DE2601084A1

DE2601084A1 - Kernreaktoranlage

Info

Publication number: DE2601084A1
Application number: DE19762601084
Authority: DE
Inventors: Jan Elias Speelman
Original assignee: Neratoom BV
Current assignee: Neratoom BV
Priority date: 1975-01-15
Filing date: 1976-01-14
Publication date: 1976-07-22
Also published as: NL7500450A; FR2298163A1

Description

Dr. F. Zumstein sen. - Cr. E. Assmanr« - Dr. R. Koenigsberger Diph-Phys. R. Holzbauer - Dipl.-Ing. F. Klingseisen - Dr. F. Zumstein jun.

PATENTANWÄLTE

8 MÜNCHEN 2, PA Dr. Zumstein et al, 8 München 2, BrauhausstraBe A _BB!lllllll ^«-παο^ε _Λ

TELEFON: SAMMELNR. 22 53 TELEGRAMME: ZUMPAT TELEX 529979

6/Li

B 68 Dui

Neratoom B.V., Den Haag / Niederlande

Kernreaktoranlage

Die Erfindung betrifft eine Kernreaktoranlage mit einem Kernreaktor, vorzugsweise einem schnellen Kernreaktor, der einen Core bzw. einen Spaltraum mit Kernbrennstoff enthält, der schnelle Neutronen erzeugt, bei dem das Core von einem Brutmantel umgeben ist und bei dem das Core und der Brutmantel innerhalb eines Reaktorbehälters angeordnet sind.

Der Reaktorbehälter besitzt Zufuhr- und Ablaßanschlüsse für ein Kühlmittel, das im vorliegenden Fall flüssiges Natrium ist. Dieses Kühlmittel kühlt sowohl das Core als auch den Brutmantel im Reaktorbehälter. Der Kühlmittelstrom wird am Boden des Reaktorgefässes aufgeteilt. Der größte Teil des Kühlmittelstromes wird durch das schnelle Reaktorcore ge-

R Π 9 8 3 G / 0 2 ε 7

POSTSCHECKKONTO MÜNCHEN 91139-809. BLZ 70O10080 BANKKONTO BANKHAUS H AUF-HÄUSER KIO-NR 3.7997 BLZ 70O30GOD

leitet, das in diesem Fall die Brutzonen am oberen und unteren Ende einschließt, während der andere Teilstrom durch den radial verlaufenden Brutmantel strömt. Der radiale Brutmantel ist als die Zone bestimmt, die sich seitlich in Form eines Mantels um das Core erstreckt. Beide Bereiche werden von Kühlmittelströmen durchströmt, die nach oben gerichtet sind. Der Brutmantel besteht aus einzelnen Teilen, die Seite an Seite angeordnet sind und die jeweils eine Umhüllung bzw. Hülle aufweisen. Diese einzelnen Bauteile des Mantels sind am oberen Ende von Abdeckplatten überdeckt, die als sogenannte Endwände bezeichnet werden, und an den Seiten der Ausflußseite der einzelnen Bauteile sind Ausflußöffnungen vorgesehen.

Diese Einzelelemente sind austauschbar angeordnet. Zwischen diesen einzelnen Bauteilen bilden sich Zwischenräume, so daß gegebenenfalls eine Leckströmung zwischen dem Brutmantel und dem oberen Raum selbst reguliert werden kann.

Die Teilströmung, die den radialen Brutmantel durchströmt, vermischt sich im oberen Raum nicht mit der Teilströmung, die das. Core passiert hat, außer der Ausnahme der Leckströmung, jedoch mischt sich diese Teilströmung mit dem gesamten Kühlmittelstrom, der in den Reaktor eingespeist wird. Dies ergibt einen Anstieg der Einlaßtemperatur am Core und am Brutmantel. Aufgrund dieser Tatsache ist die Mengenflußbeschränkung, die normalerweise am Grund der einzelnen Bauteile des Brutmantels entstehen, überflüssig.

Diese Tatsache bietet Vorteile beim Abführen der Abklingwärme bei natürlicher Durchströmung, da ein adäquater Kühlmittelstrom durch den Brutmantel aufrechterhalten bleibt, da nämlich keine Mengenflußbeschränkung am Grund dieser einzelnen. Bauteile, wie oben erörtert, vorhanden ist.

Die thermodynamische bzw. thermohydraulische Wirkung einer solchen Reaktoranlage ist vorteilhaft, da keine Mischung des

609830/0267

relativ kalten Teilstroms von dem radialen Brutmantel mit dem relativ heißen Teilstrom vom Core auftritt.

Ein solcher Reaktor kann demnach derart ausgelegt werden, daß dieser eine höhere Auslaßtemperatur als bisher bekannte hat. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Auslegung eines solchen Reaktors eine niedrige maximale Hülltemperatur erreicht, während die ursprüngliche Auslaßtemperatur beibehalten bleibt, so daß eine längere effektive Lebensdauer der Brennstäbe erzielt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform tritt eine Vermischung wenigstens in einer Strahleinrichtung auf, die dem Kühlmittelstrom, der in den Reaktorbehälter eingespeist worden ist, als Druckmittel derart betrieben wird, daß diese Einrichtung Kühlmittel von dem radialen Brutmantel abzieht.

Ferner kann eine Vermischung auch vor einer Rotationspumpe, wie z.B. einer Zentrifugalpumpe, oder mit Hilfe einer Strömungsverknüpfungseinrichtung erfolgen. Die Rückströmung kann bei allen diesen Ausbildungsformen reguliert werden, so daß eine erforderliche KühlmitteIströmung durch den Brutmantel bei jeder Betriebsbedingung aufrechterhalten werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung sind innerhalb des Reaktorbehälters ein oder mehrere Immersionskühler angeordnet, die sowohl zum Abführen der Abklingwärme als auch beim Grundbetriebszustand zum Zuführen von Wärme zu dem Betriebsmittel eines eventuellen Energiekreises bestimmt sind. Diese Wärmezufuhr kann zum Aufwärmen des Betriebsmittels und zur weiteren Erwärmung des Speisewassers zwischen dem Verdichter und dem Dampferzeuger oder zusätzlich zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet werden. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer separaten Turbine durchgeführt werden.

Nach einem Reaktorscram bzw. -schnellSchluß i?:t es von Be-

609830/0267

deutung, daß eine Wärmeumlaufkühlung im Reaktorbehälter derart erzeugt wird, daß der Immersionskühler die Zirkulation der abwärts gerichteten Strömung durch die gesamte Strahleinrichtung in Richtung des unteren Reaktorraums unterstützt. Diese Ausführungsform kann auch auf jegliche andere Reaktorbauart übertragen werden. Dies bedeutet demzufolge, daß der Brutvorgang bei dieser Ausbildungsform nicht absolut erforderlich ist, und daß die Erfindung nicht auf einen schnellen Reaktor beschränkt ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung an bevorzugten Ausführungsformen näher erörtert.

Fig. 1 ist eine schematische Vertikalechnittansicht durch einen Reaktor gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht auf die Oberseite einer Anzahl von Elementen, die einen Brutmantel bilden, die in geschlossener Reihe um das Core angeordnet sind;

Fig. 3 zeigt schematisch die Rückströmung mit Hilfe einer Zentrifugalpumpe;

Fig. 4 zeigt schematisch die Rückströmung mit Hilfe einer Strömungsverknüpfungseinrichtung;

Fig. 5 zeigt eine Vertikalschnittansicht durch die rechte Hälfte eines Reaktorbehälters,in dem Immersionskühler untergebracht sind;

Fig. 6 zeigt in einer schematischen Darstellung die von den Immersionskühlern gewonnene Wärme zum Aufheizen des Speieewassers.

In Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 1 der Reaktorbehälter bezeichnet, in dem ein Reaktorcore 2 enthalten ist. Oberhalb und unterhalb des Cores sind entsprechend die Brutzonen 3 und 4 angeordnet. Ein Brutmantel 5, bestehend aus mehreren Bauteilen 6, ist in Form einer geschlossenen Reihe um das Core angeordnet. Weder im Core des Reaktors noch in den Zonen 3 und 4 sind die darin enthaltenen einzelnen Bauteile näher bezeichnet. Diese

60983 0/0267

einzelnen Bauteile sind nur schematisch dargestellt, wie z.B. eine Anzahl von Steuerelementen 7, die von einer Steuerstation 8 betätigbar sind, um den Neutronenhaushalt im Core und im Brutmantel zu regeln. Die Regelstäbe dringen dann in das Core 2 ein, wobei die hierfür benötigten Einrichtungen nicht dargestellt sind.

Alle einzelnen Bauteile des Cores und des Brutmantels sind an einem Gitter 9 angeordnet, das von dem Kühlmittelstrom, der von unten eindringt, durchströmt ist. Eine Wand 10 trennt den Großteil der Brutelemente 6 von dem Kühlraum 12 an der Seite des Cores. Zwei Wände 31 und 32 begrenzen einen Raum 33· Diese Wände umgeben das Oberteil des Brutmantels 5. Der Raum 33 steht einerseits mit Öffnungen 26 der Elemente 6 und andererseits mit Saugöffnungen 35 der Strahleinrichtung 14,15 in Verbindung. Der obere Raum 34 bildet sich oberhalb der Wand 31. Das Kühlmittel tritt in den Reaktorbehälter bei 13 ein und strömt dann durch die Einspritzdüse 14,in der es das Medium 16 vom Oberteil des Brutmantels 5 abzieht.

Diese beiden Medien vermischen sich in dem kegelförmigen Gefäß 17 der Strahleinrichtung, strömen dann durch den Halsabschnitt dieser Einrichtung und verlassen die Strahleinrichtung über den Diffusor 18. Diese Mischung gelangt in den Raum 19, in dem sie sich in zwei Verzweigungsströmungen unterteilt. Ein Zweigstrom strömt entlang 20 und 21 aufwärts durch das Reaktorcore und die Brutzonen 3 und 4 und verläßt anschließend den Reaktorbehälter über den Weg 22 am Auslaß 23. Die andere, nach aufwärts gerichtete Teilströmung in Richtung der Pfeile 24 und 25 kühlen hierbei den Brutmantel 5, der in Form einer geschlossenen Reihe um das Core angeordnet ist. An der Oberseite der Mantelteile sind Seitenöffnungen 26 vorgesehen, durch die das Kühlmittel an der Seite austreten kann, so daß es wiederum zu der Strahleinrichtung 14,15 gelangen kann.

609830/0267

Obwohl in Fig. 1 nur eine einzige Strahleinrichtung gezeigt ist, kann entsprechend den Erfordernissen eine Anzahl dieser Strahleinrichtungen in einer geschlossenen Reihe um das Reaktorcore angeordnet sein. Die Bezugsziffer 29 bezeichnet Zwischenräume, die zwischen den Bauteilen 6 freibleiben. Diesen Zwischenräumen kommt eine bedeutende Aufgabe bei einem Reaktorscram zu, wenn die Pumpen des Kühlsystems ausfallen, so daß die Kühlung mit Hilfe der natürlichen Zirkulation zur Nachkühlung des Reaktors durchgeführt werden muß. Dies ist dadurch möglich, daß hierbei spezielle Bedingungen herrschen und prozentual im Mittel das Dreifache an Restwärme in einem Brutmantelelement erzeugt wird *ls in den Coreteilen. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, daß insbesondere der Brutmantel effektiv bei einem solchen Reaktorscram gekühlt wird,wenn ein Sieden des Kühlmittelsverhindert werden soll.

Die natürliche Zirkulation läuft über einen äußeren und inneren Kreislauf ab. Der Verlauf des äußeren Kreislaufes umschließt den Brutmantel 5 und die Zwischenräume 29. Das Kühlmittel strömt in Richtung der Pfeile 30 aus, strömt durch die Auslaßverbindung 23 durch den äußeren Wärmeaustauscher (nicht gezeigt) und zurück zu der Einlaßverbindung 13» und die Strömung verläuft dann durch das Core 2 und den Brutmantel 5 usw.

Der innere Kreislauf der natürlichen Zirkulation verläuft ebenfalls durch den Brutmantel 5, jedoch in diesem Fall nun über die Öffnungen 26 und die Strahlvorrichtung 14-15 und anschließend zurück zu dem Brutmantel 5 in Richtung der Pfeile 24 und 25. Die Strahleinrichtung oder die Strahleinrichtungen sind derart dimensioniert, daß beim normalen Reaktorbetrieb die Druckwerte an beiden Seiten der oben erwähnten Zwischenräume gleich sind, so daß keine innere Leckströmung im Grundbetriebszustand vorhanden ist.

Fig. 2 zeigt schematisch in perspektivischer Ansicht das Oberteil einer Anzahl von einzelnen Bauteilen des Brutmantels 5.

609830/0267

260108 A

Jedes Bauteil 6 ist am Oberteil durch eine Abschlußwand 27 verschlossen, so daß die Kühlmittelströmung seitlich zu den Öffnungen 26 umgelenkt wird. Die Bezugsziffer 28 "bezeichnet zwei Brennelemente des Cores 2. Die Zwischenräume, die zwischen den Endwänden 27 freibleiben, sind mit der Bezugsziffer 29 versehen. Erforderlichenfalls können auch Endwände mit zusätzlichen Öffnungen 11 vorgesehen sein, die die entsprechende Funktion der Zwischenräume 29 übernehmen.

In Fig. 3 ist schematisch die Art und Weise gezeigt, wie der Hauptstrom von dem oberen Raum 34 zu der Pumpe 37 gelangt, die dann das Primärmedium durch den Wärmeaustauscher 38 zu der Leitung 39 fördert. Diese zuletzt genannte Leitung verbindet sich bei 40 mit der Kühlmittelströmung von dem Brutmantel 5, welcher außen um den Reaktorbehälter über die Leitung 41 geströmt ist, die ein Verschlußglied 42 und eine Pumpe 43 enthält.

In der Fig. 4 ist eine bevorzugte Ausführungsform gezeigt, bei der anstatt einer Pumpe 43 eine Strömungsverknüpfungseinrichtung 45 vorgesehen ist. Mit Hilfe der Strömungsverknüpfungseinrichtung 45 wird ein Magnetfeld durch Magnetwicklungen 45 induziert, die die Strömungsmenge, die durch die Leitungen 41 und geht, derart beeinflußt, daß bei einer Strömung in Richtung einer dieser Leitungen die Strömung in der anderen Leitung automatisch nachläuft. Eine solche Strömungsverknüpfungseinrichtung kann derart ausgelegt sein, daß ein bestimmtes Verhältnis zwischen dem Mengenfluß in der Leitung 39 und jenem in der Leitung 41 eingehalten wird.

Fig. 5 zeigt in einer schematischen Halbschnittansicht einen Reaktorbehälter, in dem ein Immersionskühler 47 in dem Raum an der Seite des Reaktorcores angeordnet ist. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Immersionskühler mit schraubenförmigen Wicklungen ausgelegt, die um die Düse 14 der Strahleinrichtung angeordnet sind. Der Immersionskühler kann auch als ein getrenn-

609830/0267

tes Aggregat ausgebildet sein und oberhalb der Strahleinrichtung angeordnet werden. Ein Kühlmittelstrom wird in die Kühlschlange über die Leitung 48 eingespeist und über die Leitung 49 ausgelassen. £n der Seite des Brutmantels 5 ist eine Trennwand 50 angeordnet, die wie die Trennwand 51 bis zum oberen Ende des oberen Raums 34 verläuft. Der hierbei gebildete Raum zwischen der Trennwand 51 und der Außenwand 52 des Reaktorbehälters ist am oberen Ende mit einer kreisförmigen Platte 53 verschlossen, so daß sich ein Raum 54 bildet, der als ein Rpum dient, über den die Strahleinrichtung gespeist werden kann.

Der gesamte Kühlstrom wird über die Leitung 31 in diesem Raum eingespeist, und der erwärmte Kühlstrom wird von dem oberen Raum 34 über die Leitung 23 abgeleitet. Unmittelbar unterhalb der Deckplatte 56 des Brutmantels 5 ist ein Durchlaß 55 in der Trennwand 50 vorgesehen. Der Kühlmittelstrom, der entlang des Brutmantels 5 vermischt worden ist, kann über diese Öffnung zu dem Raum 77 gelangen, welcher zwischen der Trennwand 51 und einem Gehäuse 57 freibleibt, das um den Reaktorcore angeordnet ist. Der Kühlmittelstrom von dem Brutmantel wird somit nach oben über den Raum 77 gefördert und kehrt in den Raum 58 um, um entlang den Windungen des Immersionskühlers 47 hinabzuströmen.

Hierbei wird Wärme frei, wobei der Strom der Strahleinrichtung 15 mit dem Hauptstrom vermischt wird und anschließend zu dem unteren Raum 19 zurückgelangt.

Im Grundbetriebszustand können die Leitungen 48 und 49 mit einem oder mehreren Wärmeaustauschern verbunden sein, die dazu dienen, das Betriebsmittel aufzuwärmen, zusätzliche elektrische Energie zu erzeugen oder zusätzlich das Speisewasser aufzuwärmen. Diese letztgenannte Betriebsform wird anhand der Fig. 6 beispielsweise erläutert.

In Fig. 6 ist schematisch ein Kernreaktor mit einem Einlnßrohr

609830/0267

13 und einem Auslaßrohr 23 für den Hauptkühlmittelstrom gezeigt. Die Bezugsziffer 48 und 49 bezeichnen wiederum die Zuführungs- und Abführungsleitungen für die Immersionskühler, die im Innern des Reaktorbehälters angeordnet sind. Im Grundbetriebszustand sind die Absperrventile 59 und 60 geschlossen, während die Absperrventile 61 und 62 offen sind. Die Pumpe fördert demzufolge Wärme von den Immersionskühlern zu einem Wärmeaustauscher 64, der über einem Wärmeaustauscher 65 angeordnet ist, der mit Dampf 67 betrieben wird, welcher von der Dampfturbine 68 abgezogen worden ist.

Hierbei ist mit der Bezugsziffer 66 eine Speisewasserpumpe und mit 69 eine Kondensatpumpe bezeichnet, während mit 70 der Kondenser bezeichnet ist. 71 ist ein Stromerzeuger und 72 ein Wärmeaustauscher, über den die Wärme vom Primärkreis 73 zu dem Sekundärkreis 74 übertragen wird.

Wenn ein Scram aufgetreten ist, werden die Ventile 59 und 60 geöffnet, während die Ventile 61 und 62 geschlossen werden. Die Pumpe 63 fördert nunmehr das Kühlmittel in dem Kreislauf 48-49 über einen Kühler 75, der die Abklingwärme mit Hilfe eines Kühlmittels 76 abführt, das nicht im einzelnen gezeigt ist.

60983 0/0267

Claims

Patentansprüche

1. Kernenergiereaktoranlage mit einem Kernreaktor, insbesondere einem schnellen Reaktor, mit einem Core mit Kernbrennstoff, der schnelle Elektronen liefert, bei der das Core von einem Brutmantel umgeben ist, das Core und der Brutmantel in einem Reaktorbehälter untergebracht sind, der Zuführungs- und Ableitungsanschlüsse für einen Kühlmittelstrom, vorzugsweise für flüssiges Natrium, besitzt, wobei das Kühlmittel den Innenra.um des Reaktorbehälters kühlt, der Kühlmittelstrom in zwei getrennte Ströme unterteilt wird, dessen einer Teilstrom,der sogenannte Brutmantelkühlstrom, lediglich den Brutmantel durchströmt, während der andere Teilstrom durch das Reaktorcore verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelstrom am Strömungsende der Einzelteile des Brutmantels (5), die um das Core (2) angeordnet sind, zum Einlaß · des Kühlstromes des Cores ausströmt und sich mit diesem vermischt.

2. AnInge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung mit einer Pumpe erfolgt.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe als wenigstens eine Strahleinrichtung (14,15) ausgebildet ist, die mit dem Kühlmittelstrom betreibbar ist, der in den Reaktorbehälter (1) eingespeist wird, und daß die Strahleinrichtung Kühlmittel von dem Brutmantel (5) abzieht.

4. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe eine elektromagnetische Pumpe ist.

609830/0267

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe als eine Strömungsverknüpfungseinrichtung (45) ausgelegt ist, die den Hauptkühlmittelstrom mit dem Brutmantelkühlmittelstrom koppelt.

6. Anlage nach Anspruch j5> dadurch gekennzeichnet, daß die Strahleinrichtung (14,15) derart ausgelegt ist, daß die Rückströmung durch den Brutmantel derart stark ist, daß eine genügende Menge an Kühlmittel durch den Brutmantel in jedem Betriebszustand strömt.

7. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückströmung regulierbar ist, daß der erforderliche Mengenfluß durch den Brutmantel bei allen normalen und abnormalen Betriebszuständen (ein Reaktorscrsm ist eingeschlossen) aufrechterhalten bleibt.

8. Anlage nach Anspruch 1, bei der der Brutmantel aus mehreren Elementen besteht, die Seite an Seite angeordnet sind und jeweils eine Hülle besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß Öffnungen (26) an einer HüHe nahe dem Strömungsende vorgesehen sind, die mit der Saugseite der Strahleinrichtung (14,15) in Verbindung stehen.

9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Durchlässe (55) an der Oberseite des Brutmantels (5) vorgesehen sind, die mit der Auslaßverbindung des Reaktorbehälteib in Verbindung stehen.

10. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brut element (6) mit einer Endwand (P.7) verschlossen ist.

11.. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Zwischenräume (29) zwischen benachbarten Brutelementen (6) in der Nähe des Strömungsendes freibleiben.

609830/0267

12. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Öffnung (26) in einer Endwand (27) eines Brutelementes (6) vorgesehen ist.

13. Anlage nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahleinrichtung (14,15) derart bemessen ist, daß im Grundbetriebszustand die Druckwerte an beiden Seiten der Zwischenräume oder Öffnungen gleich sind, so daß kein Kühlmittelstrom durch sie strömt.

14. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlströme in einem Raum (19) unterhalb des Reaktorcores (2) aufgeteilt werden.

15. Anlage nach Anspruch 1, die einen Sekundärkreis zur Energieerzeugung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorbehälter an der Seite des Cores wenigstens einen Immersionskühler (47) enthält, dessen Kühlstrom umkehrbar mit einem wärmeaufnehmenden Wärmeaustauscher des Sekundärkreises verbunden ist.

16. Kernenergiereaktoranlage mit einem Kernreaktor mit einem Core, das in einem Reaktorbehälter untergebracht ist, an dem Zuführ.- und Ablaßverbindungen für einen Primär strom eines Kühlmittels angebracht sind, wobei dieses Kühlmittel den Innenraum des Reaktorbehälters kühlt, und bei der ein Energie erzeugender Sekundärkreis mit Betriebsmittel angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorbehälter an der Seite des Cores wenigstens einen Immersionskühler (47) aufweist, dessen Kühlstrom reversibel mit einem wärmeaufnehmenden Austauscher des Sekundärkreises verbunden ist.

609830/0267