DE1539728C - Schiffs-Atomkernreaktor zur Dampferzeugung und -Überhitzung und Verfahren zum Betreiben des Kernreaktors - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Schiffs-Atomkern- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht reaktor zur Dampferzeugung und -überhitzung, be- nun darin, die Bauhöhe derartiger Reaktoren zu verstehend aus einem lotrecht angeordneten Druckkessel, ringern, ohne jedoch deren Leistung zu vermindern in dem ein Primärkühlmittel mit bestimmtem Flüssig- oder die Betriebsgefahr zu erhöhen. Diese Aufgabe keitsniveau enthalten ist, wobei im Innern des Kessels, 5 wird bei einem Atomkernreaktor der genannten Art im Abstand von dessen Innenwand, ein lotrecht erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das obere Ende stehender Zylinder angeordnet ist, der an seinem des Rohrbündels über den Spiegel der Primärflüssigkeit oberen und unteren Ende mit Öffnungen für den hinausragt.

Umlauf des primären Kühlmittels versehen ist, in Die Berechnung der Gesamthöhe des Reaktordruckdessen Innenraum eine Vielzahl von Brennstoff- io kesseis gilt somit für die erfindungsgemäße Auselementen als Reaktorkern angeordnet und im führung nicht mehr, da die unnötige Erhöhung des unteren Abschnitt des Zylinders eingesetzt sind, wobei Flüssigkeitsspiegels, welche bei den vorbekannten im Ringraum zwischen der inneren Druckkesselwand Ausführungen das Untertauchen der Rohrbündel- und der äußeren Zylinderwand eine Vielzahl von enden bei jeder Schräglage des Schiffes sicherstellen dampferzeugenden Röhren in Form wenigstens eines 15 sollte, entfällt. Die gegenüber den vorbekannten Rohrbündels, das über das obere Ende des Reaktor- Reaktoren erzielte Reduzierung der Bauhöhe beträgt kerns hinausragt, angeordnet sind, wobei Mittel zum bis zu 20%·

Zuführen von Speisewasser zu den unteren Enden der Beim erfindungsgemäßen Reaktor ist, wie gesagt,

Dampf erzeugenden Röhren und Mittel zum Ent- das obere Ende des oder der Rohrbündel dauernd fernen des Dampfes von den oberen Enden der 20 der gasförmigen Phase der Primärflüssigkeit ausge-

Röhren und Mittel zum Überhitzen des Dampfes setzt. Damit ist die Siedezone der flüssigen Phase und

sowie eine mit dem Druckkessel verbundene Umwälz- wenigstens der Großteil.der Uberhitzungszone der

pumpe für das Primärkühlmittel vorgesehen sind. dampfförmigen Phase der Primärflüssigkeit zugeordnet.

Des weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Ver- Wenn nun der im Schiff installierte.Kessel um einen fahren zum Betreiben des Kernreaktors. 25 zur Senkrechten geneigten Winkel nach irgendeiner

Reaktoren der genannten Art sind an sich bereits Seite hin gekippt wird, so werden in der Normallage bekanntgeworden, jedoch sind dort die Rohre und eingetauchte Oberflächenteile des Rohrbündels von damit auch die Rohrbündel vollständig in die Primär- der Primärflüssigkeit nicht mehr benetzt und im flüssigkeit eingetaucht, was zu einer unerwünscht. gleichen Maße normalerweise in der »Dampfzone« großen Bauhöhe führt. Die Primär- oder Hauptflüssig- 3° angeordnete Oberflächenteile in die Primärflüssigkeit keit derartiger kompakter Kernreaktoren wird üb- eingetaucht. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß licherweise so weit unter Druck gesetzt, daß im stets ein bestimmter und konstanter Prozentsatz der Reaktorkern kein sich auswirkendes Sieden auftritt. Gesamtoberfläche von der flüssigen und die restliche Im obersten Teil des Druckkessels ist eine Druck- Gesamtoberfläche von der dampfförmigen Phase des erzeugerzone vorgesehen, wobei ein Teil des primären 35 Primärkühlmittels bedeckt sind. Die Beschaffenheit Kühlmittels in Dampfform gehalten wird, der auf die des erzeugten Dampfes bleibt auf diese Weise vom Oberfläche der Primärkühlflüssigkeit einen Druck Schwanken des Schiffes unbeeinflußt,
ausübt, wodurch ein Sieden innerhalb des Reaktor- Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist kerns verhütet wird. Bei den bisherigen Ausführungen das untere Ende des Rohrbündels etwa in Höhe des wird es als. nötig erachtet, das Flüssigkeitsniveau des 4° unteren Endes des Kernreaktors angeordnet, was zu Primärkühlmittels stets über den oberen Enden der einer weiteren Reduzierung der Bauliche⁷ beiträgt, als Dampferzeuger dienenden Wärmetauscher-Rohr- Weiterhin ist es sehr zweckmäßig, daß die Überbündel zu halten. Dadurch erfolgt die gesamte Wärme- hitzungszone des Dampferzeugers größtenteils über Übertragung zwischen der Primär-Kühlflüssigkeit und dem Spiegel der Primärflüssigkeit liegt. - ■ dem Kühlmittel innerhalb der Rohre des Wärmeaus- 45 Das Verfahren zum Betreiben des Kernreaktors ist tauschers. Dementsprechend wird bei diesen Aus- erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, ■ daß die führungen des Standes der Technik, wie sie beispiels- Wärme im wesentlichen von der flüssigen Phase des weise in der belgischen Patentschrift 636549, in der Primärkühlmittels übertragen wird. Dies bedeutet, Zeitschrift »Kerntechnik 6« (1946), Heft 7/8, S. 324 daß das oder die Rohrbündel zum größten Teil in die bis 332, oder in »Nuclear Engineering« (July 1965), 5° flüssige Phase des Primärkühlmittels eingetaucht sind. S. 259, bekanntgeworden sind, das Niveau der Weiterhin ist es bei dem erfindungsgemäßen Verprimären Kühlflüssigkeit in einer ausreichenden fahren sehr zweckmäßig, daß die Menge der durch die Entfernung oberhalb des oberen Rohrbündelendes Dampfphase des Primärkühlmittels übertragenen gehalten, um sicherzustellen, daß sie stets vollständig Wärme direkt mit dem Leistungsniveau des Reaktors untergetaucht bleiben. Da sich aber beim Stampfen 55 variiert wird.

und/oder Rollen des Schiffes der Spiegel der Primär- In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die

Kühlflüssigkeit gegenüber der Längsachse des Reak- von der Dampfphase des Primärkühlmittels über-

tors neigt, wird bei den vorbekannten Ausführungen tragene Wärme zum Überhitzen des Dampfes in den

der Spiegel so hoch gelegt, daß die oberen Enden der dampferzeugenden Röhren verwendet.

Rohrbündel selbst bei größter Auslenkung des Schiffes ^6o In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des

aus seiner Normallage stets untergetaucht bleiben. erfindungsgemäßen Reaktors in einem Längsschnitt

Dies führte zu einer beträchtlichen Bauhöhe. Diese dargestellt.

bestimmt sich bei den bisher bekannten Reaktoren Die Reaktoranordnung 10 besteht aus einem senk-

aus der Höhe des Reaktorkerns, der Höhe der Wärme- recht stehenden zylindrischen Druckkessel 12, der mit

tauscher-Rohrbündel oberhalb des Kerns, der über ⁶5 einem lösbaren oberen Endverschluß 14 versehen ist.

dem oberen Ende der Rohrbündel gelegenen Flüssig- Ein Nuklearkern 16, der in an sich bekannter Weise zu

keit sowie.der Höhe des über dem Spiegel befindlichen, einer selbsttätigen Kettenreaktion nach Art der

als Druckerzeuger dienenden Dampfraumes. Atomspaltung fähig ist, wird im untersten Teil des

Druckkessels über einen zylindrischen Kernträger 18 vom unteren Verschlußkopf 20 des Druckkessels unterstützt. Ein lotrecht angeordnetes zylindrisches Glied 22 ist koaxial innerhalb des Druckkessels angeordnet, umgibt den Kern und ragt über diesen nach oben. Dieses zylindrische Glied kann am oberen Ende des Druckkessels, beispielsweise durch den Flansch 24 aufgehängt werden, oder es kann sich vom zylindrischen Kernträger 18 nach oben erstrecken, und es bildet mit der Innenfläche des Druckkessels einen ringförmigen Durchgang, der den Kern 16 umgibt.

Eine Vielzahl von Ansatzrohren 26.erstrecken sich von und durch das obere Ende des Druckkessels 12. Jedes Ansatzrohr ist an seinem äußeren Ende mit einer Rohrplatte 28 versehen, von der ein äußerer Verschlußkopf 30 im Abstand angeordnet ist, derart, daß Füllkammern 31 und 31Λ gebildet werden. Abwechselnd können die Füllkammern 31 als Speisewasserzuführung dienen, während die übrigen Kammern 31A als Dampfauslaß-Sammler für eine Vielzahl von Röhren 32 wirken, die ein oder mehrere Wärmeaustauscher-Röhrenbündel 36 im ringförmigen, den Kern umgebenden Durchgang bilden. Die Röhren 32, die mit den .Speisewasservorratskammern 31 verbunden sind, erstrecken sich nach innen und nach unten von der Rohrplatte 28 zwischen einer Trennwand 34 und der Innenfläche des Druckkessels 12. Am unteren Ende des Kernes 16 sind die Röhren 32 nach oben gebogen, um das Röhrenbündel 36 zu bilden. An den oberen Enden des Röhrenbündels 36 erstrecken sich Auslaßröhren 38 nach oben zu den Rohrplatten, die einen Teil der Dampfauslaßkammern 31A bilden. Das Röhrenbündel ist so angeordnet, daß es sich von nahe des unteren Endes des Kernes 16 bis in eine ausreichende Entfernung über dem oberen Ende des Kernes erstreckt.

Das Röhrenbündel 36 gemäß der Ausführungsform ist im wesentlichen eine Vorrichtung mit direktem Durchsatz, bei der das Speisewasser am Boden eingeführt wird, beim Aufwärtsfließen Wärme von der primären Flüssigkeit absorbiert und verdampft wird. Es ist bekannt, daß solche Röhrenbündel mit direktem Durchsatz in drei Zonen eingeteilt werden können, entsprechend der Art der innerhalb der Röhren auftretenden Erwärmung. Die Flüssigkeit innerhalb der Röhren wird zuerst in einer Nuklear-Siedezone (nucleate boiling zone), dann in einer Film-Siedezone und schließlich in einer Überhitzungszone erwärmt. Die Bestimmung der Anordnung dieser Zonen hängt bekanntlich von den relativen Temperaturen, Drücken und Strömungsgeschwindigkeiten der primären und der sekundären Flüssigkeiten ab.

Vom unteren Teil des Druckkessels 12 erstrecken sich mehrere im Abstand angeordnete Ansatzrohre 40 nach außen (von denen in der Zeichnung nur eines gezeigt ist). Ein jedes dieser Ansatzrohre verläuft zunächst über eine kurze Strecke waagerecht und ist dann nach oben gebogen. Koaxial innerhalb eines jeden Ansatzrohres 40 ist eine Röhre 42 vorgesehen, die durch den zylindrischen Kernträger 18 hindurchgeht. Vom Ansatzrohr 40 erstreckt sich über dieses hinaus eine Umwälzpumpe 44, die so ausgebildet ist, daß sie vom unteren Ende des Röhrenbündels 36 durch den ringförmigen Raum zwischen Ansatzrohr 40 und Röhre 42 Primärkühlmittel aufnimmt. Die Pumpe kehrt dann die unter Druck stehende Flüssigkeit um und führt.sie durch die Röhre 42 zum unteren Ende des Kernes. Beim Aufwärtsfließen durch den Kern wird die Kühlflüssigkeit bis zum Siedepuakt erhitzt. Sie fließt dann im Zylinder 22 nach oben zu den und durch die öffnungen 46. Diese Öffnungen sind im Zylinder zwischen dem oberen Ende des Röhrenbündels 36 und dem oberen Ende des Kernes 16 angeordnet. Das gesättigte oder leicht siedende Primärkühlmittel bildet ein Flüssigkeitsniveau 48, über dem der dampfförmige Anteil dieses Kühlmittels liegt. So wie das Primärkühlmittel nach unten über das Wärmeaustauscher-Röhrenbündel 36 fließt, wird Wärme von diesem Primärkühlmittel auf die Flüssigkeit innerhalb der Wärmeaustauscherröhren übertragen, die dabei verdampft und überhitzt wird.

Wie bereits oben erwähnt, kann das Röhrenbündel in Zonen aufgeteilt werden. Um die Höhe des Druckkessels so weit wie möglich zu verringern, ist es zweckmäßig, das Flüssigkeitniveau weit möglichst zu senken. Es ist aber auch erforderlich, daß das Reaktorsystem während des Rollens und/oder Stampfens des Schiffes, in dem es sich befindet, stabil bleibt. Es wurde gefunden, _xdaß dann, wenn das Flüssigkeitsniveau im Reaktor während der extremsten, beim Stampfen und Rollen des Schiffes auftretenden Bedingungen unter die Film-Siedezone in die Nuklear-Siedezone fällt bzw. fallen sollte, die Systeminstabilitäten als Folge des plötzlichen Absinkens des Primärsystemdruckes auftreten, und zwar wegen der Kondensation des Primärkühlmittels auf dem Nuklear-Siedebereich des Röhrenbündels. Demzufolge ist das Flüssigkeitsniveau im Druckkessel so tief wie möglich angeordnet, ohne daß die Möglichkeit gegeben ist, daß irgendetwas vom Nuklear-Siedebereich des Röhrenbündels auch bei den extremsten zu erwartenden Stampf- und Rollbedingungen freigelegt wird.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist ein Hauptanteil des Überhitzerbereiches des Röhrenbündels 36 innerhalb der Dampfphase des Primärkühlmittels angeordnet, d. h. oberhalb des Flüssigkeitsniveaus 48. Das Ergebnis hiervon ist, daß etwa 5 bis 8% der vom Primärkühlmittel zur Sekundärflüssigkeit übertragenen Wärme in die Dampfphasenzone übertragen wird, wobei die Sekundärflüssigkeit überhitzt wird, bevor sie in die Füllkammer 31A und von da zu einem Verwendungspunkt durch die Auslaßröhren 38 bewegt wird. Bei der beschriebenen Ausführungsform wird der Druck des Primärkühlmittels aufrechterhalten, so daß etwa 11% des Kühlmittels im Kern gemäß der Nennleistung des Reaktors verdampft werden.

Ein spezifisches Beispiel eines erfindungsgemäßen Reaktors hat folgende Charakteristiken:

Reaktorleistung

Primärkühlmittelströmung...

Primärkühlmitteldruck

Kern-Eintrittstemperatur ...
Kern-Austrittstemperatur ...
Sekundärkühlmittelströmung

62,4 MW thermisch

6 · 10^e Pf/Std.
56,84 atm (812 psia) 256⁰C
271^QC

101 604 kg/Std.
(224 000 lb/hr)

