DE1903734A1

DE1903734A1 - Dampfgekuehlter Kernreaktor

Info

Publication number: DE1903734A1
Application number: DE19691903734
Authority: DE
Inventors: Ripley Charles Chatham
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-01-29
Filing date: 1969-01-25
Publication date: 1969-09-04
Also published as: US3575807A; FR2000903A1; CH491468A; NL6900995A; BE727375A; ES363018A1

Description

Dampfgekühlter Kernreaktor

Die Erfindung betrifft einen dampfgekühlten Kernreaktor und ein
Verfahren zum Betrieb desselben. Dieses Verfahren schließt auch
die Anfahrtechnik ein, bei der ein Dampfthermopressor einmal,
während der Reaktor aufgeheizt wird, als Kontaktkühler eingesetzt ist und der dann, während- der Reaktorkühlmittelkreislauf in Gang gesetzt wird, als Strahlpumpe wirkt und welcher schließlich während des normalen Reaktorbetriebes als Thermopressor arbeitet.

Nukleare Kernspaltungsreaktionen und Kernreaktoren, in denen sie
vor sich gehen_/ sind allgemein bekannt. Der typische Aufbau eines Kernreaktors besteht aus einer Anordnung, in der eine Kettenreaktion abläuft oder aus einem Reaktorkern mit Kernreaktorbrennstoff, der in Brennstoffelementen enthalten ist. Das Brennstoffmaterial ist im allgemeinen in einem korrosionsfesten und wärmeleitenden Gehäuse oder in einer BrennstoffStabumhüllung untergebracht. Der Reaktorkern, der aus einer Vielzahl solcher Brennelemente besteht, die in besonderer Weise räumlich zueinander angeordnet sind, ist in einem Gefäß untergebracht, dux'ch den das

909836/1032

Reaktorkühlmittel fließt. Während das Kühlmittel durch den Zwischenraum der Brennstoffelemente strömt, wird es mit der Energie aufgeheizt, die während der Spaltreaktionen frei wird. Das aufgeheizte Kühlmittel verläßt dann den Reaktor, damit die Wärmeenergie in Arbeit umgewandelt werden kann, wobei das dadurch abgekühlte Kühlmittel dem Reaktor wieder zugeführt wird.

Bei den bekannten und kommerziellen Kernreaktoren besteht das Kühlmittel aus V/asser, das unter Druck aufgeheizt wird oder auch im Reaktorkern verdampft. Es sind auch bereits Kernreaktoren bekannt, die Dampf als Kühlmittel verwenden. In Kernreaktoren dieser Art wird gesättigter Dampf beim Durchströmen des Kernes Überhitzt und nachdem er den Reaktor verlassen hat, wird ein Teil auf einen niedrigen Druck expandiert und bei der Umwandlung in Arbeit kondensiert, während der Rest des Heißdampfes gekühlt wird, wobei gleichzeitig Speisewasser verdampft, das dem Reaktor wieder zugeführt wird.

Dieses System wird für viele Anwendungen bevorzugt, da Dampf mit hohen Temperaturen und Drucken oftmals nützlicher ist, als Dampf mit geringem Druck und niedriger Temperatur, wie er bei bekannten Druck- und Siedewasserreaktoren erzeugt wird. So arbeiten z.B. Generatorturbinen zur Erzeugung elektrischer Energie wirtschaftlicher und mit einem höheren Wirkungsgrad, wenn sie durch überhitzten Dampf statt durch gesättigten Dampf angetrieben werden.

Ein schwieriges Problem besteht jedoch bei dampfgekühlten Kernreaktoren darin, daß große Mengen Dampf durch den Reaktorkreislauf umgewälzt werden müssen. Gewöhnlich muß der meiste, aus dem Reaktor kommende Dampf dazu verwendet werden, Speisewasser im Heißdampfkühler zu verdampfen, wobei nur ein relativ kleiner Anteil den gewünschten Überhitzungsgrad besitzt, so daß er direkt der Last, wie beispielsweise einer Turbine, zugeführt werden kann. Die Wiederzuführung eines Gemisches von vei-dampftem Speisewasser und gekühltem Heißdampf zum Reaktor erfordert große

909836/1032

Pumpen und hohe Energie. Aus diesem Grunde ist es möglich, durch Verbesserungen im Dampfkreislauf des dampfgekühlten Reaktors erhebliche Einsparungen zu erreichen.

Auch beim einfachen und sicheren Anfahren eines dampfgekühlten Reaktors aus dem kalten Zustand, bei dem der Reaktorkern mit Wasser geflutet ist und die Reaktivität und Wärmeleistung im Vergleich zu normalen Betriebsbedingungen gering ist bestehen Probleme, da bei normalen Betriebsbedingungen der durch den Reaktorkern strömende gesättigte Dampf kontinuierlich bei einer hohen Wärmerate und -menge erzeugt wird.

Vor kurzem wurde gefunden, daß der "Dampfthermopressor" ein Gerät mit hohem Wirkungsgrad ist, das dazu dient, gesättigten Dampf hohen Druckes durch den Kern eines dampfgekühlten Reaktors zu treiben.

Die bisher bekannten Anlaufverfahren eignen sich jedoch nicht zur Anwendung in einem solchen System.

