DE3210745C2

DE3210745C2 -

Info

Publication number: DE3210745C2
Application number: DE3210745A
Authority: DE
Inventors: Kaare Vaesteraas Se Hannerz
Original assignee: ASEA Atom AB
Current assignee: Westinghouse Electric Sweden AB
Priority date: 1981-03-30
Filing date: 1982-03-24
Publication date: 1993-05-13
Also published as: US4526742A; FR2502828B1; DE3210745A1; IT1162801B; GB2098786A; GB2098786B; JPH0332760B2; IT8267412A0; ES8403655A1; ES510918A0; SE8102000L; JPS57175293A; SE435432B; FR2502828A1; CA1173570A

Description

Die Erfindung betrifft eine Reaktoranlage gemäß dem Ober begriff des Anspruches 1. Eine solche Reaktoranlage ist bekannt aus der DE-PS 26 25 543.

Bei dem bekannten Reaktor wirkt im Abschaltkreis eine Druckdifferenz, die von einem im oberen Teil des Reaktor behälters eingeschlossenen Gaskissen herrührt. Die bei normalem Betrieb im Abschaltkreis wirkende Druckdifferenz ist im wesentlichen gleich der statischen Druckdifferenz zwischen zwei Bassinwasserniveaus, deren gegenseitiger Abstand gleich der vertikalen Länge des Gaskissens ist. Diese Druckdifferenz ist bei normalem Reaktorbetrieb im wesentlichen gleich dem Druckabfall am Reaktorkern. Das Ungleichgewicht, das erforderlich ist, damit die Druck differenz des Abschaltkreises einen Bassinwasserfluß durch den Kern treiben kann, tritt nur dann auf, wenn eine be deutende Änderung des Förderdruckes der Pumpe eintritt. Eine Reaktion auf eine zu hohe Temperatur des Reaktorkühlwassers kann man nur indirekt erhalten, nämlich durch Reaktion auf eine durch Dampfblasen hervorgerufene Vergröß rung des hydraulischen Widerstandes des Primärkreises. Eine solche Vergrößerung wird den Kühlwasserfluß durch den Kern und somit den Druckabfall am Kern reduzieren. Die erforderliche Sicherheit erhält man dabei nur dann, wenn die in der Abflußleitung gebildeten Dampfblasen das erforderliche Volumen mit einem großen Sicherheits abstand vor dem Zeitpunkt erreichen, in dem das Wasser im Kern zu sieden beginnt. Da das Volumen jeder Dampfblase bei zunehmendem Druck abnimmt, setzt diese Bedingung eine re lativ niedrige Grenze für den Betriebsdruck, bei dem der bekannte Reaktor verwendet werden kann. Berechnungen haben ergeben, daß dieser Druck unter 10 Bar liegen muß. Der be kannte Reaktor eignet sich also kaum zur Erzeugung von Dampf für Dampfturbinen.

Ferner hat der bekannte Reaktor den Nachteil, daß die trei bende Druckdifferenz, die bei einer Notabschaltung, bei spielsweise bei einem Ausfall der Zirkulationspumpe, im Abschaltkreis wirkt, immer weiter reduziert wird, wenn die dem Reaktorkern zugeführte Bassinwassermenge größer wird, und schließlich Null wird, wenn die dem Reaktorbehälter zugeführte Bassinwassermenge dem Volumen des Gaskissens entspricht. Dies bedeutet, daß ein überwiegender Teil der bei normalem Reaktorbetrieb im Abschaltkreis be findlichen flußtreibenden Mittel nicht imstande ist, während eines nennenswerten Teils der Zeitspanne, in der die Nachleistung des Kerns immer noch relativ groß ist, beispielsweise größer als 50% ihres Höchstwertes, Wasser durch den Kern zu treiben.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich wie die DE-PS 26 25 543 mit einem sehr speziellen Problem, nämlich damit, wie man einen Reaktorbehälter, der an beiden Enden Not kühlöffnungen hat, in einer Weise unter dem Flüssigkeits spiegel eines mit einer stark neutronenabsorbierenden Flüssigkeit gefüllten Bassins anbringen kann, daß die Absorbatorflüssigkeit bei normalem Reaktorbetrieb nicht durch eine oder beide offenen Notkühlöffnungen einströmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reaktor der eingangs genannten Art zu schaffen, der wie der bekannte Reaktor vollkommen unabhängig von temperaturanzeigenden Anordnungen, Ventilen oder ähnlichen technischen Hilfs mitteln notabgeschaltet werden kann, der jedoch im Unter schied zum bekannten Reaktor zur Erzeugung von Dampf ge eignet ist, der einen relativ hohen Druck hat und daher zum Antrieb von Dampfturbinen benutzt werden kann. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Sicherheit dadurch zu erhöhen, daß die Notabschaltung als direkte Reaktion auf eine unzulässige Temperaturerhöhung des Re aktorkühlmittels erfolgt, unabhängig davon, ob der von den Kühlwasserpumpen erzeugte Druckabfall am Reaktorkern auf rechterhalten wird oder nicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Reaktoranlage der eingangs genannten Art vorgeschlagen, die erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.

Bei einer Reaktoranlage gemäß der Erfindung ist die durch eine Erhöhung der Temperatur des Reaktorkühlmittels be dingte Herabsetzung der Dichte des Reaktorkühlmittels für die Auslösung einer Notabschaltung ausreichend. Diese Aus lösung wird bewirkt durch eine Störung des Gleichgewichtes zwischen zwei in demselben hydraulischen Kreis wirkenden Druckdifferenzen, wobei die eine Druckdifferenz von einer sich durch den Reaktorbehälter erstreckenden mit einem Einheitsquerschnitt ausgeführten Kühlwassersäule bestimmt wird.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein wesentlicher Teil der Druckdifferenz, die bei normalem Reaktorbetrieb im Abschaltkreis wirkt und den vom Kühl wasserfluß verursachten Druckabfall am Reaktorkern aus gleicht, über den Zeitpunkt hinaus erhalten bleibt, in welchem die Reaktorleistung bei der Notabschaltung bis auf die Nachleistung reduziert worden ist. Diese Druckdifferenz wird solange, wie noch Flüssigkeit im Bassin vorhanden ist, einen so großen kühlenden Fluß durch den Kern treiben, daß eine unzulässige Erwärmung des Kernes durch die Nach leistung nicht eintritt.

Bei einer Reaktoranlage gemäß der Erfindung beträgt der Druck der Bassinflüssigkeit bei normalem Reaktorbetrieb mindestens 15 Bar, vorzugsweise mehr als 25 Bar.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Reaktoranlage gemäß der Erfindung im Vertikalschnitt längs der Linie I-I in Fig. 2,

Fig. 2 einen Horizontalschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer Reaktoranlage ge mäß der Erfindung einem Vertikalschnitt durch die Längsachse des Bassins, welches wie ein im wesentlichen kreis zylindrischer hohler Körper aufgebaut ist,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Erfindung in gleicher Darstellung wie Fig. 3, wobei in dieser Fig. auch eine Regelanordnung für einen Reaktor nach der Erfindung dargestellt wird. Solche Regelanordnungen sind auch bei den übrigen Aus führungsformen vorhanden.

Fig. 4a ein Flußdiagramm für einen zu der Regelanord nung gehörenden Mikroprozessor,

Fig. 4b in vergrößertem Maßstab und in relativ de taillierter Ausführung den unteren Teil der in den Fig. 3 bis 6 gezeigten Reaktorbehälter,

Fig. 5 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung in gleicher Darstellung wie Fig. 3,

Fig. 6 ein fünftes Ausführungsbeispiel gemäß der Er findung in gleicher Darstellung wie Fig. 3.

In den Fig. 1 und 2 bezeichnet 1 ein Bassin, das aus Spannbeton hergestellt und für einen inneren Druck von mindestens 15 Bar, z. B. 70 Bar, bemessen ist. Das Bassin 1 hat ein metallisches Futter 1′ und ein radial außerhalb dieses Futters liegendes, in den Beton eingebettetes Kühl system mit einer großen Anzahl von Kühlrohren 2. Das Bassin ist mit einem ebenfalls aus Beton bestehenden Bassindeckel 1′′ versehen und bildet zusammen mit diesem Deckel einen Bassinraum 3, der zum größten Teil mit stark boriertem Wasser gefüllt ist und der außerdem ein Gaskissen 4, einen Innenbehälter 5, einen von den Wänden dieses Innenbehälters umgebenen Reaktorbehälter 6, drei U-förmige Dampfgenerator elemente 7 und eine Anordnung 8 zur Aufbewahrung von ge brauchten Brennelementbündeln enthält.

