DE1439223A1 - Verfahren und Einrichtung zum Regeln des Drucks im Primaerkreislauf eines Kernreaktors - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zum Regeln des Drucks im Primaerkreislauf eines Kernreaktors

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DE1439223A1 DE19631439223 DE1439223A DE1439223A1 DE 1439223 A1 DE1439223 A1 DE 1439223A1 DE 19631439223 DE19631439223 DE 19631439223 DE 1439223 A DE1439223 A DE 1439223A DE 1439223 A1 DE1439223 A1 DE 1439223A1
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Description

• Rudolf Busselmeier
Patentanwalt Augsburg, den 19. September Augsburg · Rchlingonstraße ·
pMudwckkeniei Manch·* Nr.r«>» Neufassung
2069/12 Dr.L./ßm " Az.} S ö(t 24l VIIIc/2lg 21/20 Patentanmeldung .
Societe anglo-belge Vulcain, societe anonyme, 351 Rue des Colonies, Brüssel, Belgien
• I 1
"Verfahren und.;Einrichtung zum Regeln des Drucks im Primärkreislauf eines Kernreaktors"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln des Drucks in einem den Kern eines Kernreaktors, beispielsweise zum Zwecke der Kühlung, Moderatxon, Reflexion oder dgl. durchsetzenden, abgeschlossenen Flüssigkeitskreislauf (Primärkreislauf), wobei die Primärflüssigkeit, vorzugsweise in einem separaten Druckerzeugerbehälter,■mit ihrer Dampfphase in Kontakt steht und in die Dampfphase Primärflüssigkeit in feinverteilter Form eingeführt wird. '
Weiterhin betrifft die Erfindung einen Kernreaktor zur Durchführung eines solchen Verfahrens. . Das Primärkreislaufsystem vieler Reaktortypen besitzt . ein im wesentlichen konstantes Volumen, wobei die das System durchfließende Primärflüssigkeit im all-
- 90 98 1 5 /;0 19 k *An - * 2 "
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gemeinen wenigstens an einem Punkt des Kreislaufs mit ihrer Dampfphase in Kontakt steht. Erfährt nun die Primärflüssigkeit, beispielsweise aufgrund einer Leistungsänderung des Reaktors, eine Temperaturänderung, so ergeben sich im Primärkreislaufsystem Druckänderungen, die das System beschädigen würden, wenn nicht Mittel vorgesehen würden, die die Druckänderungen in bestimmten, unschädlichen Grenzen halten.
Zur Erfüllung dieser Aufgabe kann beispielsweise ein Druckerzeuger vorgesehen werden, wie er aus dem DBP 1 095 kl5 bekannt ist. Zn diesem Druckerzeugerbehälter steht die Primärflüssigkeit mit ihrer ein erhebliches Volumen ausfüllenden Dampfphase in Kontakt. In dieser Dampfphase wird über Sprühdüsen Wasser von der kalten Eintrittsseite des Primärkühlmittels in den Reaktor eingeführt. Damit wird erreicht, daß bei Temperaturerhöhung der Primärf lüs si gke'it und dem damit verbundenen Verdampfen ein Teil des Dampfes sofort wieder kondensiert wird, und damit die Druckerhöhung im System abgefangen wird. Für den umgekehrten Vorgang der Druckverminderung im System sind Heizelemente vorgesehen, die die Flüssigkeit zum Verdampfen bringen.
Ein anderer Druckerzeuger ist in dem DBP 1 I19 beschrieben. Auch hier steht die Primärflüssigkeit
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BADORlGiNAL .
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mit ihrer Dampfphase in Kontakt· Auch hier wird kühle Flüssigkeit im Dampfraum versprüht, um den Dampf bei Erhöhung des Druckes oder des Volumens zu kondensieren (sogenannte "positive1* Vorgänge). Bei sogenannten "negativen" Vorgängen (Verringerung des Druckes oder des Volumens im System) werden auch hier eingebaute Heizelemente eingeschaltet und damit Flüssigkeit verdampft. ,
Eine andere Art.den Druck im Primärkreislaufsystem zu regeln.wird in J.A. Lane, H.G, Mac Pherson, F. Maslan: "Fluid Fuel Reactors" September I958, Seite kZk beschrieben. Bs handelt sich hier um einen sogenannten Gas-Diyrckhalter, bei welchem die Primärflüssigkeit mit einem Gemisch aus einem bei Betriebsbedingungen nicht kondensierbarefi. Gas und ihrem Dampf in Kontakt steht. Der Partialdruck des Gases in der Mischung bewirkt, daß der Druck im System stets oberhalb des Sättigungsdampfdruckes der Primärflüssigkeit wenigstens bei der Temperatur im Druckgefäß liegt. Es soll damit vermieden werden, daß bei plötzlichen Druckänderungen Kavitationen bzw. Volumensieden insbesondere an den heißen Punkten des Primärkreislaufs auftreten. Jedoch werden auch bei dem in dieser Literaturstelle genannten Reaktor elektrische Heizelemente benötigt, um bei Druckverminderungen im' System Flüssigkeit zu verdampfen.
