DE2829088A1

DE2829088A1 - Waermeerzeugender kernreaktor

Info

Publication number: DE2829088A1
Application number: DE19782829088
Authority: DE
Inventors: Gerard Dupuy; Maurice Fajeau; Michel Labrousse; Bernard Lerouge; Jean-Luc Minguet
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1977-07-05
Filing date: 1978-07-03
Publication date: 1979-01-25
Also published as: IT1097482B; FR2397046B1; GB2001192A; SE7807529L; SE433271B; FR2397046A1; GB2001192B; BE868494A; IT7825371A0; US4246069A; JPS5417494A

Description

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Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Dieser Reaktor ist vom Wasserbecken-Reaktor abgeleitet und dazu bestimmt, heißes Wasser mit einer Temperatur von etwa 120° C zu liefern, wobei das aufgeheizte Wasser beispielsweise dafür verwendet werden kann, über einen Wärmetauscher eine Heizungsanlage zu versorgen.

Es ist bekannt, daß ein Kernreaktor vom Wasserbecken-Typ ein Reaktor mit relativ geringer Leistung ist, dessen Kern bis zum Boden eines Behälters eingetaucht ist, der ein mit Wasser gefülltes Bekken darstellt, wobei das in dem Wasserbecken befindliche Wasser gleichzeitig als" Reaktionsbremse, als wärmetransportierende FlUssigkeit und als biologischer Schutzfaktor fungiert.

Es ist weiterhin bekannt, daß ein Reaktor des oben genannten Types zur Gewinnung einer Wassertemperatur von etwa 110° bis 120° C verwendet werden kann, und zwar unter der Bedingung, daß der Wasserdruck einen Wert beibehält, der ausreicht, die thermohydraulisehen Verhältnisse im Reaktorkern zu beherrschen, d. h. bei einem deutlich über 2 bar liegenden Druck.

Schließlich ist auch bekannt, daß das Wasserbecken eines solchen Reaktors oben offen ist und daß es aus diesem Grunde praktisch nicht möglich ist, einen nennenswerten Wasserdruck zu erhalten. Es sind deshalb schon verschiedene Lösungen in Betracht gezogen worden, um mittels einer einfachen Vorrichtung den nötigen Oberdruck zu erzielen.
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Diese Lösungen haben indes alle den Nachteil, daß der Überdruck im Verlauf wechselnder Betriebsverhältnisse des Reaktors nicht auf gleichem Niveau gehalten werden kann.

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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen wäraieerzeugenden Kernreaktor auf der Grundlage des Wasserbecken-Typs zu schaffen, der den Nachteil der bekannten Reaktoren nicht aufweist und gleichzeitig inr Hinblick auf die Sicherheit wesentliche Vorteile mit sich bringt.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. :

Im einzelnen handelt es sich bei dem unteren bzw, dem oberen Bereich des Mantels um den Behälter bzw. das Wasserbecken des Reaktors.

Somit wird in dem oben angegebenen Reaktor die Druckregulierung der Flüssigkeit des Behälters durch einen Frussigkeitskreislauf zwischen dem Behälter und dem Wasserbecken sichergestellt bzw. der Kreislauf der Druckregulierung, der die Einrichtung zur Flüssigkeitszuführung sowie die Einrichtung zur Regulierung des Durchflusses der eingeführten Flüssigkeit enthält, arbeitet ununterbrochen und ist von dem Flüssigkeitskreislauf in dem Behälter, d. h. dem primären Abkühlungskreislauf des Reaktorkerns, unabhängig.

Es ist auch festzustellen, daff dank einer ständigen Verbindung zwischen dem Behälter und dem Becken ein Wiedereintauchen des Reaktorkerns nach einem zufälligen Druckabfall in dem Behälter schnell erzielt werden kann.

Erfindungsgemäß enthält der Reaktor zum Zwecke der Sicherstenung einer automatischen Druckregulierung unter anderem in vorteilhafter Weise Steuermittel für die Einrichtung zur Regulierung der Einspritzmenge sowie Mittel zur Feststellung des Flüssigkeitsdrucks in dem unteren Bereich bzw. dem Behälter des Reaktors, welche die besagten Steuermittel in Betrieb setzen.

Im übrigen besteht die erwähnte Wand bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung aus einem Abschnitt, der mit dem erwähnten

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unteren Bereich in Verbindung steht und von einem vertikalen Ring und einer horizontalen oberen sowie einer horizontalen unteren Trennwand umgrenzt ist, wobei der vertikale Ring und die untere Trennwand mit der Flüssigkeit des oberen Bereichs in Kontakt stehen. Außerdem weisen der vertikale Ring und die obere Trennwand erfindungsgemäß solche Abmessungen und einen solchen thermischen Widerstand auf, daß ein Wärmeaustausch zwischen der Flüssigkeit des unteren Bereichs und der des oberen Bereichs ermöglicht wird, wobei der Austausch von Wärmemengen zwischen 0,5 und 1 Prozent der Leistung des Reaktors liegt.

Dank der vorbeschriebenen Eigenschaften kann die Restleistung des Kerns nach einem Reaktorstillstand sehr schnell dadurch beseitigt werden, daß die in der Flüssigkeit des unteren Bereichs enthaltenen Wärmeeinheiten wiedergewonnen und die erhaltenen Wärmeeinheiten zur Flüssigkeit des oberen Bereichs geführt werden, wobei dieser obere Bereich selbsverständlich so ausgelegt ist, daß er eine ausreichende thermische Trägheit aufweist. Eine solche Entleerung kann übrigens ohne die Zuhilfenahme eines mechanischen Elements geschehen, das auf eine äußere Energiequelle angewiesen wäre.

Nach einem anderen Kennzeichen der Erfindung sind die Wärmetauscher und die Pumpen vorteilhafterweise auf einem Niveau angeordnet, welches über dem des Reaktorkerns liegt, so daß sich im Falle eines Pumpensti11 stands in dem unteren Bereich auf Grund der natürlichen Wärmeströmung eine Zirkulation der Kühlflüssigkeit ergibt.

Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung enthält der Reaktor außerdem einen Gasspeicher, dessen Wasserteil mit dem unteren Bereich in Verbindung steht.

Diese Anordnung erlaubt es, einen vereinfachten Druckausgleichskreislauf mit langer Reaktionszeit zu verwenden. Es ist zu erkennen,

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daß der Speicher bei einem Druckausgleichskreislauf mit kurzer Reaktionszeit lediglich dazu dient, mit dem Druckausgleichskreislauf nach zufälligen und sehr wesentlichen Änderungen des Volumens der in dem Behälter enthaltenen Flüssigkeit zu kooperieren.

Entsprechend dieser Anordnung ist der Kern vorzugsweise von einem Ring umgeben und mit dem erwähnten Gasspeicher versehen, wobei sich eine Verlängerung des erwähnten Rings oberhalb des Kerns befindet und den Speicher trägt, der den oben erwähnten Abschnitt durchquert.

Es sei besonders darauf hingewiesen, daß erfindungsgemäß der Reaktor wenigstens zwei Leitungen aufweisen muß, deren eine mit den Einspritzmitteln sowie mit Mitteln zum Regulieren der Durchflußmenge ausgestattet ist. Der Reaktor kann indessen vorteilhafterweise auch drei Leitungen aufweisen, von denen eine mit den oben genannten Mitteln ausgestattet ist, während die beiden anderen Leitungen in die obere bzw. untere Zone des oberen Bereichs einmünden. Da eine Druckverminderung die Flüssigkeit des Behälters zum Sieden bringt, kann sich eine Flüssigkeitsmenge am Ende des Wasserbeckens . in der Nähe des Behälters absetzen, und zwar durch die in die untere Zone des letzteren einmündende Leitung, während der Dampf weiterhin durch die in die obere Zone einmündende Leitung ausströmt.

Nach einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthält der Reaktor außerdem ein Gefäß, welches einerseits über die erwähnten Leitungen mit dem oberen Bereich und andererseits mit dem erwähnten unteren Bereich in Verbindung steht, wobei dieses Gefäß Umlenkplatten aufweist, die so in dem Gefäß angeordnet sind, daß sich eine Kühlflüssigkeitsmenge von dem unteren Bereich im oberen Bereich nur dann absetzt, wenn eine Verringerung der eingeführten Flüssigkeitsmenge in dem unteren Bereich stattgefunden hat.

Diese Vorrichtung hat den Vorteil, daß die ständigen Leistungsverluste, die mit dem Be- und Entladungsvorgang in Verbindung stehen,

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in Grenzen gehalten werden können, wobei die Verluste nur dann bemerkenswert sind, wenn die Flüssigkeit in dem unteren Bereich erhitzt wird.

Erfindungsgemäß kann das Gefäß direkt über der oberen Trennwand der horizontalen Wand angeordnet werden und auf seiner Oberfläche wenigstens zwei 'Öffnungen aufweisen, durch die die erwähnten Leitungen einmünden, sowie an seinem unteren Ende weitere Offnungen enthalten, die in den oben erwähnten Abschnitt einmünden.

Für einen erfindungsgemäßen Reaktor, bei dem der Kern mit einem Ring bzw. einer Manschette umgeben ist, deren Verlängerung oberhalb des Kerns einen Gasspeicher trägt, kann das Gefäß ebenfalls an dem oberen Teil des Speichers angebracht werden und auf seiner Oberfläche wenigstens zwei Öffnungen aufweisen, durch welche die besagten Leitungen einmünden. In seinem unteren Teil kann es weitere Öffnungen besitzen, die in den ringförmigen Verbindungsteil münden, der um den Speicher durch die Verlängerung des Ringes begrenzt ist, wobei der ringförmige Verbindungsteil mit dem besagten Abschnitt in Verbindung steht.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht in einer Vorrichtung zum Regulieren des Drucks einer in einer dichten Kammer befindlichen Flüssigkeit, die mit einem Speicherbehälter für die genannte Flüssigkeit verbunden ist.

Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Gefäß enthält, das einerseits über wenigstens zwei, d. h. eine erste und eine zweite Leitung, mit dem erwähnten Speichergefäß und andererseits mit der erwähnten Kammer in Verbindung steht. Sie weist eine Einspritzeinrichtung auf, welche Flüssigkeit über die erste Leitung in das Gefäß eingibt, sowie Mittel zur Regulierung der Einspritzmenge. Das Gefäß enthält Umlenkplatten, die so angeordnet sind, daß eine Flüssigkeitsmenge sich nur dann in der Kammer bei dem Gefäß absetzen kann, wenn vorher eine Verringerung der einge-

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-11-führten Flüssigkeitsmenge in das Gefäß stattgefunden hat.

Die oben beschriebene Vorrichtung ist besonders an die Druckregulierung einer heißen Flüssigkeit angepaßt, die dazu bestimmt ist, ihre Wärmeeinheiten in einen Verbraucherkreis abzugeben, wie etwa die Kühlflüssigkeit des Kerns eines Wärmereaktors vom oben beschriebenen Typ. Indem sie die unmittelbare Umwälzung desjenigen Teils der eingeführten Flüssigkeit zum Speicher sicherstellt, der nicht dazu beiträgt, eine Druckverringerung der Flüssigkeit in der Kammer auszugleichen, gestattet es diese Vorrichtung tatsächlich, die Wärmeaustauschvorgänge zwischen der heißen Flüssigkeit in der Kammer und der kühlen Flüssigkeit in dem Speicher zu begrenzen. Die Kammer und der Speicher können hierbei beispielsweise aus dem unteren bzw. aus dem oberen Bereich eines Wärmereaktors der oben beschriebenen Art bestehen.

Genauer gesagt sind die erwähnten Umlenkplatten in dem Gefäß so angeordnet, daß sie die in das Gefäß eingeführte Flüssigkeit von der ersten zur zweiten Leitung leiten und sich einem direkten. . Fluß der Flüssigkeit zwischen jeder der beiden Leitungen und der Kammer entgegenstellen.

Auf der anderen Seite kann die oben angegebene Regulierungsvorrichtung zum Zv/ecke des automatischen Funktion!erens in vorteil hafter Weise Steuermittel für die Einrichtung zur Regulierung der Einspritzmenge sowie Mittel zur Feststellung des FTüssigkeitsdrucks in der Reaktorzelle aufweisen, die die Steuermittel in Gang setzen.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung befindet sich das Gefäß wenigstens teilweise im Innern der Kammer.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispiel en des erfindungsgemäßen Reaktors, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Diese Beschreibung dient nur zur Erläuterung und ist in keiner

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einschränkend zu verstehen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Reaktor; Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Teil des Reaktors, der dem Teil A der Fig. 1 entspricht, und zwar entsprechend einer

ersten bevorzugten Ausführungsform; Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Teil B des Reaktors der Fig. 1,

entsprechend einer zweiten bevorzugten Ausführungsform; Fig. 4 eine Schnittdarsteliung einer erfindungsgemäßen Regulierungsvorrichtung für den Druck einer in einer dichten Kammer befindlichen Flüssigkeit, wobei die Kammer mit einem Speicherreservoir für die Flüssigkeit in Verbindung steht;

Fig. 5a und 5b schematische Darstellungen der Arbeitsweise der Vorrichtung gemäß Fig 4.

Man erkennt aus Fig. 1, daß sich die gesamte Vorrichtung in einem Mantel 2 befindet, der an seinem unteren Ende geschlossen und in seinem oberen Teil geöffnet ist, und der sich im Innern eines Reaktordruckgefäßes 4 aus Beton befindet und mit einer Kühlflüssigkeit gefüllt ist.

Der Mantel 2 ist mittels eines Behälters 8, der zv/ei horizontale Trennwände 8a und 8b und einen vertikalen Ring 8j_ aufweist, in einen oberen und einen unteren Bereich geteilt, wobei der untere Bereich zusammen mit dem Behälter 8 die Wanne 10 des Reaktors bildet.

Diese Wanne 10 ist dazu bestimmt, den Primär-Kreislauf der Kühlflüssigkeit des Reaktorkerns aufzunehmen, der in diesem Beispiel aus Wasser - hier als primäres Wasser bezeichnet - und dem oberen Bereich besteht, der das Becken 12 des gleichfalls mit Wasser gefüllten Reaktors bildet.

Der Mantel 2 ist vorzugsweise aus rostfreiem Edelstahl gefertigt und besteht aus zwei getrennten Teilen 2b (Seitenwand der Wanne 10) und

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2h (Seitenwand des Beckens 12), die jeweils auf einer Betonmauer 6 im Innern des Reaktordruckgefäßes 4 ruhen.

Es ist auch zu erkennen, daß der Behälter 8 mit der Wand 2b der Wanne 10 über ein beliebiges bekanntes Mittel verbunden ist, welches es erlaubt, einen ortsfesten unteren Teil der Wanne 10, welcher unter Wasser überprüft werden kann, und einen oberen Teil der Wanne 10, der für eine eventuelle überprüfung aufgetaucht werden kann, zu unterscheiden.
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Die Wanne 10 des Reaktors umfaßt den Kern 14, der aus brennbaren Sätzen besteht und von einem zylindrischen Ring 16 bzw. einem Kernring umgeben ist. Dieser Kernring 16 ist in seinem unteren Teil mit dem Boden der Wanne 10 so verbunden, daß er einen Durchgang für die Kontrollstäbe umgrenzt, wie beispielsweise des Kontrollstabs 18. In seinem oberen Teil bildet er einen Kanal 17, welcher den Behälter 8 durchquert und dazu dient, einen Gasspeicher 20 vorzusehen, indem er ihn trägt.

Es ist festzuhalten, daß der Ring 16 des Kerns 14 Offnungen 22 bzw. 24 aufweist, die zur Einführung des primären Wassers in den Kern bzw. zu dessen Abfluß dienen, wobei jede der Abflußöffnungen 24 an eine Pumpe 26 angeschlossen ist, die den Kreislauf des Kühlwassers in Gang bringt, das schließlich in den Behälter 8 einmündet.

In der VJanne 10 des Reaktors sind auch Wärmetauscher vorgesehen, beispielsweise der Tauscher 28, der in der Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Es wird darauf hingewiesen, daß ein Reaktor, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, z. B. vier Wärmetauscher und vier Pumpen aufweisen kann, welche am Rand der Wanne 10 um den Kern 14 herum verteilt sind. Natürlich ist die Zahl der Wärmetauscher nicht grundsätzlich begrenzt, sondern hängt von der Reaktorleistung ab.

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Der Tauscher 28 ist in Fig. 1 schematisch dargestellt und weist eine zylindrische äußere Wand 30 auf, in deren Innern das primäre Wasser kreist, welches durch die öffnungen 32 hineingelangt.

Im Innern der zylindrischen Wand 30 sind u-förmig gebogene Rohre, wie etwa das Rohr 34 vorgesehen, in denen Wasser - hier als sekundäres Wasser bezeichnet - zirkuliert. Dieses Wasser ist über das Leitungssystem 38 in den Wasserbehälter 36 eingeführt worden und wird aus dem Wasserbehälter über das Leitungssystem 40 wieder herausgelassen.

Die Fig. 1 zeigt außerdem, daß sowohl der Abflußkanal 17, welcher den Ring 16 des Kerns verlängert, als auch die zylindrische Wand 30 eines Wärmetauschers 28 an den Trennwänden 8b und 8h des Behälters aufgehängt sind.

Im übrigen ist festzustellen, daß gemäß der Ausführung des Reaktors der Fig. 1 der Wasserteil des Gasspeichers 20 über eine "Öffnung 44, die sich an seinem Boden 42 befindet, mit demjenigen Bereich der Wanne 10 in Verbindung steht, der sich im Innern des Kernrings 16 befindet.

Nach einem wesentlichen Merkmal der Erfindung v/eist der Reaktor einen Wasserkreislauf zwischen der Wanne 10 und dem Wasserbecken 12 oder einen Druckkreislauf des primären Wassers in der Wanne 10 auf. Dieser Kreislauf enthält eine Frachtleitung 46, die mit ihrem oberen Ende in das Becken 12 und mit ihrem unteren Ende in den Behälter 8 einmündet, wobei die Leitung 46 eine Injektionspumpe 48 zum Einführen des Wassers von dem Becken 12 in die Wanne 10 enthält, sowie einen Schieber 50 zur Steuerung der über die Leitung 46 in die Wanne 10 einmündende Wassermenge, ferner zwei Leitungen 52 und 54 für den Abfluß, die mit ihren unteren Enden in den Behälter 8 und mit ihren oberen Enden in das Becken 12 auf jeweils unterschiedlicher Höhe einmünden.

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Der Druck-Kreislauf enthält für die automatische Druckregulierung eine Steuereinrichtung 51 für den Schieber 50, die mittels eines Geräts 49 zur Erfassung des Drucks des primären Wassers in der Wanne 10 betätigt wird.

Wie weiter unten noch näher erläutert wird, ist die Abflußleitung 52 nicht unbedingt nötig. Sie dient allein zur ordnungsgemäßen Füllung der Wanne 10 für den Fall einer unvorhergesehenen Druckminderung des primären Wassers.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung stehen der vertikale Ring 8]_ und die Trennwand 8h des Behälters 8, die vorzugsweise aus rostfreiem Edelstahl bestehen, mit ihrer gesamten Oberfläche mit dem Wasser des Beckens 12 in Berührung.

Ferner sind der Ring 8J_ und die Trennwand 8h derart dimensioniert und wärmetechnisch ausgelegt, daß sie einen Austausch von Wärme-Einheiten zwischen dem primären Wasser in der Wanne 10 und dem Wasser in dem Becken 12 ermöglichen, wobei der Austausch etwa 0,5 bis 1 Prozent der Reaktorleistung im Normalbetrieb entspricht. Um dies zu erreichen, bemißt sich in einem Reaktor, der einen Wannen-Durchmesser von 10m und einen Beckendurchmesser von lim, sowie eine Wannen- und Becken-Höhe von jeweils ca. 9m besitzt, die Höhe des Rings 8J_ auf Im.Wie weiter unten noch erklärt wird, ist dieser Austausch besonders vorteilhaft, um ein Abkühlen der Sicherheitseinrichtungen des Reaktorkerns nach einem Stillstand des Reaktors zu ermöglichen, ohne indessen die normale Funktionsweise des Reaktors zu beeinträchtigen.

Es ist übrigens festzuhalten, daß ein solches Kühl verfahren für die Einrichtungen des Reaktorkerns den Gebrauch eines mechanischen Mittels, welches einer äußeren Energiequelle bedarf, nicht erfordert, da die Pumpen 26 und die Wärmetauscher 28 höher als der Reaktorkern 14 angeordnet sind, wodurch nach dem Stillstand der Pumpen ein natürlicher Kreislauf durch thermische Bewegung des

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-16-primären Wassers möglich ist.

Die Funktionsweise des Kühlwasserkreislaufs in der Wanne 10 bzw. des primären Kreislaufs ist folgende: Das Wasser dringt über die öffnungen 22 in den Ring 16 des Kerns 14 ein und verläßt diesen wieder über die 'öffnungen 24, nachdem es sich im Kontakt mit den brennbaren Elementen erv/ärmt hat. Mittels der Pumpe 26 gelangt es in den Behälter 8, um dann über die öffnungen 32 in den Wärmetauscher 28 zu gelangen. Dort gibt das Wasser seine Wärme-Energie an das sekundäre Wasser ab, das in den u-förmigen Rohren 34 zirkuliert. Nach dem Verlassen des Tauschers 28 wird das Wasser über die öffnungen 22 wieder in den Ring 16 des Kerns 14 eingeführt.

Es ist nun daran zu erinnern, daß die Leistungsschwankungen des Reaktors von den Bedürfnissen des Verbrauchers abhängig sind und Temperaturschwankungen des primären Wassers mit sich bringen, von denen Kontraktionen bzw. Ausdehnungen des Wasservolumens in dem primären Kreislauf ausgehen.

Dank des Regulierungskreislaufs des Reaktors ist es möglich, nach solchen Temperaturschwankungen des primären Wassers den Druck des primären Wassers in vorgegebenen Grenzen aufrecht zu erhalten. Die Funktionsweise des Druckregulierungskreislaufs ist die folgende:

Im Laufe des Reaktorbetriebs ändert der Druckausgleichsschieber 50, entsprechend der Temperatur des primären Wassers, die Durchflußmenge des Wassers über die Leitung 46 in der Weise, daß der Druck des primären Wassers in der Wanne 10 auf einen Sollwert, der dem Normal betrieb des Reaktors entspricht, gehalten wird.

