DE2016551C3 - Regelungsvorrichtung für einen Naturumlauf-Siedewasserreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelvorrichtung für einen Naturumlauf-Siedewasserreakuir, 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 Nebenschluß 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 steht mit einem im Reaklor-Druckgefäß oberhalb des Reaktorkerns vorhandenen Dampf-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, be; einem Naturumlauf-Siedewascerreaktor mit Steig- und Fallrohr eine Regelungsvorrichtung so auszulegen, daß sowohl eine Kurzzeitregelung für plötzlich auftretende Änderungen der Leistung als auch eine LangzeUregelung zur~~Kompensation der Abnahme der Relativität der Brennelemente möglich is;

Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemaß dadurch erreicht, daß die in dem Reaktortank enihalte-

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

Besonders vorteilhaft ist es, daß der Reaktortank m dem Wasser des Hilfsreservoirs untergetaucht ist und daß der Reaktortank durch wenigstens eine Öffnung in seinem untersten Teil mit dem Hilfsreservoir verbuii-

den ist.

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

Infoige der Ausbildung der Regelvorrichtung wird es möglich, durch Einstellung des Dampfdruckes und des davon abhängigen Wasserspiegels im Fallrohr über ein Steuerventil die Reaktorleistung auf einen gewünschten Normwert einzuregulieren und bei Abweichung des

ίο 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 Wasserspiels gels im Fallrohr und eine dadurch bedingte Erhöhung des Zirkiilationsflusses 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 Rcaktortankwände einwirkt, wesentlich unter demjenigen, der im Inneren des Reaktortanks herrscht, so daß die Wan de 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 untergetaucnt 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,

Fig. 3 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der zeitlichen Veränderung der überschüssigen Reaktivität des Reaktors über mehrere Brennelementwechsel, F i g. 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 Reaktortan.k 2 mit seinem Reaktorkern 6 im unteren Bereich

:ines relativ tiefen Hilfsreservoirs, welches mit Wasser I gefüllt ist. Die Tiefe des Hilfsreservoirs ist hierbei :rheblich größer als die Gesamthöhe des Reaktortanks I Im Reaktortank befinden sich oberhalb des Reaktoricrns 6 ein in eine Vielzahl von Einzelrohren unterteilles Steigrohr 4 und das Fallrohr 5, welches zwischen der Außenwand 3 des Reaktorkerns 6 und Wand des Reaktortanks 2 vorgegeben ist. Die Brennelemente 7 sind innerhalb des Reaktorkerns 6 in einer Vielzahl von geeigneten Umkleidungen untergebracht, denen Kühlkanäie 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 Kern wärme im Reaktorkern gebildete Wusserdampf strömt als Dampf-Wasser-Gemisch nach oben und zufolge natürlicher Konvektion durch die Kühlkanale 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 Dampfverbraueher zurückströmende Kondensat läuft über die Rückleitung 14 erneut in den unteren Bereich des Reaktortanks 2 ein.

Im Bodenbereich des Reaktorianks 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 Fallrohi 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 4; 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 Haß 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 weiden kann und eine Langzeitregelung, mit der die mittlere Reaktorleistung zufolge des langsamen Absinkens des Dampfdruckes während des Abbrandcs 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 < >s gleichzeitig auch den Dampfblasengehalt des Wassers im Steigrohr.

Aus der grafischen Darstellung von F i g. 2 ergibt sich, daß piaktisch 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 Dampfblasengchalt 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 isi 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 Leistungsabgabc für den Reaktor nach F i g. 1 /u Beginn, in der Mute und am Ende eines Zyklus darstellen. Daraus ergibt sich, daß eine Einstellung der Leistungsabgabe eben>o möglich ist, wie eine Kompensation des Abbrandcs der Brennelemente durch eine entsprechende Einregulierung des Dampfblasengehaltes. Eine derartige Einrcgulierung muß bei dem Reaktor nach F i g. 1 über die Änderung des Dampfdruckes erfolgen, wo/u 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 LJO: enthält, wobei 2.8% mit LJ-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, leder 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 m- beläuft. Während des gesamten Arbeitszyklus werden 13 der 52 Brennstoffelemente bei jedem Brennstoffaustausch ausgetauscht.

LJnter den obigen Annahmen zeigen die Berechnungen, daß bei einer nominalen Wärmeleistung von 75 MW, d. h. einer mittleren Brennsioffelement-Energic von 145OkW, der Kern eine überschüssige Reaktivität Ak von 8% zu Beginn nach dem ersten Brennstoffaus tausch aufweist. Um diese überschüssige Reaktivität zi kompensieren, muß der Kern mit einem mittlerer DarupfblasengehaH von 59% betrieben werden. Urne: diesen Bedingungen wird erwartet, daß der Wasser spiegel seine natürliche Lage etwa 4,5 m unter den oberen Ende des Steigrohrs findet. Der mittlere Ab brand berechnete sich zu etwa 28 MWd/kg UO2, un< die Arbeitsperiode zwischen zwei Brennstoffaustau sehen ergibt sich zu etwa 700 Tagen bei voller Leistunj Nach den Berechnungen nimmt die überschüssig Reaktivität grob gesehen linear mit dem Verbrenne ab. Zu Beginn einer Zeitspanne zwischen zwei Brenr stoffaustauschen muß der Wasserspiegel langsam un

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 Breflnstoffaustausch 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 Reaktortank 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, unabhängig vom Wasseraustausch zwischen Hilfsreservoir 17 und Reaktortank 2. so daß sich automatisch der Wasserspiegel 10 im Fallrohr 5 auf die jeweils gegebene Leistung einreguliert.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Regelungsvorrichtung für einen Naturumlauf-JjJiedewasserreaktor, 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 Über dem Auslaß des Steigrohres und dem Einlaß (0es Fallrohres und eine Rückleitung für das Kondensat aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Reaktortank enthaltene Wassermenge mit einem Hilfsreservoir verbunden ist, das unter konstantem Druck stehendes Wasser enthält. •nd daß ein Regelventil (13) in der Dampfauslaßleilung (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 verbunden 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.