DE1297779B

DE1297779B - Einrichtung zur Regelung des Kuehlmitteldurchsatzes durch ein Kernreaktor-Brennelement

Info

Publication number: DE1297779B
Application number: DEL49981A
Authority: DE
Inventors: Winkler Eberhard; Doerler Rudolf
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1965-02-17
Filing date: 1965-02-17
Publication date: 1969-06-19
Also published as: GB1135925A; US3510396A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung ein Brennelementschaden mit entsprechender Kontazur Regelung des Kühlmitteldurchsatzes durch ein mination des Kühlmittelprimärkreislaufes durch aus Kernreaktor-Brennelement in Abhängigkeit von der dem Brennelement austretende Aktivitäten. Kühlmittelaustrittstemperatur, bei der mit der Ab- Es ist die Aufgabe der Erfindung, die obengenann-

ström- oder mit der Seite des Brennelementes eine 5 ten Nachteile zu vermeiden, und eine besonders be-Regelvorrichtung verbunden ist, bei der ein Regel- triebssichere Einrichtung zur Regelung des Kühlkörper auf der Temperatur des abströmenden Kühl- mitteldurchsatzes anzugeben.

mittels gehalten und durch thermische Expansion Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß erfin-

bzw. Kontraktion ein Regelglied bewegt wird, das den dungsgemäß die Regelvorrichtung aus einem von Kühlmitteldurchsatz regelt (vgl. die britischen Patent- io Kühlmittel durchströmten Regelrohr mit einer oder schriften 876 232 und 880 489). mit mehreren Öffnungen an der Kühlmitteleintritts-

Ein Kernreaktor entwickelt in seinem Zentrum oder Kühlmittelaustrittsseite besteht, welches relativ eine größere Wärmemenge als an seinen Randzonen. gegen eine Regelkante derart durch thermische Ex-Ferner können sich in einem Reaktor Zonen unter- pansion oder Kontraktion bewegbar angeordnet ist, schiedlicher Temperatur durch die gerade gegebene 15 daß die Öffnungen des Regelrohres von der Regel-Stellung der Absorberstäbe entwickeln. Trifft man kante entsprechend der Temperatur des abströmenkeine Maßnahmen, die daraus resultierende Tempe- den Kühlmittels mehr oder weniger verdeckt werden, raturdifferenz, die beispielsweise bei Dampfkühlung Es ist besonders vorteilhaft, daß die erfindungseinige 100° C betragen kann, zu verringern, so ergibt gemäße Anordnung unmittelbar innerhalb des Resich daraus eine Leistungsverminderung des Reaktors, ao aktordruckgefäßes angeordnet werden kann. Die weil einerseits die Temperatur der Brennelementhülle Nachteile der bekannten Anordnungen innerhalb des einen bestimmten Wert nicht überschreiten darf und Reaktordruckgefäßes werden dabei vermieden. Vorandererseits die maximale Leistung des Reaktors teilhafterweise sind die Dampfführungen zum und/ durch die heißeste Stelle vorgegeben ist. Außerdem ist oder vom Brennelement gleichzeitig Bestandteile der man bestrebt, diese Temperaturdifferenz zu vermei- as Regeleinrichtung. Es werden dadurch Ansprechzeitden, um die wärmetechnisch gleich ausgelegten konstanten der Regeleinrichtung verringert. Der we-Brennelemente auch mit der gleichen Temperatur zu sentlichste Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichbetreiben. tung ist jedoch deren einfacher und robuster Aufbau,

Ein bekannter Kernreaktor löst dieses Problem, so daß ein optimal betriebssicheres Arbeiten dadurch indem er den Dampf mehrfach an den Brennelemen- 3° gewährleistet wird.

