DE1564976B2 - Atomkernreaktor fuer die destillation von seewasser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Atomkernreaktor für die Destillation von Seewasser, dessen Reaktorkern sich am Boden eines mit Flüssigkeit gefüllten Behälters befindet, wobei Vorrichtungen vorgesehen sind, die bewirken, daß der als Kühlmittel für den Reaktorkern dienende Teil der Behälterflüssigkeit sich im wesentlichen nicht mit der übrigen Flüssigkeitsmasse im Behälter vermischt, wobei das Kühlmittel kurz oberhalb der Kernoberfläche in den Flüssigkeitsbehälter eintritt, an der Unterseite des Kerns denselben erhitzt verläßt und einen außerhalb des Flüssigkeitsbehälters angeordneten Wärmetauscher durchströmt und darauf wieder in den Flüssigkeitsbehälter zurückströmt.

Derartige meist als Schwimmbadreaktoren ausgebildete Atomkernreaktoren, sind bereits bekannt und gehen beispielsweise aus den französischen Patentschriften 1363 933, 1364 645, 1366230 und 1 366 843 hervor. Sie dienen in den meisten Fällen als Forschungsreaktoren, bei denen die Atomkernstrahlung ausgenutzt wird und deren erzeugte Wärme nicht wirtschaftlich verwertet wird.

Zur Zeit werden erhebliche Anstrengungen in der ganzen Welt gemacht, um neue Quellen von Frischwasser für städtische, industrielle und landwirtschaftliche Verwendungszwecke zu erschließen. Die Anstregungen sind zum großen Teil auf die Entsalzung von Seewasser gerichtet. Besonders aussichtsreich erscheinen dabei Versuche mit Atomkernreaktoren, deren Prozeßwärme sich für eine Entspannungs-Destillationsanlage verwenden läßt. Obwohl auch beliebige ausgebildete Atomkernreaktoren als Wärmequelle für eine Wasserentsalzungsanlage dienen könnten, bietet jedoch die einfachere Kopplung von an sich bekannten Reaktorausführungen mit einer Entspannungs-Destillationsanlage keine Aussicht mit einem niedrigen Kostenaufwand Süßwasser zu erzeugen.

Um die Konsten für die Herstellung des Süßwassers, d. h. die Kosten für die der Destillationsanlage zuzuführenden Wärme niedrig zu haten, sind bereits große Mehrzweckanlagen vorgeschlagen worden, die außer als Seewasser-Umwandlungsanlage auch als Erzeuger elektrischer Energie betrieben werden, so daß eine bestmögliche Ausnutzung der Leistung des Atomkernreaktors gewährleistet ist. Besteht jedoch an der Erzeugung elektrischer Energie kein Interesse, so erweisen sich derartige Mehrzweckanlagen wegen ihrer hohen Kosten als unrentabel. Derartige Mehrzweckanlagen, d. h. Anlagen, die gleichzeitig zur Erzeugung elektrischer Energie dienen, arbeiten im übrigen auch unter einem verhältnismäßig hohen Druck, so daß für den Atomkernreaktor Druckbehälter verwendet werden müssen, um die Kühlflüssigkeit über ihren Siedepunkt bei Atmosphärendruck erhitzen zu können. Ein unter hohem Druck stehendes Reaktorkühlmittel enthält jedoch verhältnismäßig viel gespeicherte Energie, so daß im Fall eines Bruches des Hauptkühlsystems ein großer Teil des Kühlmittels verdampft, wodurch beträchtliche Störungen im Betrieb des Atomkernreaktors und Gefahren für die Umgebung auftreten können.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Seewasser-Destillationsanlage mit einem flüssigkeitsgekühlten Atomkernreaktor zu schaffen, bei der große Wärmemengen in einem nahezu drucklosen Betrieb des Atomkernreaktorsystems erzeugt werden.