Sekundärkühlmittel-Austrittstemperatur 273,75°C

Druckkesseldurchmesser .... 238,76 cm

Röhrenbündelhöhe 312,42 cm

Überhitzerhöhe 58,42 cm

Normales Flüssigkeitsniveau
vom Oberteil des Röhrenbündels ·. 50,80 cm

Da der erfindungsgemäße Reaktor so ausgebildet ist, daß er normalerweise so arbeitet, daß ein Teil des Wärmeaustauscher-Röhrenbündels 36 oberhalb des Flüssigkeitsniveaus der Primärheizflüssigkeit liegt, hat die Bewegung des Flüssigkeitsniveaus durch das Stampfen und/oder Rollen des Schiffes wenig Bedeutung, da im wesentlichen die gleiche Menge der die Wärme absorbierenden Fläche in der Dampfphase des Primärkühlmittels bleibt. Mit anderen Worten, wenn sich das Flüssigkeitsniveau durch die Bewegung des Schiffes, in dem sich der Reaktor befindet, ändert, wird etwas zusätzliche Wärmeübertragungsoberfläche der Dampfphase des primären Kühlmittels ausgesetzt, aber gleichzeitig wird ein äquivalenter Bereich der Wärmeübertragungsoberfläche in die flüssige Phase des primären Kühlmittels eingetaucht. Da die Produkte der Wärmeübertragungskoeffizienten und der log Durchschnittstemperatur- · koeffizienten (log mean temperature) dieser Zonen des Röhrenbündels nahezu gleich sind, ist die endgültige Änderung im Wärmeaustausch unbedeutend. Das Ergebnis ist, daß die Höhe des Primärkühlmittels, die bisher gefordert wurde, damit das Röhrenbündel stets eingetaucht bleibt, bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform des Reaktors nicht mehr benötigt wird. Ferner kann die Druckerzeugerzone, die in den bekannten Reaktoren im oberen Abschnitt untergebracht ist, im Reaktor gemäß der Erfindung im Dampfbereich des Primärkühlmittels angeordnet werden, wodurch wiederum die Gesamthöhe des Reaktors gesenkt wird. Auf diese Weise kann die Größe, das Gewicht und die Kosten eines Reaktors, der die erfindungsgemäße Anordnung aufweist, bis zu 20%. verglichen mit bekannten Reaktoren dieser Art, herabgesetzt %erden.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Schiffs-Atomkernreaktor zur Dampferzeugung und -überhitzung, bestehend aus einem lotrecht angeordneten Druckkessel, in dem ein Primärkühlmittel mit bestimmtem Flüssigkeitsniveau enthalten ist, wobei im Innern des Kessels, im Abstand von dessen Innenwand, ein lotrecht stehender Zylinder angeordnet ist, der an seinem oberen und unteren Ende mit Öffnungen für den Umlauf des primären Kühlmittels versehen ist, in dessen Innenraum eine Vielzahl von Brennstoffelementen als Reaktorkern angeordnet und im unteren Abschnitt des Zylinders eingesetzt sind, wobei im Ringraum zwischen der inneren Druckkesselwand und der äußeren Zylinderwand eine Vielzahl von Dampf erzeugenden Röhren in Form wenigstens eines Rohrbündels, das über das obere Ende des Reaktorkerns hinausragt, angeordnet sind, wobei Mittel zum Zuführen von Speisewasser zu den unteren Enden der Dampf erzeugenden Röhren und Mittel zum Entfernen des Dampfes von den oberen Enden der Röhren und Mittel zum Überhitzen des Dampfes sowie eine mit dem Druckkessel verbundene Umwälzpumpe für das Primärkühlmittel vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende des Rohrbündels (36) über den Spiegel (48) der Primärflüssigkeit hinausragt.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende des Rohrbündels (36) etwa in Höhe des unteren Endes des Kernreaktors (16) angeordnet ist.

3. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Uberhitzungszone des Dampferzeugers größtenteils über dem Spiegel (48) der Primärflüssigkeit liegt.

4. Verfahren zum Betreiben des Kernreaktors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme im wesentlichen von der flüssigen Phase des Primärkühlmittels übertragen wird.

5. Verfahren zum Betreiben des Kernreaktors nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der durch die Dampfphase des Primärkühlmittels übertragenen Wärme direkt mit dem Leistungsniveau des Reaktors variiert wird.

6. Verfahren zum Betreiben des Kernreaktors nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Dampfphase des Primärkühlmittels übertragene Wärme zum Überhitzen des Dampfes in den Dampf erzeugenden Röhren verwendet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen