DE1439223B2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Regeln des Druckes eines Druckflüssigkeitsreaktors, wobei der Reaktor einen Primärkreislauf mit einer darin strömenden Primärflüssigkeit zum Kühlen des Reaktorkerns aufweist, wobei der Reaktor ferner einen innerhalb des Reaktordruckgefäßes angeordneten Druckerzeugerbehälter aufweist, in welchem die Primärflüssigkeit mit ihrer Dampfphase in Kontakt steht, und in die Dampfphase Primärflüssigkeit in feinverteilter Form eingeführt wird.

Das Primärkreislaufsystem vieler Reaktortypen besitzt ein im wesentlichen konstantes Volumen, wobei die das System durchfließende Primärflüssigkeit im allgemeinen wenigstens an einem Punkt des Kreislaufs mit ihrer Dampfphase in Kontakt steht. Erfährt nun die Primärflüssigkeit, beispielsweise auf Grund einer Leistungsänderung des Reaktors, eine Temperaturänderung, so ergeben sich im Primärkreislaufsystem Druckänderungen, die das System beschädigen wurden, wenn nicht Mittel vorgesehen würden, die die Druckänderungen in bestimmten, unschädlichen Grenzen halten.

Dazu kann beispielsweise ein Druckerzeuger vorgesehen werden, wie er aus den deutschen Patentschriften 1 095 415, 1119 875 und dem deutschen Gebrauchsmuster 1 827 096 bekannt ist. In 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 Primärflüssigkeit 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 Druckminderung im System sind Heizelemente vorgesehen, die die Flüssigkeit zum Verdampfen bringen.

Eine andere Art, den Druck im Primärkreislaufsystem zu regeln, wird in J. A. Lane, H. G. Mac Pherson,F. Maslan: »Fluid Fuel Reactors«, September 1958, S. 424, beschrieben. Es handelt sich hier um einen sogenannten Gas-Druckhalter, bei welchem die Primärflüssigkeit mit einem Gemisch aus einem bei Betriebsbedingungen nicht kondensierbaren 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.

Die bekannten Einrichtungen haben nun alle den Nachteil, daß sie für ein ordentliches Funktionieren entweder die Anordnung aufwendiger gesonderter Heizelemente 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.

Es ist Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile der bekannten Lösungen zu vermeiden.

Dies wird bei der eingangs genannten Anordnung zum Regeln des Druckes eines Druckflüssigkeitskernreaktors dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß in an sich bekannter Weise die Dampfphase der Flüssigkeit im Druckerzeugungsbehälter ein oder mehrere unter den Betriebsbedingungen nicht kondensierbare Gase enthält und daß die in die Gas-Dampf-Mischung einzuführende Primärflüssigkeit von einem Punkt des Kreislaufs abgezweigt ist, der eine relativ zur Temperatur der in den Kern eintretenden Primärflüssigkeit hohe Temperatur aufweist.

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 frei geworden sind oder die durch pyrolytischen und/oder radiolytischen Zerfall aus der Primärflüssigkeit entstanden sind.

Zum Einführen der Primärflüssigkeit in die Gas-Dampf-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 Form bewirkt aber, in Verbindung mit der Zumischung von nicht kondensierbarem Gas, die Beherrschung von negativen Druckänderungen. Dies wurde bisher nur durch die Verwendung besonderer Heizvorrichtungen ermöglicht.

Das Einsprühen der heißen Primärflüssigkeit in die Gas-Dampf-Mischung bewirkt, daß die Volumenexpansionen und Volumenverminderung nicht adia-, batisch vor sich gehen, da durch die im Dampf-Gas-Raum feinverteilte heiße Primärflüssigkeit ein inniger Kontakt hergestellt wird. Bei negativen Vorgängen wird also durch das Einsprühen der heißen Flüssigkeit bewirkt, daß sofort neue Flüssigkeit verdampft und damit 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. B. vorteilhafterweise auf 15 °/o des Gesamtdrucks, hält man daher die Änderungen im Gesamtdruck sehr klein, selbst dann, wenn große Volumenänderungen in dem von der Gas-Dampf-Mischung eingenommenen Volumen auftreten.

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 ein Referenzdruck, der z. B. dem Sättigungsdampfdruck der Primärflüssigkeit an einem vorge-

gebenen Punkt des Kreislaufs entspricht. Dieser vorgegebene Punkt des Kreislaufs kann beispielsweise der Punkt sein, bei welchem der Wärmeübergang zur Primärflüssigkeit am größten ist. Die Temperatur der Primärflüssigkeit in diesem Punkt ändert sich im allgemeinen sehr schnell mit der Reaktorleistung, und deshalb können dann auch die Druckänderungen im Primärkreislauf entsprechend abgefangen werden.

Als ein derartiger Referenzpunkt kann z. B. sehr zweckmäßig der Ort des Austritts der Primärflüssigkeit aus dem Reaktorkern verwendet werden.

Wie 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 Nominalleistung 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 der Temperatur der Primärflüssigkeit am heißesten Kreislaufpunkt und der mittleren Temperatur am Austritt aus dem Kern bei auf voller Leistung arbeitendem Reaktor entsprechen.