In einem Reaktor, bei dem die Höhe der Wanne 10 und des Beckens jeweils ca. 9m beträgt, wird das Wasser über die Leitung 46 aus dem Becken 12 in die Wanne 10 unter einem Druck von ca. 8 bis 9 bar eingeführt. Somit bedarf es bei einer Kontraktion des Wasservolumens des primären Wassers einer Zunahme der Durchflußmenge, während eine

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Ausdehnung des Wasservolumens eine Verringerung der Durchflußmenge erforderlich macht.

Selbstverständlich entspricht der Zufluß einer bestimmten Wassermenge über die Leitung 46 dem Abfluß des primären Wassers der Wanne über die Leitungen 52 und 54, und zwar unter Berücksichtigung der Ausdehnung oder Kontraktion des Volumens des primären Wassers, wobei die Leitungen 52 und 54 einen ausreichenden Chargen-Verlust darstellen.

Ebenso ermöglicht die vergrößerte Durchflußmenge die Konstanthaltung des Drucks des primären Wassers auf einem bestimmten Wert, nachdem ein Reaktorsti11 stand eine Kontraktion des primären Wassers ausgelöst hat.

Es ist bekannt, daß es nach einem normalen oder auch nach einem aus Sicherheitsgründen bedingten Stillstand des Reaktors nötig ist, die Restleistung des Kerns 14 zu beseitigen. Zu diesem Zweck ist es üblich, entweder die Möglichkeiten der Leistungsentnahme durch den Verbraucher optimal zu nutzen oder einen behelfsmäßigen Kühlkreislauf zu verwenden.

Erfindungsgemäß ist eine Abkühlung der Sicherheitsgeräte des Kerns in vorteilhafter Weise durch die Rückgewinnung der restlichen Wärme-Energie des primären Wassers möglich. Dieses Wasser kann auf Grund seiner natürlichen Konvektion durch den Kern 14 zirkulieren und die Wärmeeinheiten des primären Wassers auf das Wasser des Beckens 12 durch die Trennwand 8h und den Ring 8J_ des Behälters 8 übertragen. Das Becken 12 ist dabei so ausgelegt, daß es während einer hinreichend langen Zeit an einen Wärmestau angepaßt ist.

Der Gasspeicher 20 hat an der Druckregulierung des Wassers in der Wanne 10 nur dann Anteil, wenn der Druckkreislauf eine zu lange Reaktionszeit aufweist. Außerdem ermöglicht er für den Fall, daß eine Beeinträchtigung des Reaktorbetriebs Volumenänderungen des

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primären Wassers hervorruft, welches sich außerhalb der Regulierungsgabel des Schiebers 50 befindet, daß durch die Änderung seines Wasserstands der Druck des primären Wassers in der Wanne 10 in den vorgegebenen Grenzen gehalten wird, und zwar während eines Zeitraums, der zur eventuellen Stillegung des Reaktors ausreicht.

Andererseits bedingt bei einer Panne im Druckkreislauf der Druckabfall des primären Wassers, daß dieses Wasser zum Sieden gebracht wird. Der dabei entstehende Dampf wird über die Leitungen 52 und 54 abgeleitet. Erreicht der Druck des primären Wassers einen Wert, der unter dem des in dem Becken 12 befindlichen Wassers liegt, so füllt das letztgenannte die Wanne über die Leitung 54 wieder auf, während der Dampf weiterhin über die Abflußleitung 52 entweicht.

Auf diese Weise erhält man durch das Vorhandensein zweier Abflußleitungen 52 und 54 eine ordnungsgemäße Auffüllung der Wanne 10, wobei der Chargen-Verlust der Leitung 54 einer hinreichenden Wiederauffüllung der Wanne 10 nicht im Wege steht.

Beim Betrieb des Druckkreislaufs der oben beschriebenen Art wird eine bestimmte Menge des primären Wassers, dessen Temperatur höher ist als die des im Becken befindlichen Wassers, in dieses Becken entleert.

Im folgenden soll das primäre Wasser in der Wanne 10 als "Heißwasser" und das Wasser in dem Becken 12 als "Kaltwasser" bezeichnet werden.

Die Regelung des Drucks durch den Druckkreislauf wird einen Leistungsverlust zur Folge haben. Deshalb weisen die bevorzugten Ausgestaltungen des Reaktors, die in den Fig. 2 und 3 dargestellt sind, besondere Anordnungen auf, die eine weitestgehende Reduzierung der Verluste ermöglichen.

Diese Anordnungen bestehen im wesentlichen aus einem Gefäß, das

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über wenigstens eine der Leitungen 52 , 54 und 46 mit der Wanne 10 und dem Becken 12 in Verbindung steht und das Umlenkplatten aufweist, die so angeordnet sind, daß sie den Durchfluß von "Heißwasser" aus der Wanne 10 in das Becken 12 nur dann zulassen, wenn eine Verringerung der Durchflußmenge des Wassers über die Leitung 46vorher stattgefunden hat.

Man erkennt in der Fig. 2 denjenigen Teil des Behälters 8, der sich zwisehen der Wand 16 des Gasspeichers 20 und der Wand 30 des Wärmetauschers 28 befindet und der dem Teil A des Reaktors in der Fig. 1 entspricht.

In Fig. 2 erkennt man auch, daß ein Gefäß 58 dicht über der oberen Trennwand 8h des Behälters 8 angeordnet ist. Dieses Gefäß 58 weist an seiner Oberseite zwei 'Öffnungen 60 und 62 auf, in welche die Leitung 46 sowie die Abflußleitung 54 jeweils einmünden, während es an seinem umteren Teil Öffnungen 64 aufweist, die in den Behälter 8 einmünden.

Außerdem enthält das Gefäß Umlenkplatte 66, die senkrecht zu seinen Seitenwänden angeordnet sind, und zwar so, daß sie das über die öffnung 60 eingeführte Wasser derart zur öffnung 62 leiten_s daß ein direkter Fluß des Wassers zwischen der öffnung 60 und den öffnungen 64 verhindert wird.

--■-■Die Funktionsweise eines Gefäßes 58 der oben beschriebenen Art ist die folgende: Nach einer Zunahme der durch die Leitung 46 eingeführten Wassermenge lenken die Umlenkplatten 66 den von der öffnung 60 herkommenden Wasserström in Pfeil richtung f zur öffnung 62 um, und zwar so, daß nur ein Bruchteil des eingeströmten Wassers entsprechend der Wassermenge, die benötigt wird, um die Kontraktion des Volumen des primären Wassers auszugleichen - die Umlenkplatten entsprechend den Pfeilen f durchströmt, um in den Behälter 8 zu gelangen.

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Bei einer Verringerung der Menge des über die Leitung 46 eingeströmten Wassers sichern die Umlenkplatten die unmittelbare Entleerung des gesamten eingeströmten Wassers über die öffnung 62 entsprechend dem Pfeil f, wobei eine Menge von primärem Wasser entsprechend dem Pfeil f" entlang den Umlenkplatten der öffnung 64 in Richtung auf die öffnung 62 fließt.

Hieraus ergibt sich, daß durch das Einfügen des Gefäßes 58 zwischen dem Becken 12 und der Wanne 10 die Leistungsverluste bei der Druckregulierung reduziert werden können, indem vermieden wird, einerseits das "Heißwasser" des primären Kreislaufs durch einfließendes "Kaltwasser" zu ersetzen, und andererseits das "Kaltwasser" in dem Gefäß durch Verwirbeln mit dem primären Wasser zu vermischen.

In der Fig. 3, die dem Teil B des Reaktors in der Fig. 3 entspricht, ist der Behälter 8 der Wanne 10 zu erkennen, der von dem Gasspeicher 20 durchquert wird. Außerdem zeigt diese Fig. 3 eine Platte 21, die mit der Wand des Speichers verbunden ist und in dem oberen Teil des Speichers 20 ein Gefäß 58' abteilt, das die Funktionen des Gefäßes 58 der Fig. 2 wahrnehmen soll.

Der Speicher 20 weist auf seiner Oberseite öffnungen 68a, 68b, 68c auf, durch die die Leitungen 46, 52 54 einmünden. Die Platte 21 ist an ihrem Rand mit öffnungen 23 versehen, die in den ringförmigen Zwischenraum 70 einmünden, welcher um den Speicher herum von dem Kanal 17 begrenzt ist. Der Zwischenraum 70 steht mit dem Behälter 8 über die öffnungen 72 in Verbindung, die eine Zirkulation des Heißwassers in dem Zwischenraum 70 gestatten, und zwar entsprechend einem geringen Bruchteil des Pumpen-Durchsatzes.

Auf der anderen Seite weist das Gefäß 58' Umlenkplatten 71 auf, die in geeigneter Weise zwischen den öffnungen 68 a,b,c und 23 angebracht sind.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausgestaltung steht der Wasserteil

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-21-des Speichers mit dem Gefäß 58' über eine Leitung 74 in Verbindung.

In Fig. 4 ist eine Druckregulierungs-Einrichtung für eine in einer dichten Kammer 102 befindliche heiße Flüssigkeit dargestellt, die von einer Wärmequelle Wärmeeinheiten aufnehmen und einen Teil der aufgenommenen Wärmeeinheiten an einen Verbraucher-Kreislauf 104 wieder abgeben soll.

Die Kammer 102 wird hierbei über eine Leitung 106 mit einem Speicherbehälter 107 verbunden, der in seinem oberen Teil offen ist und eine Flüssigkeit 3f oder kalte Flüssigkeit enthält, die sich von der Flüssigkeit 3c des Mantels 2 nur durch die Werte ihrer Temperatur und ihres Druckes unterscheidet.

Die in Fig. 4 dargestellte Regulierungsvorrichtung besteht im wesentlichen aus dem Flüssigkeitskreislauf zwischen dem Speicherbehälter 107 und dem Mantel 102, der ein Gefäß 118 enthält, wobei einerseits die Leitung 106 mit ihrem unteren Ende durch die öffnung 126 in das Gefäß 118 und andererseits eine Leitung 108 mit ihrem einen Ende in den Speicherbehälter 107 und mit ihrem anderen Ende über die öffnung 124 in das Gefäß 118 einmünden.Die Leitung 108 ist mit einer Einspritzpumpe 110 zum Einspritzen eines Teils der Flüssigkeit 3f in die Kammer 102 sowie mit einem Regulierungsschieber 112 für den Durchfluß der in die Kammer 102 eingeführten Flüssigkeit 3f versehen.

Der oben erwähnte Flüssigkeitskreislauf weist außerdem eine von einem Meßfühler 116 für den Druck der Flüssigkeit 3c in Gang gesetze Steuereinrichtung 114 für den Schieber 112 auf., um den Kreislauf zu automatisieren.

Erfindungsgemäß ist das Gefäß 118 quer zur Wand der Kammer 102 dicht angeordnet und an seinem unteren Teil mit öffnungen 120 versehen. Es weist ferner ei en Satz Umlenkplatten 122 auf, deren besondere Anordnung weiter unten noch näher erläutert wird.