Das in den Beton eingebettete Kühlsystem dient zum Schutz der Bassinwände vor schädlicher Erwärmung. Das Bassin ist außerdem mit einem im Bassin angeordneten Kühler 128 ver sehen, der die Bassinflüssigkeit auf die gewünschte Tempe ratur abkühlt. Der Kühler 128 wird von einem kühlenden Fluid, z. B. Wasser, durchströmt und steht mit dem überwie genden Teil seiner gesamten Kühlfläche in Kontakt mit der Bassinflüssigkeit. Das kühlende Fluid wird dem Kühler über eine Kühlleitung 130 zugeführt. Diese Kühlleitung sowie eine entsprechende Rücklaufleitung 129 sind an einen außer halb des Bassins befindlichen Wärmeaustauscher 131 ange schlossen.

Der Reaktorbehälter 6 besteht aus drei miteinander zusam mengeflanschten Teilen, nämlich einem unteren Teil 6′, einem Zwischenteil 6′′ und einem oberen Teil 6′′′.

Der Reaktorbehälter 6 enthält einen Reaktorkern 9 mit mehreren vertikalen Brennelementbündeln 9′. Der Kern 9 ist von einer zylindrischen Hülle 10 umgeben, die an beiden Enden offen ist. Die Hülle 10 ist an ihrem oberen Ende mit einem in einer Horizontalebene liegenden äußeren Flansch versehen, dessen Außenrand an den oberen Rand des unteren Teils 6′ des Reaktorbehälters befestigt ist. Dieser Flansch hat mehrere durchgehende, kreisrunde Löcher, die hinterein ander in Umfangsrichtung angeordnet sind und mit je einer ringförmigen, elastisch nachgebenden Dichtungsanordnung 11 versehen sind. Ein zum Reaktorbehälterteil 6′′ koaxial an geordnetes Verteilerrohr 12 hat an seinem unteren Ende mehrere Verzweigungen 13, die in den Zwischenraum 14 zwi schen dem unteren Reaktorbehälterteil 6′ und der Hülle 10 durch je eine der Dichtungsanordnungen 11 münden. Das obere Ende des Verteilerrohres 12 umschließt dichtend ein unteres, offenes Ende eines im wesentlichen hohlzylindrischen Kör pers 15, der an seinem oberen Ende geschlossen ist und der unter Bildung eines im wesentlichen zylinderringförmigen Zwischenraums 15′ einen kleineren, im wesentlichen hohlzylindrischen Körper 16 umgibt, dessen oberes Ende hydrau lisch an die Eingangsseite einer Zirkulationspumpe 17 ange schlossen ist und dessen unteres, im übrigen geschlossenes Ende mit drei flexiblen Einlaufstutzen 18 versehen ist, die druckdicht durch die zylindrische Wand des umgebenden Körpers 16 geführt sind und abnehmbar mittels ihres je weiligen Stutzens 18′ in der Wand des oberen Reaktorbehäl terteils 6′′′ eingelassen sind. Jeder Stutzen 18′ ist wie derum an einem Abflußstutzen 18′′ angeschlossen, der zum Primärkreis eines Dampfgeneratorelementes 7 gehört, wobei der hohlzylindrische Körper 16 als Zuflußleitung dient, welche die Einlaßkammer des Reaktorbehälters mit einem Wär meaustauscher verbindet, der aus den drei Dampfgenerator elementen 7 besteht. Die Einlaßkammer besteht aus dem zwi schen den hohlzylindrischen Körpern 15 und 16 vorhandenen zylinderförmigen Raum 15′, dem Raum 14 und dem Raum 12′ im Verteilungsrohr 12. Der Reaktorbehälter hat eine Abfluß kammer 19, die aus dem zwischen dem Verteilungsrohr 12 und den Verzweigungen 13 einerseits und dem Reaktorbehälterteil 6′′ andererseits gebildeten Raum und dem zwischen dem oberen Reaktorbehälterteil 6′′′ und dem hohlzylindrischen Körper 15 gebildeten Raum besteht. Der obere Reaktorbe hälterteil 6′′′ hat drei Ablaufstutzen 29, die über je eine Ablaufleitung 30 an je eine Einlauföffnung des ihnen zu geordneten Dampfgeneratorelements 7 angeschlossen sind. Der hohlzylindrische Körper 15 hat einen oberen hohlzylin drischen Teil 15′′, der in eine durchgehende zentrale Öff nung hineinragt und im Bassindeckel 1′′ angeordnet ist. Der obere Teil 15′′ ist außen mit Hilfe eines balgähnlichen Metallkörpers 20, der zwischen dem oberen Teil 15′′ und einem in den Betondeckel 1′′ eingegossenen Metallring fest geschweißt ist, gegen den Deckel 1′′ abgedichtet. Mehrere am Teil 15′′ festgeschweißte Schenkel 21 tragen einen Pum penmotor 22, der mit der Pumpe 17 durch eine Welle verbun den ist, die durch eine Wellendichtung 23 hindurchgeht, die zum Abdichten gegenüber dem Druckunterschied zwischen Reaktordruck und atmosphärischem Druck vorgesehen ist.

Zuoberst im Bassin wird durch eingeschlossenen Wasserdampf ein Gaskissen 4 gebildet. Das Gaskissen 4 steht mit einem Dampfkessel 24 in Verbindung, der mit einem Druckregler versehen ist. Die Grenzfläche zwischen dem Gaskissen 4 und der Bassinflüssigkeit ist mit 25 bezeichnet, und die Grenz fläche zwischen dem Gaskissen 4 und dem im Reaktorbehälter 6 befindlichen Wasser ist mit 26 bezeichnet. Hohlzylinder 27 bzw. 28 mit einem bienenwabenartigen Aufbau mit verti kalen Kanälen sind längs einer vertikalen Strecke angeord net, innerhalb welcher sich die genannten Grenzflächen möglicherweise verschieben können. Die Hohlzylinder 27 und 28 dienen als "Gradientschloß", d. h. als ein Mittel, mit dessen Hilfe man einen stabilen vertikalen Temperaturgra dienten ins einem vertikalen Verbindungsglied erhält, in welchem sich eine Grenzschicht zwischen einem unteren, verhältnismäßig kalten Fluid und einem oberen, verhältnis mäßig warmen Fluid befindet. Ein Gradientschloß enthält gewöhnlich wenigstens einen Körper aus Bienenwabenstruktur oder einer ähnlichen Struktur mit mehreren dünnen verti kalen Kanälen oder mehreren konzentrischen Zylindern. Bei normalem Reaktorbetrieb ist der Niveauunterschied zwischen den Grenzflächen 25 und 26 kleiner als 30%, vorzugsweise kleiner als 20%, des Abstandes zwischen dem oberen offenen Ende des Reaktorbehälters und dem oberen Rand des Reaktor kerns, und das Niveau der Grenzfläche 25 kann über dem Niveau der Grenzfläche 26 liegen oder umgekehrt. Der Ni veauunterschied kann auch Null betragen.

Der untere Teil 14 der Einlaßkammer 12′ steht über mehrere im Boden des Reaktorteils 6′ angebrachte Düsen 31 über ein an diese Düsen angeschlossenes Rohr 32 in hydraulischer Verbindung mit einer vertikalen Einlaßtrommel 33, die an ihrem unteren Ende eine Einlaßöffnung 33′ für Bassinflüssig keit hat. Die Einlaßtrommel 33 ist mit bienenwabenartig aufgebautem Material gefüllt und enthält also ein Gradient schloß, das im Prinzip aus einer großen Anzahl dünner, parallelgekoppelter, vertikaler Rohre besteht. Alternativ kann ein Gaskissen als Gradientschloß benutzt werden. Beim Abschalten, z. B. bei einem Notabschalten, des Reaktors strömt die borierte Bassinflüssigkeit durch die Öffnung 33′ ein. Diese Öffnung wird deshalb in der vorliegenden Be schreibung "untere Abschaltöffnung" genannt. In entspre chender Weise wird die Öffnung 28′ in dem oberen Reaktor behälterteil 6′′′ "obere Abschaltöffnung" genannt.