Diese Aufgabe wird bei dem flüssigkeitsgekühlten Atomkernreaktor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Kühlmittelumlaufgeschwindigkeit, die Reaktorleistung und die Wärmeabfuhr im Wärmetauscher so aufeinander abgestimmt sind, daß die maximale Temperatur des Kühlmittels oberhalb der Siedetemperatur dieses Kühlmittels bei Atmosphärendruck liegt, und daß die im Flüssigkeitsbehälter über dem Reaktorkern stehende Flüssigkeitssäule so hoch eingestellt ist, daß der von ihr auf die Kühlflüssigkeit ausgeübte statische Druck ein Sieden der Kühlflüssigkeit bei maximaler Betriebstemperatur verhindert.

Gemäß der Erfindung wird als Kühlmittel reines

Wasser verwendet, das dem Reaktorkern mit einer Temperatur von etwa 93° C zugeführt und mit etwa 120° C durch Zwangsumlauf abgeführt wird. Das dem Wärmetauscher zugeführte Kühlmittel wird nach der Erfindung durch Seewasser derart gekühlt, daß eine Entsalzung mindestens eines Teils des Seewassers erreicht wird.

Im Kühlkreislauf des Atomkernreaktors befindet sich mindestens ein Wärmetauscher, der in vorteilhafter Weise außerhalb des Behälters angeordnet ist. Der bzw. die Wärmetauscher ist bzw. sind im Sekundärkreis mit Seewasserleitungen und mit einer mindestens einstufigen Entspannungsverdampferanlage verbunden.

Der Vorteil des flüssigkeitsgekühlten Atomkernreaktor nach der Erfindung besteht überwiegend darin, daß, da das Reaktorsystem im wesentlichen drucklos arbeitet, das Reaktorkühlmittel verhältnismäßig wenig gespeicherte Energie enthält, so daß im Falle eines Bruchs des Hauptkühlsystems nur ein kleiner Teil des Kühlmittels verdampft.

Ein weiterer Vorteil des Atomkernreaktors nach der Erfindung besteht in ihrer Sicherheit.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Behälter als ein Schacht, vorzugsweise aus Beton, mit etwa 30 m Tiefe unter Flur und etwa 15 m Höhe über Flur ausgebildet ist, wobei der Reaktorbehälter eine Höhe von etwa 45 m aufweist. Der Reaktorkern, der mit mehreren Unrandioxyd enthaltenden Brennelementen ausgerüstet ist, befindet sich in der Nähe des Bodens des Reaktorbehälters. Zur Steuerung des Reaktors sind Steuerstäbe und Einrichtungen zur Handhabung derselben vorgesehen. Ferner ist ein zweiter Schacht vorhanden, der vorzugsweise als Betonschacht mit einer Tiefe von 30 m unter Flur ausgebildet ist, welcher mehrere senkrecht angeordnete Seewassererhitzer bzw. Wärmetauscher aufnimmt, denen das Reaktorkühlwasser durch die Auslaßleitung mittels zwei im Schacht untergebrachten Pumpen zugeführt wird. Zum Entsalzen des erhitzten Seewassers dient nach der Erfindung vorzugsweise eine mehrstufige Entspannungsverdampferanlage.

Das freie zur Verfügung stehende Volumen der Behälter ist derart, daß dann, wenn das Kühlmittelsystem gebrochen ist, der sich ergebende Stand des Kühlmittels in den Behältern weit oberhalb der Oberseite des Reaktorkerns liegt. Damit ist es nicht möglich, daß ein vollständiger Kühlmittelverlust und ein Schmelzen des Brennstoffes in größerer Menge eintritt. Ferner bietet das große Volumen des Kühlmittelsystems eine erhebliche Wärmekapazität, so daß eine Kühlung des Reaktorkerns über viele Stunden sichergestellt ist, falls ein Strömungsmittelverlust oder ein Bruch des Kühlmittelsystems auftritt. Dadurch, daß das Reaktorsystem im wesentlichen drucklos arbeitet und das Reaktorkühlmittel verhältnismäßig wenig gespeicherte Energie enthält, ergibt sich der Vorteil, daß im Fall eines Bruches des Hauptkühlsystems nur ein kleiner Teil des Kühlmittels verdampft.

Da das Gesamtvolumen des Reaktorkühlmittels relativ groß ist und ein bedeutender Bruchteil desselben sich unterhalb der Siedetemperatur befindet, vergeht ein beachtlicher Zeitraum, bevor ein Sieden eintritt, selbst bei vollständigem Verlust des Kühlmittelstromes. Wenn bei einem Notfall oder Unfall kein anderes Hilfsmittel für die Wärmeabfuhr vorgesehen werden kann, kann ein Sieden des Kühlmittels zugelassen werden. Infolgedessen wird kein bedeutender Betrag an Radioaktivität, selbst bei einem schweren Unfall, freigegeben. Ferner liegt der Reaktor unterhalb des Grundwasserspiegels, so daß, auch dann, wenn bei einer größeren Katastophe, wie bei einem Erdbeben, die Schachtwände brechen, der Kern mit Wasser bedeckt bleibt. Die Höhe der Kühlmittelsäule über dem Reaktor reicht aus, um ein Sieden des

ίο Kühlmittels bei einer Temperatur zu verhindern, die hoch genug ist, um die Entspannungsdestillationsanlage zu betreiben.

Ein so aufgebauter und betriebener Kernreaktor läßt sich wegen seiner großen Sicherheit auch für stark bebaute Gegenden verwenden.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, näher beschrieben. Hierbei zeigt

F i g. 1 einen schematischen senkrechten Schnitt eines nach der Erfindung betriebenen Reaktors mit einem als Destillationsanlage ausgebildeten Wärmetauschers,

Fig.2 in vergrößertem Maßstab einen waagerechten Schnitt nach der Linie 2-2 in F i g. 1,

F i g. 3 einen schematischen senkrechten Schnitt der Anlage im Zustand der Brennstofferneuerung,

Fig.4 in vergrößertem Maßstab einen waagerechten Schnitt nach der Linie 4-4 in F i g. 1 und
F i g. 5 ein vereinfachtes Strömungsdiagramm der Anlage.

Gemäß F i g. 1 umfaßt die Destillationsanlage nach der Erfindung einen Kernreaktor 10 mit einem Kern 11, der nahe dem Boden eines tiefen Betonschachtes 12 angeordnet ist, eine Mehrzahl von Seewassererhitzern bzw. Wärmeaustauschern 13, die in einem neben dem Schacht 12 angeordneten weiteren Betonschacht 14 senkrecht ausgerichtet sind, und eine mehrstufige Entspannungsverdampferanlage 15.

Die Betonschächte 12 und 14 sind in einer 30 m tiefen Aushebung durch eine Betonwand 16 voneinander getrennt. Der Schacht 12 erstreckt sich nicht nur 30 m unter Flurhöhe, sondern auch etwa 15 m darüber. Der Reaktorschacht 12 hat einen Innendurchmesser von 12,8 m. Die Betonwände der Schächte 12 und 14 sind mit Kohlenstoffstahl ausgekleidet (nicht dargestellt), um ein Hindurchsickern von Grundwasser in die Schächte zu verhindern.

Der Reaktorkern 11 ist in einem Reaktortank bzw. Reaktorbehälter 17 angeordnet, der 45,7 m Höhe und 3,3 m Innendurchmesser hat, 0,95 cm dicke Kohlenstoffstahlwände besitzt und mit einem Bad 18 entsalzten Wassers gefüllt ist. Der Tank ist am Boden durch einen Sockel 19 abgestützt, während seitliche Stützen 20 eine seitliche Bewegung des Tanks verhindern.

Der Reaktorkern ist von an sich bekannter Beschaffenheit und wird im einzelnen nicht näher beschrieben. Im allgemeinen hat der Kern 11 eine aktive Höhe von 2 m und einen aktiven Durchmesser (gleichwertig) von 2 m und enthält 120 Brennstoffeinheiten, die sich zwischen einer oberen Gitterplatte 22 und einer unteren Gitterplatte 23 erstrecken. Die Brennstoffeinheiten haben quadratischen Querschnitt von 15 cm Seitenlänge. Jede der Brennstoffeinheiten enthält mehrere Brennstoffstäbe aus Zirkaloy-II plattiertem Urandioxyd. 30 kreuzförmige Regelstäbe 24, die B₄C als Regel- bzw. Absorberstoff enthalten, sind mit Inconel ummantelt und an den Schnittstellen von

seite des Reaktorbehälters 17 und ein Hilfshebezeug (nicht dargesteUt) schafft das Element durch den Trog 40 zu dem Abfallschacht 35. Somit wird die gesamte Handhabung des Brennstoffes unter Wasser 5 ausgeführt. Während der Erneuerung sind die seitlichen Stützen 29 für die Verlängerungsrohre 23 der Regelstäbe gegen die Seite des Reaktorbehälters 17 zurückgezogen und die Verlängerungsrohre 28 werden von den Regelstäben gelöst und in den Gabeln

herabzusetzen. Jedoch ist kein Unterdrucksetzen erforderlich, da der statische Druck von mehr als 39,6 m Wassersäule über dem Reaktorkern ausreicht, um ein Sieden zu verhindern.

Auf der Oberseite des Reaktorbehälterdeckels 26 sind Regelstabantriebe 27 angebracht und mit den Regelstäben 24 durch Verlängerungsrohre 28 von 39,6 m Länge und 7,6 cm Weite verbunden. Zurückmittel eingespritzt werden kann.

An Hand der F i g. 5 wird die Arbeitsweise der Anlage nach der Erfindung beschrieben. Beim Be

Gruppen von 4 Brennstoffeinheiten 21 mit einer Teilung von 31,7cm angeordnet (s. Fig.2). Die Regelstäbe 24 erstrecken sich durch Führungshüllen 25, die an der oberen Gitterplatte 22 angebracht sind. Der Kernreaktor enthält ferner brennbares Vergiftungsmaterial, wie es in der Reaktortechnik üblich ist.

Der Reaktorbehälter 17 ist durch einen luftdichten Deckel 26 abgedeckt, der verhindert, daß Luft in

das Hauptkühlsystem eintritt, um die Korrosion des ao 43a gespeichert (s. Fig. 4), die seitlich rund um den bei der Herstellung verwendeten Kohlenstoffstrahls Reaktorbehälter herum angeordnet sind.

Ein Auslaßwehr 44 begrenzt einen Sammelraum 45. Die Auslaßleitung 46 dringt durch die Wand 16 zu zwei Pumpen 47, die das Wasser aus dem Sami₅ melraum 45 absaugen und es durch Steigleitungen (nicht dargestellt) den Seewassererhitzern bzw. Wärmetauschern 13 zuführen. Das Wasser wird in das Bad 18 im Reaktorbehälter über dem Reaktorkern 11 durch die Rückleitung 48 zurückgeführt, ziehbare seitliche Halter 29 für die Verlängerungs- 20 In F i g. 1 ist ferner ein Tank 49 dargestellt, der rohre (s. F i g. 3 und 4), weisen 2 Sätze von Armen eine Borlösung enthält, die im Notfall in das Kühlauf, die um 90° gegeneinander versetzt sind, die sich
während der Brennstofferneuerungsarbeiten gegen
den Reaktorbehälter umlegen und während des

Reaktorbetriebes ein Gitter bilden, um eine seitliche 25 trieb wird die im Raktorkern erzeugte Wärme von Abstützung der Verlängerungsrohre zu gewährlei- 400 Mw thermisch durch 152 000 Liter pro Minute sten. Dieses Gitter dient ferner dazu, die Wärme- entsalztes Wasser abgeführt, das durch den Reaktorübertragung durch Konvektion an der Oberfläche kern abwärts strömt. Das Wasser tritt in den Kern 11 des Reaktorbehälters etwas herabzusetzen, während mit etwa 93° C ein und aus diesem mit etwa 120° C die Prallwand 29 den Hauptkühlmittelstrom nach 30 aus. Wegen der Konvektionsströmung befindet sich unten ablenkt. die Menge des Kühlmittels im Reaktorbehälter 17

Der Reaktorkern 11 wird im Reaktorbehälter 17 auf 93° C. Die Strömung erfolgt durch eine einzige durch einen Umfangsflansch 30 gehalten, der nahe Auslaßleitung 46, die sich etwa 1,2 m über dem Bodem Boden des Behälters angeordnet ist. Blei- und den des Reaktortanks befindet. Vom Reaktorausgang Stahlabschirmungen 31, die den Kern 11 innerhalb 35 strömt das Wasser zur Saugseite von zwei Kühhnitdes Reaktortanks 17 umgeben, werden ebenfalls telpumpen 47 und von den Pumpen zu einem Sammdurch den Umfangsflansch 30 gehalten. ler 50, der das Kühlmittel auf die beiden Seewas-

Eine Stahlhaube 32, die einen Hubhaken 33 auf- sererhitzer bzw. Wärmetauscher 13 verteilt, die parweist, umschließt die Antriebseinheiten 27 für die Re- allel arbeiten. Die geteilten Strömungen vereinigen gelstäbe und deckt den Reaktorschacht 12 ab, und 40 sich an den Ausgängen der Erhitzer und gehen dann ineinandergreifende Betonträger 34 bilden die Ab- nacheinander durch einen dritten und vierten Wärdeckung für den Salzwasser-Erhitzerschacht 14. So- metauscher 13, worauf sie aus dem letzteren mit wohl die Haube 32 als auch die Betonträger 34 ge- einer Temperatur von 93° C austreten. Das Kühlmitwähren eine gewisse Abschirmung und dienen ferner tel gelangt dann wieder durch eine einzige Einlaßleials unterer Leckschutz, um eine geregelte Lüftung 45 tung 48 in den Behälter 17, welche etwa 12 m über der Schächte zu ermöglichen. dem Behälterboden angeordnet ist. Zugleich wird

Ein Schacht 35 für verbrauchten Brennstoff, der Seewasser in den Wärmetauschern erhitzt und dann über Flur liegt, ist neben dem Reaktorschacht 12 an- einer Reihe von Entspannungsverdampfungen in der geordnet und mit diesem durch einen 5,2 m tiefen Entspannungsverdampferanlage 15 unterworfen, um Kanal 36 verbunden, der während des Reaktorbetrie- 50 das destillierte Wasser zu erhalten. In den Wärmebes durch ein entfernbares Tor 37 verschlossen ist. tauschern 13 strömt das Reaktorkühlmittel durch den Speichergabeln 38 für Brennelemente und ein Gefäß
39 für verbrauchten Brennstoff sind im Schacht 35
dargestellt.

F i g. 3 zeigt die Reaktoranlage bei Vornahme 55
einer Brennstofferneuerung. Das Tor 37 ist aus dem
Kanal 36 entfernt und in diesen ist ein Erneuerungstrog 40 eingesetzt, der den Schacht 35 und den Reaktorbehälter 17 verbindet. Die Brennstofferneuerung
wird von der Oberseite des Reaktorbehälters 17 60 bestehen aus 70-30 Kupfernickel- und die Brenndurchgeführt, und zwar unter Verwendung eines He- Stoffstabumhüllung aus einer Zirkon-Legierung. bezeugs 41 und eines Greifwerkzeugs 42 für das
Entfernen der Brennelemente, um diese bis zu einem
Punkt gerade über dem Reaktorkern anzuheben.

Mantel und das Seewasser durch die Rohre. Die Nennkapazität der Anlage beträgt 190 Millionen Liter Wasser je Tag.

Alle Bestandteile des primären Kühlmittelsystems sind aus Kohlenstoffstahl hergestellt, mit Ausnahme der Salzwassererhitzerrohre und Rohrboden und der Pumpen- und Ventilausrüstung sowie der Brennstoffstabumhüllung. Die Erhitzerrohre und Rohrboden

Ein Kühlmittelüberlauf ist etwa 0,9 m unter der Oberseite des Reaktortanks angeordnet. Eine 5 cm Leitung führt zu einer Sammeleinrichtung 51 für ra-

Unterwasser-Fernsehkameras (nicht näher darge- 65 dioaktive Abfallflüssigkeiten, die auch flüssige Abstellt) dienen dazu, das Greifwerkzeug 42 über ein fälle aus anderen Überlauf- und Abzugseinrichtunbestimmtes Brennelement zu bringen. Eine Bühne 43 gen sammelt. Das Gesamtvolumen des Primärsyhebt die Einheiten über die übrige Strecke zur Ober- stems beträgt etwa 1,1 Millionen Liter.

Verunreinigungen werden aus dem primären Kühlmittelsystem entfernt, indem Kühlmittel in einer Menge von 1900 Liter pro Minute vom Einlaß des zweiten Wärmetauschers abgezogen und dieses Wasser durch einen ersten Rückgewinnungswärmetauscher 52 geleitet wird, der es auf 65 C abkühlt, und dann durch einen nicht der Rückgewinnung dienenden Wärmeaustauscher 53, der es auf etwa 50° C herabkühlt. Nach dem Durchlauf durch die Wärmeaustauscher läuft das Wasser durch ein Ionenaustauscherbett 54 und ein Filter 55, das Verunreinigungen entfernt. Schließlich läuft das Wasser wieder durch den Rückgewinnungsaustauscher 52 und wird dann in das primäre System zurückgeführt.

Um das Hauptkühlmittel zu entlüften, wird Kühlmittel aus der Leitung abgezapft, die die Reinigungseinrichtung für das primäre System speist. Dieses Wasser wird in den Reaktorbehälter 17 über dem darin enthaltenen Kühlmittel durch einen Sprühkopf 56 eingesprüht. Da dieses Wasser sich auf einer Temperatur von annähernd 120° C befindet, wird durch sein Einsprühen in den Reaktorbehälter bewirkt, daß ein Teil desselben unmittelbar verdampft. Gase und

ίο Wasserdampf im Kopf des Behälters werden durch einen Kondensator 57 abgeführt, und das kondensierte Wasser und die nicht kondensierten Gase werden einer getrennten Einrichtung zur Verwendung zugeführt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

209 584/166

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Flüssigkeitsgekühlter Atomkernreaktor für die Destillation von Seewasser, dessen Reaktorkern sich am Boden eines mit Flüssigkeit gefüllten Behälters befindet, wobei Vorrichtungen vorgesehen sind, die bewirken, daß der als Kühlmittel für den Reaktorkern dienende Teil der Behälterflüssigkeit sich im wesentlichen nicht mit der übrigen Flüssigkeitsmasse im Behälter vermischt, wobei das Kühlmittel kurz oberhalb der Kernoberfläche in den Flüssigkeitsbehälter eintritt, an der Unterseite des Kerns denselben erhitzt verläßt und einen außerhalb des Flüssigkeitsbehälters angeordneten Wärmetauscher durchströmt und darauf wieder in den Flüssigkeitsbehälter zurückströmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelumlaufgeschwindigkeit, die Reaktorleistung und die Wärmeabfuhr im Wärmetauscher (13) so aufeinander abgestimmt sind, daß die maximale Temperatur des Kühlmittels oberhalb der Siedetemperatur dieses Kühlmittels bei Atmosphärendruck liegt, und daß die im Flüssigkeitsbehälter (17) über dem Raktorkern (11) stehende Flüssigkeitssäule so hoch eingestellt ist, daß der von ihr auf die Kühlflüssigkeit ausgeübte statische Druck ein Sieden der Kühlflüssigkeit bei maximaler Betriebstemperatur verhindert.

2. Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel reines Wasser verwendet wird, daß dem Reaktorkern (11) mit einer Temperatur von etwa 93°C zugeführt und mit etwa 120° C durch Zwangsumlauf abgeführt wird.

3. Atomkernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Wärmetauscher (13) zugeführte Kühlmittel durch Seewasser derart gekühlt wird, daß eine Entsalzung mindestens eines Teils des Seewassers erreicht wird.

4. Atomkernreaktor nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein im Kühlkreislauf des Reaktorkerns (11) liegender Wärmetauscher (13) außerhalb des Behälters (17) angeordnet ist.

5. Atomkernreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Wärmetauscher (13) im Sekundärkreis mit Seewasserleitungen und mindestens einer einstufigen Entspannungsverdampferanlage (15) verbunden ist bzw. sind.