DE1909061A1

DE1909061A1 - Dampfgekuehlter Kernreaktor

Info

Publication number: DE1909061A1
Application number: DE19691909061
Authority: DE
Inventors: Germer John Halbert
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-02-26
Filing date: 1969-02-22
Publication date: 1969-09-11
Also published as: US3634189A; CH489871A; BE727451A; NL6902854A; ES364011A1; FR2002641A1

Description

Nukleare Kernspaltungsreaktionen und Reaktoren, in denen diese Reaktionen stattfinden, sind allgemein bekannt. Reaktoren dieser Art besitzen eine Anordnung für die Kernreaktion oder einen Reaktorkern, der aus Kernbrennstoffmaterial besteht, das in Brennstoffelementen¹ enthalten ist. Das Brennstoffmaterial ist im allgemeinen in einer korrosionsfesten, wärmeleitenden Hülse oder in einer Brennstoffhülle. Der Reaktorkern, der aus einer Vielzahl solcher Elemente besteht, die in einem gewissen Abstand zueinander angeordnet sind, befindet sich innerhalb eines Druckgefäßes, durch das das Reaktorkühlmittel fließt. Wenn das Kühlmittel an den Brennstoffelementen entlang strömt, wird es durch die thermische Energie erhitzt, die während der Kernspaltungsreaktionen frei wird. Das erhitzte Kühlmittel verläßt dann den Reaktor, damit die Wärme-*- •energie in nützliche Arbeit umgewandelt werden kann und wird, nachdem es gekühlt wurde, dem Reaktor wieder zugeführt.

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ORIGINAL INSPECTED

In herkömm/lichen kommerziellen Reaktoren dieser Art wird Wasser als Kühlmittel verwendet, das im Reaktorkern unter Druck erhitzt oder verdampft werden kann. Es sind bereits Reaktoren entwickelt· worden, die Dampf als Kühlmittel verwenden. Diesen Reaktoren wird gesättilter Dampf zugeführt, der beim Durchströmen des Kernes überhitzt wird und der den Reaktor verläßt, wobei der überhitzte Dampf gekühlt und kondensiert wird, während er nützliche Arbeit leistet. Danach wird das Kondensat wieder verdampft und dem Reaktorkreislauf zugeführt. Dieses System wird für viele Anwendungen bevorzugt, da Dampf bei hohen Temperaturen und Drucken nützlicher als bei niedrigen Temperaturen ist, die bei konventionellen Druckwasser- und Siedewasserreaktoren erreicht werden. So haben z.B. Turbinen zur Erzeugung elektrischer Energie im allgemeinen einen höheren Wirkungsgrad und arbeiten wirtschaftlicher, wenn sie durch überhitzten Dampf, im Gegensatz zu gesättigtem Dampf, angetrieben werden.

Ein Hauptproblem jedoch besteht bei dampfgekühlten Reaktoren darin, daß der meiste im Reaktor erzeugte überhitzte Dampf durch einen Wärmetauscher geführt werden muß, um Speisewasser zum* Verdampfen zu bringen. Die sich so ergebende große Menge gesättigten Dampfes muß dann zum Reaktor gepumpt werden. In einem solchen System, das allgemein als Loeffler-Siederwasser-System bekannt ist, müssen erhebliche Energiemengen aufgewendet werden, um die großen Mengen gesättigten Dampfes pumpen zu können.

Es wurden Versuche unternommen, um diesen Aufwand an Pumpleistung zu reduzieren, in dem der Dampf durch den Reaktorkern mehrmals hindurchgeführt wurde, wobei geringe Mengen Speisewasser dem Dampf zwischen den Kanälen im Kontaktkühler hinzugegeben werden. Diese Systeme werden .jedoch zu kompliziert. Die Dampf menge wird in den folgenden Reaktorkanälen fortlaufend geändert, wodurch Steuerprobleme entstehen. Die Kühler sind groß und besitzen ein damit verbundenes umfangreiches Röhrensystem. Aus diesem Grunde müssen im Reaktordruckgefäß eine große Zahl von Rohröffnungen zwischen der Kühlerreihe und dem Kernreaktor vorgesehen werden. Wegen ihrer Größe und ihres komplexen Aufbaues

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würde es sehr schwierig sein, die Kühler im Reaktordruckgefäß unterzubringen. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, die dampf gekühl ten Kernreaktoren zu verbessern.

Eine solche Verbesserung liegt der vorliegenden Erfindung zugrunde. Diese und andere Aufgaben werden durch die vorliegende

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Erfindung gelöst, in demrKernreaktorsystem vorgeschlagen wird, bei dem im wesentlichen gesättigter Dampf durch Teile des Reaktorkernes mindestens zweimal hindurchgeführt werden, wobei zwischen den Kanälen Wärmeaustauscher vorgesehen sind, die Wasser zum sieden bringen, um Speisedampf zu erzeugen, während der Reaktorkühlmitteldampf gekühlt wird. Nachdem der Dampf Teile des Reaktorkernes zum letztenmal durchströmt hat, wird er einer ™ Last, wie beispielsweise einer Turbine, zugeführt, die Arbeit verrichtet. Der Dampf wird kondensiert und das Kondensat wird den Wärmetauschern wieder zugeführt, wo es erneut verdampft wird. Jeder Reaktorkernteil kann aus

a) einer getrennten unabhängigen Kernspaltungsanordnung oder einem Reaktorkern, oder

b) einem Teil einer einzigen Kernreaktorspaltanordnung oder Reaktorkern bestehen, wobei jeder Teil unabhängige Kühlmittelleitungen besitzt, jedoch mit den anderen Teilen kernspaltungsmäßig verbunden ist.

In der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff "Teile von Kernreaktoren" auf Anordnungen, die unter a) und b) aufgeführt sind. Es handelt sich dabei um ein einfaches und wirtschaftliches System, bei dem nur ein flüssiges Kondensat im Gegensatz zum Dampf umgepumpt werden muß. Beim Pumpen der Flüssigkeit gibt es keine Kompressibilitätsverluste. Auch bleibt die Dampfmenge, die im Kreislauf umgewälzt wird, konstant, wodurch die Steuerung des Reaktorkernes vereinfacht wird. Dieses System ist einfach und kompakt aufgebaut und kann innerhalb des Reaktordruckgefäßes angeordnet werden. Es müssen lediglich Durchbrttche für die Speisewaeserzuführung und für den Auegang

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des überhitzten Dampfes zur Last im Reaktordruckgefäß vorgesehen werden. Wie noch weiter unten erläutert wird, kann die Vielzahl der Reaktorkanäle durch die verschiedenen Teile eines einzigen Kernes oder durch die getrennten Kerne eines oder mehrerer Reaktoren führen. Falls erforderlich, können im System drei getrennte Kernreaktoren oder drei getrennte Teile von einfachen Reaktorkernen mit Wärmetauschern zur Kühlung vorgesehen sein, die außerhalb des Reaktors oder der Reaktoren angeordnet sind. Ein Teil des Dampfes, der aus jedem Kern heraustritt, kann* falls erforderlich, direkt zur Turbine geleitet werden, solange wie genügend überhitzter Dampf übrigbleibt, um die erforderlichen Mengen an Speisewasser zu verdampfen. Aus ^ den folgenden Zeichnungen sind weitere Einzelheiten der Erfin-

™ dung und verschiedene bevorzugte Ausführungsformen ersichtlich.

Hierbei zeigen:

Figur 1 ein einfaches schematisches Flußdiagramm eines dampfgekühlten Reaktorkraftwerkes gemäß der Erfindung;

Figur 2 ein Enthalpie-Druckdiagramm für den Kreislauf gemäß der Erfindung;

Figur 3 in einfacher schematischer Form einen Querschnitt durch einen Reaktor, aus dem die Grundlagen der Erfindung zu entnehmen sind, und

Figur 4 einen vertikalen Schnitt durch einen Teil des Reaktorkernes, der in dem Reaktor gemäß Figur 3 verwendet werden kann.

In Figur 1 ist eine einfache schematische Darstellung eines Kernreaktorkraftwerkes wiedergegeben, die einen Kernreaktor enthält, der mit 10 bezeichnet ist. Der im Reaktor 10 erzeugte Überhitzte Dampf wird über die Dampfleitung 11 zur Turbine 12 geführt. Die Last, die den Dampf verwendet, kann aus irgendeiner geeigneten Anordnung bestehen, wie beispielsweise einem Dampfkraftwerk zur Versorgung von Gebäuden oder auch aus

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Einrichtungen zur Durchführung von chemischen Prozessen. Die Turbine 12 mit ihrem verbundenen Generator 13 dient nur zur Darstellung einer üblichen Last. Die Energie des Dampfes wird in der Turbine 12 in Arbeit umgewandelt, wobei der Dampf im Hauptkondensator 14 kondensiert wird. Das Kondensat wird über die Leitung 15 zur Kondensatpumpe 16 geleitet, von der es zum Speisewassererhitzer 17 gepumpt wird. Das vorgewärmte Speisewasser, das beispielsweise eine Temperatur von 333 C (631 F) besitzt, wird zum Reaktor 10 durch Speisewasserpumpen 18 zurückgepumpt, so daß der Kreislauf geschlossen ist.