ten vorbeistreichen läßt und jeweils den heißeren und In den Figuren sind sechs beispielsweise Ausfüh-

den kälteren Dampf vor einem neuen Durchgang rungsformen von mit der erfindungsgemäßen Regelmischt. Diese Lösung ist jedoch wegen der erforder- einrichtung versehenen Brennelementen im Schnitt liehen Dampfmischer aufwendig. Dieser Nachteil wird dargestellt. Dabei ist der Fall angenommen, daß das mit einer Vorrichtung zur Regelung des Kühlmittel- 35 Kühlmittel das Brennelement an seiner Abströmseite durchsatzes durch ein Kernreaktor-Brennelement in dampfförmig verläßt. Einander in ihrer Wirkungs-Abhängigkeit von der Kühhnittelaustrittstemperatur weise entsprechende Bauteile sind jeweils mit den gemäß der britischen Patentschrift 876232 umgan- gleichen Bezugszeichen versehen. In gen. Dabei finden jedoch bewegliche Teile innerhalb F i g. 1 ist ein Dampfführungssystem eines Brenn-

des Druckgefäßes des Kernreaktors Verwendung. Da 40 elementes, das aus vier rohrförmigen innen und außen diese Teile im direkten Kühlmittelkreislauf angeord- gekühlten Brennelementen besteht, mit der erfinnet sind, werden sie so stark kontaminiert, daß deren dungsgemäßen Regeleinrichtung dargestellt; in Wartung und Reparatur außerordentlich erschwert Fig. 2 ist der Ausschnitt eines Brennelementes

ist. In der britischen Patentschrift 880 489 ist gezeigt, der mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung ein Regelkörper beschrieben, der sich axial unter 45 zur Regelung der Durchflußmenge versehen ist; in Einfluß der Temperatur des vorbeiströmenden Kühl- F i g. 3 ist ein Brennelement mit einem nur ein-

mittels verändert und damit eine Durchflußverände- seitig durchströmenden dampfgekühlten Brennstoffrung des Kühlmittels bewirkt. Der hier beschriebene stab dargestellt; in den

geschichtete Regelkörper ist sehr aufwendig aufge- Fig. 4, 5 und 6 sind Ausführungsformen der

baut, wodurch sich eine relativ hohe Störanfälligkeit 50 Durchflußregelung in Verbindung mit Brennelementen ergibt. Da eine derartige Vorrichtung innerhalb des gezeigt.

Reaktordruckgefäßes angeordnet ist, entstehen hier In der F i g. 1 ist ein Brennelement mit vier rohr-

die gleichen Schwierigkeiten, wie bei der Vorrichtung förmigen außen vom siedenden Kühlmittel und innen gemäß der britischen Patentschrift 876 232. Anfällige vom dampfförmigen Kühlmittel gekühlt, dargestellt, zusammengesetzte innerhalb des Reaktordruckgefäßes 55 Mit 5 ist das gleichzeitig als Moderator dienende angeordnete Regelglieder werden durch die Einrich- Wasser eines Siedeüberhitzerreaktors bezeichnet. Bei tung gemäß deutscher Auslegeschrift 1113 761 um- 1 strömt Sattdampf in die einzelnen rohrförmigen gangen. Hier wird ein Brennelementsystem eines Brennelemente 10. Nach dem Durchströmen der Kernreaktors beschrieben, bei dem über gesonderte beiden äußeren Brennelemente wird das schon etwas externe Meß- und Regelglieder die zuströmende 60 überhitzte dampfförmige Kühlmittel umgelenkt und Kühlmittelmenge von jeweils zu einem Kanal zu- durchströmt die beiden inneren Brennelemente 10, sammengefaßten thermisch etwa gleich belasteten die es als überhitzter Dampf bei 2, etwa mit der Tem-Brennelementen entsprechend der Temperatur des peratur von 500° C, verläßt. Mit 3 sind die Endstücke abströmenden Kühlmittels geregelt wird. Auch hier der Brennelemente bezeichnet. An die Endstücke 3 ergeben sich eine Vielzahl von Fehlermöglichkeiten 65 der beiden inneren Brennelemente schließt die erfindurch die externe Messung und Regelung. dungsgemäße Einrichtung zur Regelung des Durch-

Die Folge eines nur relativ geringfügigen Fehlers flusses an. Der überhitzte Dampf strömt jeweils in ein bei einer der oben beschriebenen Einrichtungen ist Regelrohr 4. Ein Regelrohr 4 ist jeweils mit einem

Isolierrohr 7 umgeben, so daß zwischen dem Regelrohr 4 und dem Isolierrohr 7 ein ringförmiger Zwischenraum 6 entsteht. Diese Isolierung ist deswegen notwendig, da sich das als Kühlflüssigkeit und Moderator dienende Wasser auf Siedetemperatur von etwa 280⁰C befindet, wohingegen der überhitzte Dampf eine Temperatur von etwa 500° C aufweist. Die Länge eines Regelrohres 4 beträgt einige Meter. Der Dampf verläßt das Regelrohr durch die Dampfaustrittsöffnungen 8 und streicht an der Regelkante 9 vorbei. Erzeugt ein Brennelement nur eine geringere Wärmemenge, so muß der Dampf dieses Brennelementes langsamer strömen, als bei einem Brennelement, das eine größere Wärmemenge erzeugt. Auf diese Weise erhält der langsamer strömende Dampf eine höhere Temperatur. Die Beeinflussung des Kühlmitteldurchsatzes wird dadurch erreicht, daß sich das Regelrohr 4, das beispielsweise aus austenitischem Stahl besteht, weniger erwärmt, und sich dadurch weniger als bei einem anderen Brennelement ausdehnt. Hierdurch schiebt sich die Regelkante 9 mehr vor die Austrittsöffnungen 8, der Dampfstrom wird verringert, und somit kann sich der langsamer strömende Dampf stärker erwärmen. Umgekehrt verlängert sich bei einer zu hohen Dampftemperatur das Regelrohr, der Dampfdurchsatz wird vergrößert, und die Dampftemperatur sinkt.

Es muß jedoch auch bei einer sehr geringen Dampftemperatur eine gewisse Menge Dampf das Regelorgan passieren können, da sonst das Brennelement nicht mehr gekühlt würde. Daher befindet sich in der Ausführungsform nach Fig. 2 zwischen dem Regelrohr 4 und der Regelkante 9 auch bei stärkster Verkürzung des Regelrohres 4 noch ein Spalt. Die Regelkante besteht in diesem Falle aus einem keilförmigen Stück. In F i g. 2 b ist ein Querschnitt längs der gestrichelt in F i g. 2 a eingezeichneten Linie dargestellt.

In der Ausführungsform nach F i g. 3 ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Regelung des Durchflusses bei einem stabförmigen Brennelement 10 gezeigt. Hier besteht die Regelkante 9 aus einem haubenförmigen einseitig verschlossenen zylindrischen Stück mit kronenartigem Ansatz, das sich je nach der Länge des Regelrohres 4 mehr oder weniger über das Isolierrohr 7 schiebt. Dabei ist an der oberen Kante des Isolierrohres 7 ein Abstandshalter 11 angebracht, wodurch das Regelrohr 4 konzentrisch zu dem Isolierrohr 7 geführt ist. Das Brennelement wird hier nur von strömendem Dampf gekühlt, daß Sieden des Kühl- und Moderatorwassers 5 erfolgt an der Außenseite des Isolierrohres 7. Der Wärmeübergang findet durch das in dem Raum 6 stagnierende dampfförmige Kühlmittel sowie über Wärmestrahlung statt.

In der F i g. 4 trägt das Regelrohr 4 ein stopfenartiges Verschlußstück, dessen Regelkante 9 die Menge des durchströmenden Kühlmittels beeinflußt. Hierbei wird jedoch ein doppelwandiges rohrförmiges Brennelement 10 verwendet, an dessen Außenseite das Reaktorkühl- und Moderatormittel siedet. In Fig. 4b ist ein Querschnitt durch die in Fig. 4a eingezeichnete Schnittlinie gezeigt.

In F i g. 5 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der zur Erhöhung des Regeleffektes das Regelrohr 4, das in diesem Fall aus 3 Teilrohren 4', 4" und 4'" zusammengesetzt ist, mehrfach ineinander geschachtelt ist. Dabei bestehen vorteilhafterweise die Regelrohrabschnitte 4' und 4'" aus einem Material mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten, während der mittlere Regelrohrabschnitt 4" aus einem Material geringerer Wärmeausdehnung besteht.

In der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform wird das Abströmrohr des überhitzten Dampfes vom Zuströmrohr 12 des Sattdampfes umschlossen. Der Sattdampf strömt dabei durch den ringförmigen Raum zwischen dem Rohr 12 und dem Isolierrohr 7 der Einrichtung zur Regelung der Durchflußmenge. Es wird dabei über die Regelkante 9 die Menge des eintretenden Dampfes geregelt. Zur besseren Isolierung gegen das siedende Reaktorkühlmittel ist das Zuströmrohr 12 durch ein an seiner Innenseite angebrachtes Schirmrohr 13 thermisch gegen den bei 9 eingeleiteten Dampf isoliert. So wird erreicht, daß die Außenwand des Eintrittsrohres 12 etwa die Temperatur des Sattdampfes einnimmt, während das Regelrohr 4 die Temperatur des voll überhitzten Dampfes erhält. Um thermische Spannungen zu vermeiden, ist das Schirmrohr 13 nur beispielsweise an seinem oberen Ende mit dem Zuströmrohr 12 verbunden.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann nicht nur zur Regelung des Durchsatzes von überhitztem Dampf, sondern auch zur Regelung des Durchsatzes anderer Kühlmedien, wie beispielsweise flüssige Metalle oder Helium, Verwendung finden.

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Regelung des Kühlmitteldurchsatzes durch ein Kernreaktor-Brennelement in Abhängigkeit von der Kühlmittelaustrittstemperatur, bei der mit der Abström- oder mit der Zuströmseite des Brennelementes eine Regelvorrichtung verbunden ist, bei der ein Regelkörper auf der Temperatur des abströmenden Kühlmittels gehalten und durch thermische Expansion bzw. Kontraktion ein Regelglied bewegt wird, das den Kühlmitteldurchsatz regelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtung aus einem von Kühlmittel durchströmten Regelrohr (4) mit einer oder mit mehreren öffnungen an der Kühlmitteleintritts- oder Kühlmittelaustrittsseite besteht, welches relativ gegen eine Regelkante (9) derart durch thermische Expansion oder Kontraktion bewegbar angeordnet ist, daß die öffnungen des Regelrohres 4 von der Regelkante (9) entsprechend der Temperatur des abströmenden Kühlmittels mehr oder weniger verdeckt werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem aus dem Brennelement austretenden heißen Kühlmittel durchströmte Regelrohr (4) durch ein konzentrisches Isolierrohr (7) und durch einen zwischen den beiden Rohren liegenden, von stagnierendem und dadurch isolierendem Kühlmittel erfüllten Zwischenraum (6) von der äußeren Umgebung thermisch isoliert ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelkante (9) durch die thermische Differenzdehnung zwischen Isolierrohr und Regelrohr bewegt wird.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel Wasserdampf verwendet wird, der überhitzt das

Brennelement verläßt und der als stagnierender Sattdampf zwischen Isolierrohr und Regelrohr zur Wärmeisolierung steht, wobei das Isolierrohr durch das umgebende Wasser auf der Siedetemperatur gehalten wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelkante aus einem am Ende des Regelrohres befestigten Verschlußstück (9) besteht.

6. Einrichtung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelrohr (4) aus mehreren ineinander geschachtelten Teilrohren (4', 4", 4'") besteht, von denen abwechselnd jeweils die oberen und die unteren Enden miteinander fest verbunden sind, und die Teilrohre abwechselnd aus einem Material mit hohem und mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen.

7. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Kühhnitteldurchsatzes an der Abströmseite des Brennelementes erfolgt.

8. Einrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abströmrohr des Kühlmittels koaxial vom Zuströmrohr (12) umschlossen ist, wobei an der Innenseite der Außenwand des Zuströmrohres ein Schirmrohr (13) angebracht ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Kühlmitteldurchsatzes an der Zuströmseite des Brennelementes erfolgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen