DE1439123B2 - Vorrichtung zur Kühlung von stab förmigen, nebeneinander angeordneten Brenn elementen im Innern eines Reaktorbehalters - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Kühlung von stabförmigen, nebeneinander angeordneten Brennelementen im Innern eines Reaktorbehälters unter Anwendung einer den Reaktorbehälter ganz oder teilweise durchsetzenden, aus Potential- und Rotationsströmung bestehenden Drehströmung, die durch schräg-tangentiale Einströmung im Mantel des Reaktorbehälters angeregt wird. Bekanntlich wird in heterogenen Kernreaktoren die bei der Kernspaltung frei werdende Wärme durch ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel von den meist stabförmigen Brennelementen aufgenommen und aus dem Reaktor heraus nach außen transportiert. Dabei kann der Moderator zugleich Kühlmittel oder aber eine nicht der Kühlung dienende Substanz, z. B. Graphit oder Beryllium, sein.

Ähnlich wie bei heterogenen Kernreaktoren liegen auch die Kühlverhältnisse bei den meisten Typen von schnellen Kernreaktoren.

Der Wärmefluß von den Brennelementen an das zwischen diesen und dem Moderator bzw. sonstigen Einbauten oder auch den Reaktorwänden befindliche Strömungsmedium kann bei gleichen Geometrieverhältnissen und bei gleicher wirksamer Temperaturdifferenz durch folgende, die Wärmeübergangszahl vergrößernde Maßnahmen erhöht werden:

1. Erhöhung der Kühlmittelgeschwindigkeit und/ oder der Turbulenz durch direkte Geschwindigkeitserhöhung durch weitere Turbulenzmittel und/oder durch Erzeugung eines dem normalen Durchlauf überlagerten Umlaufes, d. h. Vergrößerung des Mengenflusses im gesamten Reaktorbehälter bzw. im Reaktorkern.

2. Durchbrechung oder Auflockerung der stagnierenden Flüssigkeitsgrenzschichten an den Wandungen der Brennelemente durch Oberflächensieden.

3. Verdünnung der Grenzschicht und Erhöhung des Turbulenzgrades in der Grenzschicht mit Hilfe einer Drallströmung, die der zu den Brennelementen parallel verlaufenden und diese kühlenden Strömung aufgedrückt wird.

Es ist bereits bekannt, die Wärmeabgabe der Brennelemente an das umgebende Kühlmedium durch Anordnung von wendeiförmigen Leitblechen auf der Außenseite (schweizerische Patentschrift 351 348, französische Patentschrift 1233 935) zu erhöhen. Durch diese Leitbleche wird jedoch zusätzliches Strukturmaterial in den Reaktorkern gebracht, wodurch sich der Neutronenhaushalt erheblich verschlechter.

Ferner ist es bekannt, innerhalb des Reaktorbehälters eine Umlauf strömung zu erzeugen (belgische Patentschriften 529 777 und 567 413; »Nuclear Engineering«, April 1957, S. 148). Durch die dadurch erzeugten Wirbel soll einerseits das Kühlmittel gut durchmischt werden, andererseits soll bei starken Fliehkraftfeldern, insbesondere bei Siedewasserreaktoren, bereits eine vorzeitige Trennung von Wasser und Dampf erreicht werden.

Diese Maßnahmen reichen jedoch nicht aus, um gezielt an den einzelnen Brennelementen eine Erhöhung der Wärmeübergangszahlen zu erreichen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen höheren thermischen Wirkungsgrad durch Erhöhung der Wärmeübergangszahlen zu erreichen, ohne daß dabei zusätzliches Strukturmaterial in den Bereich des aktiven Teils des Reaktorkerns eingebracht werden muß. Dabei wird von einer Turbulenzerhöhung unter Ausnutzung der in einer aus Potentialwirbel- und Rotationsströmung bestehenden Drehströmung auftretenden Kräfte und Stromlinien Gebrauch gemacht.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung dadurch gelöst, daß am Boden des Reaktorbehälters in an sich bekannter Weise spiralförmige Leitvorrichtungen angebracht sind und daß diese Leitvorrichtungen vom wandnahen Bereich des Reaktorbehälters aus zu den einzelnen Brennelementen hin zur Führung von Teilströmungen, die von der äußeren Potentialwirbelströmung abzweigen und die Brennelemente als freie Rotationsteilströmungen umschließen, angeordnet sind.

Durch diese Leitvorrichtungen werden um die einzelnen Brennelemente freie, weitgehend umgeführte wendeiförmige Strömungsäste gelegt, so daß der Wärmeübergang durch Aufreißen der Grenzschicht erheblich verbessert und ein Filmsieden weitgehend vermieden wird.

Diese Leitvorrichtungen können dabei aus spiralförmig gewundenen Blechen bestehen, die den Fußpunkt der Brennelemente teilweise umschließen, oder aber sie können als Vordrehdüsen mit stoßfreiem axialem Eintritt und angenähert tangentialem Austritt für die Kühlmittelströmung ausgebildet sein.

An Hand der Zeichnung werden weitere Einzelheiten, die Vorteile und die Wirkungsweise der Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Kernreaktor gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung;

F i g. 2 zeigt einen Schnitt in der Ebene II-II ^ nach Fig. 1;

F i g. 3 zeigt eine Anordnung mit Vordrehdüse im Grund- und Aufriß.

In F i g. 1 ist der Reaktorbehälter mit 1 bezeichnet. Der Übersichtlichkeit halber ist nur ein Teil der Brennelemente 2 dargestellt. Das Speisewasser (H₂O oder D₂O) wird normalerweise durch den Stutzen 3 von unten in den Reaktorbehälter eingespeist und vermischt sich dort mit dem gegebenenfalls bereits im Reaktor vorhandenen und in diesem umlaufenden Wasser. Innerhalb des Reaktorkernes, d. h. zwischen den Brennelementen, erfolgt eine Aufwärmung, die auf Grund der durch sie bewirkten Dichteabnahme zu einem Auftrieb führt. Dabei strömt außen an der Behälterwand und in deren Nähe kühleres Wasser vertikal abwärts und vermischt sich unten mit dem neu eingespeisten Wasser. Auf Grund dieses Vorganges — verstärkt durch den unten erfolgenden kalten Zulauf und die Entnahme von heißem Wasser oberhalb des Reaktorkernes — entsteht eine natürliche Konvektion. Die Einspeisung kann einmal durch den unteren Stutzen 3 allein oder zusätzlich auch durch an den Reaktorkern angesetzte Düsen erfolgen, durch deren Ejektorwirkung der Umlauf beschleunigt wird. Die Einleitung des Speisewassers kann an sich außerdem von der Seite her erfolgen. Ferner kann man dem beschriebenen Naturumlauf einen Zwangumlauf, z. B. in Druckröhren, überlagern bzw. jenen durch diesen ersetzen. Alle diese Maßnahmen zur Vergrößerung des Wärmeüberganges reichen aber nicht aus, um bei größeren Leistungen — über eine durch die Wärmeübergangsverhältnisse jeweils bestimmte Grenze hinaus — das Einsetzen der partiellen

Filmverdampfung, die Pulsationen und damit ein instabiles Reaktorverhalten auslöst, zu vermeiden

Bei einem Reaktor nach der Erfindung wird nun dem Natur- oder Zwangumlauf bzw. dem Durchlauf im Reaktorbehälter eine Drehströmung überlagert. Die primäre Anregung der Potentialströmung 5 erfolgt mit Hilfe einer oder mehrerer schrägtangential an den Reaktorbehälter 1 angesetzter Düsen 4, durch die Reaktorspeisewasser oder Umlaufwasser mit einer so hohen Geschwindigkeit eingeleitet wird, daß dem an der Behälterwand innen normalerweise nur mit einer Abwärtskomponente strömenden Umlaufwasser eine Potentialströmung, d. h. zusätzlich eine Zirkulation aufgedrückt wird.

Der Boden 6 des Reaktorbehälters 1 ist an seiner oberen Seite mit Rauhigkeiten bzw. Profilen usw. versehen und bildet einen sogenannten »rauhen Grund«, an dem die Potentialströmung 5 mit Hilfe der Leitvorrichtungen 7 in einzelne Teilströme überführt wird, welche die stabförmigen Teile (Brennelemente) einzelnen in Form von zur primären Potentialumlaufströmung 5 achsenparallelen Rotationsfi ι teilströmungen 8 umgeben. Falls erforderlich, können jedem zu kühlenden Teil auch mehrere Leitvorrichtungen 7 zugeordnet werden. Die Leitvorrichtungen 7 können — von außen nach innen — zunächst in Form einer logarithmischen und anschließend in Form einer arithmetischen Spirale gekrümmt sein.

Entsprechend dem Umlaufsystem kann ein solcher rauher Grund auch oberhalb der Brennelemente angeordnet sein, wobei die Brennelemente 2 diesen rauhen Grund auch durchdringen können. Das im Reaktorkern aufgewärmte Wasser — bzw. beim Boiling Water Reaktor der in diesem erzeugte Dampf — strömt über die Rohre 9 aus dem Reaktorbehälter ab.

Die F i g. 2 zeigt einen Schnitt entsprechend der Schnittlinie II-II nach F i g. 1 mit den Brennelementen 2. Außer den Leitblechen 7 sind hier noch weitere Leitbleche 10 gezeigt, die der Übersichtlichkeit wegen in F i g. 1 nicht dargestellt sind. Zwischen dem Brennelement 2 a und dem Brennelement 2 c ist ein weiteres Brennelement Ib angeordnet, dessen Rotationsteilströmung 8 b selbständig durch die Rotationsteilströ- -^y' mung8iz des Brennelementes la und die Rotationsteilströmung 8 c des Brennelementes 2 c angeregt wird. In gleicher Weise wird die Strömung 8 d durch die Strömungen 8 c der Brennelemente 2 c angeregt. Es können aber auch weitere Leitbleche 10 α vorhanden sein, die aus den von den Leitblechen 10 geführten Leitprofilströmungen weitere Rotationsteilströmungen 8 e abzweigen.

An Stelle der massiven Brennelemente 2 α bis Id können auch rohrartig ausgebildete Brennelemente verwendet werden, wobei sowohl außerhalb als auch innerhalb dieser rohrförmigen Brennelemente eine Drehströmung zur Verbesserung des Wärmeüberganges angeregt werden kann.

Wie die Fig. 1 zeigt, laufen die Rotationsteilströmungen 8 nach Umströmen der Brennelemente 2 wieder in die Potentialströmung 5 ein.

F i g. 3 zeigt im Grund- und Aufriß eine Vordrehdüse 20, die an Stelle der Leitvorrichtungen 7 oder zusätzlich zu diesen in den einen rauhen Grund bildenden Boden 6 des Reaktors 1 nach F i g. 1 eingebaut werden kann. Diese Vordrehdüse besitzt einen möglichst stoßfreien Eintritt 21 für den Leitkanal 22, der eine zur Stirnfläche der Düse 20 tangentiale Austrittsöffnung 23 aufweist. In dieser Vordrehdüse wird dem durch die Öffnung 21 möglichst stoßfrei eintretenden Kühlmedium innerhalb des Kanals 22 eine Umlaufkomponente aufgezwungen, so daß das durch die Öffnung 21 eintretende nur eine Aufwärtskomponente aufweisende Kühlmedium 24 als Rotationsströmung 25 das Brennelement 26 umströmt und dieses kühlt. Im Grundriß der F i g. 3 sind außer der Eintrittsöffnung 21 noch weitere Eintrittsöffnungen angedeutet, die der Übersichtlichkeit halber im Aufriß nicht dargestellt sind. Wenn Vordrehdüsen nach F i g. 2 vorgesehen oder die Führungsprofile nach Fig. 1 so ausgebildet sind, daß sie zur vollen Anregung der Drehströmung ausreichen, kann auf die Wasserzufuhr durch die Düsen 4 verzichtet werden.

