DE2215758A1

DE2215758A1 - NUCLEAR REACTOR

Info

Publication number: DE2215758A1
Application number: DE2215758A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dittrich; Heinrich Dipl Ing Klein; Eduard Dipl Phys Weber
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-03-30
Filing date: 1972-03-30
Publication date: 1973-10-11
Also published as: IT982644B; BE797323A; FR2178206A1

Description

2 9 MRZ 197? SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, den ^{α 3}^ 2 9 MAR 197? SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, the ^{α 3} ^

Berlin und München Werner-von-Siemens-Str.Berlin and Munich Werner-von-Siemens-Str.

YPA 72/9422 Sm/HgrYPA 72/9422 Sm / Hgr

KernreaktorNuclear reactor

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor, insbesondere Druckwasserreaktor, mit einem Reaktordruckbehälter und einem darin enthaltenen Reaktorkern, der längs einer Achse von einem Kühlmittel durchströmt wird.The invention relates to a nuclear reactor, in particular a pressurized water reactor, with a reactor pressure vessel and a reactor core contained therein, the along an axis of a coolant is flowed through.

Ziel der Erfindung ist eine Verbesserung des Wärmeüberganges, wobei es darauf ankommt, eine gleichmäßige Kühlung des Reaktors zu erhalten, um örtliche Überhitzungen zu vermeiden, die die Leistungsausbeute ganz wesentlich beschränken können.The aim of the invention is to improve the heat transfer, it being important to ensure uniform cooling of the reactor to avoid local overheating, which can significantly limit the power output.

Die Erfindung besteht darin, daß das Kühlmittel um die Achse rotiert, bevor es in den Kern eintritt. Durch die Rotation kann, wie gefunden wurde, die Geschwindigkeit des in den Reaktorkern eintretenden Kühlmittels vergleichmäßigt werden. Dies bedeutet, daß alle Bereiche des Reaktorkernes gleichmäßig ihre Wärme an das Kühlmittel abgeben können, da der Wärmeübergang von der durchströmenden Kühlmittelmenge abhängt. Die Rotation braucht nur weniger als eine Umdrehung zu betragen, so daß die Kühlmittelströmung nur eine geringe tangentiale Komponente aufweist.The invention consists in that the coolant rotates around the axis before it enters the core. Through the rotation, it has been found that the rate of coolant entering the reactor core can be made uniform. This means, that all areas of the reactor core can evenly release their heat to the coolant, since the heat transfer from depends on the amount of coolant flowing through. The rotation only needs to be less than one revolution, so that the Coolant flow has only a small tangential component.

Es ist zwar bereits bekannt (vergl. deutsche Offenlegungsschriften 1 439 362 und 1 564 697), im Inneren des Reaktorkernes für eine Ablenkung der Kühlmittelströmung zu sorgen, um eine Verwirbelung zu erreichen, die den Wärmeübergang von den Brennelementen des Reaktorkernes auf das Kühlmittel verbessern soll. Dies ist aber nicht mit der Erfindung zu vergleichen, bei der der Reaktorkern von vornherein gleichmässig beschickt wird, um eine möglichst gleichmäßige Kühlung zu erhalten. Mit den.bekannten Anordnungen mag eine gewisse Vergleichmäßigung zu erreichen PSip^ «ι^ψ^{1 das} Kühlmittel eineIt is already known (cf. German Offenlegungsschrift 1 439 362 and 1 564 697) to ensure a deflection of the coolant flow inside the reactor core in order to achieve turbulence which is intended to improve the heat transfer from the fuel elements of the reactor core to the coolant . But this is not comparable to the invention, in which the reactor core is fed evenly from the outset, in order to obtain a very uniform cooling. With the known arrangements, a certain degree of uniformity may be achieved to achieve PSip ^ «ι ^ ψ ^{1 the} coolant a

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längere Strecke durch den Reaktorkern geströmt ist. Die Verwirbelung kann aber auch die Strömungsverluste vergrößern, und für den Bereich des Kühlmitteleintritts ist im Gegensatz zur Erfindung keine gleichmäßige Beaufschlagung möglich.has flowed through the reactor core for a longer distance. The turbulence can also increase the flow losses, and, in contrast to the invention, no uniform application is possible for the area of the coolant inlet.