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Die oben beschriebene Vorrichtung ermöglicht es, den Druck der heißen, in der Kammer 102 befindlichen Flüssigkeit in festgelegten Grenzen unabhängig von den Temperaturschwankungen konstant zu halten. Beispielsweise wird der Druck um einen Sollwert herum konstant gehalten, für den die Flüssigkeit in flüssigem Zustand gehalten wird, wenn ihre Temperatur - als Funktion des Bedarfs an Wärmeeinheiten in dem Kreislauf 104 - über der Siedetemperatur bei atmosphärischem Druck liegt.

In der Tat verändert der Regulierungsschieber 112, entsprechend den Temperaturschwankungen der Flüssigkeit 3c, den Durchsatz der über die Leitung 108 in das Gefäß 118 und dann in die Kammer 102 eingeführten Flüssigkeit 3f, und zwar so, daß der Druck der Flüssigkeit 3c um einen Sollwert herum konstant bleibt. Die Kontraktion des Volumens der Flüssigkeit 3c erfordert eine Erhöhung der Einspritzmenge über die Leitung 108, während bei einer Ausdehnung der Flüssigkeit eine Reduzierung der Einspritzmenge vonnöten ist.

Das Gefäß 118 wird in dem Druckkreislauf zwischen der Kammer bzw. dem Mantel 102 und dem Speicherbehälter 107 so eingefügt, daß die Einspritzung einer bestimmten Menge der Flüssigkeit 3f nur dann der Entleerung einer bestimmten Menge der Flüssigkeit 3c entspricht, wenn die letztere sich vorher ausgedehnt hat. Mit anderen Worten: das Gefäß 118 soll die Wärmeverluste bei einer Druckregulierung der Flüssigkeit 3c maximal reduzieren.

Zu diesem Zweck sind die Umlenkplatten 122 des Gefäßes 118 so angeordnet, daß sie den Durchfluß der Flüssigkeit 3c von der Kammer 102 zum Speicherbehälter 107 nur dann zulassen, wenn vorher eine Verringerung der Einspritzmenge der Flüssigkeit 3f stattgefunden hat.

Im einzelnen sind die Umlenkplatten 122 an den Seitenwänden des Gefäßes so angeordnet, daß sie die in das Gefäß 118 eingespritzte Flüssigkeit 3f nach ihrem Eintritt in das Gefäß 118 von der öff-

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nung 124 zur Öffnung 126 lenken und einen direkten Abfluß der Flüssigkeit zwischen der Öffnung 124 und den beiden Öffnungen 120 verhindern.

Die Betriebsweise des in den Fig. 5a und 5b symbolisierten Gefäßes ist die gleiche wie die der Gefäße 58 und 58' in den Fig. 2 und 3. Beispielsweise lenkt bei einer Erhöhung der Durchsatzmenge der Flüssigkeit 3f über die Leitung 108 (Fig. 5a) die obere Umlenkplatte 122a den Flüssigkeitsstrom entsprechend der Pfeilrichtung F von der Öffnung 124 auf die Öffnung 126 derart um, daß nur ein Bruchteil der eingeführten Flüssigkeitsmenge entsprechend der Pfeilrichtung F¹ die Umlenkplatten 122 passiert. Dieser Bruchteil entspricht hierbei der Menge, die notwendig ist, um die Kontraktion des Volumens der Flüssigkeit 3c auszugleichen.

Nach einer Verringerung der Einspritzmenge der Flüssigkeit 3f stellt die Umlenkplatte 122a die direkte Entleerung der Gesamtmenge der eingespritzten Flüssigkeit 3f durch Ablenkung von der Öffnung 124 in Richtung des Pfeils F auf die Öffnung 126 sicher, wobei eine gewisse Menge heißer Flüssigkeit 3c entsprechend dem Pfeil F" an den Umlenkplatten 122 vorbei strömt und somit von den Öffnungen 120 zu der Öffnung 126 gelangt (Fig. 5b).

Auf diese Weise ermöglicht das Gefäß 118 eine Reduzierung der Wärme-Verluste nach einer Druckregulierung, wobei weder die heiße Flüssigkeit 3c durch die kalte Flüssigkeit 3f ersetzt noch das in dem Gefäß befindliche Wasser mit dem in der Kammer befindlichen Wasser durch Verwirbelung vermischt wird.

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Claims

P Wi CA/78 1 _ nachgereioht| COMMISSARIAT A L1ENERGIE ATOMIQlJE 29, rue de la Federation 75015 Paris Frankreich WÄRMEERZEUGENDER KERNREAKTOR Patentansprüche

1. Wärmeerzeugender Kernreaktor, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einer Kühlflüssigkeit gefüllter Mantel (2) vorgesehen ist, der durch eine Wand in einen oberen und einen unteren Bereich unterteilt ist, wobei der untere Bereich den Reaktorkern (14), mindestens einen Wärmetauscher (28) und mindestens eine Pumpe (26) enthält, um einen Teil der Kühlflüssigkeit zwischen Ein- und Ausgang des Kerns (14) über den Wärmetauscher (28) zirkulieren zu lassen, wobei der Reaktor außerdem noch mindestens zwei Leitungen aufweist, die jeweils mit ihrem unteren und ihrem oberen Ende in den unteren bzw. den oberen Bereich einmünden, ferner eine Einrichtung zur Einspritzung eines Teils der in dem oberen Bereich befindlichen Flüssigkeit über eine der Leitungen in den unteren Bereich sowie eine Einrichtung zum Regeln der Menge der in den unteren Bereich eingeführten Flüssigkeit in Abhängigkeit von den Druckschwankungen der Flüssigkeit in dem genannten unteren Bereich.

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ORIGINAL INSPECTED

F- 112-CA/78

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2. Wärmeerzeugender Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (51) vorgesehen ist, die die Einrichtung (50) zum Regeln der Einspritzmenge steuert und daß ferner eine Einrichtung (49) zur Erfassung des Drucks der im unteren Bereich befindlichen Flüssigkeit vorgesehen ist, welche die besagte Steuereinrichtung (51) aktiviert.

3. Wärmeerzeugender Kernreaktor nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontale Wand aus einem mit dem unteren Bereich in Verbindung stehenden Behälter (8) besteht und von einem senkrechten Ring (8JJ sowie einer oberen und einer unteren horizontalen Trennwand (8b, 8h) begrenzt wird, wobei der vertikale Ring (81_) und die obere Trennwand (8h) mit der*Flüssigkeit des oberen Bereichs in Verbindung stehen.

4. Wärmeerzeugender Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Trennwand (8h) und der Ring (81_) solche Abmessungen und einen solchen thermischen Widerstand aufweisen, daß sie einen Wärmeaustausch zwischen den Flüssigkeiten des unteren und des oberen Bereichs ermöglichen, der zwischen 0,5 und 1 Prozent der thermischen Leistung des Reaktors liegt.

5. Wärmee^zeugender Kernreaktor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpen (26) und Wärmetauscher

(28) auf einem höheren Niveau als der Reaktorkern (14) angeordnet sind und daß der Eingang der Wärmetauscher (28) und der Ausgang der Pumpen (26) in den Behälter (8) einmünden.

6. Wärmeerzeugender Kernreaktor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er drei Leitungen aufweist, von denen eine Leitung (46) mit der Einrichtung zur Einspritzung sowie mit der Einrichtung zur Regelung der Einspritzmenge versehen ist und von denen die beiden anderen Leitungen mit jeweils einem Ende in einen unteren bzw. in einen oberen Teil des oberen Bereichs einmünden.

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P Hg-CA/78

7. Wärmeerzeugender Kernreaktor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasspeicher (20) vorgesehen ist, dessen Wasserteil mit dem unteren Bereich in Verbindung steht.

8. Wärmeerzeugender Kernreaktor nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (14) des Reaktors von einem Ring (16) umgeben ist und sich unter dem Gasspeicher (20) befindet, wobei ein Verlängerungsstück des Rings (16) oberhalb des Kerns (14) angeordnet ist und den Speicher (20) trägt, der seinerseits durch den Behälter (8) führt.

9. Wärmeerzeugender Kernreaktor nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gefäß (58) vorgesehen ist, das einerseits mit dem oberen Bereich über die Leitungen (46, 54) und andererseits mit dem unteren Bereich in Verbindung steht, wobei das Gefäß Uralenkplatten (66) besitzt, die darin so angeordnet sind, daß ein Durchfluß der Kühlflüssigkeit von dem unteren Bereich in den oberen Bereich nur dann stattfindet, wenn sich zuvor die eingeführte Flüssigkeitsmenge in dem Gefäß (58) verringert hat.

10. Wärmeerzeugender Kernreaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß (58) wasserdicht quer zur oberen Trennwand (8h) angeordnet ist, daß" es auf seiner Oberseite wenigstens zwei Öffnungen (60, 62) aufweist, in welche die Leitungen (46, 54) einmünden, und daß es öffnungen auf seiner Unterseite aufweist, die in den Behälter (8) einmünden.

11. Wärmeerzeugender Kernreaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß (58') an dem oberen Teil des Gasspeichers (20) vorgesehen ist und an seiner Oberseite wenigstens zwei öffnungen (68a, 68b, 68c) aufweist, durch die die Leitungen (46, 54, 52) einmünden, und daß es ferner öffnungen (23) in seinem unteren Teil aufweist, die in den ringförmigen Zwi-

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schenraum (70) einmünden, der um den Speicher (20) herum dadurch begrenzt ist, daß die Verlängerung des Rings (16) des Kerns (14) mit dem Behälter (8) in Verbindung steht.

12. Wärmeerzeugender Kernreaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserteil des Gasspeichers (20) mit dem Gefäfr (58') in Verbindung steht.

13. Wärmeerzeugender Kernreaktor, insbesondere nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Regelung des Drucks einer in einer Kammer (102) befindlichen Flüssigkeit, wobei diese Kammer mit einem Speicherbehälter (107) in Verbindung steht und ein Gefäß (118) aufweist, das einerseits über mindestens zwei Leitungen (106, 108) mit dem Behälter (107) und andererseits mit der Kammer (102) verbunden ist, wobei eine Einrichtung (110) zur Einspritzung der Flüssigkeit in das Gefäß (118) mit Hilfe einer ersten Leitung (108) sowie einer Einrichtung (112, 114) zur Regelung der Einspritzmenge vorgesehen sind und das Gefäß (HS) Umlenkplatten (122) aufweist, die so angeordnet sind, daß die Flüssigkeit nur dann von der Kammer (102) zum Speicherbehälter (107) fließen kann, wenn vorher die Zulaufmenge der Flüssigkeit in das Gefäß (118) veringert wurde.

14. Wärmeerzeugender Kernreaktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkplatten (122) so angeordnet sind, daß sie die in das Gefäß (118) eingespritzte Flüssigkeit über die erste Leitung (108) zur zv/eiten Leitung (106) dirigieren und ein direktes Abfließen der Flüssigkeit zwischen den Leitungen und der Kammer verhindern.

15. Wärmeerzeugender Kernreaktor nach den Ansprüchen 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (114) zum Steuern der Einstellung der eingespritzten Menge sowie ein Meßfühler (116) zum Ermitteln des Flüssigkeitsdrucks in der Kammer vor-

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gesehen sind, wobei der Meßfühler (116) die Einrichtung (114) aktiviert.

16. Wärmeerzeugender Kernreaktor nach den Ansprüchen 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Gefäß (118) wenigstens teilweise im Innern der Kammer (102) befindet.

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