Die Zirkulationspumpe 17 ist mit einem Umgehungströmungs pfad versehen. Dieser wird von einer hydraulischen Verbin dung zwischen den Hohlzylindern 16 und 15 gebildet, in der ein Nebenwegventil 34 angeordnet ist.

Der Reaktorbehälter 6, die Dampfgeneratorelemente 7 sowie die diese Teile verbindenden Leitungen sind außen mit einer wärmeisolierenden Schicht 60, beispielsweise in Form eines wassergefüllten Metallgewebes, belegt, so daß die Durch schnittstemperatur des Bassinwassers bei normalem Reaktor betrieb mindestens 50°C, vorzugsweise mindestens 100°C, niedriger ist als die Temperatur des aus der Abflußkammer 19 des Reaktorbehälters heraus strömenden Reaktorkühlwassers. Dies bedeutet, daß das spezifische Gewicht dieses Reaktor kühlwassers erheblich kleiner ist als das spezifische Ge wicht des Bassinwassers. Der Druck, der von einer Bassin wassersäule ausgeübt wird, ist also höher als der Druck, den eine genauso hohe Kühlwassersäule erzeugt. Bei dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Reaktor ist der Niveauunter schied zwischen der an das Gaskissen 4 angrenzenden Kühl wasseroberfläche (Grenzfläche 26) und dem unteren Ende des Reaktorkerns so groß, daß die Druckdifferenz zwischen einer Bassinwassersäule, deren Höhe gleich dem genannten Unter schied ist, und einer genauso hohen Kühlwassersäule bei normalem Reaktorbetrieb einen überwiegenden Teil des Druck abfalles am Reaktorkern ausgleicht.

Bei dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Reaktor ist der durch den Kern strömende Kühlwasserfluß mit Hilfe des Neben wegventils 34 derart eingestellt, daß der Druckabfall am Reaktorkern bei normalem Reaktorbetrieb gleich der Diffe renz zwischen einem ersten Druck, der einer Bassinflüssig keitssäule von der Grenzfläche 25 bis zu einem ungefähr an der Unterkante des Kerns liegenden Niveau entspricht, und einem zweiten Druck ist, der einer Kühlwassersäule von demselben Niveau zur Grenzfläche 26 entspricht. Die durch den Dichteunterschied verursachte Druckdifferenz zwischen der Bassinwassersäule und der Kühlwassersäule ist bei dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Reaktor etwas größer als der Druckabfall am Reaktorkern bei gewünschtem Kühlwasser fluß. Die vertikalen Abmessungen des Bassins und des Re aktors sind also etwas größer als eigentlich erforderlich. Um ein Gleichgewicht zwischen dem genannten Druckabfall und der Druckdifferenz zwischen den beiden Wassersäulen zu erreichen, hat man daher die leichtere der beiden Wasser säulen etwas länger als die andere gemacht, was bedeutet, daß der Druckunterschied zwischen den beiden Wassersäulen etwas kleiner wird als er bei gleich langen Wassersäulen (gleiches Niveau für die Grenzflächen 25 und 26) sein würde.

Bei dem gezeigten Reaktor beträgt der Unterschied zwischen dem Druck, der von einer gedachten Bassinwassersäule von gleicher Höhe über dem unteren Rand des Kerns wie die in der Abflußkammer 19 befindliche Kühlwassersäule ausgeübt wird, und dem Druck, der von dieser Kühlwassersäule aus geübt wird, mehr als 100% des Druckabfalles am Reaktor kern bei normalem Reaktorbetrieb, beispielsweise 110% dieses Druckabfalls. Aus ökonomischen Gründen soll dieser Prozentsatz bei einer Reaktoranlage nach der Erfindung generell kleiner als 140% sein, da man sonst völlig un akzeptable vertikale Abmessungen für Bassin und Reaktor behälter bekommen würde.

Andererseits kann eine Reaktoranlage der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Art mit relativ kleinen vertikalen Ab messungen für Bassin und Reaktorbehälter ausgeführt werden, wobei der Unterschied zwischen dem Druck, der von einer Bassinwassersäule ausgeübt wird, und dem Druck, der von einer genauso hohen Kühlwassersäule ausgeübt wird, kleiner wird, als es zum Ausgleich des Druckabfalles am Reaktorkern bei normalem Reaktorbetrieb erforderlich ist. Um ein Gleichgewicht zu schaffen, erhöht man in einem solchen Fall den Unterschied zwischen dem von der Bassinwassersäule ausgeübten Druck und dem von der Kühlwassersäule ausgeübten Druck dadurch, daß man die erstgenannte Säule länger als die letztgenannte macht, d. h. indem die Grenzfläche 26 auf einem Niveau angeordnet wird, das niedriger als die Grenz fläche 25 liegt. Die Höhe der Kühlwassersäule wird jedoch immer so groß gewählt, daß der Unterschied zwischen dem Druck, der von einer genauso hohen Bassinwassersäule aus geübt wird, und dem Druck, der von der Kühlwassersäule ausgeübt wird, mehr als 60%, vorzugsweise mehr als 80%, des Druckabfalles am Reaktorkern bei normalem Reaktorbe trieb entspricht. Dies bedeutet normalerweise, daß der Höhenunterschied ΔH zwischen der oberen Abschaltöffnung 28′ und der unteren Abschaltöffnung 33′ größer als das Sieben fache der vertikalen Länge L des Kerns ist und daß der mit Kühlwasser gefüllte Teil des Reaktorbehälters eine verti kale Länge hat, die einen überwiegenden Teil der vertika len Länge des Reaktorbehälters ausmacht.

Dadurch, daß der Reaktorbehälter 6 eine untere Abschalt öffnung 33′, durch welche die Bassinflüssigkeit hinein strömen kann, und eine obere Abschaltöffnung 28′ hat, durch die Reaktorkühlwasser aus dem Bassin herausströmen kann, ist der Reaktorkern nicht nur Teil des Primärkühlkreises des Reaktors, sondern auch Teil eines pneumatisch-hydrau lischen Abschaltkreises, in welchem das stark borierte Wasser des Bassins wirksam ist. Der Abschaltkreis enthält im übrigen die Einlaßtrommel 33 mit den zugehörigen Rohren 32, die Düsen 31, den unteren Teil der Einlaßkammer 12′, die Abflußkammer 19 und das Gaskissen 4. In dem Abschaltkreis bildet die Kombination einer im Reaktorbehälter befindli chen, ständig warmen Wassersäule und einer außerhalb des Reaktorbehälters befindlichen, ständig kalten Wassersäule ein flußtreibendes System. Dieses erzeugt eine flußtreibende Kraft, d. h. eine treibende Druckdifferenz, die während des einleitenden Teils des Abschaltverlaufes im wesentlichen konstant ist und die von der Größe der vom System getrie benen Flüssigkeitsmenge im wesentlichen unabhängig ist, zumindest während des einleitenden Teils des Abschaltver laufes. Mit dem unterstrichenen Ausdruck ist der Teil des Abschaltverlaufes gemeint, der mit dem ersten Einströmen der Bassinflüssigkeit in den Reaktorbehälter beginnt und bis zu dem Zeitpunkt dauert, in dem das Volumen der einge strömten Bassinflüssigkeitsmenge gleich dem Kühlmittel volumen ist, das sich bei normalem Reaktorbetrieb unterhalb des oberen Randes des Reaktorkerns befindet.