Wenn der dampfgekühlte Reaktor bei der Abschaltung mit Wasser geflutet wird, ist es vorteilhaft, erst das Wasser durch den Kern zirkulieren zu lassen, Wasser in Dampf umzuwandeln und dann das System so umzukehren, daß Dampf als Reaktorkühlmittel zirkulieren kann. Dieser Übergang ist jedoch oftmals schwer herzustellen. Es ist besonders vorteilhaft, die Zahl der Durchläufe durch das Reaktordruckgefäß so klein wie möglich zu halten. Auch ist es wirtschaftlich unvorteilhaft, eine große Zahl externer Einrichtungen wie Leitungen usw. für das Anfahren zu verwenden, die während des normalen Reaktorbetriebes keine laufenden und notwendigen Funktionen ausüben.

Aus diesem Grunde besteht ein Bedürfnis für ein einfaches und sicheres System zum Anfahren eines dampfgekühlten Kernreaktors, das einen Dampfthermopressor verwendet, um das dampfförmige Kühlmittel durch den Reaktorkern zirkulieren zu lassen.

909836/1032

ORIGINAL INSPECTED

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Anfahrsystem für dampfgekühlte Kernreaktoren vorzuschlagen, bei denen die oben gezeigten Nachteile vermieden werden. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und sicheres Verfahren und eine Anordnung vorzuschlagen, um einen dampfgekühlten Kernreaktor anfahren zu lassen, bei dem ein Dampfthermopressor zur Kühlmittelumwälzung verwendet wird.

Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Kühlmittelkreislauf system aufzuzeigen, das mit einem flüssigen oder dampfförmigen Kühlmittel betrieben wird.

Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Reaktoranfahrsystem zu schaffen, bei dem die Zahl und Größe der Öffnungen im Reaktordruckgefäß möglichst klein ist.

Die vorliegenden Aufgaben der. Erfindung werden dadurch gelöst, daß ein Anfahrsystem vorgeschlagen wird, in dem ein Thermopressor als ein Kontaktkühler arbeitet, um das Wasser im Reaktor zu erhitzen und der während des Anfahrvorganges als Strahlpumpe wirkt und allmählich zum Dampfdruckbetrieb übergeht, während gleichzeitig die verschiedenen Bauelemente und das Leitungssystem auf Betriebstemperatur erhitzt werden.

Hierdurch entsteht ein einfaches und wirtschaftliches System, da nur ein einziges Bauelement mehrere Funktionen ausübt. Die für den Anfahrvorgang notwendige Ausrüstung außerhalb des Reaktors wird auf einen einfachen konventionellen Kessel beschränkt, um Anfahrdampf zu erzeugen, damit der Thermopressor im Düsenpumpverfahren betrieben werden kann.

Dadurch wird ein besonders sicheres und einfaches System erzielt, da nur eine einzige Druckkesselöffnung hinzukommt ( für die Anfahrdampfleitung) und eine größere Zahl außen befindlicher Anfahrpumpen und die damit verbundenen Rohrleitungen in Wegfall kommen. Auch kann der Anfahrvorgang allmählich mit einer entsprechenden Aufheizung aller Teile durchgeführt werden, während

9 0 9836/1032

der Druck langsam ansteigt. Der Reaktor kann leicht und schnell und zu jeder Zeit während des Anfahrvorganges mit einer weiterlaufenden Kühlmittelzirkulation, die nach der Abschaltung notwendig ist, abgeschaltet werden, wobei der Thermopressor im Düsenpumpverfahren arbeitet.

Durch die Zeichnungen werden verschiedene Einzelheiten der Erfindung und einige bevorzugte Ausführungsformen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1 ein einfaches schematisches Umlaufdiagramm für ein Kernkraftwerk, bei dem die Erfindung benutzt wird;

Figur 2 eine bevorzugte Ausführungsform eines Thermopressors, der während des Anfahrvorganges als Strahlpumpe arbeitet;

Figur 3 eine mögliche Ausführungsform einer Düsenanordnung für das Gerät, das in Figur 2 dargestellt ist;

Figur 4 eine bevorzugte Anordnung des umwandelbaren Dampfthermopressors in einem Kernreaktordruckgefäß.

In Figur 1 ist ein einfaches schematisches Flußdiagramm eines Kernkraftwerkes dargestellt, das einen Kernreaktor 10 enthält, der einer Turbine 11 Dampf zuführt. Der Kernreaktor 10 enthält ein im wesentlichen zylindrisches Druckgefäß 12, das am unteren Ende durch ein scheibenförmiges unteres Kopfstück 13 und am oberen Ende durch ein abnehmbares domähnliches Kopfstück 14 geschlossen ist. Innerhalb des Druckgefäßes 12 befindet sich ein Kern 15, der innerhalb einer Ummantelung 16 befestigt ist und durch einen erweiterten Rand 17 gehalten wird. Durch den Kern 15 führen Öffnungen, die schematisch mit 18 bezeichnet sind und die den Durchfluß des Kühlmittels erlauben. Das aus dem unteren 'Einlaßraum kommende gesättigte Dampfkühlmittel wird dem Kern 15 zugeführt und verläßt diesen durch den oberen Auslaßraum 20, nachdem es überhitzt wurde. Die Reaktivität des Kernes 15 und damit die Ausgangsleistung wird durch Regelstäbe gesteuert,

909836/ 1032

die durch den Boden des Reaktors bis zum Reaktorkern geführt sind, Der besseren Übersicht wegen ist hier nur ein Regelstab gezeigt, der mit 21 bezeichnet ist. Der ringförmige Raum zwischen der Ummantelung 16 und der zylindrischen Wand 12 des Druckgefäßes ist bis zu der gestrichelt gezeichneten Linie 22 mit Wasser gefüllt.

