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B e s c h r e i b u n g Verfahren zum Betrieb eines Kernreaktors und
Kernreaktor zur Durchführung des Verfahrens.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Kernreaktors
und auf einen Kernreaktor für die Durchführung des Verfahrens. nie Erfindung befasst
sich insbesondere mit der Steuerung eines Reaktors vom gasgekühlten grafitmoderierten
Typ,und zwar eines Reaktors der im folgenden als spezifischer Typ bezeichneten Bauart,
bei dem eine schnelle Jedoch gesteuerte tnderung der Leistungsabgabe erzielt werden
soll, z. t3. in der Größenordnung von 25% - 50 % pro Minute.
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Die FrfindunJ bez ieht sich auf ein Betriebsverfahren für einen Kernreaktor
des genannten spezifischen Typs, bei dem der Wasserpegel in einem zugeordneten Zwanglaufkessel
sich mit der Belastung ändern darf.
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Eine allgemeine Eigenschaft von Reaktorsystemen besteht darin, daß
die Reaktivität des Reaktorcores von seiner Temperatur beeinflußt wird. Demgemäß
ist bei dem besonderen Fall des gasgekühlten grafitmoderierten Reaktorsystems, bei
dem der Gasdurchfluß sich mit variabler Reaktorausgangsleistung ändert, die Reaktivitätsrate
in Ausdrücken der Steuerstabbewegung eine Funktion der geforderten Anderungsrate
der abgegebenen Leistung und zugleich der geforderten Teillastcharakteristiken der
Anlage. Fallsschnelle änderungen der Ausgangsleistung erforderlich sind,wird die
Steuerstabreaktivitätsrate ein Minimum , falls die Teillastcharakteristiken nahe
der natürlichen Charakteristik des Reaktors liegen.
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Wenn Wasserkessel verwendet werden in eine Hochtemperatursystem,
sind die Tei llastcharakteristiken eine Funktion des Kesselentwürfs, da es im allgemeinen
erforderlich ist, dass die Dampftemperatur konstant sein sollte mit der Belastung
und außerdem,dass der Pegel in dem Kessel, bei dem alles Wasser in trockenen Dampf
verwandelt worden ist, gesteuert wird.
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In derartigen Systemen wird die Steuerrate ein Minimum, falls der
Kessel so entworfen ist, dass der nominelle Wasserpegel sich derart ändern darf,
dass wenn die gewünschte Dampftemperaturänderung mit der Belastung erreicht ist
die dem Reaktor zugeordneten Gastemperaturen nahe Jenen sind die erreicht würden,
falls der Gasdurchfluß geändert würde,ohne eine Bewegung der Steuerstäbe in diesen
kurzen Zeiträumen.
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Bisher wurden gasgekühlte grafitmoderierte Kernreaktor-J anlagen
für Basisbelastungsbetrieb entworfen, wobei die Anderungsrate der Ausgangs leistung
kein Parameter war, der den Entwurf wesentlich beeinflusste. Demgemäß sind bei niedrigen
Xnderungsraten
der Ausgangs leistung nur minimale Reaktivitätsraten erforderlich, um die Reaktorcharakteristik
an die eines bestimmten Kesseltyps anzupassen. Diese Entwurfsmeth@dik fahrt in vielen
Fällen zu der obengenannten niedrigen Reaktivitätsrate und ausserdem zu Kesseln
mit langen Überhitzersektionen aus Korrosionsfestem Material, z.B. dem unter der
Typenbezeichnung F 316 bekannten.
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Bei der Erfindung darf der Wasserpegel im Kessel sich mit der Belastung
ändern, und es ist dann erforderlich,die Keselrohrmaterialien derart zu wählen,
dass der Wasserpegel bei Teillast nicht den aus korrosionsfestem Material hergestellten
Teil des Kessels erreicht, und gleichzeitig, wenn der Wasserpegel niedrig ist bei
hoher Belastung'die Kessel rohre so.aufgebaut sein müssen, dass se die Temperaturverteilung
aufnehmen können, die dann existiert.
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Darüberhinaus , wenn schnelle und häufige Xnderungen der Belastung
erforderlich sind, kann es wünschenswert sein die Änderungen der Reaktorkühlmitteltemperatur
minimal zu halten, aus Gründen der thermischen Spannungen.
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Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher beschrieben werden.
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Fig, 1 ist ein Vertikalschnitt durch den Reaktor in Blockdiagrammform,
und Fig. 2 ist eine Diagramm.
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Der in Fig. 1 gezeigte Reaktor umfasst einen Betondruckkessel 1,
der ein aktives Reaktorcore 2 enthält, über dem ein Deckreflektor 3 und eine Deckabschirmung
4 aufgebaut
sind und das von einem Seltenreflektor 5 umgeben ist.
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Außerhalb des Seitenreflektors 5 befindet sich eine Seitenabschirmung
6. Unterhalb des Cores 2 ist ein Bodenreflektor 7 angeordnet. Das Core und d@@ Reflektor
sowie die Seitenabschirmung, die gerade genannt wurden, sind auf einem Traggitterwerk
8 aufgebaut, das eine Bodenabschirmung enthält.
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Weitere Einzelheiten dieser Teile sind in der britischen Patentanmeldung
41695/68 beschrieben.
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In den Ringraum zwischen der Seitenabschirmung 6 und der Innenwandung
des Betondruckkessels 1 ist eine Serie. von Wärmetauschern oder Kesseln für die
Erzeugung von Dampf angeordnet und von denen zwei mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet
in Fig. 1 erkennbar sind. Gasförmiges Kühlmittel wird durch das Gore 2 und über
die Wärmetauscher mittels Umwälzeinrichtungen 10 umgewälzt, die von Motoren 11 angetrieben
werden, welche in Öffnungen in der Wandung des Druckkessels 9 untergebracht sind.
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Oberhalb der Deckabschirmung 4 befindet sich ein Gewölbe 12, so dass
ein Raum für die Nachladung mit Brennstoff gegeben ist, wofür die Decke des Betondruckkessels
eine Brennstofftransferöffnung 14 und eine mittlere Nachladeöffnung aufweist. Einzelheiten
bezüglich des Verfahrens und der Einrichtungen für die Nachladung mit frischem Brennstoff
finden sich in den britischen Patentanmeldungen 41673@68, 41675/68, 41676/68 und
41678/68.
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Die Erfindung befasst sich vorzugsweise mit dem Aufbau der Kessel
9. Sie können irgendeine der konventionellen Gesamtkonfigurationen aufweisen, z.
B. Rohrschlangen, Serpentinenform, gerade Rohre und können jeweils als eine einzelne
Einheit eine von cwei Einheiten oder mehrere parallel geschaltete Einkeit en umfassen.
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Jeder Kessel umfasst drei Hauptabschnitte. Ein erster Abschnitt ist
der E¢onbmiser, in dem sich immer Wasser unterhalb seiner Sättigungßtemperatur befindet,
unbeeinflusst von der Belastung auf dem Kessel und von irgendwelchen Ubergangsbedingungen.
Eintweiter Abschnitt ist der Verdampfer, in dem sich entweder Wasser oder Dampf
oder beide befinden, Je nach der Belastung.
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Der dritte Abschnitt ist der Überhitzer, in dem sich nur überhitzter
Dampf bei allen Belastungsbedingungen befindet.
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Ferner umfasst der Kessel auch noch den konventionellen Wiedererhitzerabschnitt.
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Die Anordnung der Abschnitte in dem Kessel &st annähernd durch
die Abteilungen 15 bis 18 angedeutet, die Jeweils den ersten, zweiten, dritten Abschnitt
und den Wiedererhitzer wiedergeben.
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Die Rohre des EconOmisers bestehen aus Kohlenstoffstahl, während
die Rohre de#s Verdampfers aus einem Legierungsstahl bestehen ( z. B. Chrommolybden)
und Jene des Überhitzers aus korrosionsfestem Stahl. Die folgende Tabelle gibt Einzelheiten
bezüglich des Betriebs eines Kessels gemäß der Erfindung bei voller Leistung.
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Gesamtkühlmitteldurchfluß durch den Kessel 5,658 x io6 lb/hr Kühlmitteleinlasstemperatur
700° C Kühlmittelauslasstemperatur 290° C Überhitzer-Dampfströmung 3,82 x 106 lb/hr
Überhitzer-Auslasstemperatur 543,3° C Überhitzer-Auslassdruck 2475 p.s.i.a.
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Wiedererhitzer-Dampfströmung 3,49 x 106 lb/hr Wiedererhitzer-Einlassdruck
624,3 p. s.i .a.
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Wiedererhitzer-Einlasstemperatur 346,4° C Wiedererhitzer-Auslasstemperatur
539,4° C Speisewas sertemperatur 156,40 C Fig, 2 gibt weitere Betriebseinzelheiten
und zeigt die Temperatur über den Abschnittender Kesselhöhe aufgetragen, ausschließlich
des Wiedererhitzers,gemessen vom Boden des Kessels wie in Flg. 1 gezeigt. Drei K
Kurven sind gezeigt, von denen die mit Ta gekennzeichnete die Xnderung der Kühlgastemperatur
längs der Kesselhöhe darstellt, TMO die Xnderung der Temperatur an der Außenseite
der Kesselrohre zeigt, während TW die Xnderung der Wasser/Dampftemperatur angibt.
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Fig. 2 zeigt darüber hinaus die gleichen Werte für den Wiedererhitzer
des Kessels.
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Bei Vollastobedingungen ist die Wasserverdampfung bei Punkt X vollständig,
d.h. 0,742 der Kesselhöhe, während bei 25 % Belastung dt. Wasserverdampfung bei
Punkt Y vollständig ist, d.h. bei o,82 der Kesselhöhe.
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In dem dargestellten Beispiel bestehen die Rohre aus Koh@@stoffstahl
für 0,75der Kesselhöhe, aus Stahl mit 2 1/4 % Chrom über den nächsten 0,125 der
Kesselhöhe und aus korrosionsfestem Stahl, zum Beispiel der als Incoloy 800 bekannten
Legierung, über die verbleibenden 0,125 der Kesselhöhe.
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Die Rohre des Wiedererhitzerabschnittes bestehen aus der Legterung
die als Essheti 1250 bekannt ist.
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Zur Bestimmung der Teillastcharakteristiken der Anlage muß der angenommene
Betriebsmodus geprüft werden bezüglich der Anzahl@öhe und Rate der Belastungsänderungen
über die gesamte Anlagelebensdauer. Diese Untersuchung wird die zulässigen Temperaturänderungen
mit der Belastung festlegen, bezüglich der Zugspannungskreterien ( z.B. Ermüdung).
Die zulässige Änderung der Kesselgaseinlasstemperatur über den Belastungsbereich,
kompatibel mit der zulässigen Änderung in der Kesselgasaus@asstemperatur wird dann
bestimmt, wie die ermittelten Teillastcharakteristiken aussehen. Dies wiederum bestimmt
welche Proportionen der Kessel@ärmetransforfläche zu den oben angegebenen Kat#egorien
gehören.
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Die Unterschiede zwischen den bekannten Betriebssystemen für Kernreaktorkraftwerke
und dem System gemäß der Krfindung. werden in der folgende Tabelle zusammangefasst:
Bisheriges
System System gemäß der Erfindung Gasstömung ändert sich mit Gasströmung ändert
sich mit Belastung Belastung Scharfe Kontrolle des Variabler Wasserpegel Auskochpegels
Gastemperatur ändert sich Konstante Gastemperatur in mit der Belastung gemäß der
den Kessel oder eine variable scharfen Kontrolle der Aus- Einlasstemperatur gemäß
den kochpegelanforderungen thermischen Zugspannungsanforderungen des Systems.
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Basis - Belastung folgt der Belastung langsame Leistungsänderung schnelle
Anderung der Leistung Langsame Änderungsrate der Hohe Änderungsrate der Leistung
Leistung unter kontrollierten unter kontrollierten Be-Bedingungen der Teillast-
dingungen der Teillastcharaktercharakteristiken für eine istlken für eine gegebene
Regegebene Reaktivitätsrate aktivitätsrate Langer Überhitzerabschnitt Kurzer Überhitzerabschnitt
aus korrosionsfestem Stahl aus korrosionsfestem Stahl.
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Nahezu konstanter Temperatur- Temperaturgradient in Rohrgradient in
Rohr länge länge ändert sich mit der Belastung Die britischen Patentanmeldungen
41691/68, 41692/68 und 41693/68 beschreiben Steuersysteme. die für den oben beschriebenen
Reaktor geeignet sind.
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- Patentansprüche -