Bei normalem Reaktorbetrieb wird die genannte im Abschalt kreis wirkende Druckdifferenz von dem vom Kühlwasserfluß verursachten Druckabfall am Reaktorkern ausgeglichen, und es findet kein Transport von Bassinflüssigkeit in den Primärkühlkreis des Reaktors statt. Wenn der Kühlwasser fluß im Reaktorkern aufgrund eines Fehlers im Primärkühl kreis des Reaktors reduziert werden sollte, z. B. aufgrund einer ungenügenden Pumpenleistung, so sinkt der Druckabfall am Reaktorkern und kann die flußtreibende Druckdifferenz des Abschaltkreises nicht länger ausgleichen, so daß das Bassin wasserniveau in der Einlauftrommel 33 steigt. Wenn die durch ungenügende Pumpenleistung verursachte Reduktion des Druckabfalls am Kern größer als der Druck ist, der von einer Kühlwassersäule ausgeübt wird, deren Höhe gleich der Höhe des dampfgefüllten Teils der Abflußkammer 19 ist, so verläßt ein Wasserfluß den Reaktorbehälter über den oberen Rand der Abflußkammer, also durch die obere Abschaltöff nung 28′, und ein genauso großer Bassinflüssigkeitsstrom tritt durch die untere Abschaltöffnung 33′ in den Reaktor behälter ein. Dieser ist bei kleinen Abweichungen von der normalen Zirkulation im Primärkühlkreis des Reaktors re lativ klein. Er ist relativ groß bei großen Abweichungen, und er wird von einer Druckdifferenz getrieben, die im Ab schaltkreis wirkt und die nur durch die Differenz zwischen der Dichte des im Bassin befindlichen relativ kalten Wassers und die Dichte des sich im Reaktorbehälter befind lichen relativ warmen Wassers hervorgerufen wird. Bei einer erheblichen Verringerung des durch den Primärkühlkreis strömenden Wasserflusses tritt eine Notabschaltung ein, die in erster Linie durch eine entsprechende Verringerung des Druckabfalls am Reaktorkern verursacht wird. Die Notab schaltung wird außerdem dadurch beschleunigt, daß die Tem peratur des Reaktorkühlwassers ansteigt, was eine Erhöhung der vorgenannten Dichtedifferenz zur Folge hat.

Wenn eine Notabschaltung stattfindet, beispielsweise wegen eines Ausfalls des Pumpenmotors 22, so sinkt die Reaktor leistung auf einen Betrag, welcher der Nachleistung ent spricht, schon dann, wenn die im Kern befindliche Wasser menge einen Borgehalt erreicht, der bedeutend kleiner ist, z. B. kleiner als 50%, als der Borgehalt in der entspre chenden Menge Bassinflüssigkeit.

Solange eine bedeutende Nachleistung vorhanden ist, wird die Dichtedifferenz zwischen der Bassinflüssigkeit und dem im Reaktorbehälter befindlichen Kühlwasser ausreichen, um eine flußtreibende Druckdifferenz im Abschaltkreis bei Nachleistung zu erzeugen, zumindest solange, wie sich ein überwiegender Teil der ursprünglichen Wassermenge noch im Bassin befindet. Das Bassin ist so bemessen, daß sein Wasservolumen mindestens das Dreifache, vorzugsweise min destens das Zehnfache des Volumens des Reaktorbehälters beträgt.

Ein Vorteil einer Reaktoranlage nach der Erfindung besteht darin, daß der Abschaltkreis bei erhöhter Reaktortemperatur eine Notabschaltung oder eine andere regulierende Maßnahme bewirkt, die als direkte Reaktion auf die Temperaturer höhung ausgelöst wird. Bei bekannten Reaktoren erhält man eine solche Reaktion nur indirekt, und zwar, dadurch, daß die sich bei Übertemperatur bildenden Dampfblasen einen er höhten hydraulischen Widerstand verursachen, woraufhin der Abschaltkreis seinerseits auf einen reduzierten Kühlwasser fluß reagiert. Wenn die Wassertemperatur in der Abflußkam mer 19 des Reaktorbehälters bei dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Reaktor steigt, dann wird die durch diesen Tem peraturanstieg verursachte Abnahme der Dichte durch einen entsprechenden Anstieg der Grenzfläche 26 kompensiert. Wenn die Wassertemperatur einen bestimmten zulässigen Wert übersteigt, der bei dem herrschenden Reaktordruck unter dem Siedepunkt liegt, dann erreicht die Grenzfläche 26 den oberen Rand des Reaktorbehälters. Ein weiterer Temperatur anstieg hat zur Folge, daß die treibende Druckdifferenz des Abschaltkreises den Druckabfall am Reaktorkern über schreitet, so daß Bassinflüssigkeit durch die untere Ab schaltöffnung 33′ in den Reaktorbehälter strömt. Dieser Fluß hört erst dann auf, wenn eine Temperatursenkung ein tritt, z. B. aufgrund des dem Reaktor zugeführten borierten Bassinwassers. Wenn dagegen der Temperaturanstieg fort schreitet, dann steigt auch die Flußstärke der einströmen den Bassinflüssigkeit.

Wenn im Reaktorkern eine plötzliche Temperaturerhöhung ein tritt, dann kann es im Kühlwasser zu einer starken Dampf bildung kommen, was bedeutet, daß der hydraulische Wider stand im Kern und damit der Druckabfall am Kern erheblich größer werden. In der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Reaktoranlage sind der Kern und der Reaktorbehälter so be messen, daß die durch Dampfbildung verursachte Zunahme der flußtreibenden Druckdifferenz des Abschaltkreises min destens so groß ist, wie die durch diese Dampfbildung ver ursachte Erhöhung des Druckabfalles am Reaktorkern.

Jede Dampfgeneratoreinheit 7 hat auf der Sekundärseite eine Abflußleitung 34a für Dampf (Dampfleitung) und eine Rücklaufleitung 35 für Speisewasser.

Wenn das Bassin aufgrund eines Unglücks einem größeren Druck ausgesetzt werden sollte als dem, für den es bemessen ist, so daß in der Bassinwand Risse auftreten, kann man damit rechnen, daß der Innenbehälter 5 noch intakt ist, da dieser niemals einem größeren Druck als dem statischen Wasserdruck ausgesetzt ist. Das Volumen des Innenbehälters 5 beträgt mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 70%, des Bassinvolumens.

Die Reaktivitätskompensation geschieht bei der hier be schriebenen Ausführung der Erfindung durch Borsäure. Her kömmliche Steuerstäbe sind nicht erforderlich. Statt dessen hat man eine Abschaltvorrichtung, die den Kern bei einer längeren Abschaltung des Reaktors mit Absorptionskörpern versieht, und die auch als zusätzliches Notabschaltsystem wirksam ist. Eine solche Abschaltvorrichtung, die in Fig. 1 gezeigt ist, hat ein oberhalb des Reaktorbehälters ange ordnetes Magazin 36, das aus einer großen Anzahl vertika ler in der Figur nicht dargestellter Magazinrohre zusammen gebaut ist. Jedes Magazinrohr enthält eine große Anzahl Borstahlkugeln. Das Magazin 36 kann mittels einer durch den Bassindeckel geführten Kraftübertragungsvorrichtung 37 um die vertikale Mittelachse gedreht werden. Bei Reaktor betrieb werden die Kugeln mit Hilfe einer nicht darge stellten perforierten Platte im Magazin in ihren Positio nen gehalten. An der Unterseite der Platte sind mehrere Verteilerrohre 38 für die Borstahlkugeln mit ihren oberen Enden unter je einem Loch in der perforierten Platte ange ordnet. Die unteren Enden der Verteilerrohre münden ober halb des ihnen zugeordneten Brennelementbündels 9′.

Jede hydraulische Verbindung 18, 18′, 18′′, 29, 30 zwischen dem Reaktorbehälter 6 und dem aus den Dampfgeneratorele menten 7 bestehenden Dampfgenerator ist im Ganzen über einem Niveau angeordnet, das über dem oberen Rand des Reaktorbehälters liegt und dessen Abstand von diesem oberen Rand mindestens 20%, vorzugsweise mehr als 35%, der maxi malen Wassertiefe im Bassin 3 entspricht. Sollte zwischen der Primärseite und der Sekundärseite eines der drei Dampf generatorelemente eine undichte Stelle auftreten, so kann Wasser durch die Dampfleitungen 34a und die Rücklaufleitung 35 herausgepreßt werden. Dadurch, daß die genannten hydrau lischen Verbindungen oberhalb des genannten Niveaus ange ordnet sind, kann eine solche undichte Stelle niemals zur Folge haben, daß das Bassinwasser unter dieses Niveau sinkt.

Bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung entsteht im Notabschaltkreis eine treibende Druckdifferenz, die einen kostanten oder zunehmenden Fluß im Abschaltkreis treibt, wenn der Druckabfall am Kern kleiner als die treibende Druckdifferenz wird. Statt eine solche Druckdifferenz im wesentlichen durch Ausnutzung der Dichtedifferenz zwischen Bassin- und Reaktorwasser zu er zielen, kann man einen überwiegenden Teil der genannten Druckdifferenz durch eine besondere, zu diesem Zweck vor gesehene Pumpe erzeugen, wie das beispielsweise bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform der Erfindung der Fall ist.

In Fig. 3 haben die bereits in Fig. 1 und 2 verwendeten Bezugszeichen dieselbe Bedeutung. Mit 41 ist ein in einem Druckbehälter angeordnetes Bassin bezeichnet. Das Bassin 41 hat einen Deckel 72 und ist bis zu diesem Deckel mit stark boriertem. Wasser gefüllt. Im Bassin befindet sich ein Re aktorbehälter 42, der einen Reaktorkern 43 umgibt. Der Reaktorbehälter 42 hat eine Abflußkammer 44 und eine Ein laßkammer 45, die zusammen mit dem Kern 43, einer Abfluß leitung 46, einem U-förmigen Dampfgeneratorelement 47, einer Zirkulationspumpe 48 und einer Zuflußleitung 49 zu dem Primärkühlkreis des Reaktors gehören. Das Dampfgenera torelement 47 ist von derselben Art wie das vorstehend be schriebene Element 7. Das obere Ende der Abflußkammer 44 ist von einem glockenförmigen Körper 50′ umgeben, der an einem langen, rohrförmigen Teil mittels nicht dargestellter Arme befestigt ist. Die Abflußkammer 44 steht an ihrem oberen Ende mit einem Gaskissen 50 aus Wasserdampf in Ver bindung, der von einem nicht dargestellten Dampfkessel über ein an den Körper 50′ angeschlossenes Rohr 51 geliefert wird, wobei im Gaskissen 50 ein im wesentlichen konstanter Druck von mindestens 15 Bar, vorzugsweise mindestens 25 Bar, aufrechtgehalten wird.

Zur Einlaßkammer 45 gehört außer einem unterhalb des Kerns befindlichen Raum 45′ ein Nebenraum 45′′, der an seinem unte ren Ende mit einer Eintrittsöffnung 52 für Bassinwasser und mit einem Gradientschloß in Form eines zylindrischen Körpers 53 aus bienenwabenartigem Material mit einer Viel zahl von vertikalen Kanälen versehen ist.

Die untere Abschaltöffnung ist mit 52 und die obere mit 28 bezeichnet. Der obere Pegel der Bassinflüssigkeit liegt oberhalb der Grenzfläche 26′ zwischen dem Gaskissen 50 und dem Reaktorkühlwasser. Die Zuflußleitung 49 teilt sich in zwei Zweige 491 und 49′′, wobei ein überwiegender Teil des Wasserflusses des Primärkühlkreises dem Reaktorkern 43 über den Zweig 49′ und den Nebenraum 45′′ zugeführt wird. Der Zweig 49′ hat einen Abschnitt 54 mit relativ kleinem Querschnitt und parallelgeschaltetem Nebenschlußweg 55, in welchem ein Regelventil 56 liegt, mit dessen Hilfe die Größe des zum Nebenraum 45′′ gelieferten Wasserflusses ge steuert werden kann. Der Nebenraum 45′′ ist mit dem Raum 45′ über einen als Venturirohr ausgebildeten Rohrabschnitt 57′ verbunden und bildet zusammen mit einer am Ende des Zwei ges 49′′ angeordneten Düse 57′′ eine Wasserstrahlpumpe 57. Der Reaktorkern 43, die Abflußkammer 44, das Gaskissen 50, der Bassinraum, die Eintrittsöffnung 52, der Nebenraum 45′′, der Rohrabschnitt 57 und der Raum 45′ bilden einen Notab schaltkreis, in dem die Wasserstrahlpumpe eine treibende Druckdifferenz erzeugt. Bei normalem Reaktorbetrieb wird der Druckabfall am Reaktorkern 43 nur in sehr kleinem Maße durch die Druckdifferenz ausgeglichen, die dem Niveauunter schied zwischen den Grenzflächen 26′ und 25′ des Gaskissens 50 entspricht. Der Druckabfall am Reaktorkern wird bei nor malem Reaktorbetrieb im wesentlichen durch druckerzeugende Systeme ausgeglichen, welche jeweils die Fähigkeit haben, den erzeugten Druck im wesentlichen unabhängig davon auf rechtzuerhalten, ob das Zeitintegral des Wasserflusses groß oder klein ist. Das eine dieser Systeme ist ein Selbstzir kulationssystem, dem eine Druckdifferenz innewohnt, die im Prinzip von dem Dichteunterschied zwischen verhältnismäßig kalter Bassinflüssigkeit und verhältnismäßig warmem Re aktorkühlwasser erzeugt wird. Das andere druckerzeugende System besteht im wesentlichen aus der Wasserstrahlpumpe 57. Dank dieser Pumpe kann man das Bassin und den Reaktor behälter bei der in Fig. 3 gezeigten Reaktoranlage mit be deutend kleineren vertikalen Abmessungen als bei der in Fig. 1 gezeigten Anlage ausführen. Bei einem unnormalen Temperaturanstieg im Reaktorbehälter - eventuell erst beim Sieden, wenn die genannten vertikalen Abmessungen verhält nismäßig klein sind - wird der Dichteunterschied zwischen Bassinflüssigkeit und Reaktorwasser so groß, daß ein kon tinuierlicher Fluß von Bassinwasser durch die Eintritts öffnung 52 einströmen kann. Bei einem Ausfall der Zirku lationspumpe 48 und damit der Wasserstrahlpumpe 57 verur sacht der Dichteunterschied unmittelbar einen im Abschalt kreis strömenden Fluß, dessen Größe mit steigender Tempe ratur im Reaktorkern wächst.

Statt mit der Wasserstrahlpumpe 57 kann eine Reaktoranlage nach der Erfindung mit einer Hilfspumpe versehen werden, die von einem besonderen Motor angetrieben wird, wobei die ser Motor mit dem an die Pumpe 48 angeschlossenen Motor vorzugsweise derart verriegelt ist, daß er bei einem Still stand oder einer starken Drehzahlreduktion des letztge nannten Motors stehen bleibt.

Ferner kann der Reaktor, der im übrigen so ausgebildet ist, wie es die Fig. 1, 4, 5 und 6 zeigen, mit einer Pumpe ausgerüstet sein, die der in Fig. 3 gezeigten Pumpe ent spricht.

Die in den Fig. 1 bis 3 verwendeten Bezugszeichen haben in Fig. 4 dieselbe Bedeutung wie in den vorangegangenen Figuren.

Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 3 gezeigten dadurch, daß die Wasserstrahlpumpe 57 mit der zugehörigen Ausrüstung fehlt und daß das Gaskissen teilweise von dem Deckel 72 abgegrenzt ist, während der glockenförmige Körper 50′ fehlt.

Der das Bassin 41 bildende Behälter ist oben mit einem relativ schmalen, im wesentlichen kreiszylindrischen Hals ausgeführt, der mit Hilfe eines Bassindeckels 72 druckdicht verschlossen ist. Das Bassin wird mit Hilfe des Dampfkessels 24 mit einem Druck von mindestens 15 Bar unter Druck gesetzt. Ein Gaskissen 73 in Form eines mit Wasser dampf gefüllten Raumes befindet sich in dem genannten Hals zwischen dem Bassindeckel 72 und der im Hals befindlichen Kühlwassermenge 74. Eine relativ dünne Grenzschicht, die verdünnte Borsäurelösung enthält, befindet sich mitten zwischen dem unteren und dem oberen Ende eines Gradient schlosses 63, das in den genannten Hals eingepaßt ist und das, wie die vorstehend beschriebenen Gradientschlösser mehrere dünne vertikale Kanäle enthält. Ein oberer Geber und ein unterer Geber, genauer gesagt zwei Thermoelemente 69 und 70, sind in dem Gradientschloß 63 angeordnet, wo bei der vertikale Abstand dieser Thermoelemente voneinan der größer als die Dicke der genannten Grenzschicht bei normalem Reaktorbetrieb ist. Bei dem im Zusammenhang mit Fig. 4 beschriebenen Betriebszustand steht der Geber 69 nur mit Flüssigkeit in Kontakt, welche dieselbe oder an nähernd dieselbe Temperatur wie das aus der Abflußkammer 44 des Reaktorbehälters herausströmende Kühlwasser hat, während der Geber 70 nur mit Flüssigkeit in Kontakt steht, deren Temperatur nicht stark von der mittleren Temperatur der im Bassin befindlichen Borsäurelösung abweicht. Ein oberer Bezugswertgeber 69′ in Form eines Thermoelementes ist oberhalb des Gradientschlosses 63 angeordnet, und ein unterer Bezugswertgeber 70′ ist unterhalb dieses Gradient schlosses angeordnet. Eine Abflußleitung 71 ist hydraulisch zwischen dem Wärmeaustauscher 47 und der Abflußkammer ange schlossen. Die Abflußleitung 71 ist im Gegensatz zu ent sprechenden in den Fig. 1 und 3 gezeigten Leitungen 30 bzw. 46 nicht direkt an die Abflußkammer des Reaktor behälters angeschlossen, sondern über den mit Reaktor kühlmittel 74 gefüllten, zwischen der vorgenannten Grenz schicht und dem aus Wasserdampf bestehenden Gaskissen 73 befindlichen Raum hydraulisch an diese Abflußkammer des Reaktorbehälters angeschlossen.