Während des normalen Reaktorbetriebes verläßt der überhitzte Dampf den Ausgangsraum 20 durch die Steigeleitung 23 und der Dampfleitung 24. Ein großer Teil des überhitzten Dampfes gelangt über das Ventil 26 zum Thermopressor 25. Der Rest des überhitzten Dampfes wird über das Ventil 27 der Turbine 11 zugeführt. Die dampfangetriebene Turbine 11 treibt ihrerseits den Generator 28 zur Elektrizitätserzeugung an. Das im Beipaß befindliche Ventil 29 ist während des normalen Betriebes geschlossen. Der Dampf wird im Hauptkondensator 30 kondensiert. Das Kondensat wird durch Kondensatpumpen 31 zum Speisewassererhitzer 32 gepumpt. Das Kondensat wird durch Dampf erhitzt, der aus der Turbine 11 über die Leitung 33 und Ventil Π4 abgezogen wird. Das Kondensat wird sodann aus dem Speisewassererhitzer 32 durch Pumpen 35 zum Vorratstank 36 geleitet. Wasser aus dem Vorratstank 36 wird durch das Ventil 37 bemessen, um die Düsenreihe 38 in dem Teil der Eintrittsöffnung des Thermopressors 25 zu besprühen. Während des normalen Betriebes verläßt genauso viel Wasser den Vorratstank 36 wie einströmt. Während große Mengen überhitzten Wasserdampfes durch die enge Eingangsöffnung des Thermopressors strömt, wird dem überhitzten Dampfstrom ein feiner Wasserregen zugespritzt. Das Wasser verdampft und kühlt den überhitzten Treibdampf, während in dem divergierenden Teil des Thermopressors ein Druckanstieg bewirkt wird. Dieser nun r,esättigte Dampf wird über die Leitung 39 wieder dem Reaktoveingangsraum 19 zugeleitet. Falls erforderlich, kann ein Dampftrockner 40 in der Leitung 39 angeordnet sein, um in den Dampf eingedrungenes Wasser zu entfernen. Das im'Dampf trockner 4o gesammelte Wasser kann wieder der SpeLsewasserlei twig zugefühH. werden.

9 09836/1032

Es ist notwendig, daß während des Reaktoranfahrvorganges eine äußere Dampf quelle zur Verfügung steht. Ein getrennter mit konventioneller Verbrennung betriebener Kessel 41 dient dazu, die anfängliche DampfVersorgung des Systems zu übernehmen.

Wenn das Kraftwerk abgeschaltet ist, sind der Reaktor 10 einschließlich Reaktorkern 15 und die Räume 19 und 20 mit Wasser gefüllt. Die Steuerstäbe 21. sind voll eingefahren, um die Dampferzeugung im Kern 15 auf ein möglichst niedriges Niveau zu halten. Die Temperatur dieses Wassers wird durch Umwälzung in dem System, das aus dem Ventil 42, der Kreislaufpumpe 43, dem Wärmeaustauscher 44 und der Leitung 45 besteht, niedrig gehalten. Während des Stillstandes des Reaktors wird der Hauptumlaufkreis durch Schließen der Ventile 26, 27 und 45 abgetrennt. Durch den Wärmeaustauscher 44 wird Wasser gepumpt, das darin gekühlt wird und zwar so, daß die gewünschte max. Temperatur im Reaktor aufrecht erhalten wird.

Als erstes wird für den Reaktoranlauf das Ventil 42 geschlossen, während die Ventile 26, 46 und 47 geöffnet werden und Dampf wird durch eine Strahlpumpe 48, die im Thermopressor 25 kurz voider Eintrittsöffnung angeordnet ist, allmählich aus dem Anfahrkessel 41 dem Thermopressor 25 zugeführt. Das Wasser zirkuliert nun durch den Thermopressor, die Rohrleitung 39, ; den Eingangsraum 1.9, Reaktorkern 15, Ausgangsraum 20, die Steigeleitung 23, die Rohrleitung 24 und über das Ventil 26 und wieder zurück zum Thermopressor. Der Dampf aus dem Anfahrkessel 41 erwärmt allmählich das Wasser und hält auch die Umwälzung aufrecht. Wenn dieser Dampf kondensiert, wird das Beipaßventil 29 soweit geöffnet, daß genügend Wasser aus dem System abfließen kann, um im Reaktor den gewünschten Druck zu erzeugen. Das durch das Ventil 29 zum Hauptkondensator 30 fließende Wasser kann zum Vorratstank 36 gepumpt werden. Zu diesem Zeitpunkt arbeitet der Thermopressor als Kontaktktthler.

Während die Temperatur und der Druck des Kühlmittels, das durch den Reaktor zirkuliert, ansteigt, wird das Ventil 49 geöffnet,

909836/1032

so daß der Turbine 11 Dampf zugeführt wird, um diesen Teil des Systems aufzuwärmen. Obgleich Dampf aus dem Reaktor verwendet werden könnte, um die Turbine später im Anlaufverfahren zu erwärmen, so ist es doch vorteilhafter, Dampf von außen zu verwenden, da der Reaktordampf geringe Mengen radioaktiven Materials enthalten kann, das durch die kalten Turbinendichtungen entweichen könnte.

Wenn der Druck und die Temperaturen im Reaktor die gewünschten Werte erreichen, beispielsweise 98,4 at (=1.400 psi) und 316° C (=600 F) wird ein Teil des Wassers im Reaktor verdampft und bei steigender Dampferzeugung wird das übrige durch die Leitung 24 und Ventil 29 zum Hauptkondensator abgegeben, wobei der Reaktorkern entflutet wird. Zu diesem Zeitpunkt wird gesättigter Dampf durch den Reaktor und Thermopressor umgewälzt. Der Thermopressor 25 wirkt nun als eine Strahlpumpe, wobei Dampf durch die Strahlpumpe strömt, der eine Umwälzung des gesättigten Dampfes durch den Reaktor bewirkt. Der Druck im Reaktor wird dadurch auf ein gewünschtes Maß gebracht, daß überschüssiger Dampf durch das Ventil 29 zum Hauptkondensator abgelassen wird.

Die Erzeugung überhitzten Dampfes beginnt nun durch ein langsames Herausfahren der Regelstäbe 21, wodurch die Wärmeerzeugung im Kern 15 ansteigt. Gleichzeitig wird durch ein allmähliches Öffnen des Ventils 37 den StrÜhdüsen 38 Wasser zugeführt. Der Thermopressor arbeitet noch als eine Strahlpumpe, da nur soviel Wasser durch die Sprühdüsen 38 gelassen wird, um den Dampf, der aus dem Reaktor durch das Ventil 26 strömt, zu kühlen. Zu diesem Zeitpunkt können die Turbinen angelassen werden und zwar entweder, indem eine größere Menge Dampf durch die Leitung 49 hindurchgelassen wird, oder indem das Ventil 27 geöffnet wird, so daß Reaktordampf durchströmen kann. Wenn das Ventil 27 allmählich geöffnet wird, wird das Ventil 29 allmählich geschlossen, bis der gesamte Dampf, der nicht mehr durch den Thermopressor fließt, durch die Turbine strömt.

9098367-1032

ORIGINAL INSPEGTED

Wenn die Wärmeerzeugung im Kern. 15 ansteigt, besitzt der den Thermopressor 25 durch die Leitung 24 und das Ventil 26 erreichende Dampf einen ansteigenden Überhitzungsgrad, wodurch eine steigende Wassermenge aus dem Vorratstank 36 durch Ventil 37 benötigt wird. Der Dampfdurchlaß durch die Strahlpumpe 38 kann allmählich unterbrochen werden.Der Thermopressor arbeitet dann im vollen Dampfthermopressorverfahren. Die Leistung kann durch weiteren Anstieg der Wärmeleistung im Kern 15 gesteigert werden, wobei die Wassermenge, die durch die Düsen 38 gesprüht wird, proportional ansteigt.

Die Ventile 47 und 49 werden sodann geschlossen, so daß der Anfahrkessel 41 eine Wartestellung einnehmen kann.

Das oben geschilderte Verfahren wird für die Abschaltung entsprechend umgekehrt. Wenn durch Einfahren der Steuerstäbe 21 die Wärmeleistung im Kern 15 sinkt, wird aus dem Kessel 41 Dampf durch die Strahlpumpe abgelassen, so daß der Thermopressor als Strahlpumpe arbeitet und das Kühlmittel durch den Kern 15 solange wie notwendig umgewälzt wird, so daß eine allmähliche Kühlung des Reaktors erfolgt.

In Figur 2 ist eine Detailansicht, die teilweise aufgeschnitten ist, von einem Dampfthermopressor wiedergegeben, der sich besonders zur Anwendung bei der Erfindung eignet. Dieser Dampfthermopressor kann entweder außerhalb des Reaktordruckgefäßes, wie in Figur 1 gezeigt oder auch innerhalb des Reaktordruckgefäßes verwendet werden, wie aus der Figur 4 zu entnehmen ist. Der Thermopressor besitzt einen stark konvergenten Einlaß 100, eine enge Eintrittsöffnung 101 und einen divergierenden Defusor 102. Das" Einlaßrohr 103, durch das das aus dem Reaktorausgangsraum kommende Kühlmittel geleitet wird, wird am Thermopressorkörper durch Bolzen gesichert, welche durch die Flansche 104 und 105 gehalten werden. Am Ende des Defusorteiles 102 ist ein Flansch 106 vorgesehen, der eine Verbindung zur Reaktorkühlmittelspeiseleitung erlaubt.

909836/1032

- ίο -

Bei oder vor der Eintrittsöffnung 101 ist ein Sprühsystem vorgesehen, um feinverteilte Wassertropfen dem Dampfstrom, der durch den Thermopressor fließt zusprühen zu können. Der Aufbau, der in der Figur 2 offenbart ist, umfaßt 2 stromlinienförmige Ringverteiler 107 und 108, die im Eingangsteil 1OO angeordnet sind. Durch die Ringverteiler 107 und 108 wird über die entsprechenden Leitungen 109 und 110 Wasser zugeführt, wobei die Leitungen auch dazu dienen, die Ringverteiler zu halten. Eine Vielzahl dünner Röhren 111 reichen von den Ringverteilern 1O7 und 1O8 zur Eintrittsöffnung 101. Der besseren Übersicht wegen sind nur wenige dieser Röhren dargestellt. Jede Röhre hat ein oder mehrere kleine Sprtihöffnungen am Abströmende, durch das Wasser in die Eintrittsöffnung 1.01 in Form feiner Tropfen gesprüht wird, wodurch es verdunstet. Die Flansche 112 und 113, die den Einlaßteil 100 mit der Eintrittsöffnung 101 verbindet, besitzen auf ihrer Arbeitsfläche kreisförmige Einkerbungen, die einen torusförmigen Kanal 114 bilden, wenn die Flansche zusammengefügt sind. Dem Kanal 114 wird durch die Öffnungen 115 im Flansch Wasser zugeführt. Eine Vielzahl von Sprühdüsen 116 sind in den Öffnungen der Wand des Einlaßteiles 100 angeordnet, wobei die Öffnungen mit dem Kanal 114 verbunden sind. Der besseren Übersicht wegen ist in Figur 2 nur eine Düse 116 gezeigt. Der Düse wird über die Leitung 117, die durch das Ventil 118 gesteuert wird, Wasser zugeführt. Zwischen den Flanschen 112 und 113 sind neben dem Kanal 114 elastische o-förmige Ringe 119 vorgesehen, um eine Leckage zu verhindern. Eine geringe Leckage ist unerheblich, wenn sich der Thermopressor im Reaktordruckgefäß befindet·, wie in Figur 4 dargestellt, da der Thermopressor dort von Wasser umgeben ist.