Soll die Kühlung der im Zentrum des Reaktors gelegenen Brennelemente vergrößert werden, weil z. B. infolge der kosinusförmigen Neutronenflußverteilung in einem Kernreaktor an dieser Stelle die Wärmeerzeugung größer ist, als in den Randzonen, so kann dies durch entsprechende Ausbildung der Führungsmittel bewirkt werden. Zu diesem Zweck können zur Kühlung der inneren Brennelemente die Strömungsdüsen nach F i g. 3 in der Weise verändert werden, daß die Strömungskanäle 22 dem Speisewasser einen stärkeren Drall aufzwingen. Ferner können auch die Leitvorrichtungen 7 und 10 mit größerer Breite und/oder mit größerem Abstand von dem in Strömungsrichtung der Potentialströmung 5 vorhergehenden Profil angeordnet und/oder näher an die Wand 1 des Reaktors gesetzt werden, so daß sie einen größeren Teilstrom aus der Potentialströmung 5 abzweigen. Selbstverständlich kann die Vorrichtung nach der Erfindung bei allen Flüssigkeits- und bei allen gasgekühlten Reaktoren angewendet werden, gleichgültig, ob die Brennelemente eine äußere oder auch eine innere Kühlung besitzen.

Ein wesentlicher Vorteil der Vorrichtung nach der Erfindung besteht darin, daß durch die Anregung einer Drehströmung dem Kühlmittel ein Ringumlauf, eine Drallkomponente um die Brennelemente und gegebenenfalls zusätzlich eine verstärkte Axialkomponente aufgezwungen wird. Dadurch werden die Wärmeübergangszahlen größer, ohne daß eine partielle Filmverdampfung einsetzt, deren Beginn nach höheren Wärmeübergangszahlen hin verschoben oder sogar unterdrückt wird, so daß die gefürchtete PuI-sationsinstabilität gemindert und das Stabilitätsverhalten des Reaktors in seiner Gesamtheit verbessert wird. Ferner wird der Void-Faktor innerhalb des Reaktorkernes herabgesetzt. Dabei wird unter dem Void-Faktor das von den Dampfblasen eingenommene Volumen, bezogen auf das gesamte von Wasser und Dampf innerhalb des Reaktorkernes ausgefüllte Volumen, verstanden.

Eine weitere Anwendung des Gegenstandes der Erfindung ergibt sich z. B. bei zahlreichen Wärmetauscher- und Verdampferkonstruktionen. Dabei wird die Energie entweder von einem die Wärme transportierenden flüssigen oder gasförmigen Stoff in die Austauschrohre gebracht. Der Wärmetransport kann bekanntlich auch in der umgekehrten Richtung erfolgen, nämlich von dem zwischen Austauschwand und den Rohrwänden befindlichen Medium auf den in den Rohren befindlichen Stoff. In gleicher Weise wie beim Reaktor kann auch hier die Wärmeübergangszahl durch Anwendung der vorstehend beschriebenen Erfindungsmerkmale erhöht werden.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Kühlung von stabförmigen, nebeneinander angeordneten Brennelementen im Innern eines Reaktorbehälters unter Anwendung einer den Reaktorbehälter ganz oder teilweise durchsetzenden, aus Potentialwirbel- und Rotationsströmung bestehenden Drehströmung, die durch schräg-tangentiale Einströmungen im Mantel des Reaktorbehälters angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß am Boden (6) des Reaktorbehälters (1) in an sich bekannter Weise spiralförmige Leitvorrichtungen (7) angebracht sind und daß diese Leitvorrichtungen (7) vom wandnahen Bereich des Reaktorbehälters (1) aus zu den einzelnen Brennelementen (2) hin zur Führung von Teilströmungen, die von der äußeren Potentialwirbelströmung (5) abzweigen und die Brennelemente (2) als freie Rotationsteilströmungen (8) umschließen, angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitvorrichtungen (7) aus spiralförmig gewundenen Blechen (10) bestehen, die den Fußpunkt der Brennelemente (2) teilweise umschließen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitvorrichtungen (7) als Vordrehdüsen (20) mit stoßfreiem axialem Eintritt (21) und angenähert tangentialem Austritt (23) für die Kühlmittelströmung (24) ausgebildet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen