DE2227895A1 - Druckwasser-Atomreaktor - Google Patents

Description

PATS ίί TA N M ELDU N G

Anmelderin: The Babcock & Wilcox Company

161 East 42nd Street, New York, Ν.Ϊ. 10017

Titel:

Druckwasser-Atomreaktor

Die Erfindung betrifft einen verbesserten Kompakt-Druckwasser-Kernreaktor mit Mitteln zur Erzielung eines optimalen Betriebswirkungsgrads durch Vereinfachung der Besichtigung, Wartung und .Reparatur aller wesentlichen Teile ohne Zerstörung des Druckbehälters.

Bei den bekannten Druckwasserreaktoren ist es äußerst schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, alle wesentlichen Teile derselben zu besichtigen, zu warten und zu reparieren, ohne daß eine komplizierte Folge von Vorgängen abgewickelt wird' oder ohne daß der Druckbehälter, der zu den kostenaufwendigeren Teilen des Energieerzeugungssystems zählt, wesentlich geschwächt, geändert oder sogar zerstört wird.

Während der Lebensdauer eines Kernreaktors ist es nicht ungewöhnlich, das spezifische Strömungsbild eines oder mehrerer der einzelnen Wege des Sekundärmediums in den Dampferzeugerteilen des Systems zu ändern. Für die Durchführung

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einer solchen Aufgabe ist es jedoch notwendig, Zugang zu dem Wärmeaustauschaggregat der Anlage, der auch als Dampferzeuger bezeichnet wird, zu haben. Bei den Druckwasserreaktoren nach dem Stand der Technik wird dies gewöhnlich dadurch erreicht, daß man nacheinander und einzeln den inneren Druckhalter, die Hegelstäbe und den Kern durch eine ziemlich enge Öffnung in dem Boden des Behälters entfernt, bevor man den Dampferzeuger in einzelne Teile zerlegt, die dann getrennt durch eine derartige Öffnung im Druckbehälter herausgenommen werden.

In anderen und extremeren Situationen kann es notwendig sein, den Druckbehälter zu zerschneiden, um den Ausbau und die Reparatur eines oder mehrerer der zuvorgenannten Teile des Reaktors zu erleichtern, wie z.B. eines unzugängjgn Dampferzeugers und dergleichen. Wenn man jedoch anschließend den Behälter durch konventionelle Verfahren wieder verschließt, so daß er seine ursprüngliche Form zurückgewinnt, dann führt das zu einer viel schwächeren Konstruktion, die die Sicherheit des Systems beeinträchtigen kann.

Die Technik benötigt also einen Kompakt-Druckwasser-Kernreaktor, dessen wesentliche Teile periodisch, gründlich und innerhalb einer minimalen.Zeitdauer besichtigt werden können, um die Wirksamkeit des Betriebes und die Optimierung des in der Atomwirtschaft verlangten Sicherheitsgrads zu gewährleisten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Bedarf

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der Technik nach einem Druckwasserreaktor erhöhter Festigkeit zu erfüllen, dessen wesentliche Teile eine vollständig integrierte Betriebseinheit bilden, jedoch lösbar verbunden sind, um in einem einstufigen Vorgang in zwei Hauptteile zur leichten Besichtigung, Ersetzung und Reparatur der wesentlichen Einzelteile zerlegt zu werden.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, einen konstruktiv geschlossenen Druckwasserreaktor vorzuschlagen, dessen wesentliche Teile" untereinander zur leichten Besichtigung, Wartung und Reparatur sowie zur Verwendung in einem großen Bereich von Betriebsverhältnissen verbunden sind.

Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen Druckwasserreaktor erhöhter Festigkeit vorzuschlagen, der eine potentiell längere Lebensdauer und niedrigere Gesamtkosten auf Grund der leichten Fertigung und Wartung während der Einsatz- und Reparaturzeiten hat.

Eine noch weitere Aufgabe dieser Erfindung ist ein kompakter Druckwasserreaktor mit einem Primärkühlmittel, dessen Strömungsweg in Abhängigkeit von den inneren Verhältnissen des Behälters richtungsveränderlich ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Kompakt-Druckwasserreaktors im Schnitt;

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Fig. 2 eine Draufsicht des Reaktors gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 ein Schaltbild bzw. Fließschema des Primärkühlmittels.

Im weiten Sinne beinhaltet die Erfindung einen Kompakt-Druckwasser-Kernreaktor mit einem eingeschlossenen zylindrischen Druckbehälter, der mit einer Ringöffnung versehen ist, welche dem Innendurchmesser des Behälters entspricht und mit einem lösbar befestigten Verschluß ausgestattet ist, welcher fest sowohl mit einem eng verbundenen äußeren Druckhalter als auch mit einer Vielzahl lösbar angeschlossener Dampferzeugerabschnitte versehen ist, von denen jeder einen Durchströmungskanai mit einer Pumpe besitzt, die außerhalb in vertikaler Ebene gegenüber dem Verschluß integral angeordnet ist und eine Welle besitzt, die mit einem Laufrad versehen ist, welches mit dem Durchströmungskanal und den Dampferzeugern in Verbindung tritt, die auf Ibstand um den Umfang eines Atombrennstoffkerns herum angeordnet sind, dessen Regelstäbe eine begrenzte Länge haben und im Betrieb durch den Verschluß hindurch geführt werden.

Im einzelnen ist, wie es in Fig. 1 gezeigt istj ein Druckbehälter 10 betrieblich innerhalb eines Sicherheitsbehälters 11 angeordnet, der eine Anzahl von Dampfunterdrükkungskammern 12 hat, Der Druckbehälter 10 hat grundsätzlich zylindrische Form mit einem oberen Ende 13 in verhältnismäßig breiter, offener Ringaasführung und mit einer Erigriffoiläohe in Form einas Tlansohes 14. Wie

dargestellt, hat der Druckbehälter 10 innen eine Tragfläche 15 für einen aktiven Atombrennst'offkern 16 und eine räumliche Vorkehrung für die Zuführung von Druckwasser.

Ein zylindrischer Verschluß 17 erfaßt trennbar das Mundstück des Druckbehälters durch einen Gegenflansch 18 und wird darin durch Sicherungsvorrichtungen 19 gehalten. Der Verschluß 17 ist mit einer Vielzahl von eingebauten Eintritts- 21 und Austritts- 22 Sammlern versehen, von denen jeder mit einem Rohrbündel 23 verbunden ist, das aus einzelnen Rohren 24 besteht, welche innerhalb des genannten zylindrischen Druckbehälters 10 auf dem vollen Umfang ihrer jeweiligen Einzellänge zwischen den Eintritts- 21 und den Austritts- 22 Sammlern spiralförmig gewickelt sind. Diese Formen stellen die Grundlage eines Dampferzeugers für die Aufnahme von Sekundärkühlmittel dar.

Ein vertikal angeordneter Mantel 26 umschließt den Kern und bildet in Verbindung mit der Innenfläche 27 des Druckbehälters 10 einen Ringraum 28 für die Strömung eines Primärmediums 29 über die spiralförmig gewickelten Rohre 24-für die Erzeugung von Dampf aus dem innerhalb der Rohre strömenden Medium.

Der Verschluß 17 ist außerdem mit einer angebauten stehenden Außenpumpe 32 versehen, die eine verhältnismäßig dünne Welle 33 besitzt, die ein Laufrad 34 trägt, das einen regelbaren Antrieb hat und den ringförmigen Strömungsquerschnitt 35 einnimmt, welcher an dem kalten Ende des-Dampferzeugers vorgesehen ist. Da die Welle 23 verhältnismäßig

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dünn ist, wird eine verbesserte Festigkeit an dieser Beanspruchungsstelle im Verschluß 17 aufrechterhalten. Wenigstens ein außenliegender Druckhalter 37 ist auf der oberen Fläche des Verschlusses 17 angeordnet und steht mit dem Innern des Druckbehälters 10 über verschiedene nicht dargestellte Anschlüsse in Verbindung, um den Druck und den Flüssigkeitsvorrat in dem Behälter während des Betriebs aufrechtzuerhalten. Ein solcher Druckhalter 37 verwendet gewöhnlich Erhitzer 38 sowie Fremdgas und/oder Einspritzung für die Flüssigkeitsregelung.

Viie dargestellt, ist weiter vorgesehen, daß die Regelstäbe 41 betrieblich und direkt mit dem aktiven Kern 16 in Verbindung treten, indem sie durch den Verschluß 17 hindurchgeführt werden. Auf diese Weise besteht auf Grund der erforderlichen verhältnismäßig kurzen Stablänge die Neigung zur Stabregelung mit engerer Toleranz, was zu einem größeren Grad an Sicherheit und Regelung der nicht dargestellten Brennstäbe des aktiven Kerns 16 führt.

Im allgemeinen werden der Druckbehälter 10, der Druckhalter 37, die Fumpenantriebe 32 und die Regelstäbe 41 von einer Innenkammer 51 umgeben, die auch als Trockenschacht bezeichnet wird. In einigen Fällen kann es auch wünschenswert sein, einen größeren Teil des Reaktors selbst mit einem konventionellen Naßschacht zu umgeben zwecks Verwendung bei der Dampfunterdrückung» Gewöhnlich liegt der Wasserstand in solchen Kammern 12 oder Schächten oberhalb des Kerns, um auoh eine biologische Abschirmung wesentlicher Art zu bilden.

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Im wesentlichen kann für eine periodische Revision, die für den Wirkungsgrad und die erforderliche Sicherheit 'des Reaktors wichtig ist, der Druckbehälter 10 durch einen einstufigen Vorgang getrennt werden. Der Verschluß 17 kann einfach von dem Behälter 13 dadurch entfernt werden, daß man die Befestigungsvorrichtungen 19 löst und den Verschluß vertikal von dem Behälter abhebt. Dadurch kann der Dampferzeuger, die Pumpen, die Regelstäbe und der Druckhalter als geschlossene Einheit aus ihren jeweiligen Lagen in bezug auf den aktiven Kern entfernt werden. Auf diese Weise kann der Dampferzeuger befahren und, falls notwendig, für die Wirksamkeit des weiteren Betriebs repariert werden. Weiterhin kann eine eventuelle Beschädigung des Laufrads durch Verschleiß leicht erkannt werden; dabei kann das Laufrad dann leicht und wirksam ausgetauscht werden. · ,

Auch können, falls· es gewünscht wird, der Druckhalter und die Regelstäbe ersetzt werden und es können alle vorgenannten Vorgänge für die wesentlichen Teile des Reaktors innerhalb einer minimalen Abschaltzeit wirksam durchgeführt werden.

Räch einer Besichtigung des lösbar befestigten Aggregats kann die Aufmerksamkeit auf eine Ersetzung des aktiven Brennstoffkerns und des Primärkühlmittels gelenkt werden. Von größerer Bedeutung ist auch die Tatsache, daß die gesamte Innenseite des Behälters, selbst die bisher unzugängigen Stellen, vollständig und wirksam hinsichtlich der meisten Beschädigungsarten durch Strahlungseinwirkung, wie z.B. Versprödung, besichtigt werden können, wodurch die

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langfristige Überwachung und Sicherheit des Behälters als eines Snergieerzeugers gewährleistet sind»

Die Anordnung der zuvor beschriebenen Einrichtung sowie deren leichte, sichere, wirkungsvolle und wenig zeitraubende Trennung in die wichtigsten Einzelteile sind durch die jüngsten Fortschritte in der Metallurgie möglich geworden. Es stehen jetzt Legierungen zur Verfügung, die die Verwendung von leichteren und dünneren Teilen erlauben, welche ein Optimum an Festigkeit und Beständigkeit gegenüber einer langfristigen Bestrahlung aus Kernquellen aufweisenο

Als Ergebnis ist es durchaus möglich, konventionelle Hebezeuge für eine Aufgabe zu verwenden, die bisher als unmöglich und undurchführbar angesehen worden ist»

Weiterhin ist, wie man der Fig. 3 entnehmen kann, die Strömung des Primärkühlmittels im Betrieb des Kernreaktors der kompakten Druckwasserreaktor-Ausführung im Zwangsumlauf geschaltet, jedoch in einer Richtung, die .entgegengesetzt zu dem Naturumlauf bei den konventionellen Druckwasserreaktorbauarten nach dem Stand der Technik ist. Auf diese Weise arbeitet die Kraft der Pumpe auf Grund der Minimierung des Pumpen-Kraftbedarfs immer mit optimalem Wirkungsgrad. Dies vermindert auch die Größe der erforderlichen Pumpe und indirekt die Kosten, weil die Größe der Pumpe in einem direkten Verhältnis dazu steht.

Wenn man sich jetzt wieder auf Fig. 1 bezieht,'so erkennt man, daß das Primärkühlmittel das Pumpenlaufrad 54 in

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einem Strömungsweg yerläßt, der direkt von dem ringförmigen Strömungsquerschnitt 35 des Dampferzeugers auf den und durch den Kern 16 von oben nach unten führt j dabei wird es

ρ erwärmt, jedoch durch einen Druck τοπ etwa 150 kg/cm in dem flüssigen Zustand belassen. In diesem Fall beträgt die Temperatur des oberen Kernendes gewöhnlich 296⁰C während die Temperatur des unteren Kernendes etwa 315⁰C beträgt. Durch nicht dargestellte Lenkwände wird das Primärkühl- . mittel dann zum unteren Ende des Dampferzeugers 52 geleitet, um aufwärts über die spiralförmig gewickelten Rohre 24 zum konventionellen Wärmeaustausch mit dem Sekundärkühlmittel in den Rohren 24 zu strömen. Zum optimalen Austausch erfolgt die Strömung des größten Teils des Sekundärkühlmittels quer zur Strömung des Primärkühlmittels durch den Dampferzeuger. Nach einer solchen Durchströmung wird das gekühlte Primärmedium wiederum aus dem ringförmigen Strömungsquerschnitt 35 herausgeführt, um zu seinem ursprünglichen Weg durch den Kern zurückzukehren. Auf diese Weise wird die Kühlspanne des Kerns zur inneren Kernsicherheit erhöht sowie auch zur Vermeidung einer Überhitzung und Verbrennung des Kerns während des zuvor beschriebenen StrömungsVorgangs.

Wenn alle Pumpen 32 ausfallen, ergibt sich ein zusätzlicher' Vorteil dadurch, daß die Strömung des Primärkühlmittels sich von selbst umschalten wird, so daß ein Naturumlauf stattfinden wird, wodurch die Sicherheit des Reaktors gewährleistet wird. Als ein weiterer'Vorteil kann.eine Minimale Durchdringung des.Behälters zur Erhöhung seiner Festigkeit gewährleistet werden sowie eine

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Minimierung der Fertigungskosten auf Grund der Konstruktion des beschriebenen Reaktors, der ein Aggregat aus zwei anordnungsmäßig zueinander in Verbindung stehenden Einzeleinheiten oder Baugruppen darstellt. Außerdem entspricht die Konstruktion des zuTor besohriebenen Kompaktreaktors völlig und leicht den allgemein festgelegten Sicherheitsvorschriften, die in bezug auf eine periodische Befahrung der wesentlichen Teile eines Reaktors während seiner Lebensdauer erfüllt werden müssen. Diese Forderung wird mit Spielraum bei der Grundkonzeption des Reaktors für einen ziemlich großen Kern unterschiedlicher Bauarten erfüllt und ebenfalls mit Spielraum bei den Anforderungen an den Primärkühlmittelbestand.

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Claims (1)

1. PATE Ii TA N SPRÜCHE

   M.\Druckwasser-Atomreaktor mit verbessertem Zugang zu seinen wesentlichen Teilen zur leichten Besichtigung, Wartung und Reparatur, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

   a) Einen Druckbehälter, der eingerichtet ist, um Primärkühlmittel aufzunehmen und einen aktiven Kern aus nuklearen Brennstäben, wobei der Behälter mit einer öffnung versehen ist, die seinem maximalen Innendurchmesser entspricht;

   b) einen Verschluß, der lösbar an dem Behälter befestigt ist und über der Öffnung in dem Behälter liegt;

   c) einen vertikal angeordneten Mantel, der in dem Behälter angeordnet ist, den Kern umgibt und mit dem Behälter" einen Ringraum bildet, durch den das Primärkühlmittel strömt;

   d) ein Bündel von Dampferzeugungsrohren, die ein Sekun- ' därmedium enthalten und in dem Ringraum um den Kern und oberhalb des genannten Kerns angeordnet sind, wobei die Rohre Ein- und Austrittsöffnungen aufweisen;

   e) eine Vielzahl von Sammlern in dem Verschluß, wobei einige derselben mit den Eintritt soff nun.gen und andere mit den Austrittsöffnungen in Verbindung stehen;

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   f) eine Vielzahl von Regelstäben, die im Betrieb durch den Yerschluß hindurchgehen und mit den Brennstäben zur Regelung des Kerns in Verbindung treten;

   g) wenigstens einen äußeren Druckhalter, der an der oberen und äußeren Seite des Verschlusses angeschlossen ist und mit dem Innern des Behälters durch den Verschluß hindurch in Verbindung tritt, um das Primärkühlmittel im flüssigen Zustand zu halten, und

   h) eine Vielzahl von inneren Pumpen, die in dem Verschluß angeordnet sind und eine Welle besitzen, welche durch einen solchen Verschluß tritt, wobei die Welle mit einem Laufrad versehen ist, das einen richtungsveränderlichen Antrieb hat und in dem Ringraum direkt unterhalb des Verschlusses angeordnet

   ist, mit der Maßgabe, daß der Ausbau des Verschlusses für die periodische Besichtigung, Wartung und Reparatur zu einer Entfernung aller vorgenannten Teile führt, die den Kern umgeben und an dem Verschluß angeschlossen' sind. .

   2, Atomreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen geschlossenen Kreislauf für das Primärmedium, das von dem Kern zu dem Erzeuger und zurück in einem Zwangsumlauf und einer Richtung strömt, die dem Naturumlauf entgegengesetzt ist.

   3. Atomreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Laufrad unter dem Antrieb der Pumpen das Primärkühlmittel zwingt, von dem oberen

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   Ende des Ringraums nach einer Aufwärtsströmung über die Dampferzeugungsrohre auf die obere Fläche des Kerns und abwärts durch den Kern zu dem unteren Ende des Ringraums zu strömen.

   4. Atomreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Strömung des größten Teils des Sekundärmediums in dem Dampferzeuger quer zu der Strömung des Primärkühlmittels in einem geschlossenen Kreislauf erfolgt.

   5. Atomreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Primärkühlmittel von sich aus die Strömungsrichtung zwischen Zwangsumlauf und Naturumlauf bei Ausfall aller Pumpen umsteuert»

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