Für die Zufuhr von Dampf aus dem Anfahrkessel während des Anfahirvorganges ist eine einfache große Strahlpumpe 12O vorgesehen. Die Strahlpumpe 120 liegt auf der Mittellinie des Thermopressors am oberen Einlaßteil der Eintrittsöffnung und besitzt die bestmögliche Lage für das Strahlpumpenverfahren. In der Ausführungsform, die aus der Figur 2 ersichtlich ist, hat die Strahlpumpe 120 eine sich verjügende Auslaßform 121, die der Form eines

909836/1032

BAD

- ii -

Kegelstumpfes nahe kommt.

Für einen optimalen Einsatz des The rmop ress» rs darf die Strömungsdichfe, bis die maximale DampfStromgeschwindigkeit erreicht ist, nicht ansteigen. Das Einsprühen der Wassertropfen soll möglichst gleichförmig über den Querschnitt der Eintrittsöffnung an der engsten Stelle vorgenommen werden. Die maximale Dampf-Stromgeschwindigkeit soll so hoch wie möglich sein,um einen möglichst hohen Ausgangsdruck zu erreichen. Um die Reibungsverluste auf ein Minimum zu halten, soll das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Defusors möglichst klein sein, so daß ein allmählicher Übergang von hoher Geschwindigkeit zu hohem Druck im Dampfstrom erreicht wird. Ein Verhältnis der Gesamtlänge zum Durchlaß der Einlaßöffnung in der Größenordnung von 5:1 bis ungefähr 30:1 ergibt ausgezeichnete Ergebnisse. Besonders vorteilhaft ist es, wenn durch die Düsen 111 und 116 sehr kleine Tropfen eingesprüht werden, um die Energieverluste für die Beschleunigung der Tropfen bis auf Dampfgeschwindigkeit, bei der sie verdunsten, zu senken und um eine möglichst kurze Verdunstungszeit zu erzielen.

Die Konstruktion gemäß Figur 2 ist in der Lage, wirkungsvoller als eine Strahlpumpe, sodann als eine kombinierte Strahlpumpe und Thermopressor und schließlieh als Dampfthermopressor wäh- ^: rend des Anlaufes und während des normalen Betriebes zu arbeiten. Sowohl die Strahlpumpe 120 als auch die Sprühdüsen 111 und 116 des Thermopressors sind so angeordnet, daß sie max. Bedingungen erzielen, ohne daß irgendwelche mechanischen Probleme entstehen, wenn von einem System auf das andere übergegangen wird.

In Figur 3 ist eine weitere andere Ausführungsform einer Strahlpumpe und von Wasser-sprÜhdüsen in einem Thermopressor offenbart. Die Strahlpumpe 120 besitzt hier ein abgerundetes Äußeres und eine im allgemeinen zylindrische innere Struktur. Das Verteilerrohr 107 umgibt die Strahlpumpe im Thermopressoreinlaßteil. Durch die Leitung 109, die auch dazu dient, das Verteilerrohr zu halten, fließt Wasser in das Verteilerrohr 107. Die Wasser-

909836/1032

ν ,■ 8AD ORIGINAL

sprüheinrichtung besteht hier aus einer Vielzahl von kleinen Wasserdüsenpaaren 122, wobei jeweils die 2 Düsen des Paares so zusammenstoßen, daß ein Sprühregen sehr feiner Tropfen entsteht. Eine Vielzahl von Paaren ähnlicher Düsen 123 befindet sich an der inneren Wand entlang des Einlaßteiles 100. Der Deutlichkeit wegen ist nur eines dieser Düsenpaare 123 gezeigt. Es können natürlich auch irgendwelche anderen, als die in Figur 2 und 3 gezeigten, Strahlpumpen oder Wassersprühanlagen in einem Thermopressor verwendet werden.

In Figur 4 ist eine besonders bevorzugte Anordnung eines Dampfthermopressors in einem Kernreaktordruckgefäß dargestellt. Wie der Figur 4 zu entnehmen ist, befindet sich der Thermopressor 200 innerhalb des Reaktordruckgefäßes 201 in einem mit Wasser gefüllten ringförmigen Raum, der sich zwischen dem Reaktorkern 202 und dem Druckgefäß 201 befindet. Vertikal angebrachte Öffnungen sind durch den Reaktorkern*202 geführt, so daß das Kühlmittel durch den Kern aus dem Einlaßraum 203 zum Auslaßraum 204 strömen kann. Der Ausgangsraum 204 ist zum Dampfraum 205 über der Wasserlinie 206 durch Entlüfterstutzen 207 verbunden. Während des normalen Betriebes strömt dem Kern aus dem Einlaßraum 203 gesättigter Dampf zu, der im Kern bis zur gewünschten Höhe durch Regelung der Steuerstäbe 208 überhitzt und sodann dem Auslaßraum 205 zugeleitet wird. Ein Teil des überhitzten Dampfes verläßt den Reaktor durch Leitung 209 zur Turbine oder zu einer anderen Lasteinrichtung. Der verbleibende Rest des überhitzten Dampfes wird durch den Thermopressor 200 abwärts zum Einlaßraum umgewälzt. Wenn dieser Teil durch die Eintrittsöffnung 210 des Thermopressors gelangt, wird das durch die Leitungen 211 kommende Wasser aus Sprühdüsen 23 2 in Form feinverteilter Tropfen dem überhitzten Dampf, der mit höchster Geschwindigkeit durchströmt, zugesprüht. Während die schematische Zeichnung der Deutlichkeit wegen getrennte Speisewasserleitungen 211, die jeweils in den Kessel 201 führen, zeigt, so wird in der Praxis eine einfache Durchführung verwendet, die ein ringförmiges Verteilerrohr zur Wasserverteilung zu jeder Thermopressorsprühdüsenreihe besitzt. Die Wassertropfen verdunsten, während gleichzeitig der überhitzte Dampf gekühlt wird.

