DE1751325A1

DE1751325A1 - Waermeaustauschanordnung fuer Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1751325A1
Application number: DE19681751325
Authority: DE
Inventors: Parris Harold Clair
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1967-05-19
Filing date: 1968-05-11
Publication date: 1971-07-08
Also published as: FR1567466A; GB1161654A; US3374149A

Description

Anmelder: United States Atomic Energy Commission Washington D. 0., USA

Wärmeaustauschanordnung für Kernreaktoren

Die Erfindung betrifft eine Wärmeaustauschanordnung für Kernreaktoren, die mit einem flüssigen Metall, 25. B. Natrium, gekühlt werden.

In mit einem flüssigen Metall gekühlten Kernreaktoren wird die Wärmeenergie des flüssigen Metalls dem Verbraucher über einen mit dem flüssigen Metall gespeisten Zwischenwärmeauetauecher über D_ampf erzeugende Verdämpfer- und Überhitzereinheiten zugeführt· Der Abdampf kann dann noch einem weiteren Verbraucher, a. B. einer Niederdruckturhine gegebenenfalls nach Durchlauf durch einen Nacherhitzer zugeführt werden.

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Die einer derartigen Anlage gestellten Anforderungen gehen über die eines gewöhnlichen Dampfkraftwerks weit hinaus. Ausser einer stets erwünschten Verbesserung des Leistungsfaktors sollen Strahlungsschäden, insbesondere eine Aktivierung des Dampfkreislaufe vermieden werden. Ausserdem sind Materialschäden durch hohe Betriebstemperaturen_f Korrosion durch das flüssige Metall und hohe Belastungswerte zu berücksichtigen· Für die günstigerweise als austauschbare Baueinheiten (Module) gefertigten Überhitzer, Verdampfer und Nacherhitzer (bgl. USA Patent 3,176,761) muss daher teurer rostfreier Stahl*verwendet werden.

Aufgabe der Erfindung ist, den erwähnten Anforderungen in noch besserer Weise gerecht asu werden und Insbesondere die Verwendung eines billigeren Materials, z.B. -ferritischen Materials zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird dadurch gelost, dass der überhitzer und der Nacherhitzer im Priaärkreislauf parallel zueinander und dem Verdampfer nachgeschaltet, und in Sekundärkreislauf über einen Verbraucher einander nachgeschaltet sind.

Hierdurch wird erreicht, dass der in einer Niedertemperaturzone liegende Verdampfer »it geringerem Temperaturgefälle als die in einer Hoohtemperaturzone liegende Überhitzer und Naoherhitzer arbeiten.

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Gegebenenfalls kann diese Wirkung noch durch Einschaltung eines Temperaturreglers für das in die Wärmeaustauscheinheiten eintretende flüssige Metall noch verstärkt werden.

An sich erwartet der Fachmann durch ein geringeres Temperaturgefälle einen unerwünschten Abfall des Leistungsfaktors. Durch die erfindungsgemässe Anordnung wird es jedoch möglich, für den Verdampfer ein billigeres, z. B. ferritisches Material mit hohem Wärmeaustauschkoeffizienten zu verwenden. Dies wiegt den vermeintlichen Nachteil mehr als auf. ·

Die Zeichnung zeigt die Wärmeaustauschanordnung schematisch unter Weglassung aller für das Verständnis der Erfindung nicht unmittelbar wesentlichen Teile wie Pumpen, Ventile, Abscheider usw.

Die Wärmeaustauscheinheiten sind¹ günstigerweise nach dem Baukastenprinzip als austauschbare Einheiten (Module) ausgebildet und enthalten ein Rohrsystem für den Primärkreislauf und einen dieses umgebenden Mantel für den Sekundärkreislauf (oder umgekehrt), die günstigerweise im Gegenatrom arbeiten} vgl. hierzu im Einzelnen USA Patent 3,176,761.

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Der Reaktor 1 weist die Bin- und Auslassleitungen 2 und

3 für das Primärkühlmittel aus flüssigem Metall, z. B.

Natrium auf. über den Zwischenwärmeaustauscher 4 wird die '

im Reaktor erzeugt· Wärmeenergie an das Natriumtystem in ) den Leitungen 5 und 6 abgegeben. Die Plussrichtung des Kühlkreislaufs ist durch die Pfeile bezeichnet. Das aus j dem Austauscher A. in die Leitung 6 tretende Natrium hat beispielsweise eine Temperatur von 566⁰O* Bs wird in ^ gleichen Mengen den p*ralielgeeohalteten Primärkreisläufen des Überhitzers 7 und des Nacherhitzers β zugeführt, gibt seine Wärmeenergie an das sekundäre flügssige Metall in den Leitungen 9 und 10 ab, und das letztere flieset in die Speiseleitung 11 des Verdampfers. Zur Regelung dee Na- \

triumdurchflueses durch den Nacherhitzer kann in der Lei-

tung 10 eine Regelpumpe und ein Regelventil 2?, 28 vorge-

sehen «ein. Aus dem Verdampfer 15 flieset sekundäres ( flüssiges Metall Über die Leitung 5 mit einer Temperatur

▼on etwa 400⁰O in den ZwI schenwärmeaustauscher 4· Der ge- j P eamte Temperaturabfall des Natriums beträgt etwa 149 - 16J⁰C. Für den Sekundärkreislauf von Verdampfer 15« Überhitzer 7 und Nacherhitzer θ ist in der Regel Dampf vorge- ' sehen j andere fluide Mittel, B. B. Quecksilber oder or- i ganisohe Stoffe sind ebenfalls verwendbar. Als Beispiel ₍ wird im folgenden ein Sekundärdampfkreislauf angenommen. / Die hierzu erforderliche Wasserversorgung kann in bekann- .« ter Weise einem Versorger, entnommen werden$ im folgenden f

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Beispiel dient als mittelbare Quelle die Ausgangsleitung

16 der Niederdruckturbine 26 oder ein (nicht gezeigter) Abscheider. Das Wasser wird z. B. durch das Sekundärsystem

17 des Verdampfers 15 und die Leitung 18 in die Sekundärseite 19 des Überhitzers 7 gepumpt.

Der vom Überhitzer abgegebene Dampf wird über die Leitung 20 einem Verbraucher, z. B. der Hochdruckturbine 21 zügeführt, und gelangt von dieser über die Leitung 22 in den M Sekundärteil 23 des Nacherhitzers 8. Dampftemperatür und -druck in der Leitung 20 betragen z. B. 538° O bzw. 140 kg/cm (2000 psig). Der wiedererhitzte Dampf verlässt den Nacherhitzer über die Leitung 25 und beaufschlagt die Niederdruckturbine 26. Das Speisewasser fliesst sodann über Leitung Iß in den Verdampfer 15 zurück. Der Niederdruckdampf in der Leitung 22 besitzt z. B. eine Temperatur von etwa 37O⁰C, die vor Aufgabe auf die Niederdruckturbine im Nacherhitzer auf etwa 538⁰O gesteigert wird. Die Anordnung ist so ausgelegt, dass infolge etwa gleichen Natriumdurchflusses durch den Erhitzer und Nacherhitzer sowie gegebenenfalls zusätzlicher Regelung die Natriumtemperatur in den Leitungen 9 und 10 die gleiche ist. Die Anordnung ist ferner für einen Gesamttemperaturabfall des Natrium* von etwa 163⁰C ausgelegt. Bei einer Natriumhöchsttemperatur von 566⁰O in der Leitung 6 beträgt die Temperatur des in der Leitung 5 zurtickfliβBeenden Natriums 3701 - 385⁰C.

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Etwa die Hälfte des Gesamttemperaturabfalls erfolgt in den parallelgeschalteten Nacherhitzer und Übererhitzer, die andere Hälfte im Verdampfer. Die Temperatur in der Leitung liegt beispielsweise bei 482⁰C. Die Temperatur des bei etwa 260°durch die Leitung 16 flieseenden Speisewassers wird im Durchlauf durch den Verdampf er auf etwa 538⁰G erhöht. Der grösste Temperaturanstieg erfolgt also im Überhitzer.

In der Leitung 22 beträgt die Temperatur des Speisewassers z. B. 288⁰C, die beim Austritt in Leitung 25 auf 482 -538⁰C bei einem Druck von 28 - 42 kg/cm² (400 - 600 psi) gesteigert wist. .

Durch die erläuterte Anordnung wird ein grosser Temperaturabfall im Überhitzer und Nacherhitzer, aber ein wesentlich kleinerer im Verdampfer erreicht. Dies ermöglicht einmal die Verwendung kleinerer Nacherhitzereinheiten· Der geringe Temperaturabfall und grössere Durchfluss von Natrium durch den Verdampfer erlaubt die Verwendung, von ferritischem Material für die Verdampfereinheit, das im Vergleich zu bieher üblichem Material, z. B. Edelstahl, nicht nur wesentlich billiger ist, sondern auch e,inen weitaus höheren Wärmeaustauschtoeffizienten aufweist« Das wird besonder· deutlich, wenn man bedenkt, dass bei Temperaturen über 37O⁰O die zulässige Zugbelastung rasch abfällt, bei roat-

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freiem Chrom- und Molybdänstahl, z. B. von 840 kg/cm

(12000 pai) auf 350 kg/cm² (5000 psijf bei 538° O, die wei-

/austere Legierung mit diese Belastungen'haltendem Material aber zu einer noch stärkeren Beeinträchtigung des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten führt, Bs ist daher ein wesentlicher technischer Portschritt, dass die Anordnung der Erfindung Betriebstemperaturen des Verdampfers von etwa 37O°O ermöglicht. So kann für den Verdampfer gewöhnlicher rostfreier Stahl verwendet werden, und nur für den Überhitzer und Nacherhitzer ist Stahl mit 5% Ohromanteil erforderlich.

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Claims

Patentanspruch

Wärmeaustauschanordnung für mit flüssigem Metall gekühlte Kernreaktoren mit einem das flüssige Metall enthaltenden Primärkreis und einem Sekundärkreis, z. B. mit Dampf oder dergleichen und in diese eingeschalteten überhitzer-, Nacherhitzer- und Verdampfereinheiten, dadurch gekennzeichnet, dass der Überhitzer (7) und der Nacherhitzer (8) im Primärkreislauf parallel zueinander und dem Verdampfer (15) nachgeschaltet, und im Sekundärkrieislauf über einen Verbraucher einander nachgeschaltet sind.

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