Die Erfindung hat auch nichts mit einer aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 118 708 bekannten Vorrichtung zur wirbelfreien Umlenkung der Kühlmittelströmung bei Eintritt in den Druckbehälter eines Kernreaktors zu tun. Mit den dort vorhandenen Leitschaufeln will man gerade Wirbel, also Rotationen, des Kühlmittels unterdrücken. Die Erfindung benutzt dagegen eine Rotation zur gleichmäßigen Verteilung des im Druckbehälter strömenden, in den Reaktorkern eintretenden Kühlmittels.The invention also has nothing to do with a device known from German Offenlegungsschrift 2 118 708 To do eddy-free diversion of the coolant flow when entering the pressure vessel of a nuclear reactor. With those there existing guide vanes you want eddies, i.e. rotations, suppress the coolant. The invention uses a rotation for the even distribution of the coolant flowing in the pressure vessel and entering the reactor core.

Pur übliche Kernreaktoren, bei denen das Kühlmittel in der einen Richtung in einem den Reaktorkern umschließenden Ringraum parallel zur Achse geführt wird, empfiehlt es sich, die Erfindung so zu verwirklichen, daß in dem genannten Ringraum Leitflächen angeordnet sind, die gegenüber die Achse einschließenden Ebenen geneigt sind. Die Größe der Neigung bestimmt für eine gegebene Kühlmittelgeschwindigkeit die Stärke der Rotation. Die Neigung kann relativ klein sein, sie braucht nur 5°bis 10° zu betragen. Bewährt hat sich insbesondere ein Winkel von 8°.Pur normal nuclear reactors in which the coolant is in the a direction in an annular space surrounding the reactor core is guided parallel to the axis, it is recommended that the To realize the invention in such a way that guide surfaces are arranged in the said annular space which enclose the axis opposite Planes are inclined. The size of the slope determines the strength for a given coolant velocity the rotation. The inclination can be relatively small, it only needs to be 5 ° to 10 °. In particular, it has proven itself an angle of 8 °.

Besonders günstige Ergebnisse hat die Erfindung für Kernreaktoren gezeigt, bei denen an einem im wesentlichen zylindrischen Reaktordruckbehälter ein Kugelboden zur Umlenkung des rotierenden Kühlmittels dient. Die Leitflächen sind dann zweckmäßig an der Stoßstelle zwischen Zylinder und Kugelboden angeordnet, weil sie dort erst wirksam werden, wenn eine definierte Rotation zur gleichmäßigen Verteilung des Kühlmittels benötigt wird. Die Erfindung kommt aber auch für andere Formen von Reaktordruckbehältern in Präge. Dabei kann es unter Umständen zweckmäßig sein, zusätzliche kugelähnliche Leitschaufeln zur Umlenkung vorzusehen, um die mit der ErfindungThe invention has shown particularly favorable results for nuclear reactors in which a substantially cylindrical Reactor pressure vessel a spherical base is used to deflect the rotating coolant. The baffles are then expediently arranged at the joint between the cylinder and the spherical base, because they only become effective there when a defined one Rotation is needed to evenly distribute the coolant. The invention also applies to other forms of reactor pressure vessels in embossing. Under certain circumstances, it can be useful to use additional spherical guide vanes to provide for deflection to the with the invention

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an sich mögliche optimale Verteilung auf Grund der Rotation des Kühlmittels zu erhalten.in itself possible optimal distribution due to the rotation of the coolant to be obtained.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Dabei zeigt die Pig. 1 ein schematisch vereinfachtes Ausführungsbeispiel eines Kernreaktors und die Mg. in einer Kurve die Geschwindigkeitsverteilung über den Durchmesser des Reaktorkerns.For a more detailed explanation of the invention, the following is based on the accompanying drawing describes an exemplary embodiment. The Pig shows. 1 a schematically simplified Embodiment of a nuclear reactor and the Mg. In a curve, the speed distribution over the Diameter of the reactor core.

In Pig. 1 ist mit 1 als Ganzes der Druckbehälter eines Druckwasserreaktors bezeichnet. Er besteht, soweit das in der Figur sichtbar ist, aus einem zylindrischen Mantel 2 und einem Kugelboden 3. Die Kühlmittelstutzen zur Zu- und Abführung des als Kühlmittel verwendeten Iieichtwassers liegen in bekannter Weise im oberen Teil des Druckbehälters 1, so daß sie in der Mgur nicht zu sehen sind.In Pig. 1 is with 1 as a whole the pressure vessel of a pressurized water reactor designated. As far as it can be seen in the figure, it consists of a cylindrical jacket 2 and a spherical base 3. The coolant nozzles for supplying and removing the Iieichtwassers used as coolant are in a known manner in the upper part of the pressure vessel 1, so that they cannot be seen in the Mgur.

Der Druckbehälter 1 enthält den eigentlichen Reaktorkern 4, der in bekannter Weise aus Brennelementen 5 zusammengesetzt ist. Die Brennelemente bestehen aus einzelnen Brennstäben, die parallel zur Achse des Zylinders 2 verlaufen und mit Hilfe von nicht gezeichneten Abstandstücken so angeordnet sind, daß das Kühlmittel in Richtung der Zylinderachse durch den Kern 4 hindurchströmen kann. Die Brennelemente sind in einem sogenannten Kernbehälter 6 zusammengefaßt.The pressure vessel 1 contains the actual reactor core 4, which is composed of fuel assemblies 5 in a known manner is. The fuel assemblies consist of individual fuel rods that run parallel to the axis of the cylinder 2 and with With the aid of spacers, not shown, are arranged so that the coolant passes through in the direction of the cylinder axis the core 4 can flow through. The fuel assemblies are combined in what is known as a core container 6.

Der Kernbehälter 6 hat einen kleineren Durchmesser als der Mantel 2 und begrenzt einen Ringraum 8, in dem das Kühlmittel, wie durch Pfeile 9 angedeutet ist, von oben nach unten strömt. Das Kühlmittel im Ringraum 8 ist kaltes Kühlmittel, das von einem nicht dargestellten Wärmetauscher in den Kernreaktor zurückfließt. Innerhalb des Reaktorkernes 4 fließt das Kühlmittel in Richtung der Pfeile 10 parallel zur Achse 11 des Reaktordruckbehälters 1 nach oben, wobei es erwärmt wird.The core container 6 has a smaller diameter than the jacket 2 and delimits an annular space 8 in which the coolant, as indicated by arrows 9, flows from top to bottom. The coolant in the annulus 8 is cold coolant from a heat exchanger, not shown, flows back into the nuclear reactor. The coolant flows within the reactor core 4 in the direction of the arrows 10 parallel to the axis 11 of the reactor pressure vessel 1 upwards, wherein it is heated.

Am unteren Ende 12 des Kernbehälters 6 sind im Ringraum 8At the lower end 12 of the core container 6 are in the annular space 8

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mehrere, z.B. zwölf oder sechzehn, Leitflächen 14 angeordnet. Die Leitflächen 14 sind einfache ebene Bleche, die am Übergang vom zylindrischen Mantel 2 zum Kugelboden 3 in bezug auf die Achse 11 des Kernreaktors strahlenförmig angeordnet sind. Gegenüber den die Achse 11 einschließenden Ebenen sind sie jedoch geneigt, und zwar beträgt der Neigungswinkel 8°. Deshalb wird das im Ringraum 8 parallel zur Achse 11 herabströmende Kühlmittel durch die Leitflächen 14 in Rotation versetzt, wie durch den Pfeil 15 angedeutet ist. Diese Rotation, die von der Gleichmäßigkeit der Strömung im Ringspalt 8,vom Umlenkungsradius am Kugelboden 3, von der Breite des Ringspaltes 8 am unteren Rand, von Einbauten usw. abhängt und unter Umständen nur 1/2 Umdrehung auf dem Weg vom Austritt aus dem Ringspalt bis zum Eintritt in den Kern 4 zu betragen braucht, bewirkt, daß das im Kugelboden 3 umgelenkte Kühlmittel sich praktisch gleichmäßig über den gesamten Kernquerschnitt verteilt, während es sonst den mittleren Teil des Reaktorkernes 4 stärker beaufschlägt als die Randzonen, wo eine stärkere Umlenkung erforderlich ist. Die Strömung ist durch die Pfeilbündel 16 und angedeutet.several, e.g. twelve or sixteen, baffles 14 are arranged. The guide surfaces 14 are simple flat sheets, which at the transition from the cylindrical shell 2 to the spherical bottom 3 with respect to the axis 11 of the nuclear reactor are arranged radially. They are opposite the planes including the axis 11 however inclined, namely the inclination angle is 8 °. Therefore, the flowing down in the annular space 8 parallel to the axis 11 The coolant is set in rotation by the guide surfaces 14, as indicated by the arrow 15. This rotation made by the uniformity of the flow in the annular gap 8, from the deflection radius depends on the spherical bottom 3, on the width of the annular gap 8 at the lower edge, on fixtures, etc. and under certain circumstances only needs to be 1/2 turn on the way from the exit from the annular gap to the entry into the core 4, causes that the deflected in the spherical bottom 3 coolant is distributed practically evenly over the entire core cross-section, while otherwise it acts more strongly on the middle part of the reactor core 4 than on the edge zones, where a stronger deflection is required is. The flow is indicated by the bundle of arrows 16 and.

In der Figur 1 ist strichpunktiert angedeutet, daß die Leitflächen auch γόη Konsolen 14a gebildet werden können, die den Kernbehälter 6 im sogenannten Gaufall abstützen sollen. Bei dieser baulichen Zusammenfassung kann es im Hinblick auf den geringen zusätzlichen Aufwand vorteilhaft sein, anstelle der einfachen ebenen Leitflächen 14 kompliziertere, z.B. gewölbte Formen zu wählen.In the figure 1 it is indicated by dash-dotted lines that the guide surfaces can also be formed γόη brackets 14a, which are intended to support the core container 6 in the so-called Gaufall. With this structural combination, it can be advantageous, with regard to the little additional effort, to choose more complicated, for example curved, shapes instead of the simple flat guide surfaces 14.

Die vorteilhafte Wirkung der Erfindung erkennt man am besten aus der Fig. 2, in der auf der Ordinate die relative Kühlmittelgeschwindigkeit, ausgedrückt im Verhältnis der örtlichen zur mittleren Kühlmittelgeschwindigkeit, aufgetragen ist, und zwar über einem Kerndurchmesser. Ohne Drall erhält man die ausgezogene Kurve 20, bei der die relativen Geschwindigkeiten zwischen 0,85 und 1,3 liegen. Durch die nach der Erfindung vorgesehenen Leitflächen 14, die eine Rotation vor dem Ein-The advantageous effect of the invention can best be seen from FIG. 2, in which the relative coolant speed, expressed in the ratio of the local to the mean coolant velocity, is plotted, and although over a core diameter. Without a twist, the solid curve 20 is obtained, in which the relative speeds lie between 0.85 and 1.3. Due to the guide surfaces 14 provided according to the invention, which rotate before the start

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tritt des Kühlmittels in den Kern 4 "bewirken, verringert sich der Bereich der vorkommenden relativen Geschwindigkeiten auf Werte zwischen 0,9 und 1,1, wie die. gestrichelt gezeichnete Kurve 21 zeigt. Daraus ergibt sich eine erheblich gleichmässigere Kühlung des Kernes, was zu einer Leistungssteigerung ohne Steigerung der die Leistungsausbeute begrenzenden örtlichen Höchsttemperatur ausgenutzt werden kann.If the coolant enters the core 4 ″ cause it is reduced the range of occurring relative speeds to values between 0.9 and 1.1, like the. dashed lines Curve 21 shows. This results in a significantly more even cooling of the core, which leads to an increase in performance can be used without increasing the local maximum temperature which limits the power output.

7 Patentansprüche
2 Figuren7 claims
2 figures

309841/Q16S309841 / Q16S

Claims

- 6 - VPA 72/9422 patent claims;

fl. ^ Nuclear reactor, in particular pressurized water reactor, with a reactor pressure vessel and a reactor core contained therein, through which a coolant flows along an axis, characterized in that the coolant rotates around the axis (11) before it enters the core (4) .

2. Nuclear reactor according to claim 1, characterized in that the rotation is less than one revolution.

3. Nuclear reactor according to claim 1 or 2, wherein the coolant

is guided in one direction in an annular space surrounding the reactor core parallel to the axis, characterized in that that in the annular space (8) with respect to the axis (11) radiating guide surfaces (14) are arranged, which are inclined with respect to the axis (11) including planes.

4. Nuclear reactor according to claim 3, characterized in that the inclination is 5 ° to 10 °, preferably 8 °.

5. Nuclear reactor according to claim 3 or 4, characterized in that on a substantially cylindrical reactor pressure vessel (1) a spherical base (3) is used to deflect the rotating coolant.

6. Nuclear reactor according to claims 3 or 4 and 5, characterized in that the guide surfaces (14) at the joint are arranged between the cylinder (2) and the spherical base (3).

7. Nuclear reactor according to claim 6, characterized in that the guide surfaces of consoles (14a) are formed which carry the core container (6) in case of failure.

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