909836/1032

Während der sich ergebende gesättigte Dampf durch den Defusorteil des Thermopressors fließt, steigt der Druck an, so daß der gesättigte Dampf in der erforderlichen Menge unter einem geeigneten Druck in den Einlaßraum 203 gelangt.

Strahlpumpen 214 sind während des AnlaufVorganges für die Dampfzuführunp; von einer äußeren Quelle vorgesehen, wie bereits oben beschrieben. Ferner ist eine Rohrleitung 215 mit einem Prüfventil 216 vorgesehen, so daß dem Raum 203 und 204 und dem Kern 202 während des Zeitraumes, in dem der Reaktor abgeschaltet ist, Wasser zugeführt werden kann. Das übersprühen des Reaktors während des Reaktorstillstandes mit Wasser aus einer äußeren Quelle zum Zwecke der Kühlunp und/oder Flutung kann über die Wassersprühdüsen oder Strahlpumpen mit Hilfe von regelbaren Ventilen (nicht dargestellt) erfolgen, die die Wasserquelle mit den Düsen verbinden.

Während die Ausführ'ungsform nach Figur 4 einen durch den Reaktorkern aufwärtsgerichteten Dampfstrom und einen durch den Thermopressor abwärtsgerichteten Strom verwendet, können auch andere Anordnungen, falls dies gewünscht wird, benutzt werden. So kann z.B. durch einfache Umkehrung des Thermopressors der Dampf gezwungen werden, durch den Thermopressor aufwärts und durch den Reaktorkern abwärts zu fließen, wobei der Auslaß für den überhitzten Dampf zur Turbine am unteren Raum angeordnet ist. Auch kann die Thermopressorreihe koaxial an einem Ende des Reaktorkerns angebracht sein, so daß der Dampf den Thermopressor und den Kern in gleicher Richtung durchfließt. Im allgemeinen jedoch wird die Anordnung gemäß Figur 4 bevorzugt, da sie sehr kompakt aufgebaut ist, sich leicht bedienen läßt und erlaubt, überhitzten Dampf in der Nähe des oberen Teiles des Reaktorkernes für die Verwendung in einer Turbine zu entnehmen.

Eine charakteristische große Kernkraftanlage, wie schematisch in Figur 1 gezeigt, die einen Dampf thermopressor innerhalb des Reaktordruckgefäßes gemäß Figur 4 verwendet, erzeugt ungefähr 1000 MWe. Ein Kraftwerk, das einen Wirkungsgrad hinsichtlich

909836/1032

der Energieumwandlung von etwa 41 % besitzt, hat einen Reaktorkern der für etwa 2 424 MWt ausgelegt ist.

Bei voller Leistung und normalem Betrieb erzeugt dieses Kraftwerk ungefähr 12,7xlO⁶ kg/Std. (28x10° lb/hr) überhitzten Dampf, bei .98,4 ata (14OOpsia) und etwa 510° C (950° F). Etwa 3, 94x10 kg/std. (8,7x10 lb/hr) überhitzten Dampfes werden zur Turbine befördert, wo er einen Druck von ungefähr 95 ata (1.250 psia) erreicht. Die verbleibenden 8,74x10 kg/Std. (9,3x10 lb/hr) des überhitzten Dampfes werden dem Thermopressor zugeführt. In dem ringförmigen Raum zwischen dem Reaktorkern und dem Druckgefäß sind 4 Thermopressor angeordnet, die mit dem Dampf beaufschlagt werden. Jeder Thermopressor hat ungefähr eine Länge von 304 cm (10 ft) gerechnet vom Einlaß des konvergierenden Einlaßteiles bis zum Ende des divergierenden Defusorteiles. Jeder Thermopressor besitzt eine Strahlpumpe und eine Wassersprühanlage, wie in Figur 2 dargestellt. Die Vorrichtungen zur Wassereinspritzung ist bei der Eintrittsöffnung angebracht und ist etwa 63,4 cm (2,1 ft) lang, gerechnet vom Eingang bis zum Einlaßteil. Der Eingangsdurchmesser beträgt etwa 3?,23 cm (2,08ft} der Durchmesser der Einlaiöffnung ist 31,92 cm (1,05 ft), während der Defursorausgangsdurchmesser etwa 30,8 cm (2 ft) beträgt. Etwa 1 χ 10 kg/Std. (2,2x10° lb/hr) Speisewasser, bei einer Temperatur von ungefähr 260 C (500 F) und einem Druck von ungefähr 105,4 ata (1.500 psia) werden in jede Eingangsöffnung eines Thermopressors gesprüht. Am Eingang zum Einlaßteil beträgt die Dampfgeschwindigkeit 79,6 m/sek. (262 ft/sec.) bei einem Druck von ungefähr 98 ata (1.392 psia), während-die Temperatur des überhitzten Dampfes etwa 510° C (948° F) ist. Am Einla;?.teil ist die Geschwindigkeit auf etwa 367 m/Sek. (1.209 ft/ sec) angestiegen, während die Dampftempera tür und der Druck auf etwa 483,3° C (902° F) und 81,10 ata (1.152 psia) abgesunken sind. Etwa 3,1x10° kg/Std. (7x10° lb/hr) gesättigter Dampf bei einer Geschwindigkeit von 60,8 m/Sek. (200 ft/sec.), einem Druck von etwa 106 ata (1.509 psia) und einer Temperatur von etwa 315,5° C (300° F) strömen aus jedem Defusoraustritt und gelangen in den Reaktorkerneinlaßraum. Dieser gesättigte Dampf

909836/1032

strömt durch den Reaktorkern, wo er erneut überhitzt wird, wobei sich der Kreislauf wiederholt. Ein Kraftwerk, das die obenbeschriebene Charakteristik besitzt, kann mit Hilfe der Erfindung leicht und wirtschaftlich aus einem kalten Zustand angefahren werden.

Während einer Abschaltperiode wird der Reaktor einschließlich des Einlaß- und Auslaßraumes des Kerns mit Wasser bei etwa Atmosphärendruck gefüllt. Wasser mit einer Temperatur von etwa 52° C (125° F) wird durch langsame Zirkulation durch einen außen vorhandenen Wärmetauscher erwärmt. Das Wasser wird durch die Turbinendampfleitung geführt und kehrt durch die Strahlpumpe, die zur Zirkulation des Wassers beiträgt, zurück; dicht schließende Ventile isolieren während der Abschaltung das Kernreaktor- und Wasserzirkulationssystem von dem übrigen Kraftwerk.

Der Anlauf wird dadurch bewirkt, daß gesättigter Dampf von etwa 112 at (1.6OO psi) den Strahlpumpen zugeführt wird. Das Wasser im Kernreaktor zirkuliert und wird aufgeheizt, wenn dieser Dampf kondensiert. Die The mop ressor arbeiten zu diesem Zeitpunkt primär als Kontaktkühler. Etwa 90.720 kg (200000 Ib) gesättigten Dampfes werden vom Anfahrkessel dem Reaktor bei einer Temperatur von weniger als 38° C (100° F) in der Stunde zugeführt, um das Wasser im Reaktor aufzuheizen. Wenn der anfangs eingeleitete Dampf im Reaktor kondensiert, wird eine entsprechende Wassermenge zum Hauptkondensator geleitet, um einen Reaktordruck von etwa 98,4 ata (1.400 psia) zu erhalten. Während das Wasser im Reaktor erhitzt wird, wird eine kleine Dampfmenge aus dem Anlaufkessel der Turbine zugeführt, um diese und die mit ihr verbundenen Dichtungen aufzuwärmen.

Wenn die Wasser temperatur im Reaktor etwa 315,5° C (600° F) bei einem Druck von etwa 98,4 ata (1.400 psiä) erreicht, wird die Menge des den Strahlpumpen zugeführten Dampfes bis auf etwa Γ382.ΟΟΟ kg/Std. (840.000 lb/hr) gesteigert. Das im Reaktor verbleibende Wasser wird durch die Beipaßleitung zum Hauptkondensator abgelassen. Die Thermopressor arbeiten nun als Dampfstriihl-

909836/1032

pumpen, die den gesättigten Dampf in einem geschlossenen Kreislauf durch den Kern zirkulieren lassen. Die Erzeugung überhitzten Dampfes im Reaktorkern erfolgt nun durch ein allmähliches Herausziehen der Steuerstäbe, wodurch die aus dem Reaktorkern abgegebene Wärmemenge ansteigt. Wenn der überhitzte Dampf beginnt durch die Thermopressor zu strömen, wird das Einsprühen von Wassertropfen in den Thermopressoreinlaß begonnen. In dem Maße wie die Leistung allmählich ansteigt, steigt auch die vom Kern abgegebene Wärmemenge, wird die Wassereinsprühung erhöht und der Dampfstrom durch die Strahlpumpen vermindert, bis schließlich die Thermopressor vollkommen als Dampfthermopressor arbeiten. Wenn dies geschieht, werden die Ventile zwischen dem Reaktor und der Turbine allmählich geöffnet, wodurch der Turbine Dampf zugeführt wird, der diese in Bewegung setzt. Bei etwa 30 % der max. Leistung kehrt das Umwälzsystem vom Strahlpumpenbetrieb zum Thermopressorbetrieb um und die Turbine ist in Betrieb. Die Leistung steigt nun durch Herausnahme der Steuerstäbe zur vollen Reaktorleistung an, während die Wassermenge, die der Thermopressoreinlaßöffnung zugesprüht wird, bis zur vollen gleichbleibenden Betriebsleistung zunimmt, bei der etwa 3,94x10 kg/Std. (9,7x10 Ib) Wasser durch die Thermopressor strömen. Der Anfahrkessel kann nun eine Warteposition einnehmen.

Bei einer gesteuerten Abschaltung des Kraftwerkes werden die obengenannten Verfahrensschritte im wesentlichen umgekehrt. Die Steuerstäbe werden eingefahren, um die Wärmeabgabe aus dem Kern zu senken. Die Wassermenge, die in die Thermopressor eingesprüht wird, wird reduziert, um den Dampf, der die Thermopressor verläßt, gesättigt und mit geringen Wasserbeimengungen zu halten. Wenn der Reaktor keinen weiteren überhitzten Dampf erzeugt, wird das Wassereinsprühen abgebrochen und Dampf aus dem äußeren Kessel eingeleitet, um durch die Strahlpumpen einen Kühlkreis zu erzeugen. Schließlich wird der Reaktorkern mit Wasser geflutet. Mindestens ein Teil dieses Wassers kann durch die Strahlpumpe eingeleitet werden. Die Zirkulation dieses Wassers kann fortgesetzt werden, bis der Kern durch die wasserangetriebenen Düsenpumpen gekühlt wird. Wenn der Kern gekühlt ist, wird die

909836/1032

geringe Temperatur dadurch aufrecht erhalten, daß der äußere Wärmetauscherkühlkreis anläuft und kein Dampf mehr den Sfcrahlpumpendüsen zugeführt wird. Im Notfall wird der Reaktor durch ein schnelles vollständiges Einfahren der Steuerstäbe abgeschaltet und der Kern mit Wasser geflutet. Wie auch vorher, wird das Wasser durch §trahlpumpen in Zirkulation versetzt, wobei Wasser von der äußeren Quelle verwendet wird. Das Wasser wird zum Hauptkondensator abgelassen, um einen konstanten Druck innerhalb des Reaktors aufrecht zu erhalten.

909836/1032

Claims

190373Λ

Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben eines dampfgekühlten Kernreaktors, dessen Kern Wärmeenergie abgebenden Kernbrennstoff und Mittel zur Veränderung der Reaktivität besitzt und der Öffnungen zum Durchfluß eines Kühlmittels aufweist und mindestens einen Thermopressor besitzt, welcher aus einem konvergierenden Einlaßteil, einer Eingangsöffnung und einem divergierenden Defusorteil besteht, die einander so zugeordnet sind, daß mindestens ein Teil des Kühlmittels, das den Kern verläßt, in den Einlaß-

fe teil gelangt, danach durch den Thermopressor und zurück zum

Kern fließt, dadurch gekennzeichnet, daß einem abgeschalteten und mit Wasser gefüllten Reaktor aus einer äußeren Dampf quelle über einen Thermopressor und einer Düse, die in der Mittellinie des Thermopressors im Einlaßteil angeordnet ist, Dampf zugeführt wird, wobei der Thermopressor anfangs als Kontaktkühler und dann als Strahlpumpe arbeitet, der das Wasser im Reaktor aufheizt und durch den Kern umwälzt, daß bei steigender Dampferzeugung ein Teil des Dampfes durch Rohrleitungen Kondensatoreinrichtungen zugeführt werden, daß die vom Reaktorkern abgegebene Wärmeleistung durch Erhöhung der Reaktivität gesteigert wird, wobei der den Kern verlassende Dampf überhitzt wird, da?> der Thermopressor da-

W durch in Gang gesetzt wird, daß dem überhitzten Dampfstrom, der

durch den Thermopressor strömt, am Einführungsteil ein KondensJB-rungsmittel in Form von feinverteilten Wassertröpfchen injiziert wird und daß der Dampfstrom, der dem Thermopressor von der äußeren Quelle zugeführt wird, allmählich reduziert und schließlich unterbrochen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch g e k e η η ze ichne t, daß der Reaktor durch Verringerung der Reaktivität, wodurch die vom Kern abgegebene Wärmeleistung reduziert wird, abgeschaltet wird, daß dem Reaktorkern mindestens teilweise durch die auf der Mittellinie angebrachten Düsen Wasser zugeführt wird, und daß ein ständiger Wasserstrom durch diese Düsen fließt, um einen Wasserkreislauf durch den Reaktorkern aufrecht

909836/1032

BAD ORIGINAL

- 19 zu erhalten.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennz e lehnet, daß während der Abschaltung Wasser aus dem Reaktor, einem Wärmeaustauscher zur Kühlung und dann der genannten Düse zugeführt wird, wobei der Reaktor auf der gewünschten Temperatur gehalten wird.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch

1 -3, dadurch gekennze lehne t, daß für den Kühlmittelumlauf ein oder mehrere Thermopressoren vorgesehen sind, die innerhalb des Reaktordruckgefäßes zwischen der Gefäßwandung und dem Reaktorkern oder außerhalb des Reaktordruckgefäßes angeordnet sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Thermopressor aus einem konvergierenden Oberteil mit einem engen Einlaßrohr und einem divergierenden Defusor besteht.

6. Anordnung Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennze ichnet , daß auf der Mittellinie des Oberteils stromaufwärts zum engen Einlaßrohr Düsen angebracht sind, die dazu dienen, dem Thermopressor aus einer äußeren Quelle Dampf zuzu- : leiten, damit während des Reaktoranfahrvorganges das Kühlmittel durch den Reaktorkern zirkulieren kann.

7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Einlaßrohr Düsen derart angeordnet und ausgebildet sind, daß dem durch den Thermopressor geführten überhitzten Dampf Wasser in Form fein verteilter Tropfen zugesprüht werden kann.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die im Einlaßrohr befindlichen Düsen als Sprühdüsen ausgebildet sind, die sich in der Wandung des Einlaßrohres des Thermopressors befinden.

909836/1032

9. Anordnung nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Einlaßrohres im Thermopressor ein oder mehrere Ringrohre vorhanden sind, die am unteren Teil mit düsenförmigen Öffnungen versehen sind, derart, daß das durchströmende Wasser fein verteilt und nach unten gerichtet ist, so daß der durchströmende Dampf besprüht wird.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekenn-r zeichnet, daß die Ringrohre koaxial zu der oder den Düsen (107, 108) angeordnet sind.

33 . Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (107, 108) durch den Ringraum geführt sind, so däß der aus ihnen ausströmende Dampf dem engen Einlaßrohr zugeleitet wird.

909836/ 1 032