Der Reaktor 10 besitzt ein äußeres Druckgefäß 19, das, wie aus der Zeichnung schematisch ersichtlich ist, drei verschiedene unabhängige Kernreaktorbrennstoffanordnungen oder Kerne 20,21 und 22 enthält. Zur Verdeutlichung der Erfindung werden drei verschiedene Kerne wiedergegeben. Anstelle dieser Kerne können auch drei Teile eines einzigen Kernes verwendet werden, auch kann jeder in einem getrennten Druckgefäß untergebracht sein. Der Dampfstrom kann entweder aufwärts oder abwärts durch den Kern gerichtet sein. Zwei oder mehr Kernteile von unabhängigen Kernen oder Kernte ilen können gemäß .der Erfindung im System verwendet werden. Die Kerne 20, 21 und 22 sind von Wasser umgeben, das bis zu einer Höhe reicht, die durch die gestrichelte Linie 23 angezeigt ist. Über dem Wasser befindet sich ein Dampfraum 24, der im wesentlichen mit gesättigtem Dampf gefüllt ist. Durch eine Öffnung im Dampftrockner 25 wird diesem gesättigter Dampf zugeführt, der über die Leitung 26 in den ersten Reaktorkern 20 strömt. Falls erforderlich, kann der Dampftrockner 25 auch fortgelassen werden, obgleich es vorteilhaft ist, die Wassermengen zu begrenzen, die mit dem Dampf in den Kern 20 eindringen.

Der gesättigte Dampf, der in den ersten Reaktorkern eintritt,

hat eine Temperatur von 353° C (668° F) und einen Druck von

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ungefähr 175,75 kp/cm (2500 psi). Diese Maßangaben sind nur als Beispiel für ein System genannt und können, falls gewünscht, verändert werden. Der aus dem Rohr 26 a kommende Dampf wird der

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ersten Einlaßkammer 26 zugeführt, strömt durch den Reaktorkern 20 zwischen den Brennstoffelementen und tritt aus der ersten Auslaßkammer 27 heraus. Der Dampf besitzt beim Eintritt in das

2 Rohr 28 einen Druck von ungefähr 169,0 kp/cm (2400 psi) und

eine Temperatur von ungefähr 538° C (1000° F). Dieser überhitzte Dampf strömt durch das Rohr 28 zum ersten Wärmetauscher 29, wo der Dampf wenigstens teilweise gekühlt wird. Die abgegebene Wärme wird dem umgehenden Wasser zugeführt, wodurch Dampfblasen

gebildet werden, die zur Oberfläche 23 aufsteigen und in den gesättigten Dampfraum 24 gelangen. Der so gekühlte Dampf verläßt den Wärmetauscher 29 und strömt in die Rohrleitung 30 mit

2
einem Druck von ungefähr 162,0 kp/cm (2300 psi) und einer

Temperatur von ungefähr 391° C (736° F). Dieser Dampf kommt nun in die zweite Einlaßkammer 31, von der aus er durch den zweiten Reaktorkern 21 zur zweiten Auslaßkammer 32 strömt. Der Dampf wird erneut bis auf eine gewünschte Temperatur überhitzt und gelangt in die Rohrleitung 33 mit einem Druck von 154,8

2 ο

kp/cm (2200 psi) und einer Temperatur von ungefähr 538 C

(1000° F). Dieser überhitzte Dampf wird als nächstes durch einen zweiten Wärmetauscher 34 geleitet, wo er erneut mindestens teilweise gekühlt wird, wodurch außerhalb des Wärmetauschers Dampfblasen entstehen, die zum gesättigten Dampfraum 24 aufsteigen. Der durch die Rohrleitung 35 strömende gekühlte Dampf

2 besitzt einen Druck von ungefähr 147,5 kp/cm (2100 psi) und

eine Temperatur von ungefähr 382° C (719° F)₀ Dieser Dampf gelangt schließlich in die dritte Einlaßkammer 36, von der er durch den dritten Kern 22 zur dritten Auslaßkammer 37 geführt wird. Der Dampf wird erneut überhitzt und besitzt beim Eintritt

2 in das Rohr 11 einen Druck von ungefähr 140,5 kp/cm (2000 psi)

und eine Temperatur von ungefähr 538° C (1000° F). .