BAD ORIGINAL Die bekannten Einrichtungen haben nun alle den
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• - 4 -
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' i
Nachteil, daß sie für ein ordentliches Funktionieren entweder die Anordnung aufwendiger gesonderter Heiz— ' elemente benötigen, oder aber insbesondere die "-negativen" Druckänderungen nicht zu beherrschen vermögen. Aufwendig ist auch das jeweils notwendige An- und Abschalten der Heizelemente, das von auf die Druckänderungen im System reagierenden Meßfühlern gesteuert werden muß·
• -ι
D_ie Erfindung beseitigt diese Kachteile und schlägt ein Verfahren zum Regeln- des Drucks vor, gemäß welchem in an sich bekannter Weise die Dampfphase der Flüssigkeit im Druckerzeugungsbehälter mit einem oder mehreren unter den Betriebsbedingungen nicht kondensierbaren Gas(en) vermischt gehalten wird, und die in die Gas-Dampfmischung einzuführende Primärflüssigkeit von einem Rreislaufpunkt hoher Temperatur abgezweigt wird* ν
Der Dampfphase kann ein einzelnes Gas oder auch eine Mischung aus mehreren Gasen zugesetzt sein. Jedoch muß der Partialdruck des Gasanteils natürlich einem vorgegebenen Nominalwert entsprechen, und es genügt nicht etwa der immer vorhandene geringe Anteil von Gasen, die beispielsweise durch die Kernspaltung freigeworden sind, oder die durch pyrolytischen und/oder radioly, tischen Zerfall aus der Primärflüssigkeit entstanden sind·* * ·
Zum Einführen der Priiharflüssigkeit in die Gas-Dampf-
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mischung in feinverteilter Form können verschiedenartige bekannte Mittel vorgesehen werden·.Beispielsweise kann die Primärflüssigkeit wie bei den vorbeschriebenen bekannten Einrichtungen über Sprühdüsen eingesprüht werden, jedoch genügt auch gegebenenfalls ein Verrühren bzw« Verwirbeln der Primärflüssigkeit im Druckerzeugerbehälter.
Von ganz besonderer Bedeutung ist jedoch die erfindungsgemäße Maßnahme, die in die Gas-Dampf mischung einzuführende Primärflüssigkeit von einem Kreislaufpunkt hoher Temperatur abzuzweigen. Hierdurch unterscheidet sie sich sehr wesentlich von den bekannten Einrichtungen, bei welchen kalte Primärflüssigkeit zur Regelung von positiven Druckänderungen eingesprüht wird. Das Einführen von heißer Primärflüssigkeit in feinverteilter Fora bewirkt aber, in Verbindung ait der Zumischung von nicht kondensierbarem Gas, die Beherrschung von negativen Drückänderungen· Dies wurde bisher nur durch die Verwendung besonderer Heizvorrichtungen ermöglicht·
Das *in*prüh*n der heißen Prieärflüesigkeit in die Gas-Daapf mischung bewirkt, daß die Volumenexpansionen und Volumenverainderung nicht adiabatisch ύοτ sich gehen, da durch die im Dampf-Gasraum'feinverteilte heiße PriMMrfliissifkeit «in inniger Kontakt herge- •teilt wird. Bei negativen Vorgängen wird also durch
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das Einsprühen, der heißen Flüssigkeit bewirkt, daß
damit
sofort neue Flüssigkeit verdampft und/die Druckverminderung ausgleicht. Durch die Erfindung wird erreicht, daß im Primärsystem die auftretenden Änderungen des Gesamtdrucks den Wert des Gaspartialdrucks nicht überschreiten. In dem man den Gaspartialdruck nur- auf einem kleinen Bruchteil des Gesamtdrucks hält, z.H. vorteilhafterweise auf(15?6 des Gesamt-
-ϊ
druckes.hält man daher die Änderungen im Gesamtdruck sehr klein, selbst dann, wenn große Volumenänderungen in dem von der Gas-Dampfmischung eingenommen Volumen auftreten. . ε
Es ist nun in der Praxis nicht notwendig, daß der Druck der Primärflüssigkeit streng innerhalb sehr enger Grenzen gehalten wird. Vielmehr reicht es aus, wenn dieser Druck größer oder wenigstens gleich ist wie min. Referenzdruck, der z.B. dem Sättigungsdampfdruck: der. Primärflüssigkeit an einem vorgegebenen Punkt des Kreislaufs entspricht. Dieser vorgegebene Punkt, des Kreislaufs kann beispielsweise der Punkt sein, bei welchem der Wärmeübergang -zur Primär fluesifkeit am größten ist. Die Temperatur der Primärflüssigkeit in diesem Punkt ändert sich im allge meinen .sehr schnell mit der Reaktorleistung, und deshalb können dann auch die Druckänderungen im Primärkreislauf entsprechend abgefangen werden.
AXs ein derartiger Referenzpunkt kann z.B. sehr
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zweckmäßig der Ort des Austritts der Primärflüssigkeit aus dem Reaktorkern, verwendet werden.
Vie schon erwähnt, ist es oberstes Gebot bei der Druckregelung im Primärsystem, daß der Druck stets genügend groß ist, um zu jeder Zeit ein Volumensieden am Austritt der Flüssigkeit aus dem heißesten Kanal zu vermeiden, und zwar für ,jeden beliebigen Wert der Leistung, der kleiner oder höchstens gleich der NominalIeistung ist· Die Differenz zwischen der Temperatur der Flüssigkeit beim Austritt aus dem heißesten Kanal und der mittleren Temperatur der Flüssigkeit am Reaktorkernaustritt ist bei einem auf voller Leistung arbeitenden Reaktor genau definiert. Diese Temperaturdifferenz ist dann eine Funktion der Reaktorleistung, der Zeit, oder auch des Abbrandes, und hat einen bekannten Maximalwert.
Nach einer zweckmäßigen Ausbildung der Erfindung wird der Partialdruck des dem Dampf beigemischten Gases bzw. der beigemischten Gase mindestens gleich der Differenz der Sättigungsdruckwerte eingestellt, ' die Jeweils den Temperaturen der Primärflüssigkeit am heißestens Kreislaufpunkt und der mittleren Temperatur am Austritt aus dem Reaktorkern bei voller Reaktorleistung entsprechen*
. ·■·'■■-■-.· -i 5. "f ■. - · · . ■ ■ . ■
Selbstverständlich muß weiterhin darauf geachtet werden, d"aß die in feinverteilter Form in die· Gas-
$09815/0194 BAD0R'QINAL
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Dampfmischung eingeführte Primärflüssigkeit in ausreichender Menge den Gas-Dampfraum durchtritt. Nur dann kann wirklich im- erfindungsgemäßen Sinn ein VoiLumensieden auch am Austritt der Primärflüssigkeit aus dem heißesten Kanal vermieden werden.
Es ist ein Vorteil der Erfindung, daß sie ein selbstregelndes und in sich stabiles Verfahren angibt. Wie
erwähnt, sind gesonderte Regelelemente überflüssig, „entsprechend auch Einrichtungen für eine zusätzliche Beheizung· Der Gesamtdruck im System wird stets auf einem Wert gehalten, der der jeweiligen Temperatur der Primärflüssigkeit immerfort angepaßt ist.
Nun sind die vorstehenden Ausführungen jedoch nur dann streng.riehtig, wenn der Anteil des Gases, der in der Druckerzeugerkammer vorhanden ist, auch im wesentlichen konstant bleibt. In der Praxis kann der Gasanteil jedoch in nicht unerheblicher Weise dadurch ansteigen, daß während des Reaktorbetriebs Spaltgase, oder durch pyrolytisch^ und/oder radiolytische Zersetzung der Primärflüssigkeit entstandene Gase dem Gas-Dampfraum zugeführt werden. Ebenso gut kann jedoch der Gasanteil auch dadurch abnehmen, daß er in der Primärflüssigkeit in Lösung geht und beim Durchlaufen der Reaktorstrukturen in den .Aufbaumaterialien festgesetzt wird. Es ist deshalb in der Praxis sehr zweckmäßig, bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrene den Wert des jeweils vorhandenen Gaspartial-
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BAD OftiäiftÄL - 9 -
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drucks in der Gas-Dampfmischung messend zu verfolgen. Derartige Messungen können in einfacher und bekannter Weise, beispielsweise durch die Messung des Total- [ drucks und der Temperatur der Gas-Dampfmischung ausgeführt werden* Die gemessene Temperatur erlaubt es, ; den Sättigungsdampfdruck abzuleiten, woraus sich dann wieder der Partialdruck in der Gas-Dampf mischung ergibt· Durch Differenzbildung zwischen dem Totaldruck und dem errechneten Partialdruck des' Dampfes ergibt sich dann der Partialdruck des Gases. :
Der Partialdruck des Gases kann dann zweckmäßigerweise derart nachgeregelt werden, daß ein in einem im oberen Teil der Druckerzeugerkammer angeordneten ' Rohrsystem vorgesehenes Ablaßventil geöffnet wird, oder durch Öffnen eines anderen Speiseventils Gas nachgeführt wird. Die Speiseleitung kann beispielsweise mit einem Tank verbunden sein, der das nachzufüllende Gas mit ausreichendem Druck enthält. Natürlich kann auch jeweils nur ein einziges Rohrsystem ' und Ventil vorgesehen sein, wobei· dann der Ablaßkreis und der Speisekreis über das Ventil an den Drucker- ! zeugerbehälter angeschaltet werden. Ea können auch
Mittel vorgesehen sein, die die Zufuhr oder den Abzug | des Gases automatisch bewirken. Zweckmäßigerweise j wird nan dies durch ein von Meßinstrumenten der weiter oben beschriebenen Art gesteuertes Öffnen und Schlie- , ß*n d«r beschriebenen Ventilanordnung erzielen.
. BADORlGfNAL
KrwMhnt sei schließlich auch, daß nach der Erfindung
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die Primärflüssigkeit mit ihrer Dampfphase natürlich nicht ·*ηητ derart in Kontakt stehen muß, daß zwischen Dampf und Flüssigkeit eine ebene Trennfläche besteht. Auch wenn die Primärflüssigkeit im Druckerzeugerbehälter beispielsweise rotiert und somit die Trennfläche nicht mehr horizontal und eben ist, oder wenn dia Flüssigkeit in irgendeiner dispersen Form vorhanden ist, von einer geschlossenen Trennfläche im eigentlichen Sinne also gar nicht mehr gesprochen werden kann, kann die Erfindung sinngemäß angewendet werden»
Zur zweckmäßigen Durchführung des Verfahrens wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den separaten Druckerzeugerbehälter innerhalb des Reaktorkessels anzu- . : ordnen. Besonders zweckmäßig ist es ,den Druckerzeugerbehälter oberhalb des oberen axialen Reflektors vorzusehen. - .
Um solche Gase, die von der Primärflüssigkeit dem Gas-Dampfraum dadurch entzogen werden, daß sie von der Flüssigkeitsströmung mitgerissen werden, wieder in den Gas-Dampfraum zurückzuführen, ist weiterhin zweckmäßigerweise am Druckerzeugerbehälter ein Rohr vorgesehen, welches zu einem hochgelegenen Punkt des Primärkreislaufes führt. An diesem Punkt sammeln ■ich die von der Flüssigkeit mitgeführten Gasteile. Zweckmäßigerweise wird man das Rohr auf der Druckseite der Umwälzpumpen münden lassen, »o daß die
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sich in dem hochgelegenen Punkt angesammelt habenden Gase auch unter ausreichendem Druck stehen,, um in den Gas-Dampfraum zurückzuströmen.
Um ein wesentliches Einfließen von Primärflüssigkeit .in den Gas-Dampfraum über das vorbeschriebene Rohr zu verhindern, insbesondere .wenn an dem hochgelegenen Punkt keine Gase vorhanden sind, wird das Rohr noch zweckmäßigerweise mit einer Drosselstelle versehen·
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus dem nachfolgend anhand einer Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel hervor*
Dabei zeigt die Zeichnung einen Reaktor ssur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Querschnitt. ·
Der Reaktorkessel ist mit 1 bezeichnet· Die Pumpen 6 im oberen Teil bewirken die Zirkulation der Primärflüssigkeit, wie dies durch die Pfeile 3 angedeutet ist· Nach unten strömt die Flüssigkeit durch die ■ ' Primär-Sekundär-Wärmeaustauscher? und nach oben durch · den Kern 2 in die Druckerzeugerkammer 4, aus welcher sie dann zum Eintritt der Pumpen 6 gelangt. Jede [
Pumpe wird durch einen Motor M betätigt. Solches Gas,.1 welches möglicherweise durch den Fluß der Primär- ;
flüssigkeit'mitgerissen worden ist, sammelt sich im
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Höchstpunkt des Kessels am Auslaß der Pumpen an und wird dann durch das Rohr 5 in die Druckerzeugerkammer 4 zurückgeführt.
Das Rohr 5 ist mit der Drossel 9 versehen, um, wie schon erwähnt, eine wesentliche Zufuhr von Primärflüssigkeit in die Druckerzeugerkammer 4 zu vermeiden, wenn keine Gas-Dampfmischung mehr in dem besagten
r höchsten Punkt vprhanden ist. ·
Mit 8 ist schließlich ein Rohr zum Zuführen oder Abziehen von Gas in bzw. aus der Druckerzeugerkammer bezeichnet,'wobei dieses Rohr ein Ventil 10, aufweist, dessen Öffnen die Zufuhr bzw. den Abzug gestattet.
Die Regelung des Ventils 10 kann, wie beschrieben, durch Meßfühler bewirkt werden, die den Totaldruck und die Temperatur im Gas-Dampfraum messen.
BAD ORaQfNAU

Claims (1)

  1. Dipl..Ing. . .
    / Rudolf Busselmeier
    Palentanwalt ~Ί ί~ 19, September I967
    Augsburg · Rehlingciutraße t
    PMuAtdckmi., Ma.ck.il ν*.r«w ' Neufassung
    2369/12 Az.: S 84 ZkI VIZIc/21g, 21/2C
    Dr.L./On , · ·
    Patentansprüche:
    / l.JVerfahren zum Regeln des Drucke In einem den Kern eines Kernrealetors,beispielsweise zum Zwecke der Kühlung, Moderation, Reflexion oder dgl« durchsetzenden, abgeschlossenen Flüssi"gk(eitskreislauf (Primärkreislauf), wobei die Primärflüssigkeit, vorzugsweise in einem separaten Druckerzeugerbehälter, mit ihrer Dampfphase in Kontakt steht und in die Dampfphase Primärflüssigkeit in fein- ; ' verteilter.Form eingeführt wird, dadurch ge- .kennzeichnet1! daß in an sich bekann-,ter Weise die Dampfphase der Flüssigkeit im Drucker ζeugungsbehälter (k) mit einem oder mehreren unter den Betriebbedingungen nicht kondensierbaren . Gas{en) vermischt gehalten wird, und die in die Gas—Dampfmischung einzuführende Primärflüssigkeit . von einem Kreislaufpünkt hoher Temperatur abgezweigt wird. ·
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i chn e t', daß die einzuführende Primärflüssigkeit am Punkt ihres Austritte aus dem Reak- torkern .abgezweigt wird. ■ , '
    "■'· " . · 909815/Ό19Λ " bad original
    .13 Unterlagen [Art. 7 § I AU»; 2 Nr. 1 Satz 3 des Ä'nderungeges. v. 4.9.196",
    2869/12
    Dr.L./Era "^" 1^* September I967
    3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge-· kennzeichnet ,·daß der Partialdruck des (der) beigemischten Gase(s) mindestens gleich der Differenz der Sättigungsdruckwerte ist, die der Temperatur der Primärflüssigkeit am heißestens Kreislaufpunkt und der mittleren Temperatur am Austritt aus dem Kern bei auf voller Leistung arbeitendem Reaktor entsprechen. >
    4'·» Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Partialdruck des (der)
    der Gas-Dampfmischung beigemischten Gase(s) 15% des Totaldrucks/beträgt.
    5. Kernreaktor zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e η η ζ e i c h ne t , daß der separate Drucker zeuger behälter (4) innerhalb des Reaktorkessels (l) angeordnet ist.
    6. Kernreaktor nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß der Druekerzeugerbehälter (4) oberhalb des oberen axialen Reflektors des'Kerns (2) innerhalb des Reaktorkessels (l) angeordnet ist.
    - 7, Kernreaktor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch g e -
    ^ ' kennzeichnet, daß der Druckerzeugerbe-
    -a '. hälter (4) ein Rohr (5) aufweist, welches zu einem
    v. ■ hochgelegenen Punkt des Primärkreislaufes führt,
    BAD RfStÄ
    CD O CO CXJ "·
    2869/12 -Jf- 19. September 1967
    Pr. L. /Em .^
    an welchem sich von der Primärflüssigkeit mitgerissene Gästeile sammeln, und in dem Rohr (5) eine Drossel vorgesehen'ist.
    8· Kernreaktor nach. Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Primärflüssigkeit im hochgelegenen Punkt einen Druck aufweist, der größer ist, als der Druck im Druckerzeugerbehälter·
    9· Kernreaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der hochgelegene Punkt auf der Druckseite der Umwälzpumpen liegt·
    BAD ORIGINAL'
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