DE1539004C - Vorrichtung zum Regeln von Kernreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zum Regeln von Kernreaktoren mit einer Einrichtung für die Veränderung der Standhöhe eines flüssigen Moderators, nach Patent 15 14 955.

Kernreaktoren werden gewöhnlich durch thermische Neutronenabsorber in Stabform gesteuert, die nach Belieben in den Kern eingebracht werden können. Aus der Deutschen Auslegeschrift 1049 014 ist eine Regelvorrichtung bekannt, bei der ein zentraler Hohlraum im Kern vorgesehen ist und in diesen Hohlraum zwei relativ bewegbare hülsenartige Absorberrohre sowie ein unabhängig bewegbarer Stab aus festem Moderatormaterial eingebracht werden. Durch Verändern der relativen Lage dieser, drei bewegbaren Bauteile kann eine Kontrolle über den Kern ausgeübt werden.

Aus der britischen Patentschrift 954 101 ist auch ίο bekannt, einen Reaktor durch Addition oder Subtraktion von Moderator zum bzw. vom Kern zu regeln; bei einem Druckrohrreaktor wird dabei der Pegel von schwerem Wasser und somit der Grad der Moderation im Reaktorkern durch kontrollierte Veränderung π des Heliumdruckes verändert, wobei die Addition von Moderator die Reaktivität zu erhöhen sucht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Standhöhe eines flüssigen Moderators zuverlässig und einfach einzustellen.

. Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Einrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß sie alle brennstofffreien Bereiche an ihrem unteren Ende über Leitungen mit der den Reaktorkern umschließenden Moderatorflüssigkeit im Druckbehälter verbindet und daß die Einrichtung jeden brennstofffreien Bereich an seinem oberen Ende über eine weitere Verbindungsleitung und ein Ventil an eine gemeinsame Druckgasleitung legt.

Die Einrichtung kann Kompressoren aufweisen, die das Gas aus dem Gasraum über der Moderatorflüssigkeit des Druckbehälters in der Druckgasleitung komprimieren, so daß bei geöffnetem Ventil der flüssige Moderator aus dem betreffenden brennstofffreien Bereich entgegen der Standhöhe der Flüssigkeit im 5 Druckbehälter entweicht.

Ferner kann die Einrichtung weitere Ventile zwi-' sehen einem Teil der weiteren Verbindungsleitungen und dem Gasraum über der Moderatorflüssigkeit aufweisen, so daß der Reaktor bei Öffnung der Ventile abschaltet.

Dabei können die Leitungen vom unteren Ende der brennstofffreien Bereiche in einen unterhalb des Reaktorkerns angeordneten, nach unten offenen Zwischenbehälter münden, wobei der Zwischenbehälter oberhalb dieser Mündungen eine freie Oberfläche des Moderators umschließt, die über Leitungen mit dem Gasraum des Druckbehälters in Verbindung steht.

Weiterhin können die Leitungen von brennstofffreien Bereichen, die zur Abschaltung des Reaktorkerns dienen, von oben oder von der Seite in den Zwischenbehälter eintreten, während die Leitungen von den übrigen brennstofffreien Bereichen von unten in den Zwischenbehälter eintreten.

Der Zwischenbehälter ist zumindest in einer Rich-5 tung länglich ausgebildet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird für einen Druckwasserreaktor näher beschrieben, und zwar zeigen

F i g. 1 einen axialen Schnitt durch einen Kernreaktor des sogenannten integrierten Typs, während

Fig. 2 ein Leitungsdiagramm wiedergibt, welches die beim Reaktor der Fig. 1 verwendete Steueranlage zeigt.

Der - in F i g. 1 dargestellte Reaktor ist von der einstückigen Bauart, bzw. dem integrierten Typ, der z. Z. mit Vorliebe für den Schiffsantrieb verwendet wird, jedoch in gleicher Weise auch auf landgebundene Dampferzeugungsanlagen anwendbar ist, bei

welchem ein Druckbehälter 50 sowohl einen Reaktorkern 51 als auch einen Wärmeaustauscher 52 enthält. Der Kern 51 wird von einem stabilen Ring 53 innerhalb einer Wärmeabschirmung 54 gehalten, die wiederum von Vorsprüngen 55 abgestützt und an diesen befestigt ist, welche von der Innenfläche der Druckbehälterwand vorstehen. Vom Ring 53 hängt ein Kernmantel 51a herab, der im allgemeinen zylindrisch und am Ende offen ist. Der Kern wird durch unter Druck stehendes Wasser gekühlt und moderiert, welches unter Betriebsbedingungen das Behältervolumen bis zu einer Höhe L füllt, wobei das Wasser durch ein Gas-Dampf-Gemisch unter Druck gesetzt wird, das in dem Raum S oberhalb des Wasserspiegels eingeschlossen ist. Um zu verhindern, daß irgendein Teilstück des Kerns nicht bedeckt wird — sollte ein ungewöhnlich großer Verlust von Wasser aus dem Primärkreislauf eintreten —, ist ein Moderatorbehälter 56 in unmittelbarer Nähe des Kerns angeordnet.

Der Umlauf des unter Druck stehenden Wassers wird durch drei Kreiselpumpen 57 bewirkt, die in Durchbrüchen im Boden des Druckbehälters untergebracht sind, wobei sich die Pumpenräder 57a durch Löcher 58 in der Wärmeabschirmung so erstrecken, daß Wasser nach oben durch die Löcher und zwischen der Wärmeabschirmung und dem Moderatorbehälter 56 gepumpt wird. Das Wasser gelangt dann über den Rand des Behälters 56 und strömt über die Außenfläche des Mantels 51a zum Boden des Kerns. Von dort gelangt das durch den Kern erwärmte Wasser durch die Rohrreihen des Wärmeaustauschers 52, der Sekundärkühlmittel führt, wobei es Wärme an das Sekundärkühlmittel abgibt. Die Rohrreihen sind in inneren und äußeren ringförmigen Zonen 52a, 52b angeordnet. Ein ringförmiger Strömungsspalter 59 bildet zusammen mit einer ringförmigen Platte 59a einen Strömungsteiler, der dazu dient, das aufwärtsströmende Wasser über die Innenzone 52a der Rohre zu führen, damit es dann über das obere Ende des Strömungsspalters am oberen Ende der Reihe strömt, und dann die volle Höhe des Druckbehälters abwärts, wobei es zunächst über die Außenzone 52b der Wärmeaustauscher-Rohrreihen und dann über die Außenseite der Wärmeabschirmung 54 zu den Pumpen 57 am Grund des Behälters gelangt. Von dort aus wird das Primärkühlmittel wieder in Umlauf gebracht.

Sekundärkreis-Sammelrohre 60 sind so angeordnet, daß sie jeweils mit Einlaß- und Auslaßrohren 61, 62 in Verbindung stehen, die durch Durchbrüche im oberen Ende des Druckbehälters hindurch verlaufen. Die letzteren Durchbrüche sind in einer ringförmigen Reihe um einen Mitteldurchbruch herum angeordnet, um welchen auf leckdichte Weise eine Leitung 64 befestigt ist, welche den Nachschub zum Zwecke der Reaktorsteuerung und -abschaltung führt, die in der oben beschriebenen Weise arbeiten. Die Leitung 64 steht innerhalb des Druckbehälters mit einer Steuerleitung 63 (die einen Wärmeausdehnungskondensator 63a aufweist) in Verbindung, die sich durch den Wärmeaustauscher 52 hindurch erstreckt.

