DE2452151A1 - Verfahren zur verlaengerung der betriebsperiode einer kernenergie-dampfturbinenanlage ueber das ende des normalen kernbrennstoff-brennzyklus hinaus - Google Patents

Description

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Augsburg, den 30. Oktober 1974

Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh, Allegheny County, Pennsylvania 15222, V,St.A,

Verfahren zur Verlängerung der Betriebsperiode einer Kernenergie-Dampfturbinenanlage über das Ende des normalen Kernbrennstoff-Brennzyklus hinaus

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verlängerung der Betriebsperiode einer Kernenergie-Dampfturbinenanlage, welche einen mit Wasser als Kühlmittel arbeitenden Reaktorkühlkreislauf und einen Turbinendampfkreislauf enthält,

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über das Ende des normalen Kernbrennstoff-Brennzyklus hinaus.

Bei Kernenergie-Dampfturbinenanlagen wird in einem Kernreaktor erzeugte Wärme zur Erzeugung von unter Druck stehendem trockenem und gesättigtem oder schwach überhitztem Dampf verwendet. Dieser Dampf treibt eine Turbine, die mechanisch mit einem elektrischen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie gekuppelt ist. Zwei hauptsächliche Leistungsreaktortypen sind der Siedewasserreaktor (BWR) und der Druckwasserreaktor (PWR),

Beim Siedewasserreaktor (BWR) wird Wasser als Kühlmittel durch eine einzige geschlossene Schleife zirkuliert, welche den Kernreaktor und die Turbine umfaßt» Beim Durchlauf durch den Reaktorkern nimmt das Kühlwasser Wärme vom Reaktorkern auf, wobei seine Temperatur über den Siedepunkt des Wassers steigt und dadurch Dampf entsteht. Der so erzeugte Dampf wird unmittelbar durch die Turbine geleitet, wo die Wärmeenergie in mechanische Energie umgesetzt wird. Nach dem Durchströmen der Turbine gelangt der Dampf in einen Kondensator, wo er wieder in den flüssigen Zustand zurückgeführt wird. Das nunmehr als Kühlwasser mit niedriger Temperatur vorliegende Kondensat wird wieder als Kühlmittel

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In den Reaktor zurückgeleitet, wodurch der Kreislauf geschlossen wird.

Da jedoch das Kühlwasser und der daraus entstandene Dampf dem stark radioaktiven Reaktorkern und einem umfangreichen Beschüß mit energiereichen Neutronen ausgesetzt sind, erfährt auch die Turbinenanlage, durch welche der radioaktiv verseuchte Dampf hindurchgeleitet wird, eine Zunahme ihrer Radioaktivität, Außerdem muß außerordentliche Sorgfalt aufgewendet werden, um ein Auslecken des kontaminierten Dampfes oder Wassers aus dem einzigen geschlossenen Kreislauf zu verhindern.

Bei Anlagen mit einem Druckwasserreaktor (PWR) werden zwei Kreisläufe für die Erzeugung elektrischer Energie aus dem Kernreaktor verwendet, Der erste oder Primärkreislauf verbindet den Reaktor in einer geschlossenen Schleife mit einem Dampferzeuger, d,h, mit einem Wärmetauscher, Das

Kühlwasser wird unter hohem Druck, nämlich etwa 140 kp/cm , gehalten und nimmt beim Durchströmen des Reaktorkerns Wärme von diesem auf. Da das Kühlwasser unter hohem Druck steht, kann die vom Reaktorkern aufgenommene Wärme die Kühlwassertemperatur nicht über die dem Kühlwasserdruck zugeordnete Siedetemperatur anheben.

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Das erwärmte, jedoch nicht siedende Wasser tritt in den Dampferzeuger ein. In diesem Dampferzeuger wird die Wärme von dem unter Druck stehenden Kühlwasser auf im Dampferzeuger befindliches Sekundärwasser übertragen., Der Wärmetausch zwischen dem Druckwasser und dem Sekundärwasser kühlt das Druckwasser so ausreichend ab, daß es wieder in den Reaktorkern einleitbar ist, wodurch der Primärkühlkreislauf geschlossen wird.

Im Dampferzeuger erhöht die vom Druckwasser aufgenommene Wärme die Temperatur des Sekundärwassers über dessen Siedepunkt, so daß Dampf erzeugt wird_t Beim Druckwasserreaktor ist jedoch der im Dampferzeuger erzeugte Dampf nicht radioaktiv kontaminiert, da das Druckwasser im Dampferzeuger vom Sekundärwasser getrennt ist.

Der im Dampferzeuger erzeugte Dampf wird durch den Sekundär- oder Dampfkreislauf geleitet« Dieser Sekundäroder Dampfkreislauf enthält eine Hochdruckturbine, eine Niederdruckturbine, einen Kondensator und eine Anzahl von Speisewasservorwärmern, Jede Turbine weist einen Einlaß mit bestimmter Größe auf, wobei der Einlaß der Hochdruckturbine kleiner als der Einlaß der Niederdruckturbine ist» In den Turbinen wird die Wärmeenergie des Dampfes in

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mechanische Energie umgesetzt. Der expandierte Dampf wird im Kondensator in den flüssigen Zustand zurückgeführt. Das Kondensat wird dann in den Dampferzeuger zurückgeleitet, nachdem es eine Anzahl von Speisewasservorwärmern durchlaufen hat, wodurch der Sekundärkreislauf geschlossen wird.

Es ist klar, daß der Druck des Dampfes in der Sekundärschleife unmittelbar von der vom Druckwasser auf das Sekundärwasser übertragenen Wärmemenge abhängt. Ist die Temperatur des Kühlwassers hoch, so wird eine größere Wärmeenergiemenge auf das Sekundärwasser übertragen, als es bei niedrigerer Temperatur des Primärkühlwassers der Fall ist. Die auf das Sekundärwässer übertragene Wärmeenergie hebt daher die Temperatur eines größeren Sekundärwasservolumens über die Siedetemperatur an, so daß mehr Dampf in der Sekundärschleife erzeugt wird. Die Größe der Dampfströmung durch die Sekundärschleife hängt von der Größe des Hochdruckturbinen-Dampfeinlasses ab.

Der Wärmeinhalt des Primärkühlwassers hängt selbstverständlich von der Wärmeleistung des Reaktorkerns ab. Die Wärmeabgabe des Reaktorkerns hängt wiederum vom Reaktivitätsniveau der Brennelemente im Reaktorkern ab„

Die Reaktivität der Brennelemente hängt vom Alter der

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einzelnen Brennelemente ab. Am Anfang der Lebensdauer eines Brennelements liegt das Reaktivitätsniveau gewöhnlich oberhalb eines vorgegebenen Bezugswertes und wird mittels einer Anzahl von neutronenabsorbierenden Steuerstäben gesteuert. Wenn beispielsweise das Reaktivitätsniveau im Reaktor angehoben werden soll, werden die Steuerstäbe um ein bestimmtes Stück aus dem Reaktorkern herausgezogen, wodurch die Größe des Neutronenflusses im Reaktorkern und folglich die Reaktivität des Reaktorkerns vergrößert wird. Bei erhöhtem Reaktivitätsniveau im Reaktorkern wird die im Reaktor erzeugte Wärme und folglich der Wärmeinhalt des Primärkühlwassers vergrößert.

Eine höhere Kühlwassertemperatur erhöht auch die im Dampferzeuger vom Druckwasser auf das Sekundärwasser übertragene Wärmemenge, Die vergrößerte übertragene Wärmemenge erhöht den Druck des im Dampferzeuger zum Antrieb der Turbine erzeugten Dampfes, Die Möglichkeit der Änderung des Dampfdruckes zur Änderung der elektrischen Ausgangsleistung der Anlage in Anpassung an den Energiebedarf wird als Lastfolgefähigkeit des Systems bezeichnet. Wie dem Fachmann wohlbekannt ist, ist die Lastfolgefähigkeit des Systems während einer Xenon-Übergangsphase gehemmt.

Die ausnützbare Lebensdauer, d,h_t der Brennstoffzyklus

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der im Reaktor befindlichen Brennelemente wird anhand gewisser vorgegebener Parameter gemessen. Einer dieser Parameter ist die Größe des Reaktivitätsüberschusses über einen bestimmten vorgegebenen Bezugswert, Dieser Reaktivitätsüberschuß liegt am Beginn des Brennstoffzyklus oberhalb des Bezugsniveaus, er nimmt jedoch während der Betriebsdauer des Brennelements zum ßezugswert hin ab. Während der Betriebsdauer des Brennelements wird die Abnahme der Überschußreaktivität durch Herausziehen der neutronenabsorbierenden Steuerstäbe aus dem Reaktorkern ausgeglichen, so daß der Reaktor mit konstantem Leistungspegel betrieben werden kann»

Der als das Ende des Brennstoffzyklus bezeichnete Zeitpunkt ist normalerweise als derjenige Zeitpunkt definiert, in welchem, wenn die Steuerstäbe vollständig aus dem Reaktorkern herausgezogen sind und die Gesamtanlage mit voller thermischer Belastung arbeitet, die Oberschußreaktivität des Reaktorkerns Null ist. Sind diese Parameter erreicht, so ist das Ende des Brennstoffzyklus trotz der Tatsache eingetreten, daß eine Restreaktivität in den Brennelementen verbleibt. Selbstverständlich können auch andere Parameter zur Definition des Zeitpunktes herangezogen werden, in welchem das Ende des Brennstoffzyklus erreicht ist»

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Nähert sich der Reaktor dem Ende des Brennstoffzyklus, d,h, dem Ende der ausnutzbaren Lebensdauer der Brennelemente, so kann, obwohl im Reaktorkern noch eine Restreaktivität vorhanden isti auch bei vollständigem Herausziehen der Steuerstäbe das Reaktivitätsniveau im Reaktor nicht genügend angehoben werden, um die aufgrund der elektrischen Last erforderliche thermische Ausgangsleistung zu erzielen. Bei abnehmender Reaktivität vermindert sich die im Reaktorkern erzeugte Wärme bzw, die thermische Ausgangsleistung, Die Verminderung der thermischen Ausgangsleistung im Reaktorkern aufgrund verminderter Reaktivität hat eine Absenkung der Kühlwassertemperatur zur Folge, Dadurch wird wiederum die im Dampferzeuger erzeugte Dampfmenge geringer. Folglich wird bei einer Abnahme der thermischen Ausgangsleistung auch die elektrische Ausgangsleistung der Gesamtanlage verringert.

Es ist dem Fachmann.wohlbekannt, daß die Dichte des Druckwassers von seiner Temperatur abhängig ist. Bei abnehmender Kühlwassertemperatur wird das Kühlwasser dichter. Zwar erzeugen, wie bereits erwähnt, am Ende des Brennstoffzyklus in den Brennelementen stattfindende Kernspaltungen immer noch eine Restreaktivität, jedoch reicht das Reaktivitätsniveau nicht aus, um die erforderliche

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thermische Ausgangsleistung des Reaktors aufrechtzuerhalten. Durch die Spaltvorgänge werden sowohl energiereiche Neutronen als auch thermische Neutronen mit geringerer Energie erzeugt» Obwohl die thermischen Neutronen nur einen gewissen Prozentsatz der insgesamt beim Spaltvorgang freiwerdenden Neutronen darstellen, sind die thermischen Neutronen wichtig, da sie zur Aufrechterhaltung der Kettenreaktion erforderlich sind. Da am Ende des Brennstoffzyklus die Anzahl von Kernspaltungen und folglich die Anzahl der erzeugten Neutronen vermindert ist und da nur ein bestimmter Prozentsatz der freigewordenen Neutronen thermische Neutronen sind, nimmt die Reaktivität und folglich die thermische Ausgangsleistung des Reaktors ab.

Da jedoch das Druckwasser bei niedrigerer Temperatur dichter-ist, ist es möglich, den Reaktivitätsüberschuß durch Absenken der Kühlwassertemperatur wieder über den Bezugswert anzuheben. Bei niedrigerer Kühlwassertemperatur und größerer Kühlwasserdichte wird ein größerer Anteil der bei den Kernspaltungen erzeugten energiereichen Neutronen in ausreichendem Maße verlangsamt, so daß sie wieder eine Kernspaltung herbeiführen können. Obwohl also die Gesamtzahl der freigewordenen Neutronen nicht vergrößert ist, wandelt das kühlere und folglich dichtere Druckwasser genügend energiereiche Neutronen durch Verringerung ihrer

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Energie in thermische Neutronen um, welche die Kettenreaktion aufrechterhalten. Auf diese Weise wird die Reaktivität des Reaktorkerns über den Bezugswert erhöht und folglich die thermische Ausgangsleistung des Reaktors vergrößert. Diese Erhöhung der Überschußreaktivität gleicht daher den am Ende des Brennstoffzyklus auftretenden Reaktivitätsverlust aus.

Eine Absenkung der Kühlwassertemperatur wirkt sich jedoch nachteilig auf den Dampfdruck in der Sekundärschleife aus. Bei bekannten Anlagen werden daher zur Erhöhung der Überschußreaktivität ohne Beeinträchtigung des Dampfdruckes entweder neue Brennelemente in den Reaktor eingesetzt oder die alten Brennelemente angereichert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verlängerung der Betriebsperiode einer Kernenergie-Dampfturbinenanlage über das Ende des normalen Kernbrennstoff-Brennzyklus hinaus zu finden, bei welchem keine Verringerung der thermischen Ausgangsleistung des Reaktors und nur eine kleine Abnahme der elektrischen Ausgangsleistung eintritt.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist ein solches Verfahren gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß

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die Reaktorkühlmitteltemperatur am Ende des normalen Kernbrennstoff-Brennzyklus zwecks Erhöhung des Reaktorreaktivitätsniveaus unter den Normalwert abgesenkt und der Dampfkreislauf für einen Betrieb der Turbine mit Dampf verminderter Temperatur modifiziert wird,

Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigen:

Pig, 1 eine schematische Ansicht einer

nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbaren Kernenergie-Dampfturbinenanlage mit einem Druckwasserreaktor,

Pig, 2 eine grafische Darstellung der

thermischen Ausgangsleistung des Reaktors und der elektrischen Ausgangsleistung der Gesamtanlage einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Anordnung, die über der Zeit des verlängerten Brennstoffzyklus aufgetragen sind,

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Pig, 3 eine schematische Darstellung

eines Teils einer Druckwasserreaktor-Dampfturbinenanlage gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Pig, 4 eine schematische Darstellung

ähnlich Pig, 3 einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung, und

Fig, 5 eine schematische Darstellung

ähnlich Pig, 3, die einen Teil einer Druckwasserreaktor-Dampfturbinenanlage gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt.

In der folgenden Beschreibung sind gleichen Komponenten aller Zeichnungsfiguren gleiche Bezugsziffern zugeordnet.

Pig, 1 zeigt in Form einer schematischen Darstellung eine Kernenergie-Dampfturbinenanlage 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, Gemäß Fig, I enthält die Kernenergie-Dampfturbinenanlage 10 einen Druckwasserreaktor 12, eine geschlossene Primärkühlschleife 14 und eine geschlossene Sekundärschleife 16, Ein Dampferzeuger

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bzw. Wärmetauscher 18 ist der Primärschleife 14 und der Sekundärechleife 16 gemeinsam.

In der Primärkühlschleife 14 wird das unter Druck stehende Primärkühlwasser durch eine Leitung 20 in den Reaktor 12 eingeleitet, wie durch den Pfeil 22 angedeutet ist. Das Druckwasser gelangt durch den Kern des Reaktors hindurch und nimmt von diesem Wärme auf. Das erwärmte Druckwasser strömt gemäß Pfeil 24 wieder aus dem Reaktor aus.

Das erwärmte, jedoch nicht siedende Druckwasser wird gemäß Pfeil 26 in den Dampferzeuger 18 eingeleitet. Innerhalb des Dampferzeugers 18 strömt das unter Druck stehende Primärkühlwasser durch ein Rohrbündel 27 und überträgt seine Wärme auf im Dampferzeuger befindliches Sekundärwasser. Dadurch wird das Sekundärwasser im Dampferzeuger 18 in trockenen und gesättigten oder schwach überhitzten Dampf umgewandelt.

In der Sekundär- bzw, Dampfschleife 16 wird der im Dampferzeuger 18 erzeugte Dampf über eine Leitung 28 in eine Hochdruckturbine 30 eingeleitet. Der Einlaß 32 der Hochdruckturbine 30 besitzt eine bestimmte Größe 34, Es ist

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klar, daß die Größe der in die Hochdruckturbine 30 einströmenden Dampfströmung vom Querschnitt 34 des Einlasses 32 abhängig ist.

Nach dem Durchströmen einer Anzahl von Laufschaufelkränzen und Leitschaufelkränzen 36 wird der Dampf aus der Hochdruckturbine 30 abgelassen und tritt über eine Leitung in eine Niederdruckturbine 40 ein. Die Niederdruckturbine 40 weist einen Einlaß 42 mit bestimmtem Querschnitt 44 auf. Der Querschnitt 44 der Niederdruckturbine 40 ist größer als der Querschnitt 34 des Hochdruckturbineneinlasses 32,

Der in die Niederdruckturbine eingeleitete Dampf durchströmt eine Anzahl von Laufschaufelkränzen und Leitschaufelkränzen 46,

Der durch die Schaufelkränze 36 und 46 der Hochdruckturbine 30 und der Niederdruckturbine 40 strömende Dampf versetzt eine Welle 48 in Drehung, welche einen elektrischen Generator 50 zur Erzeugung elektrischer Energie antreibt. Die im Generator 50 erzeugte elektrische Energie wird einer daran angeschlossenen elektrischen Last 52 zugeführt.

Der aus der Niederdruckturbine abgelassene Dampf wird

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in einem Kondensator 5^ gesammelt und kondensiert. Aus dem Kondensator 5^ wird das flüssige Kondensat durch eine Reihe von Speisewasservorwärmern 56, 58 und 60 geleitet. Obwohl noch mehr Speisewasservorwärmer in der Anlage vorgesehen sein können, sind zum Zwecke der klareren Darstellung nur drei Vorwärmer 56, 58 und 60 dargestellt. In den Speisewasservorwärmern wird die Temperatur des durch sie hindurchströmenden Kondensats fortschreitend erhöht.

Wenn das Sekundärwässer durch eine Leitung 62 wieder in den Dampferzeuger 18 eingeleitet wird, weist es eine bestimmte Temperatur auf, die in den Zeichnungen mit T_

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bezeichnet ist. Der im Dampferzeuger 18 erzeugte und durch die Leitung 28 in die Primärschleife 16 eintretende Dampf besitzt eine bestimmte Temperatur T , Die Temperatur und der Druck dieses Dampfes hängt von der im Dampferzeuger übertragenen Wärmemenge ab.

Aus Pig, 1 geht hervor, daß die Menge des im Dampferzeuger 18 erzeugten Dampfes von der Temperatur des durch die Leitung 20 zuströmenden Druckwassers abhängig ist. Weiterhin ist offensichtlich, daß die Temperatur des Druckwassers in der Leitung 20 unmittelbar von der Temperatur im Reaktorkern des Reaktors 12 abhängt. Es kann daher

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gesagt werden, daß die im Dampferzeuger 18 erzeugte Dampfmenge und der Druck des erzeugten Dampfes unmittelbar von der Temperatur des Druckwassers in der Primärkühlschleife und mittelbar von der Temperatur im Reaktorkern abhängig sind,

Es ist auch klar, daß die Strömungsgeschwindigkeit des vom Dampferzeuger 18 erzeugten Dampfes durch die Turbinen 30 und 40 der Sekundärschleife 16 durch die Größe des Querschnitts 34 des Hochdruckturbineneinlasses bestimmt ist»

Obwohl das in der Primärkühlschleife 14 zirkulierende Druckwasser radioaktiv ist, ist die Treibmittelströmung in der Sekundärschleife 16 nicht radioaktiv. Der Grund liegt darin, daß das in der Primärschleife 14 befindliche Druckwasser innerhalb des Reaktorkerns 12 einer intensiven Beschießung mit energiereichen Neutronen ausgesetzt ist, wodurch die Radioaktivität im Primärkühlwasser erhöht wird. Diese Radioaktivität des Primärkühlwassers wird jedoch nicht auf das im Dampferzeuger 18 befindliche Sekundärwasser übertragen, da es im Dampferzeuger 18 in dem Rohrbündel 27 mechanisch vom Sekundärwasser getrennt ist. Es ist daher unmöglich, daß das Sekundärwasser und der

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daraus erzeugte Dampf in der Sekundärschleife 16 radioaktiv wird.

Die allgemein mit der thermischen Ausgangsleistung des Reaktors 12 bezeichnete, im Reaktorkern erzeugte Wärme hängt vom Reaktivitätsniveau der im Reaktorkern befindlichen Brennelemente ab. Das Reaktivitätsniveau der Brennelemente im Reaktorkern ist eine Funktion des Alters dieser Brennelemente, Während des Brennstoffzyklus, d„h, der ausnutzbaren Lebensdauer der Brennelemente, ist das Reaktivitätsniveau im Reaktor normalerweise ziemlich hoch. Dieses Reaktivitätsniveau im Reaktor 12 wird mittels einer Anzahl von neutronenabsorbierenden Steuerstäben 64 gesteuert, -welche in Kanälen im Reaktorkern geführt sind. Während des anfänglichen Teils des Brennstoffzyklus, d,h, am Anfang der Lebensdauer der Brennelemente sind die Steuerstäbe 64 normalerweise vollständig in die Kanäle 65 eingeschoben. Dadurch wird die Neutronendichte im Reaktor auf einem bestimmten Pegel gehalten, so daß dadurch die im Reaktor in den Brennelementen stattfindenden Spaltvorgänge gesteuert werden.

Im Laufe der Zeit kann die Reaktivität erhöht werden, indem einfach die Steuerstäbe 64 um bestimmte Strecken in ihren Kanälen 65 aus dem Reaktorkern herausgezogen werden,

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wodurch die Neutronendichte im Reaktorkern erhöht wird.

Außerdem dient das unter Druck stehende Kühlwasser als weiteres Mittel, um ein Durchgehen des Reaktors 12 zu verhindern. Zur Eigensieherheit würde die Temperatur des Druckwassers vermindert, wenn die Reaktivität im Reaktor 12 zunimmt, Als wichtige Folge dieser Eigenstabilität ist zu beobachten, daß, wenn die Temperatur des Druckwassers abnimmt, das Reaktivitätsniveau im Reaktor 12 zunimmt«

Es ist also ersichtlich, daß der Reaktivitätspegel im Reaktor 12 die thermische Ausgangsleistung des Reaktors steuert« Die thermische Ausgangsleistung des Reaktors beeinflußt wiederum die Temperatur des Primärkühlwassers, Je größer die Temperatur im Reaktor 12 ist, desto mehr Wärme wird auf das Kühlwasser übertragen. Die Temperatur des Druckwassers steuert aber seinerseits die Menge und den Druck des im Dampferzeuger 18 erzeugten Dampfes, Polglich entspricht die thermische Ausgangsleistung des Reaktors 12 im wesentlichen der Wärmeübertragungsfähigkeit im Dampferzeuger 18, wobei die dazwischen vorhandene Differenz aus den unvermeidlichen Wärmeverlusten beim Transport des- Druckwassers aus dem Reaktor in den Dampf-

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erzeuger resultiert. Selbstverständlich können auch noch andere WärmeVerluste den Wärmeinhalt des Primärkühlwassers beeinträchtigen.

Am Ende des Brennstoffzyklus sind die Steuerstäbe 64 gewöhnlich so weit wie möglich aus dem Reaktorkern herausgezogen. Polglich kann das Reaktivitätsnineau im Reaktor nicht mehr durch weiteres Herausziehen der Steuerstäbe 64 gesteigert werden. Die Abnahme der Reaktorreaktivität infolge der Spaltstofferschöpfung in den Brennelementen am Ende des Brennstoffzyklus läßt daher die Kühlmitteltemperatur absinken. Es ist ersichtlich, daß sich bei Portsetzung dieses Zustands auch der Dampfdruck in der Sekundärsehleife 16 vermindern würde und folglich die Belastungsfähigkeit der Gesamtanlage 10 reduzieren würde. Diese Folge ist besonders unerwünscht, wenn der genannte Zustand zu einer Zeit auftritt, zu welcher der von der Anlage 10 zu bewältigende Energiebedarf groß ist.

Das Reaktivitätsniveau im Reaktor 12 kann jedoch zwecks Konstanthaltung gesteigert werden, indem die Druckwassertemperatur vermindert wird, Die Kühlwassertemperatur kann auf verschiedene Weise abgesenkt werden. Wenn beispielsweise die Menge des aus dem Dampferzeuger 18 in die

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Sekundärschleife 16 abgezogene Dampfmenge gesteigert wird, nimmt die Druckwassertemperatur ab. Ebenso hat eine Absenkung der Temperatur des in den Dampferzeuger 18 durch die Leitung 62 eintretenden Sekundärwassers eine Reduzierung der Druckwassertemperatur zur Folge, Wie nachfolgend noch erläutert wird, hat jedes dieser Verfahren zur Temperaturabsenkung des Primärkühlwassers eine nützliche Auswirkung auf die Sekundärschleife 16,

Die Temperaturverminderung des Primärkühlwassers ist jedoch nicht problemlos. Bei der Absenkung der Kühlwassertemperatur zwecks Steigerung der Reaktivität und der thermischen Ausgangsleistung des Reaktors 12 tritt nämlich als unerwünschte Nebenwirkung eine weitere Verminderung des Dampfdruckes in der Sekundärschleife 16 ein.

Das in Pig, 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält ein Steuersystem 66, welches es ermöglicht, die thermische Ausgangsleistung des Reaktors 12 trotz des

Reaktivitätsverlustes infolge der Spaltstofferschöpfung am Ende des Brennstoffzyklus auf dem Nennwert zu halten. Gleichzeitig ermöglicht das erfindungsgemäße Steuersystem, die Gesamtausgangsleistung der Anlage 10 innerhalb eines engen Bereiches auf dem optimalen We_trt der elektrischen

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Ausgangsleistung der Anlage zu halten.

Es ist bekannt, daß in der Sekundärschleife 16 die thermische Ausgangsleistung des Reaktors 12 über den Dampferzeuger 18 proportional dem Produkt der Strömung durch die Sekundärschleife 16 und der Differenz der Wärmeenthalpie zwischen dem in die Sekundärschleife eintretenden Treibmittel und dem die Sekundärschleife verlassenden Treibmittel ist.

Die Ausnutzung dieser Verhältnisgleichung durch das erfindungsgemäße Steuersystem ermöglicht es, den Reaktor mit voller thermischer Leistung über das Ende des normalen Brennstoffzyklus hinaus zu betreiben, wobei nur eine geringe Verminderung der elektrischen Ausgangsleistung eintritt. Selbstverständlich ist eine solche Verlängerung des Brennst off zyklus wirtschaftlich äußerst vorteilhaft»

Es ist klar, daß bei Verminderung der Druckwassertemperatur der Dampfdruck in der Sekundärschleife 16 ungünstig beeinflußt wird. Bei Ausnutzung der Verhältnisgleichung > zwischen der thermischen Ausgangsleistung über dem Dampferzeuger und dem Produkt der Strömung und der Änderung der Wärmeenthalpie in der Sekundärschleife 16 ist es jedoch möglich, die Sekundärschleife durch das erfindungsgemäße

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Steuersystem so zu beeinflussen, daß die Ausgangsleistung der Anlage bei dem vorhandenen niedrigen Dampfdruck aufrechterhalten oder angehoben wird»

Grundsätzlich enthält das Steuersystem 66 für die Druckwasserreaktor-Dampfturbinenanlage 10 eine Temperaturmeßeinrichtung 68 zum Messen der im Reaktor 12 herrschenden Temperatur und allgemein mit 70 bezeichnete Absperrvorrichtungen zum Unterbrechen eines bestimmten Teils der Treibmittelströmung in der Sekundärschleife 16, Bei der in Pig» 1 dargestellten Ausführungsform überwacht die Temperaturmeßeinrichtung 68 den Temperaturpegel im Reaktor 12, indem sie die Primärkühlwassertemperatur an einer Stelle 7IA in der Leitung 20 unmittelbar vor dem Eintritt in den Reaktor und an einem Punkt 71B in der Leitung 20 unmittelbar nach dem Austritt aus dem Reaktor mißt.

Die Absperreinrichtungen weisen eine Anzahl von Zweigleitungen mit jeweils einem Ventil 72 bzw, 74 bzw. 76 auf, die jeweils einem der Speisewasservorwärmer 56, 58 und 60 zugeordnet sind und diesen kurzschließen können.

Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend erläutert. Da die Temperatur des Druck-

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wassers zwecks Erhöhung des Reaktivitätsniveaus im Reaktorkern vermindert werden muß, damit die thermische Ausgangsleistung des Reaktors konstant auf ihrem Nennwert gehalten werden kann, ist es offensichtlich , daß der Dampfdruck und die Dampftemperatur an der Eintrittsseite der Sekundärschleife 16 abgesenkt werden müssen, Anhand der oben erwähnten Verhältnisgleichung ist ersichtlich, daß die thermische Ausgangsleistung über dem Dampferzeuger 12 vom Produkt der Strömung in die Sekundärschleife l6 und der Enthalpiedifferenz innerhalb der Sekundärschleife abhängig ist. Da die thermische Ausgangsleistung über dem Dampferzeuger 18 von der Temperatur des in der Primärkühlschleife 14 zirkulierenden Kühlwassers abhängt und da diese Temperatur des Druckwassers zwecks Erhöhung des Reaktorreaktivitätsniveaus abgesenkt worden ist, ist es klar, daß zur Aufrechterhaltung der Wärmeleistung über dem Dampferzeuger 18 und zur Erfüllung der genannten Verhältnisgleichung entweder eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit in der Sekundärschleife oder eine Erhöhung der als Differenz zwischen Eintrittsenthalpie und Austrittsenthalpie in der Sekundärschleife 16 definierten Größe bewirkt werden muß.

Gemäß der Erfindung wird bei den in Pig« I dargestellten Ausführungsbeispiel die über dem Dampferzeuger l8 stehende

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thermische Ausgangsleistung infolge der Absenkung der Druckwassertemperatur auf ihrem Nennwert konstant gehalten. Die konstante thermische Ausgangsleistung im Dampferzeuger wird durch Erzeugung einer größeren Enthalpiedifferenz zwischen der Enthalpie des in die Sekundärschleife 16 eintretenden Dampfes und der Enthalpie des die Sekundärschleife 16 verlassenden Kondensates ausgeglichen. Es ist in der Thermodynamik bekannt, daß Enthalpiewerte hauptsächlich von der Temperatur des Mediums an den fraglichen Punkten abhängt.

Daraus ist ersichtlich, daß die Enthalpiedifferenz zwischen dem in die Sekundärschleife 16 eintretenden Treibmittel und dem aus ihr austretenden Treibmittel über die Temperatur des einströmenden Treibmittels, d,h_t die mit T_D bezeichnete Temperatur des den Dampferzeuger durch die Leitung 28 verlassenden Dampfes, und die Temperatur des ausströmenden Treibmittels, d,h, der mit T _e-_se bezeichnete Temperatur des durch die Leitung 62 in den Dampferzeuger 18 eintretenden Kondensats steuerbar ist. Wenn die Differenz zwischen der Temperatur T_ und der Temperatur T„ . vergrößert wird, bleibt also der Gesamtwärmeumsatz in der Sekundärschleife erhalten. Das bedeutet, daß, um die thermische Ausgangsleistung über dem Dampferzeuger 18 nach

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der Absenkung der Druckwassertemperatur konstant zu halten, eine Erhöhung der Enthalpiedifferenz herbeigeführt werden muß. Dies erfolgt durch Erhöhung der Temperaturdifferenz zwischen T_ß und T_Speise·

Anhand der Pig, 1 ist ersichtlich, daß die Temperatur T₃ an der Austrittsseite des Speisewasservorwärmers 56 größer als die Temperatur Tl ist, welche die Kondensattemperatur unmittelbar vor dem Eintritt in den Vorwärmer 56 ist. Wenn der Vorwärmer 56 aus dem Kreislauf abgetrennt werden kann, kann die Temperatur des durch die Leitung 62 in den Dampferzeuger 18 eintretenden Sekundärwassers von T_g . auf die Temperatur Tl abgesenkt werden. Diesen Zweck erfüllt das erfindungsgemäße Steuersystem,

Die Temperaturmeßeinrichtung 68 zeigt einen bestimmten Temperaturabfall im Reaktor 12 an. Aufgrund dieses Temperaturabfalls gibt die Temperaturmeßeinrichtung 68 ein bestimmtes Signal an die Absperrvorrichtung 70, welche daraufhin das Ventil 72 öffnet und den Speisewasservorwärmer 56 kurzschließt.

Dadurch wird bewirkt, daß die Temperatur des in den Dampferzeuger 18 eintretenden Sekundärwassers von der

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Temperatur T ·_ΟΛ auf die Temperatur Τ_π abgesenkt wird, op ei se jj

Aufgrund dieser Temperaturabsenkung des in den Dampferzeuger eintretenden Sekundärwassers wird eine größere Temperaturdifferenz zwischen T₃ . zur Erfüllung der genannten Verhältnisgleichung zwecks Aufrechterhaltung einer konstanten thermischen Ausgangsleistung über dem Dampferzeuger 18 erreicht.

Nach einer gextfissen Zeit verliert jedoch diese Maßnahme des Steuersystems, nämlich das Kurzschließen des Speisewasservorwärmers 56, seine Wirksamkeit«, Zu dieser Zeit hat die Temperaturmeßeinrichtung 68 einen weiteren bestimmten Temperaturabfall im Reaktor 12 gemessen und sendet ein bestimmtes Signal an die Absperrvorrichtung 70» Infolgedessen öffnet die Absperrvorrichtung 70 das Ventil 74, so daß auch der Speisewasservorwärmer 58 kurzgeschlossen wird. Das Kurzschließen des Speisewasservorwärmers 58 hat zur Folge, daß das in den Dampferzeuger 18 einströmende Sekundärwasser die Temperatur T2 hat. Dabei handelt es sich um die Temperatur, mit welcher das Kondensat in den Speisewasservorwärmer 58 eintritt. Diese Temperatur T2 ist niedriger als die Temperatur Tl,

Die Absenkung der Temperatur des durch die Leitung in den Dampferzeuger 18 strömenden Sekundärwassers von der Temperatur Tl auf die niedrigere Temperatur T2 vergrößert

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die Temperaturdifferenz zwischen T und T,, . . Durch die Vergrößerung der Enthalpiedifferenz zwischen dem in die Sekundärschleife 16 einströmenden Treibmittel und dem aus ihr ausströmenden Treibmittel wird der niedrigere Dampfdruck in der Sekundärschleife kompensiert. Der Dampfdruck verringert sich infolge der Absenkung der Druckwassertemperatur, was zur Erhöhung der Reaktivität notwendig ist, damit die thermische Ausgangsleistung über dem Dampferzeuger auf ihrem Nennwert gehalten werden kann«

Mit fortschreitender Zeit des Reaktorbetriebs mit verlängertem Brennstoffzyklus sinkt der Reaktivitätspegel im Reaktor 12 weiter ab. Die Temperaturmeßeinrichtung mißt daher einen weiteren Temperaturabfall im Reaktorkern und gibt ein Signal an die Absperrvorrichtung 70,

Aufgrund dieses dritten Signals reagiert die Absperrvorrichtung 70 mit dem öffnen des Ventils 76, wodurch der dritte Speisewasservorwärmer 60 kurzgeschlossen wird. Dadurch wird Speisewasser mit einer Temperatur T3 unmittelbar in den Dampferzeuger 18 geleitet. Diese Temperatur T3 ist niedriger als die Temperatur T2,

In gleicher Weise wie oben beschrieben wird dadurch

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die Differenz der Temperatur des durch die Leitung 62 in den Dampferzeuger 18 eintretenden Sekundärwassers und der Temperatur des durch die Leitung 28 in die Sekundärschleife 16 eintretenden Dampfes erhöht. Dadurch wird wiederum die Enthalpiedifferenz des Treibmittels am Eintritt und Austritt der Sekundärschleife 16 vergrößert. Durch diese Vergrößerung der Enthalpiedifferenz wird die thermische Ausgangsleistung des Dampferzeugers 18 trotz des Abfalls der Druckwassertemperatur auf einem konstanten Wert gehalten.

Es hat sich durch empirische Untersuchungen gezeigt, daß es vorteilhaft ist, nur die drei dem Dampferzeuger 18 am nächsten gelegenen Speisewasservorwärmer 56, 58 und 60 in der oben beschriebenen Weise kurzzuschließen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren des Kurzschließens der Speisewasservorwärmer 56, 58 und 60 mittels des Steuersystems ist es jedoch möglich, den Brennstoffzyklus der Brennelemente des Reaktorkerns um nahezu drei Wochen zu verlängern. Während dieser drei Verlängerungswochen bleibt die thermische Ausgangsleistung des Reaktors 12 auf ihrem Nennwert« Die Reaktivität des Reaktors wird durch Absenken der Temperatur des Druckwassers erhöht. Die Temperaturabsenkung des Druckwassers hat jedoch den Nachteil, daß

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der Druck und folglich die Dampfströmungsgeschwindigkeit in der Sekundärschleife 16 entsprechend der Verminderung der Druckwassertemperatur abnehmen. Wegen der genannten Verhältnisgleichung, welche ausdrückt, daß in der Sekundärschleife die thermische Ausgangsleistung über dem Dampferzeuger 18 gleich dem Produkt der Strömungsmenge und der Energieaufnahme in der Schleife (Enthalpiedifferenz) ist, kann die Druckabnahme der Dampfströmung in der Sekundärschleife l6 durch Erhöhung der Differenz zwischen der Eintrittsenthalpie und der Austrittsenthalpie des Treibmittels kompensiert werden. Die Enthalpiedifferenz kann vergrößert werden, indem die Differenz der Temperatur des durch die Leitung 62 in den Dampferzeuger 18 eintretenden Sekundärwassers und der Temperatur des den Dampferzeuger durch die Leitung 28 verlassenden Dampfes so groß wie möglich gemacht wird. Bei der in Pig, I dargestellten Ausführungsform erfolgt dies, durch aufeinanderfolgendes Kurzschließen der Speisewasservorwärmer 56, 58 und 60,

Pig, 2 zeigt eine grafische Darstellung der Wirkung des in Pig, 1 dargestellten Steuersystems nach der Erfindung, Auf der Ordinate ist die thermische Ausgangsleistung des Reaktors 12 und die elektrische Ausgangsleistung der Gesamtanlage 10 in Prozent aufgetragen. Auf der Abszisse der grafischen Darstellung nach Fig, 2 ist die Zeit vom

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Beginn der BrennstoffZyklusverlängerung im Reaktor 12 an aufgetragen,

Wie oben erwähnt, hat eine Abnahme der Reaktivität im Reaktorkern 12 eine Absenkung der Temperatur des Druckwassers zur Folge, Die Temperaturabnahme des Druckwassers bewirkt eine Verminderung des Druckes und der Temperatur des in die Sekundärschleife 16 eintretenden Dampfes und folglich eine Verminderung der elektrischen Ausgangsleistung der Anlage 10, Dies ist grafisch durch die im Zeitpunkt Null beginnende, abnehmende Kurve der elektrischen Ausgangsleistung dargestellt. Der Zeitpunkt Null repräsentiert den Beginn der BrennstoffZyklusverlängerung, Beginnend in diesem Zeitpunkt Null nimmt die elektrische Ausgangsleistung gemäß der Darstellung vom Wert 100 % während der Verlängerungsperiode des Brennstoffzyklus ab.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der Ausführungsform nach Pig, 1 kann jedoch, wie in Pig, dargestellt, die thermische Ausgangsleistung des Reaktors noch drei Wochen über das normale Ende des Brennstoffzyklus hinaus auf ihrem Nennwert gehalten werden. Es ist jedoch zu beobachten, daß die elektrische Ausgangsleistung der Gesamtanlage 10 von 100 % ihres Nennwertes während

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der ersten drei Wochen der Brennstoffzyklusverlängerung auf etwa 9^ % ihres Nennwerts absinkt. Es ist festzustellen, daß in der Kurve der elektrischen Ausgangsleistung der Anlage 10 stufenweise Änderungen auftreten, die den Zeitpunkten entsprechen, in welchen die Speisewasservorwärmer 56, 58 und 60 außer Betrieb gesetzt werden.

Wie in Verbindung mit Pig, 1 erläutert worden ist, führt das Ausschalten jedes Speisewasservorwärmers wiederum zu einer stufenweisen Abnahme der Sekundärwassertemperatur, Das öffnen des Ventils f2 zum Kurzschließen des Speisewasservorwärmers 56 verursacht also eine stufenweise Abnahme der Temperatur des Sekundärwassers von der Temperatur T auf die niedrigere Temperatur Tl,

In gleicher Weise führt das öffnen des Ventils 74 durch das Steuersystem und das Ausschalten des zweiten Speisewasservorwärmers 58 eine stufenweise Absenkung der Sekundärwassertemperatur von Tl auf den niedrigeren Wert T2 herbei. Schließlich hat das öffnen des Ventils 76 zum Kurzschließen des Speisewasservorwärmers 60 eine stufige Verminderung der Sekundärwassertemperatur von T2 auf den niedrigeren Wert T3 zur Folge,

Aus Pig, 2 ist ersichtlich, daß auch während der

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Wi. ii ■ !ι*».,

stufenweisen Absenkungen der elektrischen Leistung während der ersten drei Wochen der BrennstoffZyklusverlängerung die thermische Ausgangsleistung des Reaktors auf 100 % des Nennwerts gehalten wird. Wie weiter aus Pig, 2 hervorgeht, nimmt die elektrische Ausgangsleistung der Anlage 10 während dieser drei Wochen nur von 100 % des Nennwerts auf etwa 94 % des Nennwerts ab.

Die drei Verminderungssprünge der elektrischen Leistung in Pig, 2 fallen jeweils mit dem Ausschalten eines der Speisewasservorwärmer 56, 58 und 60 aus der Anlage zusammen.

Nach dem Abschalten des dritten und letzten Speisewasservorwärmers aus dem System sinken sowohl die thermische Ausgangsleistung des Reaktors als auch die elektrische Ausgangsleistung der Anlage schneller. Während die thermische Ausgangsleistung des Reaktors auf etwa 85 % des Nennwerts absinkt, nimmt die elektrische Ausgangsleistung der Anlage 10 auf 75 % des Nennwerts ab, so daß die Anlage während einer BrennstoffZyklusverlängerungszeit von bis zu 6 Wochen weiterarbeiten kann.

Es ist offensichtlich, daß eine solche Verlängerung des Brennstoffzyklus durch fortschreitendes Abschalten der Speisewasservorwärmer eine beträchtliche Einsparung von

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Brennstoffkosten mit sich bringt.

Die Verlängerungsperiode des Brennstoffzyklus, während welcher die thermische Ausgangsleistung des Reaktors auf 100 % des Nennwerts gehalten wird, wird durch Absenkung der Reaktorkühlwassertemperatur erreicht, wodurch die erforderliche zusätzliche Reaktivität erzielt wird. Gleichzeitig wird die thermische Ausgangsleistung über dem Dampferzeuger 18 auf ihrem Nennwert gehalten, indem fortschreitend die Differenz zwischen der Temperatur des in die Sekundärschleife 16 eintretenden Dampfes und der Temperatur des in den Dampferzeuger zurückgeleiteten Sekundärwassers vergrößert wird. Durch diese Vergrößerung der Temperäturdifferenz wird die Druckabnahme der Dampfströmung in der Sekundärschleife 16 ausgeglichen, die sich aus der Verminderung der Temperatur des Primärkühlwassers ergibt.

Nachfolgend wird auf Pig« 3 Bezug genommen, welche einen Teil der Sekundärschleife 16 nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform weist die Absperrvorrichtung 70 ein einziges Ventil 78 auf, mittels welchem mindestens die letzten drei Speisewasservorwärmer 56, 58 und 60 zwischen dem Kondensator 5^ und dem Dampferzeuger 18 kurzgeschlossen werden können,

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Bei dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung stellt die Temperaturmeßeinrichtung 68 (Pig, I) wiederum einen bestimmten Temperaturabfall im Reaktor 12 fest. Aufgrund dieses Temperaturabfalls sendet die Temperaturmeßeinrichtung 68 ein bestimmtes Signal an die Absperrvorrichtung 70, Diese Absperrvorrichtung 70 öffnet daraufhin das Ventil 78 und schließt die drei Speisewasservorwärmer 56, 58 und 60 kurz.

Durch das öffnen des Ventils 70 wird die Temperatur des in den Dampferzeuger 18 eintretenden Sekundärwassers von der Temperatur T₁₃ . auf die niedrigere Temperatur T3

opeise

abgesenkt. Bei der in Fig, 1 dargestellten Ausführungsforrn wird beim Abschalten jedes der Speisewasservorwärmer 56, 58 und 60 ein stufenweiser Temperaturabfäll herbeigeführt. Bei der Ausführungsform nach Pig, 3 fallen die bei der Anordnung nach Pig, I auftretenden stufigen Temperaturänderungen weg.

Bei der Ausführungsform nach Pig, 3 wird eine allmähliche Temperaturänderung von der Temperatur ^Tg_Dei_se auf den Wert T3 herbeigeführt«,

Die Auswirkung der Umgehung der Speisewasservor-

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wärmer 56, 58 und 60 ist wiederum die Erhöhung der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des in die Sekundärschleife eintretenden Dampfes und der Temperatur des in den Dampferzeuger 18 zurückgeleiteten Sekundärwassers, Die Vergrößerung der Temperaturdifferenz erzeugt eine Erhöhung der Enthalpiedifferenz zur Aufrechterhaltung der thermischen Ausgangsleistung über dem Dampferzeuger 18 auf dem Nennwert,

Fig, 4 zeigt schematisch einen Teil der geschlossenen Sekundärschleife 16 ähnlich Pig, 3, jedoch gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, In Fig, h weist die Absperrvorrichtung 70 ein Ventil 80 auf, welches in einer Zweigleitung 82 zwischen der Hochdruckturbine 30 und dem Speisewasservorwärmer 56 angeordnet ist.

Wenn die Temperaturmeßeinrichtung 68 einen bestimmten Temperaturabfall im Reaktor 12 mißt und ein entsprechendes Signal an die Absperrvorrichtung 70 sendet, sperrt diese die Zweigleitung 82 zwischen der Hochdruckturbine 30 und dem Speisewasservorwärmer 56 ab.

Durch das Absperren dieser Zweigleitung 82 wird die Wärmequelle für den Speisewasservorwärmer 56 ausgeschaltet

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und das durch diesen Speisewasservorwärmer hindurchströmende Kondensat wird nicht mehr erwärmt. Polglich nimmt die Temperatur des durch die Leitung 62 in den Dampferzeuger eintretenden Kondensats während einer gewissen Zeitspanne auf den Wert Tl ab. Die Auswirkung ist bei der in Pig» 4 dargestellten Ausführungsform gleich derjenigen bei der Ausführungsform nach Fig« 1« Die Temperatur des in den Dampferzeuger 18 eingeleiteten Sekundärwassers wird von T„ . auf den niedrigeren Wert Tl vermindert. Bei der Ausführungsform nach Fig« 4 bleibt jedoch der Speisewasservorwärmer 56 in den Kreislauf eingeschaltet, im Gegensatz zur Anordnung nach Fig« 1, wo er mittels des Ventils 72 kurzgeschlossen wird,

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung, Bei dieser Ausführungsform weist die Absperrvorrichtung 70 ein Ventil auf, welches in eine Nebenstromleitung 86 geschaltet ist, welche die Hochdruckturbine 30 umgeht. Es wird nochmals an die Verhältnisgleichung erinnert, welche besagt, daß in der Sekundärschleife 16 die thermische Ausgangsleistung über dem Dampferzeuger 18 vom Produkt der Dampfströmung und der Enthalpiedifferenz beim Eintritt in die Sekundärschleife und beim Austritt aus derselben abhängig ist«

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Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung wurde zur Kompensation der Druckabnahme des Dampfes in der Sekundärschleife 16 infolge der Temperaturabsenkung des Primärkühlwassers die Enthalpiedifferenz zwischen dem in die Schleife eintretenden und dem aus dieser austretenden Treibmittel vergrößert.

In jedem Fall wurde die Enthalpiedifferenz durch Erhöhung der Differenz zwischen der Temperatur des in die geschlossene Schleife 16 eintretenden Dampfes und der Temperatur des durch die Leitung 62 in den Dampferzeuger zurückgeleiteten Sekundärwassers vergrößert.

Bei der Ausführungsform nach Pig, 5 wird der Strömungsparameter der oben erwähnten Verhältnisgleichung zur Kompensation der Verminderung des Dampfdruckes vergrößert.

Die Hochdruckturbine 30 weist einen Einlaß 32 mit bestimmtem Querschnitt 34 auf, der kleiner als der Querschnitt 44 des Einlasses 42 der Niederdruckturbine 40 ist. Bei der Ausführungsform der Erfindung nach Pig, 5 wird der Strömungsparameter in der Sekundärschleife 16 dadurch vergrößert, daß ein Teil des Dampfes den kleineren Querschnitt 34 des Einlasses 32 der Hochdruckturbine 30 umgeht.

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Da der Querschnitt 44 des Niederdruckturbineneinlasses größer als der Querschnitt 34 des Hochdruckturbineneinlasses 32 ist, vergrößert sich der Strömungsdurchsatz durch die Sekundärschleife 16,

Diese Durchflußvergrößerung durch die Sekundärschleife gleicht den Dampfdruckverlust aus_s der· sich infolge der Absenkung der Primärkühlwassertemperatur ergibt«,

Es ist also klar, daß bei jeder Ausführungsform der Erfindung entweder eine Vergrößerung des Strömungsparameters oder eine Vergrößerung des Enthalpiedifferenzparameters zur Aufrechterhaltung der thermischen Ausgangsleistung über den Dampferzeuger 18 trota der Absenkung der Druckwassertemperatur stattfindet« Wie bereits erwähnt, wird die Temperatur des Druckwassers in der Primärkühlschleife 14 zur Erhöhung der Reaktorreaktivität vermindert, um die thermische Ausgangsleistung des Reaktors 12 während der Brennstoffsyklusverlangerung auf dem Nennwert zu halten.

Während des normalen Betriebes, d»h, während des normalen Brennstoffzyklus des Reaktors 12 wird der Reaktor während Zeitperioden, während welcher ein verminderter Bedarf an elektrischer Energie von der Anlage 10 besteht, zur Ver-

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minderung seines Reaktivitätsniveaus veranlaßt. Während dieser Zeitperioden wird die Reaktorreaktivität durch Einschieben der neutronenabsorbierenden Steuerstäbe 64 in den Reaktorkern vermindert. Dadurch wird die Neutronendichte im Reaktor 12 herabgesetzt. Die abnehmende Reaktivität im Reaktor 12 hat wiederum eine Abnahme der Kühlmitteltemperatur zur Folge, wodurch der Druck des durch die Sekundärschleife 16 strömenden Dampfes abnimmt.

Auf diese Weise ist die Anlage 10 in der Lage, ihre Ausgangsleistung während Belastungstalzeiten zu verringern. Diese Fähigkeit der Anlage 10 zur Verminderung der elektrischen Ausgangsleistung während Belastungstälern wird als Lastfolgefähigkeit bezeichnet.

Während dieser Belastungstalperioden erfährt ein Teil des im Reaktor 12 als Moderator befindlichen Bors eine Umwandlung und erzeugt eine gewisse Menge Xenon im Reaktor, Der Xenongehalt im Reaktor 12 hängt von der Größe der Boränderung im Reaktor 12 ab. Die Anwesenheit von Xenon im Reaktor 12 beeinträchtigt die Lastfolgefähigkeit der Anlage,

Es ist beobachtet worden, daß die Lastfolgefähigkeit

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der Anlage so lange beeinträchtigt ist, bis dem im Reaktor befindlichen Xenon Zeit zum Zerfall gegeben wird. Bei bekannten Anordnungen besteht die einzige Möglichkeit während der Xenon-Zerfallperioden bzw, den sog, Xenon-Übergangsperioden darin, das Xenon zerfallen zu lassen und die Beeinträchtigung der Lastfolgefähigkeit der Anlage während dieser Zeit in Kauf zu nehmen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist jedoch eine zweite Möglichkeit während der Xenon-Übergangsperiode vorgesehen. Bei einer gemäß der Erfindung betriebenen Anlage kann die Lastfolgefähigkeit sogar während der Xenonübergangsperiode aufrechterhalten werden.

Wenn beispielsweise während einer Xenon-Übergangsperiode die volle Leistungsfähigkeit wieder hergestellt werden muß, wird das Reaktivitätsniveau im Reaktor 12 durch Absenkung der Temperatur des Reaktorkühlmittels erhöht. Diese Maßnahme wirkt sich jedoch in einer Druckminderung des in der Sekundärschleife 16 benötigten Dampfes aus. Genau diese Erscheinung tritt jedoch auch während der BrennstoffZyklusverlängerungsphase auf. Während der Brennstoffzyklusverlängerung wird nämlich die Druckwassertemperatur zwecks Aufrechterhaltung des Reaktivitätsniveaus im Reaktor 12 auf einen bestimmten Wert abgesenkt. Während

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dieser Zeit wird die elektrische Ausgangsleistung der Anlage 10 innerhalb eines sehr engen Bereiches auf ihrem Maximalwert gehalten.

Die gleichen Reaktionen des Reaktors und der Anlage finden beim Xenonübergang statt. Durch Absenken der Temperatur des Kühlmittels und durch Kompensation dieser niedrigeren Kühlmitteltemperatur durch Änderung der Enthalpiedifferenz oder des Strömungsdurchsatzes in der Sekundärschleife kann die Lastfolgefähigkeit, die normalerweise während der Xenon-übergangsphase beeinträchtigt ist, aufrechterhalten werden.

Es wurden auch einige Anstrengungen unternommen, den Brennstoffzyklus bei Anlagen mit einem Siedewasserreaktor zu verlängern. Es muß dabei jedoch berücksichtigt werden, daß das Arbeitsprinzip eines Siedewasserreaktors grundsätzlich verschieden vom Arbeitsprinzip eines Druckwasserreaktors ist.

Der Siedewasserreaktor muß aufgrund seiner Natur Dampf mit konstantem Druck erzeugen. Die Erzeugung von Dampf mit konstantem Druck ist notwendig, da der Dampfdruck eine starke Auswirkung auf die Reaktorleistung hat. Ein Dampf-

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druckabfall verursacht einen Leistungsabfall des Reaktors, Zur Beherrschung dieses Effektes muß die Ausgangsleistung des Siedewasserreaktors angehoben oder abgesenkt werden, bevor die Turbine mehr oder weniger Dampf erhalten kann. Wie dem Fachmann bekannt ist, arbeitet die Turbine in Abhängigkeit vom Reaktor,

über das Ende des normalen Brennstoffzyklus hinaus kann die thermische Ausgangsleistung des Siedewasserreaktors durch Verminderung der Speisewassertemperatur konstant gehalten werden. Bei niedrigerer Speisewassertemperatur und gleicher Reaktorleistung wird weniger Dampf erzeugt. Der Dampfdruck wird konstant gehalten, indem die Einlasse der Hochdruckturbine 30 manuell geschlossen werden, um den Strömungsquersehnitt zu vermindern. Dadurch wird der Strömungsdruck vergrößert, Dur-ch Modifizierung der dampfseitigen Schleife kann eine Anlage mit einem Siedewasserreaktor mehr Energie als normal aus einer verminderten Dampfströmung herausziehen, indem das Speisewasser mit niedriger Temperatur zurückgeführt wird.

Bisher wurde jedoch kein integriertes Steuersystem für die Modifikation des Dampfsystems bei einem Siedewasserreaktor angewendet. Der oben beschriebene Betrieb

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eines Siedewasserreaktors ist ein manueller Betrieb und ist bei einem Siedewasserreaktor nicht der Normalfall,

Umgekehrt erlaubt ein Druckwasserreaktor, der gemäß der Erfindung betrieben wird, eine Änderung des Dampfdruckes. Die Turbine kann mehr oder weniger Dampf beziehen, um sich Laständerungen anzugleichen, und die Reaktorleistung wird.entsprechend dem Dampfbedarf erhöht oder vermindert. Das bedeutet, daß in diesem Falle der Reaktor in Abhängigkeit von der Turbine arbeitet.

Nach dem Ende des normalen Brennstoffzyklus erzeugt das Absenken der Kühlwassertemperatur eine Abnahme des Dampfdruckes, Diese Dampfdruckabnahme ist nicht nur beim Betrieb jenseits des Endes des normalen Brennstoffzyklus, sondern auch bei Betrieb bei großen Laststeigerungen charakteristisch. Sobald im Reaktorkern nicht genügend Reaktivität vorhanden ist, um die Reaktorleistung und die Kühlmitteltemperatur so zu steigern, daß die von der Turbine benötigten Dampfbedingungen erfüllt werden, sinkt der Dampfdruck,

Die grundsätzlichen Unterschiede zwischen einem Siedewasserreaktor und einem Druckwasserreaktor bei einer Verlängerung des normalen Brennstoffzyklus können folgender-

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maßen zusammengefaßt werden. Der Siedewasserreaktor erfordert eine Speisewassertemperaturverminderung zur Aufrechterhaltung seiner vollen thermischen Leistung bei einem Dampfdruck, der konstant gehalten werden muß. Ein Druckwasserreaktor kann durch Inkaufnahme einer Dampfdruckverminderung durch eine Speisewassertemperaturverminderung auf seiner vollen thermischen Leistung gehalten werden. Bei niedrigerem Dampfdruck wird die Dampfströmung durch die Turbine vermindert. Die Speisewassertemperatur bei einer Anlage mit einem Druckwasserreaktor kann dann reduziert werden, um die elektrische Ausgangsleistung der Anlage zu vergrößern und die Dampfströmung zu verringern, während der Reaktor mit voller thermischer Leistung arbeitet.

Es ist also ersichtlich, daß mittels der Erfindung eine Kernenergie-Dampfturbinenanlage innerhalb eines engen Bereiches auf ihrer Nennleistung gehalten werden kann. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die thermische Ausgangsleistung eines Reaktors trotz des Reaktivitätsverlustes im Reaktorkern konstant gehalten werden, der jenseits des normalen Endes des Brennstoffzyklus oder während Perioden geringen Leistungsbedarfs auftritt. Es ist außerdem ersichtlich, daß die Anwendung des erfindungs-

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gemäßen Verfahrens eine Möglichkeit zur Beibehaltung der

r'

Lastfolgefähigkeit einer Anlage mit Druckwasserreaktor während Xenon-Zerfallsperioden bietet.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   _n
   1, Verfahren zur Verlängerung der Betriebsperiode

   einer Kernenergie-Dampfturbinenanlage, welche einen mit Wasser als Kühlmittel arbeitenden Reaktorkühlkreislauf und einen Turbinendampfkreislauf enthält, über das Ende des normalen Kernbrennstoff-Brennzyklus hinaus, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktorkühlmitteltemperatur am Ende des normalen Kernbrennstoff-Brennzyklus zwecks Erhöhung des Reaktorreaktivitätsniveaus unter den Normalwert abgesenkt und der Dampfkreislauf für einen Betrieb der Turbine mit Dampf verminderter Temperatur modifiziert wird,

   2« Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anhebung des Reaktivitätsniveaus im Reaktor und die Modifikation des Dampfkreislaufes durch eine Xenon-Übergangsperiode im Reaktor ausgelöst wird,

   3 β Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem im Turbinendampfkreislauf umlaufenden Arbeitsmittel, welches am Anfang des Kreislaufes eine

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   bestimmte Eintrittstemperatur und am Ende des Turbinendampfkreislaufs eine bestimmte Austrittstemperatur aufweist, diese Austrittstemperatur vom Normalwert auf einen niedrigeren Wert abgesenkt wird,

   4, Verfahren nach Anspruch 3 zum Betrieb einer Anlage, bei welcher die Turbinendampfschleife , strömungstechnisch hintereinandergeschaltet, eine Hochdruckturbine und eine Niederdruckturbine, einen Kondensator und Speisewasservorwärmer aufweist, welch letztere über Zweigleitungen mit den Turbinen in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Arbeitsmittels am Ende des Turbinendampfkreislaufs durch Unwirksammachen mindestens eines Speisewasservorwärmers,beispielsweise durch Absperren der zugehörigen Zweigleitung, auf die genannte niedrigere Temperatur abgesenkt wird,

   5, Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsdurchsatz im Turbinendampfkreislauf von seinem Normalwert auf einen vorgebbaren höheren Wert gesteigert wird,

   6, Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn-

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   zeichnet, daß der Dampf an der Hochdruckturbine vorbei und unmittelbar in die Niederdruckturbine hineingeleitet wird.

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