DE2217057A1 - Naturumlauf - notkuehlung fuer kernreaktoren - Google Patents

Naturumlauf - notkuehlung fuer kernreaktoren

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Description

Patentstellc So/Wx 6. April 19 72 24,186.3
INTERATOM
Internationale Atomreaktorbau GmbH. 5o6 Bensberg
Naturumlauf - Notkühlung für Kernreaktoren
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Naturumlauf-Notkühlung für flüssiggekühlte Kernreaktoren, die bei Ausfall des im Normalfall betriebenen Primärkühlsystems unabhängig von aktiven Maßnahmen einsetzt und die Nachzerfallswärme des Reaktors an ein sekundäres Notkühlsystem abgibt. Diese Erfindung ist besonders geeignet für natriumgekühlte Brutreaktoren .
Eine im Naturumlauf betriebene Notkühlung für Kernreaktoren hat erhebliche Vorteile in bezug auf Einfachheit und Zuverlässigkeit. Andererseits hat ein solches Naturumlauf-Notkühlsystem während des Normalbetriebes den Nachteil, daß erhebliche Kühlmittelmengen am Reaktor vorbeiströmen, daher nicht aufgewärmt werden und damit die mittlere Kühlmittelaustrittstemperatur herabsetzen. Damit wird der thermische Wirkungsgrad der Anlage vermindert. Wenn man,
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/tftö
um diesen Wirkungsgradverlust zu vermeiden, das Naturumlaufsystem während des Normalbetriebes absperrt, ist die gewünschte Zuverlässigkeit nicht mehr gewährleistet.
In der deutschen Auslegeschrift 1115 846 wird eine Notkühleinrichtung mit Naturumlauf des Primärkühlmittels angegeben, bei der insbesondere die Anordnung von Notwärmeaustauscherelementen oberhalb der Hauptwärmeaustauscher vorgeschlagen werden. Eine Lösung für die o. a. Probleme wird dort nicht gegeben.
In der deutschen Offenlegungsschrift 19 376 2 7 wird eine
Kernnotkühlung für einen mit Natrium gekühlten Kernreak^· tor angegeben, wobei im wesentlichen vorgeschlagen wird, im Notkühlfall oberhalb des Reaktorkerns durch Beimischen eines· inerten, gegenüber Natrium leichteren, abscheidbaren Zusatzes ein Zweiphasengemisch und damit eine Aufwärtsströmung zu erzeugen. Dieses Notkühlsystem setzt voraus, daß besondere Gebläse vorhanden sind, die im Notkühlfall ein inertes Gas in den Reaktor pressen, und daß ein in
jedem Fall intaktes Verteilersystem für dieses Gas oberhalb des Reaktorkerns vorhanden ist.
In dem Report RR 9Ul: "The Cascade Diode", der British
Hydro Dynamics Research Ass. wird beispielsweise eine
Strömungsdiode für Gase angegeben und berechnet, die aus mehreren gegeneinander versetzten radialen Leitschaufeln besteht, und je nach Anströmrichtung einen sehr unterschiedlichen Widerstand hat. Ein Hinweis auf die besonderen Probleme bei der Notkühlung von Kernreaktoren ist
dieser Untersuchung nicht zu entnehmen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Naturumlauf-Notkühlung für flüssiggekühlte Kernreaktoren, die bei
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Ausfall des im Normalfall betriebenen Primärkühlsystems unabhängig von aktiven Maßnahmen innerhalb des Reaktortanks eingesetzt und die Nachzerfallswärme des Reaktors an ein sekundäres Notkühlsystem abgibt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Naturumlaufnotkühlung vorgeschlagen, bei der - bei Ausfall des Primärkühlsystems - die Strömung in einem Teil des Reaktors ihre Richtung umkehrt. Bei Ausfall des Primärkühlsystems entsteht sofort in der thermisch hoch belasteten Spaltzone des Reaktors eine aufwärtsgerichtete Strömung des Kühlmittels, Dementsprechend entsteht in den thermisch schwach- oder garnicht belasteten Zonen des Reaktors, soweit sie mit der Spaltzone verbunden sind, eine abwärtsgerichtete Strömung, Damit wird die zunächst große Wärmemenge aus der Spaltzone schnell auf eine größere Kühlmittel- und Strukturmasse verteilt.
Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß in dieser Naturumlaufnotkühlung eine oder mehrere Strömungsdioden vorhanden sind, die im Notkühlfall bei entgegengesetzter Strömungsrichtung einen geringeren Druckverlust haben als im Normalfall. Dadurch wird erreicht, daß die im Normalfall am Reaktor vorbeiströmenden Kühlmittelmengen verringert werden und im Notkühlfall in umgekehrter Richtung der erwünschte Naturumlauf begünstigt wird. Es ist besonders zweckmäßig, wenn diese Strömungsdioden aus mehreren schraubenlinienartig gegeneinander versetzten, radialen Leitschaufeln bestehen. Es gibt zahlreiche unterschiedli- ehe Strömungsdioden, beispielsweise richtungsabhängige Drosseln oder Blenden sowie besondere Ventile oder Armaturen, die automatisch durch Druck oder Temperatur des Kühlmittels betätigt werden. Bei allen mechanisch funk-
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-H-
tionierenden Armaturen im Reaktorbehälter ist aber die Zuverlässigkeit unter Reaktorbedingungen fraglich und ihre Überprüfung im Normalbetrieb aufwendig. Bei richtungsabhängigen Drosseln oder Blenden ist auch das Verhältnis der Widerstände in der einen und in der anderen Anströmrichtung nicht besonders günstig.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere für flüssigmetallgekühlte Brutreaktoren mit räumlich getrennter Spalt- und Brutzone wird vorgeschlagen, daß die Strömungsdioden im Strömungsweg der radialen Brutzone angeordnet sind· In der Brutzone entsteht naturgemäß wesentlich weniger Wärme als in der Spaltzone, daher kann sie im Normalfall mit einer wesentlich geringeren Kühlmittelmenge beaufschlagt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung, wobei der Reaktorkern von zwei Ringräumen umgeben ist, wird vorgeschlagen, daß im äußeren Ringraum Wärmetauscher des sekundären Notkühlsystems angeordnet sind und die Strömung im Notkühlfall in diesem äußeren Ringraum abwärts und im inneren Ringraum aufwärts gerichtet ist. Dadurch ergibt sich ein zweites Naturumlaufsystem, das durch die Abkühlung im Bereich des Sekundärkühlsystems in Gang gesetzt wird. Die beiden Ringräume sind bei flüssigmetallgekühlten Kernreaktoren bereits aus anderen Gründen vorhanden. Im äusseren Ringraum sind, über den Umfang verteilt, mehrere Rohrleitungen des Primärkühlsystems vorhanden, deren Durchmesser die Maße dieses äußeren Ringraumes bestimmt. Die senkrechte Trennwand zwischen diesem äußeren Ringraum und dem inneren Ringraum dient als thermischer Schild. Der innere Ringraum enthält u. a. Übergabepositionen und ist auch geeignet, verbrauchte Spalt- oder Brutelemente
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zu lagern, bis ihre anfänglich hohe Aktivität geringer geworden ist.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, wenn die Bereiche von Spalt- und radialer Brutzone einerseits sowie von innerem und äußerem Ringraum andererseits unterhalb eines minimalen auch im Notkühlfall vorhandenen Kühlmittelspiegels xecKfckkxi sowohl oberhalb als auch unterhalb der Spaltzone miteinander verbunden sind. Bei dieser Anordnung werden die beiden Naturumlaufsysteme miteinander oberhalb der Spaltzone frei gekoppelt, ohne daß eine besondere Regelung der beiden Naturumlaufsysteme notwendig wäre. Bei den an sich geringen Umwälzgeschwindigkeiten im Naturumlauf bilden sich Schichten von unterschiedlicher Temperatur, wobei sich allerdings die Grenzschicht je nach den vorhandenen Temperaturen verschiebt.
In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Wärmetauscher des sekundären Notkühlsystems in Schutzrohren im Reaktorbehälter angeordnet sind. Diese Schutzrohre, die oben und unten mit Öffnungen versehen sein müssen, würden sogar bei einem hypothetischen Unfall im Reaktorbehälter die Notkühlwärmetauscher gegen Beschädigungen schützen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Notkühlung für flüssiggekühlte Kernreaktoren, die von allen Schadensmög-? lichkeiten der Primärkühlkreisläufe unabhängig ist und primärseitig innerhalb des Reaktorbehälters keine aktiven Maßnahmen erfordert. Aufgrund der freien Kopplung der beiden Naturumlaufsysteme werden alle im Reaktorbehälter vorhandenen Kühlmittelmengen am Umlauf beteiligt und dadurch die anfänglich sehr hohe abzuführende Wärmemenge verteilt und gespeichert. Daher kann das sekundäre
horizontal
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Notkühlsystem wesentlich kleiner ausgelegt werden, ohne daß zulässige Temperaturen überschritten werden.
Die Zeichnung zeigt ein mögliches Ausführungsbexspiel der Erfindung anhand eines senkrechten Schnittes durch einen natriumgekühlten schnellen Brutreaktor. Dabei ist Teil (1) der Reaktorbehälter, der u. a. die Spaltzone (2), die radiale Brutzone (3) und die beiden axialen Brutzonen (4) enthält. Der Reaktorbehälter (1) ist in dem Tragring (5) gelagert und in nicht näher beschriebener Weise mit dem Drehdeckel (6) verschlossen. Die radiale Brutzone (3), die von der Spaltzone (2) und den axialen Brutzonen (4) durch eine Wand (7) getrennt ist, wird außen von einem ringförmigen Raum (8) umgeben, der als Lagerraum für abklingende Spalt- oder Brutelemente dient. Der Lagerraum (8) wird von einem weiteren ringförmigen Raum (9) umgeben, in dem u. a. die Sekundärnotkühlwärmetauscher (lo) angeordnet sind. Diese Notkühlwärmetauscher (lo) sind jeweils in einem Schutzrohr (11) angeordnet, das nach unten offen ist, und das im oberen Bereich, aber noch unterhalb des minimalen Notkühlspiegels (12) mehrere Öffnungen (13) aufweist. Die angedeuteten Pfeile zeigen den Strömungsverlauf, wenn die Primärkühlkreise ausgefallen sind. Die stationäre Strömung im Notkühlfall ist in der Spaltzone (2) und damit auch in der axialen Brutzone (4) aufwärts gerichtet. Das heiße Natrium fließt unterhalb des Notkühlspiegels (12) waagerecht nach außen, tritt durch die öffnungen (13) in die Schutzrohre (11), wird an den Wärmetauschern (lo) abgekühlt, fließt durch den Raum (9) abwärts und durch öffnungen (14) in den Raum (8). Von dort fließt es nach oben, tritt dann in die radiale Brutzone (3) ein und fließt abwärts durch eine für den Normalfall vorgesehene Gasblasenabscheidung (15) wieder in die axiale Brutzone (4) und in die Spaltzone (2). In der radialen Brutzone (3) sind nicht
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näher beschriebene Strömungsdioden (16) vorgesehen, die bei der Durchströmung von oben nach unten einen wesentlich geringeren Druckverlust haben als bei der im Normalfall vorgesehenen Strömung von unten nach oben.
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Claims (1)

  1. Patent-steile Gc/Wi - 8 - 6. April 19
    24.186.3
    Schutzansprüche
    1. Naturumlauf-Notkühlung für flüssiggekühlte Kernreaktoren, die bei Ausfall des im Normalfall betriebenen Primärkühlsystems unabhängig von aktiven Maßnahmen im Reaktorbehälter einsetzt und die Nachzerfallswärme des Reaktors an ein sekundäres Notkühlsystem abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausfall des Primärkühlsystems die Strömung in einem Teil des Reaktors ihre Richtung umkehrt.
    2. Notkühlung nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß in dieser Naturumlauf-Notkühlung ein oder mehrere Strömungsdioden (16) vorhanden sind, die im Notkühlfall bei entgegengesetzter Strömungsrichtung einen geringeren Druckverlust haben als im Normalfall.
    3. Notkühlung nach den Ansprüchen 1 und 2 für flüssigmetallgekühlte Brutreaktoren mit räumlich getrennter Spalt- und Brutzone, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsdioden (16) im Strömungsweg der radialen Brutzone (3) angeordnet sind.
    1I. Notkühlung nach Anspruch 3, wobei der Reaktorkern von zwei Ringräumen umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß im äußeren Ringraum (9) Wärmetauscher (lo) des sekundären Notkühlsystems vorhanden sind und die Strömung im Notkühlfall in diesem äußeren Ringraum (9) abwärts gerichtet und im inneren Ringraum (8) aufwärts gerichtet ist.
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    5. Notkühlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher (lo) des sekundären Notkühlsystems in Schutzrohren (11) im Reaktorbehälter angeordnet sind.
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    JO
    Leerseite
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