Die Wärmeerzeugung des Reaktorkernes wird durch Regelstäbe gesteuert, die von unten in den Reaktorkern einfahren. Der Deutlichkeit wegen ist nur ein derartiger Steuerstab für jeden Reaktorkern dargestellt, der jeweils mit 38 bezeichnet ist.

Es ist ersichtlich, daß es sich hier um ein äußerst einfaches und wirtschaftliches System handelt. Es sind keine Dampfpumpen

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erforderlich. Die gesamten Reaktorkerne und Kühler sind in einem einzigen Druckgefäß untergebracht, wobei nur die Speisewassere inla ßle it ung, die Dampfauslaßleitung 11 und die Steuerstäbe 38 durch den Druckkessel geführt sind. Das System kann · noch kompakter ausgebildet werden, in dem die drei Reaktorkerne 20, 21 und 22 als drei Teile eines einzigen Reaktorkernes ausgebildet werden.

Die Drucke und Temperaturen, die fürdie verschiedensten Punkte in Figur 1 angegeben wurden, sind ausgewählt worden, um eine beliebige Ausführungsform zu beschreiben. So wurde z.B. die Druckabsenkung durch jeden Wärmetauscher und jeden Reaktorkern

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mit 7,03 kp/cm (100 psi) angenommen^. Der Fachmann kann für irgendwelche gegebenen Anwendungszwecke den Reaktorkern und die Wärmetauschercharakteristiken sowie die Zahl der Wärmetauscher und Reaktorkerne oder Kernteile auswählen, um den gewünschten spezifischen Anforderungen zu genügen. In Figur 2 ist ein Enthalpie-Druckdiagramm für das in Figur 1 dargestellte System wiedergegeben, um die Einfachheit des Systems zu verdeutlichen.

Wie aus der Figur 2 zu entnehmen ist, gibt die horizontale Achse den Druck wieder, während auf der vertikalen Achse die Enthalpie aufgetragen ist. Die Isothermen sind gestrichelt gezeichnet und von 205° C (400° F) bis 649° C (1200° F) mit einem Abstand von 38° C (100° F) aufgetragen. Die Kurve 39 bestimmt die ungefähre Grenze zwischen der flüssigen und der Dampf-Flüssigkeitsphase, Die Kurve 40 legt die ungefähre Grenze zwischen der Dampf-Flussigkeits- und der Dampfphase fest.

Das Speisewasser, das in das Druckgefäß gelangt, befindet sich im flüssigen Zustand, der mit dem Punkt A bezeichnet ist, und hat einen Druck von ungefähr 175,7 kp/cm (2500 psi), eine Temperatur von ungefähr 332° C (631° F) und eine Enthalpie von ungefähr 369 kcal/kg (664 Btu/lb).

Da sich das eindringende Speisewasser mit dem Wasser im Reaktor mischt und dabei erwärmt, so steigt die Temperatur und die

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Enthalpie bis zum Punkt B an, wo ein Teil des Wassers zu verdampfen beginnt.

Da die Wärmetauscher 29 und 34 das Wasser aufzuheizen beginnen, findet ein Sieden statt und die Temperatur und Enthalpie steigt weiter bis zum Punkt C an, bis das Wasser verdampft. Der sich beim Punkt C ergebende gesättigte Dampf hat noch einen Druck

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von ungefähr 175,75 kp/cm (2500 psi) bei einer Temperatur von

nur ungefähr 353° C (668° F), wobei jedoch die Enthalpie auf einen Wert von ungefähr 665 kcal/kg (1191 Btu/lb) angestiegen ist. Dieser Dampf wird im ersten Reaktorkern 20 überhitzt, wobei die Temperatur und Enthalpie auf Werte von ungefähr 538 C (1000° F) und 815 kcal/kg (1461 Btu/lb), wie durch Punkt D angezeigt, ansteigen. Entlang des Reaktorkernes sinkt der Druck

2
um Werte von 7,03 kp/cm (100 psi) auf einen Wert von ungefähr

168,8 kp/cm² (2400 psi).

Der Hauptteil der Überhitzung wird an das umgebende Wasser im Wärmetauscher 29 abgegeben, wobei die Temperatur und Enthalpie auf Werte von 391° C (736° F) und 699 kcal/kg (1251 Btu/lb) zurückgehen, wie durch Punkt E dargestellt ist. Hierdurch entstehen entlang des Wärmetauschers DruckVerluste von etwa 7,03 kp/cm² (100 psi), so daß Werte von 161,7 kp/cm² (2300 psi) erreicht werden.

Der Dampf wird erneut im zweiten Reaktorkern 21 Überhitzt, so daß die Temperatur und Enthalpie bis auf ungefähr 538° C (1000° F) und etwa 818 kcal/kg (1468 Btu/lb) ansteigen, wie

durch Punkt F aufgezeigt ist. Es stellt sich erneut ein Druck-

2 verlust entlang des Reaktorkernes von 7,03 kp/cm (100 psi) ein. Der Überhitzte Dampf wird erneut im Wärmetauscher 34 teilweise gekühlt, wodurch Temperatur- und Enthalpieabsenkungen bis auf Werte von ungefähr 382° C (719° F) und etwa 643 kcal/kg (1151 Btu/lb) entstehen, wie durch Punkt G dargestellt ist. Wie auch vorher schon, entsteht ein Druckverlust von ungefähr 7,03 kp/cm² (100 psi).

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Und schließlich strömt der Dampf durch den dritten Kern 23, wo er erneut auf Werte von ungefähr 538° C (1000° F) überhitzt wird. Die Enthalpie steigt bis auf 823 kcal/kg (1474 Btu/lb) während der Druck bis auf einen Wert von 140,5 kp/cm (2000 psi) absinkt, wie aus Punkt H zu entnehmen ist. Ein Dampf, der diese Charakteristik besitzt, ist besonders zur Verwendung in einer Turbine 12 geeignet.

Diese Werte wurden lediglich zur besseren Beschreibung der Erfindung ausgewählt. Es können jedoch auch andere Werte oder auch 2,4 oder mehr Reaktorkernkühlkreisläufe mit Überhitzer-Wärmeaustauschern anstelle von drei Austauschern verwendet werden, bis die Wärme, die dem Speisewasser zugeführt wird, um es zu verdampfen (die Wärmemenge, die zugeführt werden muß, um vom Punkt A zum Punkt C gemäß Figur 2 zu gelangen, beträgt 237 kcal/kg (427 Btu/lb) ) gleich derjenigen Wärmemenge ist, die durch die Kühlung gewonnen wird (die Wärme, die zwischen den Punkten D und E gewonnen wird, beträgt 117 kcal/kg (210 Btu/lb) plus derjenigen, die zwischen den Punkten F und G gemäß Figur 2 erhalten wird, ist gleich 121 kcal/kg (217 Btu/lb) ).

Wenn der Druck und die Überhitzungstemperatur hoch genug ist, kann auch ein Kreislauf ausreichend sein, der zweimal anstelle von drei Durchläufen durch die Reaktorkernteile geführt wird. Die Zahl der Durchläufe kann auch dann reduziert werden, wenn eine geringere Überhitzungstemperatur im Dampf, der zur Turbine strömt, ausreichend ist. Andererseits können auch vier oder mehr Kreisläufe durch die Reaktorkernteile vorteilhaft sein, wobei Druck- und Uberhitzungstemperaturen geringer sind oder wenn der der Turbine zugeführte Dampf noch höhere Temperaturen haben soll.

In dem bekannten Loeffler-Kreislauf strömt mehr Dampf durch den Reaktorkern als zur Turbine. In den Kreislauf gemäß der Erfindung fließt die gleiche Dampfmenge durch jeden Reaktorkernteil wie zur Turbine. Aus diesem Grunde kann der Gesamtquerschnitt

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-ΙΟ-in den Reaktorkernteilen im wesentlichen der gleiche sein, im Gegensatz zu einem einzelnen durchflossenen Reaktor, der beim Loeffler-Kreislauf verwendet wird. Figur 3 gibt eine schematische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispieles gemäß der Erfindung wieder, bei dem ein einzelner Kern in drei Teile geteilt ist, damit der Dampf während des Durchlaufes durch jeden der drei Teile überhitzt werden kann, wobei zwischen den Durchläufen eine Kühlung vorgesehen ist, um das Speisewasser zu verdampfen.

Wie aus Figur 3 zu entnehmen ist, befindet sich der Reaktor ^ in einem Druckgefäß 100, das im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist und das von unten durch eine im wesentlichen plattenförmige Abdeckung 101 geschlossen ist und das am oberen Ende mit einer domförmigen abnehmbaren Abdeckung 102 versehen ist.

Der aus mehreren Abschnitten bestehende Reaktorkern 103 hat eine zylindrische Konfiguration, ist zum Reaktordruckgefäß 100 koaxial angeordnet und wird durch Flanschelemente 104 gehalten. Der Reaktorkern 103 besteht aus drei Kernreaktorteilen.

