-
Wärmeaustauscher fÜr Reaktorbrennelemente hoher Wärmeflus-sdichte.
Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher für Reaktorbrennelemente mit hoher
Wärmeflusadichte, insbesondere fÜr Brennelemente im Siedewasserreaktor.
-
Beim Bau und in Betrieb von Siedewasserreaktoren besteht bekanntlich
die Schwierigkeitl hohe Leistungsdichten im Reaktorkern zu erzielen, ohne daso die
Brennelemente durchbrennen. Diese Gefahr best.eht besonders dann, wenn die kritische
Wärmeflussdichte überschritten wird. In diesem Falle bildet sich infolge von Koaleszenz
der dichter wardenden DaMfblasen ein Dampff ilm auf der Wärmeaustauschfläche, und
Sieden dieses Films hat einen plÖtzlichen Ab-
fall der Wärmeaustauschleistung
zur Folge. Da jedoch die thermische Leistung der Brennelemente konstant.ist, steigt
die Betriebstemperatur entsprechend derart an, dass die Umkleidung der Brennelemente
schmilzt und Spaltprodukte freigesetzt werden. (Vgl. hierzu Glasstone und Sesonske,
Xuelear Reactor Engineering (1963), g. 379-387). Um ein Durchbrennen zu vermeiden,'
war es bisher erforderlich, die an sich unbegrenzte thermische Leistung von
Siedewasserreaktoren
zu begrenzen. Ein Anheben der kritischen Wärmestromdichte
war nur schwer zu erreichen, da die erforderlich werdende Pumpleistung für den Umlauf
den UM-mittels als Exponent der kritischen Wärmedichte zunimmt.
Es ist daher im USA Patent 2 950 604 der Anmelderin vorgeschlagen
worden, durch Rotation des Kühlmittels eine Zentritugalbeschleunigung der
Wärzeaustauschfläche von mindestens 10 000 g zu erzielen. Trotz geringfügiger
Verbesserung im Vergleich zu Anl'agen mit axialen Ku-hlmitteldurchfluss ist die
Anwendung jedoch auf nichtsiedende An-
lagen oder solche mit Oberflächensiedung
ohne verwertbaren Dempfausstoss beschränkt. Ausserdem stleigt auch hier die erforderliche
Pmpleistung als Exponentialkurwe der erzielten kritischen Wärmeflusadichte.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmeaustauscher zu schaffen,
mit den sich eine wesentliche Erhöhung der kritischen Wärreflusadichte ohne exponentiellen
Anstieg der erforderlichen Pumpleistung bei möglichst gleichmässigen Wärzeaustausch
über die gesamte Wärzeaustauschfläche erreichen lässt.
-
Die Aufgabe wird durch einen Wärzeaustauscher, In den das flüssige
Mihlmittel durch einenMrlindrischen Kühlkanal geleitet und dabei in einer
Wärzeaustauschzone verdampft wird, gelöst, welches erfindungegemäas gekennzeiebnet
ist
durch einen koarial im Kühlkanal angeordneten und sich über
die gesamte Länge desselben erstreckenden Einsatz mit e-inein Schaft und eine um
denselben spiral- oder gewindeförtig verlaufende Rippe, deren Aussenkanten in der
Wärmeäustauschzone im Abstand zur Kühlkanalwand verlaufen, und einen in der Einlasszone
des Kühlkanals angeordneten Turbulenzgenerator, der dem in den Kühlkanal eintretenden
flüssigen Kühlmittel eine kreiselförmige Bewegung verleiht, die beim Durchfluss
entlang der spiralförmigen Rippe durch-einen verdampfenden Teil des Kühlmittels
aufrechterhalten wird.
-
Die Erfindung sei anhand der Zeichnungen näher erläutert. Bs zeigen:
Die Figur 1 im Längsschnitt einen erfindungsgemässen Wärmeaustauscher und
seine Anordnung im Brennelement eines Kernreaktors; Die F-igur 2 den Wärmeaustauscher
im Querschnitt; Die Figur 3 eine weitere günstige Ausführungsform im Längsschnitt
und die Figur 4 dieselbe im Querschnitt-, Die Figur 5 ein Schaubild der Versuchsergebnisse
des weiter unten erläuterten Beispiels.
Nach der in den Figuren
1 und 2 gezeigten Ausführungsform ist am unteren Ende der vermittels einer
StÜtzfeder 4 in der Öffnung 2 einer Tragplatte 3 gehalterten Spindel
1 ein Turbulenzgenerator in Gestalt einer Schraube mit doppelgängigem Gewinde
5 angebracht. Auf dem Kreuzblech 6 ist der Träger 7 für das
Brennelement mit dem sechseckigen Spaltmaterialteil 8 und dem diesen umgebenden
Moderatorteil 9 (gegebenenfalls mit Brutmaterial angereichert), und einer
den Mühlkanal 10 bildenden Zentralbohrung, abgestützt. Die Auskleidung
11 ist sowohl auf dem Spaltstoffteil 9 aussen, wie auch auf der Innenwand
des Kühlkanals vorgesehen. Durch die untere Spindel 12 wird das Brennelement gelagert,
abgestützt und gleichzeitig verschlo.gsen. An-'- die iintere Spiriel weist
eine den Kühlmittelauslase hildende Längsbohrung auf und ist ihrerseits auf der
Trag-Platte 13 abgestützt.
-
Der einem Bohrmeissel ähnelnde Einsatz 15 reicht in dem Kühlkanal
10 vom unteren Ende der Schraube 5 bis unterhalb der eigentlichen
Brennstoffzone des Brennelements und besteht aus dem Schaftteil 16 und der
dies-en umgebenden und vorzugsweise mit ihm einstückig ausgebildeten spiral- oder
gewindeförmigen Rippe 17, deren Aussendurchmesser kleiner als die lichte
Weite des Mihlkanals 10 ist, so dass ein hinreichender Abstand (bei einem
2 cm weiten Kühlkanal etwa 1 mm) zwischen Rippe und Innenwand des Kühlrohre
besteht.
Im Vergleich zur anliegenden Anordnung gewährleistet ein
solcher Abstand einen gleichmässigeren Wärmeaustausch. Nur die letzte Windung der
Rippe 17, die ausserhalb der B rennstoffzone liegt, weist einen weiteren Durchmesser
auf, so dass sie zur besseren Halterung bzw. Ausrichtung des Einsatzstücks an die
Innenwand des Kühlrohrs anliegt. Zur Abstützung des Einsatzstücks 15 dient
ein quer durch dieses sowie die Spindel 12 geführter Tragbolzen 18.
-
Der Wärmeaustauscher gemäss der Figur 3 unterscheidet sich
von dem der Figuren 1 und 2 durch eine andere Ausgestaltung des Turbuleiizgenerators
19. Er besteht hier aus einem oder mehreren Schrägschlitzen 20, die durch
die Wand des Trägers 7 geffib t sind.
-
Das flüssige Mihlmittel, z. B. Wasser, wird unter Druck durch die
Öffnungen 22 in der Tragplatte 3 in den Püllraum 21 geleitet und gelane von
da zum Einlassende 23 des Brennelemente. Sodann fliesst es durch den Turbulenzgenerator,
z, B. die Schraube 5, oder die eine tangentiale Einspeiaung bewirkenden Schrägschlitze.20,
wodurch ihm gleich zu Beginn des Durchflussen durch den Kühlkanal
10 eine Kreiselbewegung aufgezwungen wird. Bereits hierdurch wird in den
noch ganz oder nahezu dampflosen Binlassteil des Kühlrohrs ein Durchbrennen
des Brennelenents verhindert. Die eigentliche Dauptbildung setzt unterhalb des Ninlassteils
ein.
Infolge der Kreiselbewegung des Kühlmittels wird nunmehr der Dampfteil vom flüssigen
Kühlstrom durch die einwirkenden Zentrifugalkräfte abgetrennt und in die Mitte des
Kühlkanals an das Einsatzstück gedrückt. Dabei wird der Dampf durch die spiralförmige
Rippe 17 stark beschleunigt, bis er verstärkt durch die fortlaufend zusätzlich
in Dampf gehende Phase des Kühlmittels, nahezu Schallweschwindigkeit erreicht.
-
Der an dem in flüssiger Phase verbliebenenTeil des Kühlmittels mit
hoher Geschwindigkeit vorbeistreichende Dampf bewirkt, daas das flüssige Kühlmittel
die ihm vom Turbulenzgenerator aufgezwungene Kreiselbewegung beibehält; andernfalls
würde diese nicht weiter als etwa 10 cm nach dem Turbulenzgenerator reichen.
-
An Stelle des dargestellten, senkrecht nach unten gerichteten Kühlmittelflusses,
kann der Kühlfluss auch umgekehrt nach oben verlaufen, wobei der Turbulenzgenerator
unten am Kühlrohr angebracht wird. Ferner kann auch ohne Lageänderung des Turbulenzgenerators
der Wärzeaustauscher schräg angeordnet werden, da die auftretenden Zentrifugalkräfte
zur Überwindung der Schwerkraft mehr als ausreichen. Der Eihikanal 10, insbesondere
länge und Durchmessert sowie die Steigung der spiral- bzw. gewindeförnigen Rippe
17 werden unter Berückeichtigung von Eihlmitteldurchlfluss- und
Wärineflusswerten
der Bren:nstoffzone 8 so ausgelegt, dass das zur Verhinderung des Durchbrennens
des Brennelements erforderliche Zentrifugalkraftfeld im Kühlmittel aufgebaut wird.
Dabei ist es bes onders günstig, wenn die flüssige Phase in Durchflussrichtung hin
abnimmt, bis am Kühlmittelaustrittsende 24 das gesamte Kühlmittel in Dampfphase
vorliegt. Ein bereits früher eintretender Übergang des gesamten Kühlmittels in die
Dampfphase ist an sich unerwünscht, da.ein erheblicher Abfall des Wärmeaustauschs
und ein entsprechender Temperaturanstieg der Kühlrohr-bzw. Brennelementhülsenwand
bei Wegfall des Siedewärmeaustauschs die Folge ist. Selbst in dem an sich unztinstigeren
Fall einer Verdampfung des gesamten Kühlmittels vor Erreichen der Austrittszone
ist der erfindunzsremässe Wärmeaustauscher aber bekannten mit Axialdurchfluss arbeitenden
Anlagen noch erheblich überlegen. Ausser einer beträchtlichen Erhöhung der kritischen
Wärinestromdichte hat die Verwendung des erfindungsgemässen Wärmeaustauschers auch
noch den weiteren Vorteil, dass selbst nach Überschreiten des kritischen Wärmeflusses
das Brennelement nicht sofort durchbrennt. rin kurzfristiges Überschreiten des kritischen
Punktes ist daher unschädlich, so dass der Reaktor näher im Bereich der kritischen
Wärmestromdichte gefahren werden kann.
Das Schaubild der eigur
5 -zeigt Versuchswerte, die mit einer erfindungegewässen Wärmeaustauscher,mit
nach -unten gerichtetem Durchtluss erzielt-wurden. Als, Wärmeque.Ile diente
an Stelle eines.-Brennelements ein elektrischer Heizd#rabt. Das Kühlmittel war Wasser.
-
Die Daten des verwandten Wärzeaustauschers sind in der folgenden Tabelle#wiederg-egeben:
| Wühlrohr |
| Innendurchne.eser 48 cm |
| aktive Wärtemeaustauschlänge 45 är |
| Material |
| Turbulenzgeneratar (doppelgängige Schraube) |
| Steigung -01-5 # OA, |
| Material -Messing |
| Binsatzstück |
| Zehaftdurchwe-sser 0*6 |
| IM-gpe |
| ---Steigung ein |
| #Xaterlal, i |
| T ib 1 - |
| 2 |
| .vim,-#42, 359 28 und-'21"l#k ",IM :,imd |
| 2,il kg/oj ##erbä |
stellen die Dampfqualitätskonstanten mit
100, 75'und 50%
bei 42 kg/cm
2 (entsprechend Kurve'A)-dar. Wie-aus dem Schaubild ersichtlich
istg wurden'sehr hohe Dampfquali-2
'
täten
(80 - 90%) bei 42
kg/cm und Wärmedurchflusswerte über
8 x
10 6 Kilokal./St./em 2 erzielt.
Zufriedenstellende Damptqualitäten wurden auch bei den niedrigen Drücken gemäss
den Kurven B,
0 und
D erzielt.
-
Demgegenüber können mit bekannten Anlagen Wärzestromdichten von höchstens
4 x 106 Kilokal./St./em 2 , und das auch nur unter Erzeugung sehr
schlechter Dampfqualitäten (10 - 15%) erzielt werden,