DE2016551B2 - Regelungsvorrichtung für einen Naturumlauf-Siedewasserreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelvorrichtung für einen Naturumlauf-Siedewasserreaktor, der einen in einem Reaktortank angeordneten Reaktorkern, ein Steigrohr unmittelbar über dem Reaktorkern, ein mit der Einlaßseite des Kerns in Verbindung stehendes Fallrohr, eine Dampfkammer mit einem Dampfauslaß über dem Auslaß des Steigrohres und dem Einlaß des Fallrohres und eine Rückleitung für das Kondensat aufweist; eine derartige Vorrichtung ist aus der Zeitschrift »Nucleonics«, Dezember 1955, S. 42 bis 45 bekannt.

Bei der bekannten Regelungsvorrichtung erfolgt die Regelung entweder über einen veränderlichen Neben Schluß zur äußeren Last oder durch Kontrollstäbe.

Des weiteren ist aus der DT-AS 12 22 174 ein Siedewasserreaktor bekannt, dessen Reaktorkern von einer mit Wasser gefüllten Reflektorkammer umgeben ist, die mit einer Speicherkammer kommuniziert, und dessen Regelung durch Veränderung der Niveauhöhe des Wassers in der Reflektorkammer bewirkt wird. Der Raum der Reflektorkammer oberhalb des Flüssigkeitsspiegels sieht mit einem im Reaktor-Druckgefäß oberhalb des Reaktorkerns vorhandenen Dampi-Sammelraum über eine Leitung in Verbindung. Die Veränderung der Niveauhöhe des Wassers erfolgt einerseits durch den Druck im Dampf-Sammelraum und andererseits durch Wasserzu oder -ablauf zur Reflektorkammer.

Es ist auch nicht neu, den Reaktortank in bestimmter Weise mit einem Hilfsreservoir zu verbinden, so daß dessen Reaktivität durch Veränderung des Niveaus einer Moderator- oder Reflektorflüssigkeit auf pneumatischem Wege geändert werden kann (DT-AS 10 202).

Von dem eingangs genannten Stand der Technik ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Naturumlauf-Siedewasserreaktor mit Steig- und Fallrohr eine Regejungsvorrichtung so auszulegen, daß sowohl eine Kurzzeitregelung für plötzlich auftretende

Änderungen der Leistung als auch eine Langzeitregelung zur Kompensation der Abnahme der Relativität der Brennelemente möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die in dem Reaktortank enthalte-

ne Wassermenge mit einem Hilfsreservoir verbunden ist, das unter konstantem Druck stehendes Wasser enthält, und daß ein Regelventil in der Dampfauslaßleitung angeordnet ist, welches die Einstellung des Wasserspiegels im Fallrohr unterhalb der oberen Kante des Steigrohres gestattet.

Besonders vorteilhaft ist es, daß der Reaktortank in dem Wasser des Hi'fsreservoirs untergetaucht ist und daß der Reaktortank durch wenigstens eine öffnung in seinem untersten Teil mit dem Hilfsreservoir verbun-

den ist.

Es ist weiterhin vorteilhaft, daß das Hilfsreservoir eine mit Wasser gefüllte Höhlung in gewachsenem Fels ist, die wesentlich tiefer als die vertikale Abmessung des Reaktortanks ist.

Infolge der Ausbildung der Regelvorrichtung wird es möglich, drrch Einstellung des Dampfdruckes und des davon abhängigen Wasserspiegels im Fallrohr über ein Steuerventil die Reaktorleistung auf einen gewünsch ten Normwert einzuregulieren und bei Abweichung des jeweils vorhandenen Istwertes von diesem Sollwert rückgekoppelt eine selbsttätige Regelung vorzugeben. Gleichzeitig und unabhängig davon kann die kontinuierlich langsam abfallende Überschußreaktivität des Reaktorkerns durch eine Steigerung des Wasserspiegels im Fallrohr und eine dadurch bedingte Erhöhung des Zirkulationsflusses kompensiert werden, so daß letztlich die Reaktorleistung konstant bleibt. Der Druck in der Dampfkammer bestimmt unmittelbar den Wasserspiegel im Fallrohr.

Zufolge des Untertauchens des Reaktortanks in das Hilfsreservoir bleibt der Druck, der auf die Reaktortankwände einwirkt, wesentlich unter demjenigen, der im Inneren des Reaktortanks herrscht, so daß die Wände zufolge der geringen Belastung schwächer als bisher

erforderlich dimensioniert werden können.

In den Zeichnungen wird die Erfindung an Hand von zwei Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 als erstes Ausführungsbeispiel einen Längsschnitt durch einen Reaktor, der in ein Hilfsreservoir untergetaucht ist,

F i g. 2 eine grafische Darstellung der Leistung der Brennelemente des in F i g. 1 dargestellten Reaktors in Abhängigkeit von der Umlaufgeschwindigkeit des Wassers,

F i g. 3 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der zeitlichen Veränderung der überschüssigen Reaktivität des Reaktors über mehrere Brennelementwechsel, Fig.4 zeigt die zeitliche Veränderung des Wasserspiegels im Fallrohr über mehrere Brennelementwechsei,

F i g. 5 eine Kurvendarstellung für die Leistungsabgabe eines Brennelements des Reaktors nach F i g. 1 in Abhängigkeit von dem Dampfblasengehalt im Steigrohr und

F i g. 6 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel.

Wie aus F i g. 1 ersichtlich, befindet sich der Reaktortank 2 mit seinem Reaktorkern 6 im unteren Bereich

;ines relativ tiefen Hilfsreservoirs, welches mit Wasser I gefüllt ist. Die Tiefe des Hilfsreservoirs ist hierbei irheblich größer als die Gesamthöhe des Reaktortanks 2. Im Reaktortank befinden sich oberhalb des Reaktorkerns 6 ein in eine Vielzahl von Einzelrohren unterteiltes Steigrohr 4 und das Fallrohr 5, welches zwischen der Außenwand 3 des Reaktorkern^ b und Wand des Reaktortanks 2 vorgegeben ist Die Brennelemente 7 sind innerhalb des Reaktorkerns 6 in einer Vielzahl von geeigneten Umkleidungen untergebracht, denen Kühlkanäle 8 zugeordnet sind. Bis zur oberen Kante 9 ist das Steigrohr 4 mit Wasser gefüllt, das sowohl als Moderator als auch Kühlmittel benutzt wird. Der Wasserspiegel im Fallrohr 5 liegt demgegenüber niedriger. Der zufolge der Kernwärme im Reaktorkern gebildete Wasserdampf strömt als Dampf-Wasser-Gemisch nach oben und zufolge natürlicher Konvektion durch die Kühlkanäle 8 hindurch, wobei die Dampf-Wasser-Säule im Reaktorkern 6 und dem Steigrohr 4 leichter ist als die Wassersäule, die im Fallrohr 5 ansteht. Der frei werdende Wasserdampf sammelt sich in der Dampfkammer 11. von der er über die Dampfauslaßleitung 12 und das automatisch betätigte Regelventil 13 einem Dampfverbraucher, wie einer Turbine od. dgl., zugeführt werden kann. Demgegenüber ist der Fluß des im Steigrohr 4 mit dem Dampf zusammen nach oben strömenden Wassers so, daß dieses nach Überlauf über die obere Kante 9 des Steigrohrs 4 zurück in das Fallrohr 5 strömt, um im unteren Bereich dem Reaktorkern 6 wieder zugführt zu werden. Das von dem Dampfverbrau eher zurückströmende Kondensat läuft über die Rückleitung 14 erneut in den unteren Bereich des Reaktortanks 2 ein.

Im Bodenbereich des Reaktortanks 2 ist eine Öffnung 15 vorgesehen, die das Innere des Reaktortanks mit dem Hilfsreservoir und damit der Wassermenge 1 verbindet, so daß durch Ausfließen von Wasser in das Hilfsreservoir der Wasserspiegel 10 im Fallrohr 5 abgesenkt werden kann, sobald der Reaktor eine größere Menge Dampf erzeugt als über die Dampfauslaßleitung 12 und das automatisch betätigte Regelventil 13 entnommen wird. Umgekehrt wird dann, wenn der Reaktor eine geringere Menge Dampf erzeugt als entnommen wird, das Wasser 1 vom Hilfsreservoir über die Öffnung 15 in den Reaktortank 2 eingesaugt, was ein Steigen des Wasserspiegels 10 im Fallrohr 5 zufolge hat. Der statische Druck der Wassersäule im Fallrohr 5 bestimmt die Fließgeschwindigkeit durch den Reaktorkern 6 und damit das Steigrohr 4, so daß beispielsweise dann, wenn der Wasserspiegel 10 im Fallrohr ansteigt, damit zwangläufig eine Erhöhung der Fließgeschwindigkeit erfolgt.