Der aktive Bereich des Kerns wird in eine Reihe von Zellen unterteilt, von denen jede eine mit Brennstoff versehene Zone 65 aufweist, durch welche sich ein brennstofffreier Bereich 66 erstreckt, wobei der letztere durch eine Schicht 67 eines Neutronenabsorbermaterials mit Neutroneneinfangeigenschaften hauptsächlich im thermischen Bereich begrenzt wird, so daß der Gesamtaufbau der Zellen zusammen eine kritische Masse bildet, wenn durch nachfolgend beschriebene Einrichtungen Moderator aus den brennstofffreien Bereichen 66 ausgeschlossen oder entfernt wird. Der Absorber befindet sich in einem solchen Zustand, daß er durch Oberflächenabsorption die Absorption von thermischen Neutronen bewirkt, hat jedoch eine geringe Einwirkung auf das Haupt-Epithermalspektrum. Dadurch, daß man dem Moderator die Möglichkeit gibt, in die Bereiche 66 zu gelangen, würden epithermische Neutronen, die in die Bereiche eindringen, thermalisiert und dann eingefangen, das heißt es findet eine Einfangsabsorption von Neutronen statt.

Zu diesem Zweck ist das untere Ende jedes brennstofffreien Bereichs mit Leitungen 68a, b mit einem am Boden offenen Zwischenbehälter 69 verbunden, innerhalb welchem eine freie Oberfläche des Moderators bei F durch das Druckgas aufrechterhalten wer-, den kann. Der Moderatorpegel wird durch eine weitere Verbindungsleitung 71 aufrechterhalten, welche überschüssiges Gas nach dem Gasraum 5 zurückführt.

Die oberen Enden jeder der Bereiche 66 stehen separat mit Leitungen 70 in Verbindung, die über die Steuerleitung 63 verlaufen. Es ergibt sich, daß durch Zuführen von Gasdruck in irgendwelche ausgewählten oder in alle Leitungen 70 flüssiger Moderator aus dem entsprechenden Bereich 66 ausgeschlossen werden kann, um einen gewünschten Regelungseffekt zu erzielen.

Im Leitungsschaubild nach Fig. 2, welches zur Erläuterung des Betriebs der Regelanlage nach Fig. 1 dient, haben diejenigen Teile, die denen in Fig. 1 gleich sind, die gleichen Bezugszeichen, und der Übersichtlichkeit halber ist im Kern nur derjenige Raum dargestellt, der von den brennstofffreien Bereichen 66 eingenommen wird. Der Zwischenbehälter 69 ist um 4fJ 90° um die Druckbehälterachse gedreht worden, um seine längliche Form zu zeigen.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Anlage sind die brennstofffreien Bereiche in zwei Gruppen 66a, 66b unterteilt worden, das heißt die in Gruppe 66a, welche der Mitte des Kerns näher liegen (von denen in Wirklichkeit nur zwei dargestellt sind), werden als Regelbereiche und diejenigen, die in den Zwischen- und Außenbereichen des Kerns liegen, als Abschaltbereiche bezeichnet und sind mit dem Bezugszeichen 666 versehen. Gemäß dieser Terminologie dient die Gruppe 66a einer Regelungsfunktion, das heißt sie dient zur Reaktivitätsregelung für den Abbrand, während die Gruppe 660 dazu dient, das Reaktorabschalten auszuführen oder zu bewirken. In beiden Fällen 5 arbeiten die Bereiche durch Zuführen von Moderator in die Bereiche, wodurch die Absorptionsleistung des Absorbermaterials, welches den Bereich begrenzt, erhöht wird. Aus Gründen, die später noch erläutert werden, münden die an den Enden offenen Auslaßrohre der Gruppe 66a in einen U-förmigen Siphon unterhalb des Wasserspiegels innerhalb des Zwischenbehälters 69, während diejenigen der Gruppe 666 sich unmittelbar in den Zwischenbehälter erstrecken.
Der obere Bereich jedes der Regelbereiche in der 5 Gruppe 66a ist getrennt durch eine der Leitungen 70a über ein Steuerventil Vl mit einer Druckgasleitung 72 verbunden, welches auf einen Druck oberhalb demjenigen in dem Raum 5 durch Kompresso-

ren 73 gebracht wird. Zwei solcher Kompressoren werden in Parallelschaltung verwendet, wobei sie über Rohre 74 mit dem Raum S verbunden sind und die Druckgasleitung 72 beliefern, so daß sie abwechselnd verwendet werden können. Der obere Teil der Bereiche 66b ist in ähnlicher Weise durch Leitungen 70Z) mit der Druckgasleitung 72 verbunden, und zwar mittels der zentralen Steuerleitung 63 und einem gemeinsamen Auslaßrohr 75 mit parallel ventilgesteuerten Rohren 77, die Ventile V3 aufweisen. Das Rohr ίο 75 kann mit dem Druckgasraum S über durch ventilgesteuerte Zweigrohre 76 in Verbindung gebracht werden, die Ventile V2 aufweisen, und nach einem gemeinsamen Rohr 78 führen, welches mit dem Raum S in Verbindung steht. ι5

Der Druck des Gassystems oberhalb des Druckgasraumes S wird durch die Tiefe bestimmt, bis zu welcher die Hohlräume vom Moderator zu entleeren sind. Druckgas wird mittels Kompressoren 73 in die brennstofffreien Bereiche über Rohre 70α, 70ό kontinuierlich gepumpt, wobei das Gas fortlaufend aus dem unteren Ende der Bereiche über Rohre 68α, 68/> in den Zwischenbehälter 69 entweicht, von der es über die Leitung 71 in den Druckgasraum 5 zurückgeführt wird. Dadurch werden Veränderungen des Moderatorpegels infolge Druck- und Temperaturänderungen und kleinen Leckstellen vermieden.

Es ist noch zu bemerken, daß die Ventile Vl und VZ an den Rohren, die mit den Abschaltbereichen in Verbindung stehen, aus Sicherheitsgründen verdreifacht sind.

Anfänglich werden alle brennstofffreien Bereiche geflutet, und es werden um den Reaktor anzufahren, die dazwischenliegenden und äußeren Bereiche 66a durch Öffnen der Steuerventile V3 und durch Zuführen von Drückgas nach den oberen Enden aller Abschaltbereiche heruntergeblasen. Jede ausgewählte Anzahl von Regelbereichen kann dann durch Öffnen der zugehörigen Steuerventile Vl heruntergeblasen wer- _r den, jedoch müssen zunächst die Abschalt-Steuerventile V3 geschlossen werden, da sonst ein Fluktuieren der Reaktorleistung verursacht werden kann. Andere Regelbereiche können nach Wunsch heruntergeblasen werden, um die Reaktivität in einer gewünschten Weise zu beeinflussen. Nach Herunterblasen der Regelbereiche werden die Ventile Vh und das entsprechende Ventil Vl wieder geöffnet. Wenn die Regelbereiche 66a unmittelbar mit dem Zwischenbehälter 69 verbunden wären, so könnte möglicherweise das eingeschlossene Gas in jenen Bereichen ansteigen, die H) man im gefluteten Zustand halten wollte, und dann die Reaktivität ungewollt erhöhen. Um dem vorzubeugen, laufen die Regelbereichauslaßrohre 68b in Siphons oder gebogenen Enden unterhalb der normalen freien Oberfläche des Zwischenbehälters aus. so daß sie nur Gas in diese einbringen und kein Gas aus dieser aufnehmen können.

Im Notfall, wenn ein Abschalten geboten ist, werden die Steuerventile Vl und die Abschalt-Steuerventile V2 und V3 geöffnet, und die Bereiche fallen auf den Druck im Raum S ab und füllen sich mit Wasser, während das verdrängte Gas in den Druckraum oberhalb des Wärmeaustauschers zurückströmt. Die Geschwindigkeit, mit welcher der Wasserspiegel in den Bereichen 66 ansteigt, wird in erster Linie bestimmt durch die Differenz zwischen dem Pegel in den Bereichen und dem Pegel der Grenzschicht zwischen Druckgas und Wasser wie auch durch die Reibungsverluste an Rohrbogen beim ausströmenden Gas und einströmenden Wasser.

Die Flutgeschwindigkeit kann dadurch erhöht werden, daß ein geschlossener Behälter an der Auslaßseite der Abschaltventile V2 angebracht wird und der Druck innerhalb dieses Behälters auf einem niedrigeren Wert gehalten wird als demjenigen, der im Druckraum 5" vorherrscht. Auf diese Weise steht eine größere Druckdifferenz als diejenige des Wasserspiegels im Druckbehälter zur Verfügung, um das Primärkühlmittel in die brennstofffreien Bereiche zu drücken.

Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Reaktorsteuerung und -abschaltung, welche die Möglichkeit gibt, das Absorbermaterial im Kern ortsfest zu halten, wobei das Material durch die Zufuhr oder Wegnahme von Primärkühlmittel wirksam oder unwirksam gemacht wird, stellt eine beträchtliche Vereinfachung dar, verglichen mit herkömmlichen Systemen, die ausschließlich auf Regelstäben basieren.

Für die Anwendung auf oder in Schiffen erfolgt das Vorsehen des Zwischenbehälters 69, welcher den gepumpten Überschuß des Druckwassers enthält, in der in Fig. 2 dargestellten Form, das heißt in Form eines langen Troges, und der Reaktor wird so orientiert bzw. ausgerichtet, daß die Längsseiten des Troges in Längsrichtung des Schiffes verlaufen. Dadurch beeinträchtigt nur die Längs- oder Kippbewegung des Behälters den Wasserstand in den Hohlräumen, aber in keiner Weise die Schlingerbewegung. Die Längsoder Kippbewegung, die niemals mehr als wenige Grad beträgt, wird nicht die Ursache dafür sein, daß sich der Wasserspiegel in den brennstofffreien Bereichen um irgendeinen bedeutenden Betrag ändert.

Eine Anzeige für den gefluteten oder leeren Zustand der brennstofffreien Bereiche kann durch Druckdifferenzmessungen erreicht werden, die zwischen der Leitung 78 und der Leitung 75 und zwischen der Leitung 78 und den jeweiligen Leitungen 70a auf der Kernseite der Ventile Vl vorgenommen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Regeln von Kernreaktoren mit einer Einrichtung für die Veränderung der Standhöhe eines flüssigen Moderators nach Patent 15 14 955, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung alle brennstoffreien Bereiche (66) an ihrem unteren Ende über Leitungen (68«, 6Sb) mit der den Reaktorkern (51) umschließenden Moderatorflüssigkeit im Druckbehälter (50) verbindet und daß die Einrichtung jeden brennstofffreien Bereich (66) an seinem oberen Ende über eine weitere Verbindungsleitung (70, 70a, TOb) und ein Ventil (Vl, V3) an eine gemeinsame Druckgasleitung (72) legt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung Kompressoren (73) aufweist, die das Gas aus dem Gasraum (S) über der Moderatorflüssigkeit des Druckbehälters

(50) in der Druckgasleitung (72) komprimieren, so daß bei geöffnetem Ventil (Vl, V3) der flüssige Moderator aus dem betreffenden brennstofffreien Bereich (66) entgegen der Standhöhe (2) der Flüssigkeit im Druckbehälter (50) entweicht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung weitere Ventile (Vl) zwischen einem Teil der weiteren Verbindungsleitungen (70ό) und dem Gasraum (S) über der Moderatorflüssigkeit aufweist, so daß der Reaktor bei Öffnung der Ventile (VT) abschaltet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (68a, 68ft) vom unteren Ende der brennstofffreien Bereiche (66) in einen unterhalb des Reaktorkerns

(51) angeordneten, nach unten offenen Zwischenbehälter (69) münden, und daß der Zwischenbehälter (69) oberhalb dieser Mündungen eine freie Oberfläche (F) des Moderators umschließt, die über Leitungen (71) mit dem Gasraum (S) d6s Druckbehälters in Verbindung steht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (68a) von brennstofffreien Bereichen (66), die zur Abschaltung des Reaktorkerns (51) dienen, von oben oder von der Seite in den Zwischenbehälter (69) eintreten, während die Leitungen (68Z?) von den übrigen brennstofffreien Bereichen (66) von unten in den Zwischenbehälter (69) eintreten.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenbehälter (69) zumindest in einer Richtung länglich ausgebildet ist.