 23. Consequently, the steam space 8 will contain an amount of water 24 during normal operation. The tubes 10 should extend somewhat above the normal water level 23 . In addition to the tubes 10 , the partition 7 has breathing openings 15 .

Die bisher beschriebenen Druckmittel arbeiten wie folgt. Der Boiler 18 erzeugt gesättigten Dampf mit einer beachtlich höheren Temperatur als jene des Wassers im Wasserraum 9 und liefert diesen Dampf an den Dampfraum B. Andererseits wird verhältnismäßig kaltes Wasser in den Dampfraum 8 durch die Sprühdüse 21, die durch ein Ventil 25 in der Leitung 20 reguliert wird, eingesprüht. Die Temperatur in dem Dampfraum 8 sowie die Temperatur der Wassermasse 24 werden auf diese Weise auf einen höheren Wert gehalten als jene im Wasserraum 9. Daher ist der Druck in dem Reaktorbehälter 1 höher als der Druck des gesättigten Wasserdampfs bei der Temperatur im Wasserraum 9. Somit kann im Wasserraum 9 bzw. in dem gesamten Kühlsystem kein Sieden auftreten. Die doppelte Trennwand 7 mit der in ihr ruhenden Wassermasse gestattet lediglich einen geringen und erträglichen Wärmeübergang von der Wassermenge 24 auf die Wassermenge im Wasserraum 9. The pressure means described so far work as follows. The boiler 18 generates saturated steam at a considerably higher temperature than that of the water in the water chamber 9 and supplies the steam to the steam chamber B. On the other hand, relatively cold water in the steam chamber 8 through the spray nozzle 21 through a valve 25 in the conduit 20 is regulated, sprayed. The temperature in the steam space 8 and the temperature of the water mass 24 are kept at a higher value than that in the water space 9 in this way. Therefore, the pressure in the reactor vessel 1 is higher than the pressure of the saturated water vapor at the temperature in the water space 9. Thus no boiling can occur in the water space 9 or in the entire cooling system. The double partition 7 with the mass of water resting in it allows only a small and tolerable heat transfer from the amount of water 24 to the amount of water in the water space 9.

Der Wassermenge 24 wird fortgesetzt aus der Kondensation des Dampfes und aus der Sprühdüse 11. stammendes Frischwasser zugeführt. Bei gleichmäßigern Betrieb fließt Wasser aus der Wassermenge 24 zum Wasserraum 9 durch die Atemöffnungen 15. Diese Atemöffnungen genügen jedoch nicht, um den Durchtritt einer so großen Wassermenge zu gestatten, wie sie bei einem Druckstoß im Kühlsystem in den Wasserraum eindringt. Wenn solch eine Welle entsteht, fließt das Wasser im wesentlichen durch die Röhren 10. Wenn beispielsweise die Wassermenge abnimmt, so wird das Wasser in den senkrechten Röhren 10 in den Wasserraum 9 abgezogen, und der Wasserspiegel kann sich zeitweilig unterhalb der doppelten Trennwand 7 senken. Diese temporäre Absenkung des Wasserspiegels hat ein Abströmen des Wassers der Wassermenge 24 zur Folge, das sich auf Siedetemperatur befindet. Die zusätzlich zu den Röhren 10 in der Trennwand 7 vorgesehenen Atemöffnungen 15 dienen derartiger Wasserabfuhr.The amount of water 24 continues to be supplied from the condensation of the steam and fresh water originating from the spray nozzle 11. With steady operation, water flows from the amount of water 24 to the water space 9 through the breathing openings 15. However, these breathing openings are not sufficient to allow the passage of such a large amount of water as would penetrate the water area in the event of a pressure surge in the cooling system. When such a wave occurs, the water essentially flows through the tubes 10 . This temporary lowering of the water level results in an outflow of the water of the amount of water 24 which is at the boiling point. The breathing openings 15 provided in addition to the tubes 10 in the partition 7 serve to discharge water of this type.

In Fällen normaler Arbeitsweise des Reaktors kann es erwünscht sein, den Druck im Reaktorbehälter 1 rasch zu ändern. Ein schneller Druckanstieg wird durch Verschließen des Ventils 25 erreicht, während ein öffnen dieses Ventils auf volle Kapazität zu einem raschen Druckabfall führt. Die durch die Sprühdüse austretende, die Kondensation des Dampfes und damit den Druck im Dampfraum einstellende Wassermenge wird durch die Atemöffnungen 15 aus dem Dampfraum wieder abgeführt.In cases of normal operation of the reactor, it may be desirable to change the pressure in the reactor vessel 1 quickly. A rapid increase in pressure is achieved by closing valve 25, while opening this valve to full capacity leads to a rapid pressure drop. The amount of water exiting through the spray nozzle, which sets the condensation of the steam and thus the pressure in the steam space, is discharged again from the steam space through the breathing openings 15.

Claims

Claims: 1. Nuclear reactor of the pressurized water type with a reactor vessel, a water space containing nuclear fuel in the lower part of the reactor vessel, a device for supplying pressurized water to the water space to be heated by the nuclear fuel, a device for extracting heated, pressurized water Water from the water space, a steam space separated from the water space by a partition, partly filled with water and partly filled with steam in the upper part of the reactor vessel, a device for generating steam at a temperature higher than that of the pressurized water, and for supplying this steam to the steam room, the partition serving as a heat barrier to reduce the heat flow from the steam room to the water room and below the normal water level, but close to it, is arranged in the reactor vessel and contains openings for the free passage of water, thereby marked This means that the partition (7) has further openings formed by tubes (10) , the tubes (10 ) extending to above the normal water level (23).

2. Nuclear reactor according to claim 1, characterized in that the partition (7) is horizontally divided several times in a manner known per se.

3. Nuclear reactor according to claim 1 or 2, characterized in that the tubes (10) contain partition walls (11) which separate the tubes into a plurality of parallel channels in order to reduce the water circulation in the tubes.

4. Nuclear reactor according to claim 3, characterized in that the partition walls (12) of a tube (10) are slidably mounted in the tube and are designed as neutron-absorbing control devices, the tube being a guide for this control device.