Der Reaktorbehälter 42′ hat eine obere Abschaltöffnung 75 und eine untere Abschaltöffnung 76. In die letztere ist ein kreiszylindrisches Gradientschloß 64 eingepaßt. Zwei Thermoelemente 61 und 62 sind mit vertikalem Abstand von einander im Gradientschloß angeordnet, während zwei als Thermoelement ausgebildete Bezugswertgeber 61′ und 62′ oberhalb bzw. unterhalb des Gradientschlosses angeordnet sind.

Signale der Geber 61, 62, 61′, 62′ werden einem Regelsystem zur Grenzschichtenregelung in dem unteren Gradientschloß 64 zugeführt, wobei die Grenzschicht zwischen dem relativ warmen Reaktorkühlmittel und der relativ kalten Bassin flüssigkeit bei normalem Betrieb in dem zwischen den Ge bern 61 und 62 liegenden Bereich festgehalten wird. Wenn die Grenzschicht dazu neigt, zu weit abzusinken, wird die Drehzahl der Zirkulationspumpe 48 verringert, was dazu führt, daß die Grenzschicht auf ein höheres Niveau gehoben wird und umgekehrt. Der Reaktor hat zwei als Abflußrohre für Bassinflüssigkeit dienende Steuerrohre 65 und 165, die jeweils mit einem Abflußventil 65′ bzw. 165′ versehen sind. Die Ventile 65′ und 165′ sind mit steuerbaren Verstellvor richtungen 115 bzw. 115′ versehen. Das Abflußrohr 65 hat eine untere Eintrittsöffnung, die im unteren Teil des unte ren Gradientschlosses liegt, sowie eine in einem oberen Bassinbereich angeordnete Eintrittsöffnung 65′′. Letztere ist vorzugsweise so beschaffen, daß sie einen relativ großen hydraulischen Widerstand, aber einen kleinen Widerstand für aus strömenden Dampf hat. Die Öffnung 65′′ dient zum Ablassen von Dampf bei einem möglichen Bruch des Abfluß rohres 65 außerhalb des Bassins und hat somit die Aufgabe, eine Entleerung des Bassins zu verhindern.

Die Geber 69′, 69, 70, 70′ geben Signale an ein Regel system, dessen Aufgabe es ist, die Lage der Grenzschicht zwischen den Gebern 69 und 70 des oberen Gradientschlosses sicherzustellen. Da normalerweise kein Abfluß vom Reaktorbehälter zum Bassin stattfindet, wird die Temperatur im oberen Teil des Gradientschlosses 63 allmählich abnehmen.

Wenn die Temperatur an der Meßstelle des Gebers 69 auf ei nen gewissen Wert gesunken ist, wird ein Niveauanzeiger, der aus den Gebern 69′, 69, 70, 70′ und einem Mikropro zessor 102 besteht, über die signalübertragenden Geräte 116 und 117 ein Signal an ein Relais 118 geben. Dadurch wird das Ablaßventil 65′ geschlossen und das Ablaßventil 165′ geöffnet, was zur Folge hat, daß das durch das Rohr 66 zugeführte Speisewasser das Reaktorwasservolumen vergrößert. Da die Zirkulationspumpe 48 so gesteuert wird, daß die Grenzschicht des unteren Gradientschlosses im wesent lichen eine konstante Lage einhält, wird ein Abfluß vom Reaktorbehälter zum Bassin über das obere Gradientschloß stattfinden. Dadurch wird die kalte Flüssigkeit im oberen Teil des oberen Gradientschlosses 63 durch warmes Reaktor wasser ersetzt, und der Geber 69 wird wieder von warmem Reaktorwasser umgeben.

Um eine Vergrößerung des Wasservolumens 74 zu vermeiden, sind die Ventile 67′, 68′ derart mit dem Ventil 165′ ver riegelt, daß die durch das Ventil 165′ ausströmende Flüs sigkeitsmenge immer gleich der durch die Ventile 68′ und 67′ zugeführten Menge ist.

Wenn die Grenzschicht des oberen Gradientschlosses eine normale Lage (zwischen den Gebern 69 und 70) hat, ist das Ventil 165′ geschlossen und das Ventil 65′ geöffnet. Die Ventile 67′ und 68′ sind so mit dem Ventil 65′ verriegelt, daß die ausströmende Flüssigkeitsmenge der einströmenden gleich ist.

Normalerweise ist es nicht erforderlich, Maßnahmen zu er greifen, um ein Sinken der Grenzschicht unter den Geber 70 zu verhindern.

Aufgrund der Tatsache, daß das untere Ende des Abfluß steuerrohres 65 im Gradientschloß 64 angeordnet ist, findet eine kontinuierliche Erneuerung der Grenzschicht des unte ren Gradientschlosses statt, so daß die Abgrenzungsschärfe dieser Schicht nahezu konstant bleibt. Aufgrund dieser Er neuerung und dem Einfluß eines Regelsystems, mit dessen Hilfe die Temperatur des ausströmenden Reaktorkühlwassers gesteuert wird, strömt fortlaufend eine kleine Menge von Reaktorwasser aus dem Primärkreis heraus. Da die untere Einlaßöffnung des Abflußrohres 65 in oder in unmittelbarer Nähe der unteren Abschaltöffnung angeordnet ist, wird sich kein nennenswerter Teil dieses Abflusses mit der Bassin flüssigkeit mischen. Für den Fall, daß das Reaktorwasser radioaktive Stoffe enthalten sollte, würde man dann weit gehend eine Zufuhr solcher Stoffe an die Bassinflüssigkeit vermeiden.

Bei der Zufuhr einer bestimmten Wassermenge in den Primär kreis wird eine entsprechende, beinahe ebenso große Wasser menge den Reaktorbehälter durch die untere Abschaltöffnung 76 verlassen. Wünscht man aber eine Absenkung der Grenz schicht im oberen Gradientschloß, so muß eine durch das Steuerrohr 66 zugeführte Wassermenge eine entsprechende Bassinflüssigkeitsmenge verdrängen können. Darum wird das Steuerrohr 65 durch das Steuerrohr 165 immer dann ersetzt, wenn die Lage der Grenzschicht zu hoch geworden ist.

Die Signale der Geber 61′, 61, 62, 62′ werden einem Mikro prozessor 101 zugeführt, der nach dem in Fig. 4A gezeigten Flußdiagramm arbeitet, in dem die betreffenden Signalwerte mit T_61′, T₆₁, T₆₂, T_62′ bezeichnet sind. Wenn die Grenz schicht auf ein über dem Meßpunkt des Gebers 61 liegendes Niveau ansteigt, wird am Ausgang des Mikroprozessors 101 ein positiver Impuls gegeben, d. h. U = 1. Wenn die Grenz schicht unter den Meßpunkt des Gebers 62 sinkt, wird da gegen ein negativer Impuls gegeben, d. h. U = -1. Wenn die Grenzschicht zwischen den Meßpunkten der Geber 61 und 62 liegt, wird kein Impuls gegeben, d. h. U. = 0. Die Ausgangs signale des Mikroprozessors werden einem digitalen Inte grator 103 zugeführt, dessen Ausgangswert einem Digital/ Analog-Wandler 104 zugeführt ist. Der Ausgang dieses Wand lers ist über einen Umschalter 106′ an das Steuerglied eines gesteuerten Frequenzumformers 105 angeschlossen, der einen Synchronmotor 48′ speist, welcher mechanisch die Zirkulationspumpe 48 antreibt. Die Frequenz des Frequenz umformers und vorzugsweise auch dessen Spannung variieren in Abhängigkeit der zugeführten Steuerspannung. Bei manu eller Regelung der Pumpendrehzahl wird der Umschalter 106′ in seine andere Lage gelegt, in der der Frequenzumformer 105 eine Steuerspannung von einer manuell verstellbaren Spannungsquelle 106 erhält.