Es lassen sich grundsätzlich zwei verschiedene Regelvorgänge unterscheiden, nämlich ein solcher, der eine Kurzzeitregelung der Reaktorleistung erbringt, wobei der Dampfdruck unter veränderlicher Dampfaufnahme kurzzeitig annähernd konstant gehalten werden kann und eine Langzeitregelung, mit der die mittlere Reaktorleistung zufolge des langsamen Absinkens des Dampfdruckes während des Abbrandes der Brennelemente 7 konstant gehalten werden kann. Die Änderung des Dampfdruckes, die — wie beschrieben — eine Änderung der Höhe des Wasserspiegels 10 im Fallrohr 5 und damit eine Veränderung der Fließgeschwindigkeit durch den Reaktorkern 2 bewirkt, verändert gleichzeitig auch den Dampfblasengehalt des Wassers im Steigrohr.

Aus der grafischen Darstellung von F i g. 2 ergibt sich, daß praktisch eine lineare Abhängigkeit zwischen der Fließgeschwindigkeit und der Höhe des Wasserspiegels im Fallrohr 5 innerhalb des praktisch interessierenden Bereiches vorliegt Die 3 und 4 sollen zeigen, wie die überschüssige Reaktivität des Reaktors und der Wasserspiegel in Abhängigkeit voneinander Veränderungen erfahren während der Betriebszeit des Reaktors, wobei von einem Gleichgewichtszustand bezüglich der Brennrate ausgegangen ist

In der F i g. 5 ist die Leistungsabgabe des in F i g. 1 skizzierten Reaktors bzw. die Leistungsabgabe eines Brennelements in Abhängigkeit von dem Dampfblasengehalt im Steigrohr aufgetragen. Als Parameter der durchgezogenen Kurven dient hierbei — ebenso wie in F i g. 2 — der Abstand des Wasserspiegels im Fallrohr von der Oberkante des Steigrohrs. Des weiteren ist in F i g. 5 eine parallel zur Ordinate eingezeichnete Gerade wiedergegeben, auf der sich der Reaktor nach F i g. 1 befindet, wenn er bei konstanter Leistung gefahren wird, und zwar zu Beginn eines Ladezyklus bei einem Dampfblasengehalt von 0,59 und am Ende des Zyklus bei einem Gehalt von 0,23. Des weiteren sind in F i g. 5 drei schwach geneigte, gestrichelte Kurven eingezeichnet, die die Leistungsabgabe für den Reaktor nach F i g. 1 zu Beginn, in der Mitte und am Ende eines Zyklus da. stellen. Daraus ergibt sich, daß eine Einstellung der Leistungsabgabe ebenso möglich ist, wie eine Kompensation des Abbrandes der Brennelemente durch eine entsprechende Einregulierung des Dampfblasengehaltes. Eine derartige Einregulierung muß bei dem Reaktor nach F i g. 1 über die Änderung des Dampfdruckes erfolgen, wozu das oben erwähnte automatisch betätigbare Regelventil 13 dient. Die dargestellten Kurven wurden auf Grund folgender Annahmen berechnet.

Der Kernreaktor wird an dem Boden einer 150 m tiefen Wassermasse angeordnet, wobei es sich um leichtes Wasser handelt. Der Reaktor weist einen Kern auf, der 7500 kg UO2 enthält, wobei 2,8% mit U-235 angereichert sind.

Der Kern mit einer Höhe von 1,4 m und einem Durchmesser von 1,8 m ist in 52 Kanäle mit quadratischem Querschnitt unterteilt. Jeder dieser Kanäle enthält ein Brennstoffelement mit 64 Brennstoffstäben von 14 mm Durchmesser. Das Uran zur Wasser Verhältnis in dem Kern ist gleich 3, während die Höhe des Steigrohrs sich auf 5 m und die Querschnittsfläche des Fallrohrs auf 7,5 m² beläuft. Während des gesamten Arbeitszyklus werden 13 der 52 Brennstoffelemente bei jedem Brennstoffaustausch ausgetauscht.