Selbstverständlich muß weiterhin darauf geachtet werden, daß die in feinverteilter Form in die Gas-Dampf-Mischung eingeführte Primärflüssigkeit in ausreichender Menge den Gas-Dampf-Raum durchtritt. Nur dann kann wirklich im erfindungsgemäßen Sinn ein Volumensieden 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 richtig, 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 pyrolytische und/oder radiolytische Zersetzung der Primärflüssigkeit entstandene Gase dem Gas-Dampf-Raum 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 Verfahrens den Wert des jeweils vorhandenen Gaspartialdrucks in der Gas-Dampf-Mischung messend zu verfolgen. Derartige Messungen können in einfacher und bekannter Weise, beispielsweise durch die Messung des Totaldrucks und der Temperatur der Gas-Dampf-Mischung 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 angeordnetem 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 Druckerzeugerbehälter angeschaltet werden. Es können auch Mittel vorgesehen sein, die die Zufuhr oder den Abzug des Gases automatisch bewirken. Zweckmäßigerweise wird man dies durch ein von Meßinstrumenten der weiter oben beschriebenen Art gesteuertes Öffnen und Schließen der beschriebenen Ventilanordnung erzielen.

Erwähnt sei schließlich auch, daß nach der Erfindung die Primärflüssigkeit mit ihrer Dampfphase natürlich nicht 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 die 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.

Als zweckmäßige Ausgestaltung der Anordnung wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Druckerzeugerbehälter oberhalb des oberen axialen Reflektors innerhalb des Reaktorkessels vorzusehen.

Um solche Gase, die von der Primärflüssigkeit dem Gas-Dampf-Raum dadurch entzogen werden, daß sie von der Flüssigkeitsströmung mitgerissen werden, wieder in den Gas-Dampf-Raum zurückzuführen, ist weiterhin zweckmäßigerweise am Druckerzeugerbehälter ein Rohr vorgesehen, welches zu einem hochgelegenen Punkt des Primärkreislaufes führt. An diesem Punkt sammeln sich die von der Flüssigkeit mitgeführten Gasteile. Zweckmäßigerweise wird man das Rohr auf der Druckseite der Umwälzpumpen münden lassen, so daß die sich in dem hochgelegenen Punkt angesammelt habenden Gase auch unter ausreichendem Druck stehen, um in den Gas-Dampf-Rraum zurückzuströmen.

Um ein wesentliches Einfließen von Primärflüssigkeit in den Gas-Dampf-Raum 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.

Nachstehend wird eine bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. Die Zeichnung zeigt einen Reaktor im Querschnitt.

Der Reaktorkessel ist mit 1 bezeichnet. Die Umwälzpumpen 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 7 und nach oben durch den Kern 2 in der Druckerzeugerbehälter 4, aus welcher sie dann zum Eintritt der Umwälzpumpen 6 gelangt. Jede Umwälzpumpe 6 wird durch einen Motor M betätigt. Solches Gas, welches möglicherweise durch den Fluß der Primärflüssigkeit mitgerissen worden ist, sammelt sich im Höchstpunkt des Kessels am Auslaß der Umwälzpumpen an und wird dann durch das Rohr 5 in den Druckerzeugerbehälter 4 zurückgeführt.

Das Rohr 5 ist mit der Drossel 9 versehen, um, wie schon erwähnt, eine wesentliche Zufuhr von Primärflüssigkeit in den Druckerzeugerbehälter 4 zu vermeiden, wenn keine Gas-Dampf-Mischung mehr in dem besagten höchsten Punkt vorhanden ist.

Mit 8 ist schließlich ein Rohr zum Zuführen oder Abziehen von Gas in bzw. aus dem Druckerzeugerbehälter 4 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-Dampf-Raum messen.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Regeln des Druckes eines Druckflüssigkeitskernreaktors, wobei der Reaktor einen Primärkreislauf mit einer darin strömenden Primärflüssigkeit zum Kühlen des Reaktorkerns aufweist, wobei der Reaktor ferner einen innerhalb des Reaktordruckgefäßes angeordneten Druckerzeugerbehälter aufweist, in welchem die Primärflüssigkeit mit ihrer Dampfphase in Kontakt steht, und in die Dampfphase Primärflüssigkeit in feinverteilter Form eingeführt wird, dadurchgekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Dampfphase der Flüssigkeit im Druckerzeugerbehälter (4) ein oder mehrere unter den Betriebsbedingungen nicht kondensierbare Gase enthält und daß die in die Gas-Dampfmischung einzuführende Primärflüssigkeit von einem Punkt des Kreislaufs abgezweigt ist, der eine relativ zur Temperatur der in den Kern eintretenden Primärflüssigkeit hohe Temperatur aufweist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzuführende Primärflüssigkeit am Punkt ihres Austritts aus dem Reaktorkern abgezweigt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Partialdruck (des) der beigemischten Gase(s) mindestens gleich der Differenz der Sättigungsdruckwerte ist, die der Temperatur der Primärflüssigkeit am heißesten Kreislaufpunkt und der mittleren Temperatur am Austritt aus dem Kern bei auf voller Leistung arbeitendem Reaktor entsprechen.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Partialdruck (des) der beigemischten Gase(s) 15 °/o des Totaldrucks der Gas-Dampfmischung beträgt.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckerzeugerbehälter (4) oberhalb des oberen axialen Reflektors des Kerns (2) innerhalb des Reaktorkessels (1) angeordnet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckerzeugerbehälter (4) ein Rohr (5) aufweist, welches zu einem hochgelegenen Punkt des Primärkreislaufes führt, an welchem sich von der Primärflüssigkeit mitgerissene Gasteile sammeln, und in dem Rohr (5) eine Drossel (9) vorgesehen ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärflüssigkeit im hochgelegenen Punkt einen Druck aufweist, der größer ist als der Druck im Druckerzeugerbehälter (4).

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der hochgelegene Punkt auf der Druckseite der Umwälzpumpen (6) liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen