DE1764219B1 - Schwerwasser-siedereaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwerwasser-Siedereaktor, dessen Spaltzone gemeinsam mit einem Wärmetauscher zur Dampferzeugung in einem Druckgefäß angeordnet ist.

Aus der belgischen Patentschrift 650 035 ist ein Druckwasser-Reaktor bekannt, dessen Spaltzone gemeinsam mit einem Wärmetauscher zur Dampferzeugung in einem Druckgefäß angeordnet ist. Außerdem ist aus der USA.-Patentschrift 3 211 625 und der französischen Patentschrift 1 368 086 ein Schwerwasser-Siedereaktor bekannt, bei dem in dem Druckgefäß für die Aufnahme des als Moderator dienenden schweren Wassers ein Behälter angeordnet ist, der von Brennstoffelemente enthaltenden vertikalen Druckrohren abgedichtet durchsetzt ist, die in einem allen Druckrohren gemeinsamen Sammelraum einmünden.

Zur Aufrechterhaltung des Kreislaufes des schweren Wassers in Schwerwasser-Siedereaktoren der obenerwähnten Art sind bislang Speisepumpen im Einsatz, die in den Moderatorteil relativ kaltes, vom

so Wärmetauscher herkommendes schweres Wasser injizieren. Das aus dem Moderatorteil austretende schwere Wasser vermischt sich mit Wasser von Sättigungstemperatur, das aus den Druckrohren kommt, und diese Mischung sinkt rund um den Aufnahmebehälter für den Moderator nach unten und steigt entweder durch natürliche Konvektion oder unter Zwang in den Druckrohren wieder nach oben, während der Dampf in Richtung auf den Wärmetauscher abgeführt wird.

Eine solche Kreislauferzeugung ist jedoch in zweierlei Hinsicht von Nachteil. So ist der thermodynamische Wirkungsgrad durch die Mischung zwischen kaltem, aus dem Moderatorteil kommenden Wasser und Wasser bei Sättigungstemperatur relativ niedrig, und außerdem bilden die für die Erzeugung des Kreislaufes verwendeten Speisepumpen vor allem bei Reaktorausführungen in integrierter Bauweise, wo sie durch ihre Stellung im Inneren des Druckgefäßes nicht zugänglich sind, eine schwerwiegende Störungsquelle.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schwerwasser-Siedereaktor der eingangs erwähnten Art in der Weise weiterzuentwickeln, daß einerseits im Sinne eines günstigen Neutronenhaushalts, also einer optimalen Moderierung bei einem minimalen Einsatz an schwerem Wasser, das als Moderator dienende schwere Wasser auf einer relativ niedrigen Temperatur gehalten wird, während andererseits zur Erhöhung des thermodynamischen Wirkungsgrades die Schwerwasseremulsion, also die Mischung aus flüssiger und dampfförmiger Phase, am Ausgang der Druckrohre eine hohe Enthalpie aufweist.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Druckgefäß für die Aufnahme des als Moderator dienenden schweren Wassers ein Behälter angeordnet ist, der von Brennstoffelemente enthaltenden vertikalen Druckrohren abgedichtet durchsetzt ist, die in einen allen Druckrohren gemeinsamen Sammelraum einmünden, und daß im Sammelraum Ablenkwände vorgesehen sind, die einen ersten Strömungskreislauf für das schwere Wasser, der vom Sammelraum über den Wärmetauscher, das Innere des Behälters und einen ersten Anteil der Druckrohre in den Sammelraum zurückführt, von einem zweiten Strömungskreislauf für das schwere Wasser abgrenzen, der strömungsmäßig parallel zum ersten Kreislauf vom Sammelraum unter Umgehung

des Wärmetauschers über den restlichen Anteil der Druckrohre in den Sammelraum zurückführt.

Bei der erfindungsgemäßen Reaktorausbildung herrscht in dem Moderator durch die Serienschaltung der Druckrohre mit dem Moderatorteil eine natürliehe Konvektion, und gleichzeitig bleibt der Moderator als Ganzes auf relativ niedriger Temperatur. Durch die Speisung der Druckrohre in der Umfangszone mit Wasser von Sättigungstemperatur unter Umgehung der Wärmetauscher und die Speisung der Druckrohre der zentralen Zone mit Wasser, das den Wärmetauscher und den Moderator durchlaufen hat und daher beim Eintritt in die Druckrohre eine Temperatur unterhalb der Sättigungstemperatur aufweist, gelingt es außerdem, die Enthalpie am Ausgang aller Druckrohre zu vergleichmäßigen. Insgesamt führt die erfindungsgemäße Ausbildung bei minimalem Durchtrittsquerschnitt für den Moderator und damit bei minimaler Menge an einzusetzendem schwerem Wasser zu einer maximalen Gesamtausbeute an Dampf am Ausgang der Druckrohre.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäß ausgebildeten Schwerwasser-Siedereaktor veranschaulicht; dabei zeigt in der Zeichnung as

Fig. 1 einen stark schematisch gehaltenen Vertikalschnitt durch eine Hälfte des Reaktorkernes eines erfindungsgemäß ausgebildeten Schwerwasser-Siedereaktors, wobei die dargestellten Pegel für das schwere Wasser dem normalen Reaktorbetrieb entsprechen, und

F i g. 2 eine F i g. 1 ähnliche Darstellung für den gleichen Schwerwasser-Siedereaktor, wobei jedoch die Pegelstände für das schwere Wasser dem Zustand bei Inbetriebnahme des kalten Reaktors entsprechen.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus dem Druckgefäß 10 eines Schwerwasser-Siedereaktors, das im allgemeinen aus einer dicken Umhüllung aus Stahl oder aus mit Stahl überzogenem Spannbeton besteht. Der untere Teil des Druckgefäßes wird von in flüssiger Phase vorliegendem schwerem Wasser eingenommen. In diesem unteren Teil ist ein zylindrischer Behälter 12 für die Aufnahme von als Moderator dienendem schwerem Wasser angeordnet, der von vertikalen Druckrohren 13 und 13' durchquert wird, die entsprechend einem regelmäßigen Netz mit beispielsweise quadratischen Maschen angeordnet sind. Rund um den Behälter 12 begrenzen Wände 14 und 16 eine Leitung 18, die von dem unteren Teil eines Wärmetauschers 20 eingenommen wird, dessen oberer Teil in die Dampfphase eintaucht. Die von den Wänden 14 und 16 begrenzte Leitung 18 ist an ihrem oberen Teil offen und steht mit ihrem unteren Teil über einen Durchlaß 22 mit der Umfangszone 30 des Behälters 12 in Verbindung. Hat der Pegel 24 des schweren Wassers, die dem normalen Reaktorbetrieb entsprechende Lage, so stehen die oberen Enden der Druckrohre 13 und 13' und der auf gleicher Höhe endenden Leitung 18 dem schweren Wasser offen.

Ein mit dem Boden des Behälters 12 verbundener, jedoch unterhalb von dessen oberer Wand einen Durchgang 28 frei lassender, vertikaler ringförmiger Schirm 26 unterteilt den Behälter 12 in eine Umfangszone 30 und eine zentrale Zone 30'. Der Schirm 26 setzt sich unterhalb des Behälters 12 bis zu dem Druckgefäß 10 fort und unterbindet einen unmittelbaren Durchtritt von schwerem Wasser von dem Umfang des Behälters 12 nach einem Verteilerraum 36 als Einlaß zu den Druckrohren 13' der zentralen Zone 30'. Der Boden der zentralen Zone 30' des Behälters 12 ist von einer Reihe von Öffnungen 38 durchsetzt, die entsprechend einem in das Netz der Druckrohre 13' eingeschachtelten Netz angeordnet sind und dem die zentrale Zone 30' einnehmenden schweren Wasser einen Durchgang in den Verteilerraum 36 und von dort aus einen Eintritt in die Druckrohre 13' ermöglichen.

Der Kreislauf des schweren Wassers in dem Reaktor läßt sich ohne weiteres aus F i g. 1 ersehen, wo er durch die Pfeile / angedeutet ist:

Ausgehend von dem Sammelraum oberhalb des Behälters 12 stellen sich zwei Kreisläufe ein:

1. Ein erster Anteil des umlaufenden schweren Wassers tritt in die Leitung 18 zwischen den Wänden 14 und 16 ein und erfährt dort eine Temperaturabsenkung, wobei das schwere Wasser von der Sättigungstemperatur auf eine einer Unterkühlung entsprechende Temperatur gelangt. Dieser Anteil des schweren Wassers tritt anschließend durch den Durchlaß 22 in die Umfangszone 30 des Behälters 12 ein, steigt in dieser Zone nach oben, sinkt anschließend in der zentralen Zone 30' wieder abwärts, verläßt den Behälter 12 durch die Öffnungen 38 und tritt immer noch in unterkühltem Zustand in die Druckrohre 13' der zentralen Zone 30' ein. In den Druckrohren 13' erwärmt sich das schwere Wasser und belädt sich mit Dampf. Am Ausgang der Druckrohre 13' kommt es zu einer Trennung der Phasen, das in flüssiger Phase vorliegende schwere Wasser tritt wieder in den oberen Sammelraum ein, während der Dampf sich im oberen Teil des Behälters 12 ansammelt und sich an dem oberen Teil des Wärmetauschers 20 kondensiert, der einen Verdampfer für natürliches Wasser darstellt.

2. Ein zweiter Anteil des umlaufenden schweren Wassers sinkt rund um den Behälter 12 nach unten und gelangt unmittelbar mit einer der Sättigungstemperatur nahen Temperatur in die Druckrohre 13 der Umfangszone 30. Bei Durchlaufen der Druckrohre 13 belädt sich das schwere Wasser mit Dampf und ergießt sich in dem oberen Sammelraum mit einem Gehalt von gleicher Größenordnung wie das von den Druckrohren 13' kommende Wasser.

Um ein Anlaufen des Reaktors zu ermöglichen, wenn das gesamte schwere Wasser noch kalt ist, muß normalerweise dessen Pegel höher liegen als die Oberkante des Schirmes 26, da sonst keine Verbindung zwischen den beiden Zonen 30 und 30' besteht und die Druckrohre 13' nicht gespeist werden.

Es ist selbstverständlich möglich, eine ausreichende Menge an schwerem Wasser in dem Druckgefäß 10 vorzusehen oder zeitweise eine zusätzliche Menge an schwerem Wasser einzuspeisen. Jede dieser beiden Möglichkeiten führt jedoch zu einem zusätzlichen Bedarf an schwerem Wasser.

Es ist daher vorzuziehen, in den oberen Teil des Behälters 12 Druckgas einzuführen, um dessen freien Pegelstand abzusenken und als Ausgleich den Pegelstand in dem Druckgefäß bis zu dem Einlaß eines Rückführungsrohres für den Moderator anzuheben. Dieses Verfahren läßt sich mit Hilfe des in Fig. 2

veranschaulichten Kreislaufes durchführen, in der die gestrichelte horizontale Linie 40 den freien Pegelstand des schweren Wassers bei kaltem Reaktor veranschaulicht.

Zu dem in F i g. 2 veranschaulichten Kreislauf gehören eine Pumpe 42 mit einem ein Ventil 43 enthaltenden Nebenkanal, die dem oberen Teil des Druckgefäßes 10 Neutralgas entnimmt und dieses über eine Leitung 44 in den oberen Teil des Behälters 12 injiziert, und ein oder mehrere Rohre 48, die den oberen Teil des Behälters 12 durchsetzen und einerseits in dessen Innerem und andererseits auf einem oberhalb des Pegels 24 in dem Druckgefäß 10 im Normalbetrieb des Reaktors liegenden Niveau münden.

Die Verfahrensweise beim Unterdrucksetzen und Inbetriebnehmen des ursprünglich kalten Reaktors mit einem bei 40 liegenden allgemeinen Pegel für das schwere Wasser ist daher die folgende:

Bei unterkritisch gehaltenem Reaktor wird die Pumpe 42 in Betrieb gesetzt, um den Pegel des schweren Wassers außerhalb des Behälters 12 auf die Höhe 46 oberhalb der Mündung des Rohres 48 zu bringen, wodurch der Pegel des als Moderator dienenden schweren Wassers in dem Behälter 12 auf den in F i g. 2 bei 50 angedeuteten Pegel absinkt. Dabei werden die Steuerstäbe so betätigt, daß der Reaktor divergent wird. Die in den Druckrohren freigesetzte Wärme erwärmt nach und nach das darin befindliche schwere Wasser, und es stellt sich eine natürliche Konvektion ein, deren Verlauf in der Fig. 2 durch die Pfeile/' angedeutet ist. Während dieser Aufheizung hält man die Pumpe 42 in Betrieb und wirkt auf das Ventil 43 in dem Nebenkanal ein, um den äußeren Pegel 46 für das schwere Wasser auf gleicher Höhe zu halten, wodurch sich ein zunehmender Anstieg des Pegels des als Moderator dienenden schweren Wassers im Inneren des Behälters 12 einstellt. Sobald der Pegel des schweren Wassers im Inneren des Behälters 12 die Oberkante des Schirmes 26 erreicht, läßt man die freie Oberfläche des schweren Wassers außerhalb des Behälters 12 von dem Pegel 46 auf den in F i g. 2 in gestrichelten Linien eingezeichneten Pegelstand 24 im normalen Reaktorbetrieb absinken. Von diesem Augenblick an stellt sich eine natürliche Konvektion ein, obwohl der obere Teil des Behälters 12 von Gas erfüllt bleibt. Nun läßt man den Reaktor auf Leistung anlaufen, bis der Betriebsdruck und damit die Betriebstemperatur erreicht sind, bei denen das als Moderator dienende schwere Wasser den Behälter 12 voll ausfüllt.

Wie man sieht, ermöglicht die Erfindung den Bau eines Schwerwasser-Siedereaktors mit indirektem Kreislauf, bei dem der primäre, von schwerem Wasser durchströmte Kreislauf völlig frei von Pumpen ist und bei dem der Moderator auf einer relativ niedrigen Temperatur bleibt, obwohl der Durchtrittsquerschnitt für das schwere Wasser in den Druckrohren auf einem minimalen Wert bleibt und daher einem minimalen Einsatz an schwerem Wasser entspricht.

Es versteht sich von selbst, daß die Erfindung nicht auf die oben beschriebene und veranschaulichte lediglich als Beispiel zu verstehende Ausführungsform und Betriebsweise beschränkt ist, sondern sich auf alle möglichen Varianten an der gesamten beschriebenen Anordnung oder Teilen davon und für die Verfahren für die Inbetriebnahme und den Betrieb des Reaktors erstreckt, die im Äquivalenzbereich verbleiben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schwerwasser-Siedereaktor, dessen Spaltzone gemeinsam mit einem Wärmetauscher zur Dampferzeugung in einem Druckgefäß angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Druckgefäß (10) für die Aufnahme des als Moderator dienenden schweren Wassers ein Behälter (12) angeordnet ist, der von Brennstoffelemente enthaltenden vertikalen Druckrohren (13,13') abgedichtet durchsetzt ist, die in einen allen Druckrohren gemeinsamen Sammelraum einmünden, und daß im Sammelraum Ablenkwände (14,16) vorgesehen sind, die einen ersten Strömungskreislauf für das schwere Wasser, der vom Sammelraum über den Wärmetauscher (20), das Innere des Behälters (12) und einen ersten Anteil (13') der Druckrohre in den Sammelraum zurückführt, von einem zweiten Strömungskreislauf für das schwere Wasser abgrenzen, der strömungsmäßig parallel zum ersten Kreislauf vom Sammelraum unter Umgehung des Wärmetauschers über den restlichen Anteil (13) der Druckrohre in den Sammelraum zurückführt.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Anteil (13') der Druckrohre aus den eine zentrale Zone (30') des Behälters (12) durchquerenden Druckrohren und der zweite Anteil (13) der Druckrohre aus den eine Umfangszone (30) des Behälters (12) durchquerenden Druckrohren besteht.

3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (20) rund um den Behälter (12) für die Aufnahme des als Moderator dienenden schweren Wassers angeordnet ist und einen in den in flüssiger Phase vorliegenden Anteil des schweren Wassers eintauchenden Teil und einen in den den oberen Teil des Druckgefäßes (10) einnehmenden und in Dampfphase vorliegenden Teil des schweren Wassers eintauchenden Teil aufweist.

4. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen in dem Behälter (12) angeordneten ringförmigen vertikalen Schirm (26), der zwischen seinem oberen Ende und dem Behälter einen Durchgang (28) frei läßt und den Behälter in die Umfangszone (30) mit aufsteigender Strömung des als Moderator dienenden schweren Wassers und die zentrale Zone (30') unterteilt, in der das schwere Wasser nach abwärts auf im Boden dieser Zone des Behälters angebrachte Öffnungen (38) zuströmt, die in einen Verteilerraum (36) für die Speisung des ersten Anteils (13') der Druckrohre münden.

5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Anlaufkreislauf mit Mitteln (42, 44) zur Injektion von Druckgas in den oberen Teil des Behälters (12) und ein einerseits in den unteren Teil des Behälters und andererseits außerhalb des Behälters in ein oberhalb des Pegels (24) für das schwere Wasser in dem Druckgefäß (10) bei Normalbetrieb des Reaktors liegendes Niveau mündendes Rohr (48).