Unter den obigen Annahmen zeigen die Berechnungen, daß bei einer nominalen Wärmeleistung von 75 MW, d. h. einer mittleren Brennstoffelement-Energie von 1450 kW, der Kern eine überschüssige Reaktivität Ak von 8% zu Beginn nach dem erster» Brennstoffaustausch aufweist. Um diese überschüssige Reaktivität zu kompensieren, muß der Kern mit einem mittleren Dampfblasengehalt von 59% betrieben werden. Unter diesen Bedingungen wird erwartet, daß der Wasserspiegel seine natürliche Lage etwa 4,5 m unter dem oberen Ende des Steigrohrs findet. Der mittlere Abbrand berechnete sich zu etwa 28 MWd/kg UO2, und die Arbeitsperiode zwischen zwei Brennstoffaustauschen ergibt sich zu etwa 700 Tagen bei voller Leistung. Nach den Berechnungen nimmt die überschüssige Reaktivität grob gesehen linear mit dem Verbrennen ab. Zu Beginn einer Zeitspanne zwischen zwei Brennstoffaustauschen muß der Wasserspiegel langsam und

gegen Ende dieser Periode schneller steigen. Zu dem Zeitpunkt, wo der Wasserspiegel das obere Ende des Steigrohrs erreicht, hat der Reaktor einen mittleren Dampfblasengehalt von 23%. Der Reaktor muß für einen Brennstoffaustausch außer Funktion gesetzt werden.

F i g. 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, wobei der Reaktortank 2 den Reaktorkern 6 mit darüber gelagertem, unterteilten Steigrohr 4 aufnimmt und das Fallrohr 5 wiederum zwischen der Außenwand .3 des Reaktorkerns 6 und der Wand des Reaktortanks 2 vorgegeben ist. Im Bodenbereich des Reaktortanks 2 befindet sich ein Verbindungsrohr 16, welches zu einem Hilfsreservoir 17 führt, das teilweise mit Wasser gefüllt ist. über dem sich ein Gasvolumen 18 befindet. Das von dem Dampfverbraucher zurückkommende Kondensat wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht unmittelbar in den Reaklortank zurückgeführt, sondern in das Hilfsreservoir 17 über den Einlaß 19. Die Größe des Gasvolumens 18 muß so gewählt werden, daß ein annähernd konstanter Gasdruck während normaler Arbeitsbedingungen des Reaktors sichergestellt wird, un

ίο abhängig vom Wasseraustausch zwischen Hillfsreser voir 17 und Reaktortank 2, so daß sich automatisch dei Wasserspiegel 10 im Fallrohr 5 auf die jeweils gegebe ne Leistung einreguliert.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche: ~

1. Regelungsvorrichtung für einen Naturum'aüf-Siedewasserreaktor, der einen in einem Reaktorlank angeordneten Reaktorkern, ein Steigrohr unmittelbar über dem Reaktorkern, ein mit der Einlaßseite des Kerns in Verbindung stehendes Fallrohr, eine Dampfkammer mit einem Dampfauslaß iber dem Auslaß des Steigrohres und dem Einlaß des Fallrohres und eine Rückleitung für das Kondensat aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Reaktortank enthaltene Wasser-■lenge mit einem Hilfsreservoir verbunden ist, das unter konstantem Druck stehendes Wasser enthält, und daß ein Regelventil (13) in der Dampfausiaßleihing (12) angeordnet ist, welches die Einstellung des Wasserspiegels (10) im Fallrohr (5) unterhalb der oberen Kante (9) des Steigrohres (4) gestattet.

2. Regelungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktortank in dem Wasser (1) des Hilfsreservoirs untergetaucht ist und daß der Reaktortank durch wenigstens eine Öffnung (15) in seinem untersten Teil mit dem Hilfsreservoir \erbunden ist.

3. Regelungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsreservoir eine mit Wasser gefüllte Höhlung in gewachsenem Fels ist. die wesentlich tiefer als die vertikale Abmessung des Reaktortanks (2) ist.