Das erste Teil 105 hat im wesentlichen eine zylindrische Form und ist zentral angeordnet. Die durch den Reaktorkernteil 105 P durchführenden Kanäle,sind mit 106 bezeichnet, die dem Dampf gestatten, durch die benachbart angeordneten Brennelemente (nicht dargestellt) zu strömen. Das zweite Kernreaktorteil hat eine ringförmige Form, das das Kernreaktorteil 1Ö5 umgibt. Durchströmkanäle, die mit 108 bezeichnet sind, erlauben dem Dampf durch das Reaktorkernteil 105 zu fließen. Auch das dritte Kernreaktorteil 109 besitzt eine ringförmige>Porm, das den zweiten Kernreaktorteil 107 umgibt. Kanäle 110 erlauben dem Dampf durch den Kernreaktorteil 108 zu strömen. Wie bereits oben ausgeführt wurde, können zusätzliche ringförmige Kernreaktorteile verwendet werden, falls dies erforderlich ist. In Figur sind lediglich drei Reaktorkern teile wiedergegeben, die dazu .

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-11-dienen, die Erfindung zu verdeutlichen.

Eine erste Einlaßkammer ill ist so angeordnet, daß der Dampf durch das erste Kernreaktorteil 105 geführt werden kann. Eine erste Auslaidkammer H2 ist derart ausgebildet, daß aus dem ersten Reaktorkernteil 305 Dampf zugeführt werden kann. In ähnlicher Weise sind zweite und dritte Einlaßkammem 113 und 114 und zweite und dritte Auslaßkammern 115 und 116 angeordnet, daß ihnen Dampf zugeleitet werden kann und daß sie in entsprechender Weise von den zweiten und dritten Kernabschnitten 107 und 109 Dampf erhalten können. Der gesättigte Dampf gelangt zuerst in den Einla'-.raum 111, dann in den ersten Kernteil 105, wo er überhitzt wird, und danach in die erste Auslaßkammer 112. Der so überhitzte Dampf strömt durch die Leitungen 117 zum ersten Wärmetauscher 118 und erwärmt das Wasser, das das Druckgefäß 100 bis zu der Höhe, die durch die gestrichelte Linie 119 angegeben ist, füllt. In dem Maße wie der Dampf im Wärmetauscher 118 gekühlt wird, entstehen Wasserdampfblasen, die zur Wasseroberfläche aufsteigen. Der eich so ergebende Dampf strömt durch die Wärmetrockner 120 zum gesättigten Dampfraum 121, von dem es durch die Rückführleitung 128 zum ersten Einlaßraum 11 gelangt. In der Zwischenzeit verläßt der gekühlte Dampf durch die Röhren 122 den ersten Wärmeaustauscher 118 und strömt zum zweiten Einlaßraum 113, der die Form eines den Kern 103 umfassenden Ringes besitzt. Der Dampf kommt dann durch eine Vielzahl von Öffnungen 123, die vom benachbarten dritten Reaktorkernteil 109 isoliert sind, zum zweiten Reaktorkernteil 107. Der gekühlte Dampf fließt durch den zweiten Reaktorkernteil 107, wo er erneut überhitzt wird. Der wieder überhitzte Dampf verläßt durch die Leitungen 124 die zweite Auslaftkammer 115 und gelangt zum zweiten Wärmeaustauscher 125. Wiederum wird der Dampf gekühlt, während weiteres Wasser verdampft wird, das als Dampf zum gesättigten Dampfraum 121 aufsteigt.

Der erneut gekühlte Dampf strömt dutch die Leitung 129 zur dritten Einlaßkammer 114, Der Dampf kommt sodann in den dritten Reaktorkernteil 109, wo er wiederum überhitzt wird. Der tiber-

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hitzte Dampf tritt durch die dritte Auslaßkammer 116 aus, verläßt den Kernreaktor durch die Leitung 130 und gelangt zur Last, beispielsweise zu einer Turbine, aus der Arbeit gewonnen wird, während der Dampf kondensiert. Das Kondensat wird entsprechend behandelt und kehrt durch die Speisewasserleitung 131 zum Reaktor als Speisewasser zurück. Das Speisewasser wird nun zum ringförmigen Speisewasserverteiler 3 32 geführt, der das Speisewasser im wassergefüllten Raum verteilt. Das Wasser wird erneut verdampft und der oben beschriebene Kreislauf wiederholt sich.

Es handelt sich somit um ein sehr kompaktes und einfaches System. ψ Die Reaktivität der verschiedenen Reaktorkernteile kann in einfacher Weise durch Kontrollstäbe gesteuert werden, die von unten in den Kern 103 durch das untere Kopfstück 101 eingefahren werden. Der Deutlichkeit wegen ist nur einer dieser Steuerstäbe gezeigt, der mit 135 bezeichnet ist. Der Reaktor kann in einfacher Weise mit neuem Brennstoff beschickt oder repariert werden, indem das obere Kopfstück 102 entfernt wird. Ein scheibenförmiges Zentralstück des Dampftrockners 120, das mit 136 bezeichnet ist, kann zusammen mit dem Rückführrohr 128 und der abnehmbaren Abdeckung 137, die sich über der ersten Einlaßkammer 111 befindet, entfernt werden. Damit wird der Brennstoff im Reaktorkern 103 vollständig zugängig.

' Dieses System ist besonders vorteilhaft, da keine großen, relativ aufwendigen elektrischen Motore oder turbinenangetriebene Dampfpumpen erforderlich sind.

In Figur 4 ist ein Schnitt durch einen Teil eines Reaktorkernes, der in Figur 3 mit 103 bezeichnet ist, wiedergegeben, aus der eine Brennstoffelementanordnung zu entnehmen ist. Die in Figur 4 gezeigte Anordnung läßt sich allgemein für das in Figur 3 dargestellte Kraftwerk verwenden, obgleich die Dampfleitungen in Figur 4 der tibersieht wegen geringfügig modifiziert wurden.

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Das erste Reaktorkernteil 105 besteht aus einer Vielzahl von Brennstoffelementbündeln, von denen zwei in Figur 4 gezeigt sind. Diese Bündel besitzen einen rechteckigen oder hexagonalen Querschnitt, in denen eine Vielzahl von Stäben aus spaltbarem Material parallel und in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet sind. Die Lage der BrennstoffStabanordnung ist schßmatisch durch die unterbrochene Linie 200 dargestellt. Es kann jede geeignete Anordnung der Brennstoffelemente verwendet werden. Im ersten Reaktorkernteil 105 sind die Brennstoffbündel oben und unten offen, so daß Dampf hindurchfließen kann. Am oberen Ende sind Haltegriffe 201 vorgesehen, die durch Stege 202 gesichert sind.

Wie oben beschrieben, dringt von der oberen Einlaßkammer 111 gesättigter Dampf durch das erste Reaktorkernteil 105, der überhitzt und der ersten Auslaßkammer 112 zugeleitet wird. Der Dampf wird sodann gekühlt und kehrt durch die Röhren 123 zur zweiten Einlaßkammer 113 zurück.

Die Brennstoffbündel, die das dritte Reaktorteil 109 bilden, besitzen oberhalb der Bündel transversal angebrachte Öffnungen 203, die mit den Öffnungen in der zweiten Einlaßkammer 113 verbunden sind und die oberhalb der Bündel das zweite Reaktorkernteil 107. bilden. Die Bündel, die das dritte Reaktorkernteil 109 bilden, sind durch Platten 204 von dem Durchlaß 203 isoliert.

Somit strömt der gesättigte Dampf von der zweiten Einlaßkammer 113 durch den Durchlaß 203 zum zweiten Reaktorkernteil 107, wo er erneut überhitzt wird. Der überhitzte Dampf kann durch die zweite Auslaßkammer 115 und die Röhren 124 entweichen, um erneut gekühlt zu werden, während das Wasser verdampft.

Der erneut gekühlte Dampf kehrt durch die Rohrleitungen 129 zur dritten Einlaßkammer 114 zurück. Dieser, im wesentlichen gesättigte Dampf wird durch das dritte Reaktorkernteil 109 geführt, wo er erneut überhitzt und der dritten Auslaßkammer

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zugeführt wird. Schließlich verläßt der Dampf den Reaktor durch die Leitungen 130 und gelangt zur Turbine oder irgendeiner anderen Last.

Die Brennstoffbündel, die das zweite und dritte Reaktorkernteil 107 und 109 bilden, sind am oberen Ende durch Endplatten 2O5 geschlossen und besitzen einen Griff 206.

Am unteren Ende weisen die Bündel eine Verjüngung auf, die mit 207 bezeichnet ist und mit den Vorsprüügen an den verschiedenen Auslaßkammern in Eingriff steht. Dieser Eingriff erlaubt eine leichte Lockerung und Entfernung der Brennstoffbündel mit Hilfe ψ eines normalen Kranes. Die Brennstoffbündel sind bündig angepaßt, so daß an den Stellen, an denen die Bündel mit den Einlaß- und Auslaßkamraern zusammenstoßen, eine geringfügige Leckage entsteht. Eine geringfügige Leckage ist jedoch für den Betrieb des Systems nicht schädlich, da sich an jedem Verbindungsstück auf jeder Seite Wasser oder Dampf befindet. Eine Leckage von Dampf zum Wasser hin unterstützt geringfügig die Verdampfung, während eine Leckage vom Wasser zum Dampf hin geringfügig die Überhitzungstemperatür des Dampfes senkt. Der Dampf kann beim Verlassen der Kessel und Zurückführen zum Kern im wesentlichen gesättigt, geringfügig überhitzt oder je nach Wunsch mit einem leichten Zusatz von Wasser gesättigt sein.

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Claims

Ansprüche

Verfahren zum Betrieb eines Kernreaktorkraftwerkes, das mindestens zwei mit Kernbrennstoff versehene Kernreaktorteile besitzt, in denen Dampf erzeugt, überhitzt und dem Kreislauf einer Last zugeführt wird, die Arbeit leistet, wobei der Dampf kondensiert und dem Kernreaktor zurückgeführt wird, dadurchgekennze ichnet, daß es aus folgenden Schritten besteht:

¹ . Zuleitung eines im wesentlichen .gesättigten Dampfes zu einem ersten Kernreaktorteil, in dem es durch thermische Energie, die dem Kernbi'ennstof fmaterial entnommen wird, überhitzt wird;
2. Zuführung des sich ergebenden überhitzten Dampfes zu einem Wärmetauscher, der mit dem Speisewasser in indirektem Wärmeaustausch steht, in dem der Dampf mindestens teilweise gekühlt wird und dabei einen Teil des Speisewassers verdampft, wobei der Dampf zur DampfVersorgungsquelle geführt wird;
--. Zuleitung des mindestens teilweise gekühlten Dampfes zu einem zweiten Kernreaktorteil, wo er erneut überhitzt wird;
4. Zuführung des erneut überhitzten Dampfes zur Last, die Arbeit leistet und den Dampf dabei kondensiert;
5. Zuführung des Kondensats zum,indirekten Wärmeaustausch mit dem genannten Wärmeaustauscher.

'.'. Verfahren nach Anspruch !,dadurch gekennze ic hne t, daß der überhitzte Dampf aus dem zweiten KernreaJ-torteil mindestens einer weiteren Kühlung, dann einer erneuten Überhitzung unterworfen wird, bevor der überhitzte Dampf der Last zugeführt wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der genannten Kernreaktorteile aus einem getrennten Teil eines einzigen Reaktorkernes zur Erzeugung von Kernspaltreaktionen besteht,

4. Dampfgekühlter Kernreaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem mit im wesentlichen gesättigten Dampf gefüllter Behälter ein erstes Kernreaktorteil mit Wärmeenergie liefernden Kernbrennstoff untergebracht ist, daß Vorrichtungvorhanden sind, um den im wesentlichen gesättigten Dampf im Behälter durch das erste Kernreaktorteil zu leiten, wo er tiber-

W hitzt wird, daß ein indirekter Wärmetauscher in dem mit wassergefüllten Raum angeordnet ist, daß Vorrichtungen vorhanden sind, um den überhitzten Dampf aus diesem ersten Reaktorkernteil durch den Wärmetauscher zu führen, in dem der überhitzte Dampf mindestens teilweise gekühlt wird, so daß mindestens ein Teil des umgebenden Wassers verdampft, daß Vorrichtungen vorhanden sind, um den Dampf dem Versorgungsbehälter zuzuführen, daß ein zweites Kernreaktorteil mit wärmeenergielieferndem Kernbrennstoff vorhanden ist und daß Vorrichtungen vorgesehen sind, den mindestens teilweise gekühlten Dampf aus dem Wärmetauscher durch den zweiten Kern zu leiten, wo er erneut überhitzt wird.

* 5. Kernreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiterer Wärmetauscher und ein Kernreaktorteil zum zweiten Kernreaktorteil in Serie geschaltet ist.
6. Kernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kernreaktorteil ein Teil eines einzigen großen Kernreaktors ist.
7. Kernreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernreaktorteile konzentrisch angeordnet sind, wobei das erste Kern reaktor teil angenähert zylin-

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drisch und die zweiten Kernreaktorteile etwa ringförmig ausgebildet sind, die das erste Kernreaktorteil umgeben.
8. Kernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennze ichne t, daß jeder der Kernreaktorteile einen eigenen getrennten Kernreaktor darstellt.
9. Kernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennze ichne t, daß jedes System, bestehend aus einem Wärmetauscher und einem Kernreaktorteil, in einem eigenen Druckgefäß untergebracht ist.

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