Wenn ein Reaktor nach der Erfindung abgeschaltet ist, ent hält der Primärkreis des Reaktors eine wäßrige Lösung, deren Borinhalt erheblich über der Menge liegt, die er forderlich ist, um eine Kettenreaktion im Reaktor zu ver hindern, während der umgebende Bassinraum mit einer wäßrigen Lösung gefüllt ist, die ungefähr dieselbe Borkonzen tration hat. Die Inbetriebnahme des Reaktors geschieht in der Weise, daß dem im Primärkreis befindlichen Wasser rei nes Wasser zugeführt wird, während die entsprechende Menge boriertes Wasser gleichzeitig das Bassin verläßt. Die hier für und für Steuerzwecke erforderlichen Rohre sind nur in Fig. 4 dargestellt, doch sind entsprechende Rohre bei den übrigen in den Figuren gezeigten Ausführungsformen der Erfindung ebenfalls vorhanden. Bei den in den Fig. 3, 4, 5 und 6 gezeigten Ausführungsformen ist die untere oder obere Abschaltöffnung mit einer Anordnung versehen, die eine Gasmenge auf solche Weise aufnehmen kann, daß ein Gasschloß gebildet wird. Ein solches Gasschloß ist bei normalem Betrieb nicht erforderlich; es ist aber sehr vor teilhaft, bei der Inbetriebnahme eines abgeschalteten Re aktors. Zu Beginn einer solchen Inbetriebnahme wird zu nächst das Bassin mit Hilfe des Druckerzeugers 24 unter Druck gesetzt und die Zirkulationspumpe 48 gestartet und mit niedriger Drehzahl betrieben. Dann erfolgt die Ent borisierung des Reaktorkühlwassers, indem reines Wasser dem Primärkreis durch das Rohr 66 zugeführt wird, während ein gleich großer Fluß borierten Wassers gleichzeitig das Bassin durch die Abflußleitung 65 verläßt. Mit Hilfe des vorgenannten Gasschlosses vermeidet man dabei, daß Bassin flüssigkeit in dem Stadium in den Reaktorbehälter 42′ ein strömt, in dem der Temperaturunterschied zwischen dem Reaktorkühlmittel und der Bassinflüssigkeit sehr klein ist. Ein solches Gasschloß zeigt Fig. 4b, die in relativ großem Maßstab den unteren kreiszylindrischen Abschnitt des Reaktorbehälters 42′ sowie einen daran befestigten ring förmigen Körper 107 zeigt, der zwei koaxial angeordnete kreiszylindrische Abschnitte 120 und 121 hat, die zusammen mit einem sie verbindenden ebenen, ringförmigen Abschnitt 121′ einen offenen ringförmigen Kanal 122 bilden. Ein tassenähnlicher Körper 123 ist koaxial zwischen den kreis zylindrischen Abschnitten 120 und 121 angeordnet und hy draulisch mit der Abflußleitung 65 verbunden. Eine über ein Gasrohr 124 dem Kanal 122 zugeführte Gasmenge, z. B. Stickstoff bildet über dem Bassinflüssigkeitsniveau 125 ein Gaskissen, welches zusammen mit den Körpern 107 und 123 ein Gasschloß bildet. Das Gradientschloß 64 hat zwei kreis förmige Scheiben 64′ und 64′′, die in einem kreisförmigen Hohlzylinder unter Bildung eines Zwischenraumes 64′′′ ange ordnet sind.

Beim Anlassen des Reaktors wird die Drehzahl der Zirkula tionspumpe 48 allmählich erhöht, wenn die Temperatur des Reaktorkühlmittels ansteigt.

Bei normalem Betrieb wird die Reaktortemperatur mit Hilfe eines hierfür vorgesehenen Regelsystems auf dem gewünsch ten Wert gehalten. Das Regelsystem enthält ein Thermoele ment 108, einen Analog/Digital-Umwandler 108′, einen Soll wertgeber 109 für die gewünschte Temperatur des Kernablauf wassers, einen Differenzbilder 110, ein Summierungsglied 111, einen Regler 112, ein Antriebsglied 113 für das Ventil 67′, das in einem Einlaßrohr 67 für reines oder schwach boriertes Wasser angeordnet ist, ein Antriebsglied 114 für das Ventil 68′, das in einer Leitung 68 liegt, die an ei nen nicht dargestellten stark boriertes Wasser enthaltenden Druckbehälter angeschlossen ist, sowie ein Antriebsglied 115 für das Ventil 65′. Die Steuerrohre 68 und 67 sind an das Primärsystem des Reaktors über ein gemeinsames, durch die Bassinwand verlaufendes Einlaßrohr 66 angeschlossen.

Der Regler 112 hat eine PI-Charakteristik, d. h. er arbeitet proportional und, integrierend. Wenn das Ausgangssignal des Reglers 112 positiv ist, was bei einer zu niedrigen Tempe ratur in der Abflußkammer 44 der Fall ist, wird dieses Signal an das Antriebsglied 113 gegeben, wodurch das Ven til 67′ geöffnet wird, während das Steuersignal an das An triebsglied 114 sehr klein, z. B. kleiner als 5% seines Maximalwertes, wird. Wenn das Ausgangssignal des Reglers dagegen negativ ist, wird der Absolutwert des Signals als Steuersignal an das Antriebsglied 114 gegeben, wodurch das Ventil 68′ geöffnet wird, während das Steuersignal an das Antriebsglied 113 sehr klein, z. B. kleiner als 5% seines Maximalwertes, wird. Die Tatsache, daß das Summierungsglied 111 dem Antriebsglied 115 ein Steuersignal zuführt, das größer als die obengenannten sehr kleinen Signale ist, sobald eines der Glieder 113 und 114 ein Steuersignal er hält, das größer als Null ist, hat zur Folge, daß Bassin flüssigkeit das Bassin durch das Abflußrohr 65 bei jeder Zufuhr von verhältnismäßig reinem oder boriertem Wasser durch das Einlaßrohr 66 verläßt. Eine Voraussetzung hier für ist jedoch, daß sich die Kontakte eines für die Grenz schichtenregelung in dem oberen Gradientschloß vorgesehenen Relais 118 in der in Fig. 4 gezeigten Stellung befinden, was der Fall ist, so lange die Grenzschicht nicht oberhalb eines bestimmten zulässigen Grenzschichtbereiches liegt. Die Lage der Grenzschicht wird mit Hilfe einer Regelanord nung gesteuert, zu der außer dem Relais 118 die Vier an dem oberen Gradientschloß 63 angeordneten Geber 69′, 69, 70, 70′, ein an diese Geber angeschlossener Mikroprozessor 102, ein Signalwandler 116 und ein Impulsgeber 117 gehören. Der Mikroprozessor 102 ist in derselben Weise wie der Mi kroprozessor 101 aufgebaut und angeordnet, und das in Fig. 4a gezeigte Flußdiagramm gilt für den Mikroprozessor 102, wenn es dahin modifiziert wird, daß die Ausgangssignale T₆₁, T_61′, T₆₂, T_62′, durch Ausgangssignale der Geber 69, 69′, 70 bzw. 70′ ersetzt werden, wobei die im Text vor kommenden Bezeichnungen 61 und 62 durch 69 bzw. 70 ersetzt werden. Der Signalwandler 116 gibt beim Eingangssignal 1 ein Ausgangssignal von 24 Volt. In den übrigen Fällen ist das Ausgangssignal Null. Jedesmal, wenn das Eingangssignal des Impulsgebers 117 von Null nach 24 Volt wechselt, wird ein 24 Volt-Impuls an der Ausgangsseite des Impulsgebers abgegeben, wobei die Kontakte des Relais 118 während eines Zeitintervalls von der Länge des Impulses die in Fig. 4 nicht gezeigte Lage einnehmen. Der Impuls ist als Folge einer Grenzschichterhöhung in dem oberen Gradientschloß ausgelöst worden.

Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform der Erfindung wird die Abflußkammer 44′ mit Hilfe eines glockenförmigen Körpers 121a abgegrenzt, der ein ringförmiges Gradient schloß 120a umschließt, das dem in Fig. 4 gezeigten Gra dientschloß 63 entspricht und das genau wie dieses zwei (nicht dargestellte) mit vertikalem Abstand voneinander angeordnete Thermoelemente aufnimmt, die auf in gleicher Weise wie die in Fig. 4 gezeigten Geber 69 und 70 zu ei nem Regelsystem gehören. Das obere Ende des glockenförmi gen Körpers 121a ist mit einem durchgehenden Rohr 122a ver sehen. Bei normalem Reaktorbetrieb befindet sich in dem mittleren Abschnitt des Gradientschlosses eine horizontale Grenzschicht zwischen stark boriertem Bassinwasser und schwach boriertem oder reinem Reaktorkühlwasser, wobei das Reaktorkühlwasser den oberhalb der Grenzschicht befind lichen Teil des Körpers 121a sowie das Rohr 122a füllt. Das Bassin hat wie in den übrigen Figuren oben einen schma len, im wesentlichen kreiszylindrischen Abschnitt 123a. Bei normalem Betrieb befindet sich ganz oben in diesem Abschnitt ein Gaskissen 124a, das mit dem Dampfkessel 24 in Verbin dung steht. Das Rohr 122a mündet mit seinem oberen Ende im Gaskissen 124a. Die Abflußkammer 44 ist mit dem Wärme austauscher 47 durch ein Abflußrohr 125a verbunden, das unterhalb des oberen Gradientschlosses 120a an der Abfluß kammer 44 festgeschweißt ist.

Der in Fig. 6 gezeigte Reaktor hat ein oberes Gradient schloß 120′, das dem in Fig. 5 gezeigten Gradientschloß 120a entspricht, sowie einen glockenförmigen Körper 121′, der dem Körper 121a entspricht. Der Körper 121′ steht über ein Rohr 122′ mit einem Gaskissen 124′ in Verbindung. Der oberhalb des Gradientschlosses 120′ befindliche Teil des Körpers 121′ sowie das Rohr 122′ sind bei normalem Betrieb mit Reaktorkühlwasser gefüllt. Die Grenzfläche zwischen dem Gaskissen 124′ und der Bassinflüssigkeit liegt in einem zusätzlichen Gradientschloß 126, das oberhalb des Gradient schlosses 120′ angeordnet ist. Die Grenzschicht zwischen Bassinflüssigkeit und Reaktorkühlwasser liegt im Mittelteil des Gradientschlosses 120′. Eine Abflußleitung 127 mündet in den Körper 121′ über dem Gradientschloß 120′.

Der vertikale Abstand zwischen der oberen Abschaltöffnung und der unteren Abschaltöffnung ΔH, ΔH′, ΔH′′′, ΔH′′′′ ist bei sämtlichen Ausführungsformen mindestens siebenmal, vorzugsweise mindestens achtmal, so groß wie die vertikale Länge des Kerns, die in den Figuren mit L, L′, L′′, L′′′ bzw. L′′′′ bezeichnet ist.

Der Druckerzeuger 24 kann in sämtlichen Fällen durch ein elektrisches Heizelement ersetzt werden, das in der Bassin flüssigkeit im oberen, halsförmigen Teil des Bassins ange ordnet ist.

Die in den Figuren darstellten Kühler sollen - mit Aus nahme von Fig. 3 - nur die Wirkungsweise erklären. Tat sächlich sind die Kühler im oberen Teil des Bassins ange ordnet, damit das Bassin im Falle eines undichten Kühlers nicht entleert wird. Vorzugsweise sind mehrere Wärmeaus tauscher jeweils in einer Tasche im "Dach" des Bassins angeordnet. Jeder Wärmeaustauscher hat eine Gruppe verti kaler Kühlrohre, und jede Kühlrohrgruppe kann von einem im wesentlichen hohlzylindrischen Körper umgeben sein und mit einer elektrisch angetriebenen Pumpe versehen sein, mit deren Hilfe die Bassinflüssigkeit an den Kühlrohren ent langgetrieben wird.

Der vorstehend beschriebene Grenzschichtenindikator nutzt die Tatsache aus, daß die Temperaturen des Reaktorkühl wassers und der Bassinflüssigkeit unterschiedlich sind. Da die beiden Flüssigkeiten sich auch hinsichtlich anderer physikalischer Eigenschaften unterscheiden, können statt der Thermoelemente auch Geber verwendet werden, die andere Eigenschaften erfassen, wie z. B. Geber für den spezifischen elektrischen Widerstand oder Geber für den Lichtbrechungs index.

Statt des beschriebenen Grenzschichtenindikators kann man auch einen Indikator benutzen, der ein langgestrecktes, vertikales, elektrisches Widerstandselement hat, wobei dieses mit seinem Mittelpunkt im Gebiet der Normallage der Grenzschicht angeordnet ist. Der Widerstand dieses Elemen tes zeigt dann die Lage der Grenzschicht an. Zum Beispiel bedeutet die Messung des Minimalwiderstands des Elementes, daß das Widerstandselement nur von Bassinflüssigkeit um geben ist.

Claims

1. Reaktoranlage mit einem in einem Reaktorbehälter (6; 42) eingeschlossenen, wassergefüllten, mit vertikalen Kühlkanä len versehenen Reaktorkern (9; 43), der an eine Einlaßkammer (12′; 45) und an eine Abflußkammer (19; 44) für Kühlwasser angeschlossen ist, mit einem Wärmeaustauscher (7; 47), mit einem Bassin (1; 41), das mit neutronenabsorbierender Bas sinflüssigkeit gefüllt ist und unter Druck steht und in dem der Reaktorbehälter angeordnet ist, mit mindestens einer zwischen dem Wärmeaustauscher und der Abflußkammer ange schlossenen Abflußleitung (30; 46; 71; 125a; 127), mit min destens einer zwischen der Einlaßkammer und dem Wärmeaustau scher angeschlossenen Zuflußleitung (16; 49), mit einer im Primärkreis des Reaktors angeordneten Zirkulationspumpe (17; 48), die bei normalem Reaktorbetrieb einen konstanten Kühl wasserfluß durch den Reaktorkern treibt, und mit einer Ver bindung zwischen der Bassinflüssigkeit und der Einlaßkammer bzw. der Abflußkammer über eine untere (33′; 52; 76) bzw. eine obere (28′; 28′′; 75) Abschaltöffnung, bei welcher Reak toranlage der Reaktorkern nicht nur Teil des Primärkreises, sondern auch Teil eines Abschaltkreises ist, zu dem die Ein laßkammer, die untere Abschaltöffnung, das, Bassin, die obere Abschaltöffnung und die Abflußkammer gehören, und wobei im Abschaltkreis eine Druckdifferenz wirkt, welche bei normalem Reaktorbetrieb mit dem am Reaktorkern durch den Kühlwasser fluß entgegengesetzt wirkenden Druckabfall im Gleichgewicht steht, so daß keine nennenswerte Zufuhr von Bassinflüssig keit zu dem Primärkreis stattfindet, und bei welcher Reak toranlage der mit Kühlwasser gefüllte Teil des Reaktorbehäl ters eine vertikale Länge hat, die gleich dem überwiegenden Teil der vertikalen Länge des Reaktorbehälters ist, da durch gekennzeichnet, daß das Niveau (26) des Reaktorkühlwassers an der oberen Abschaltöffnung (28′, 28′′, 75), bezogen auf das Niveau des Reaktorkühlwassers an der unteren Abschaltöffnung (33′, 52, 76), eine solche Höhe hat, daß der Gewichtsunterschied zwischen einer gedachten Bassinflüssigkeitssäule dieser Höhe und einer gedachten gleich hohen Säule aus im Reaktorbehälter (6) befindlichen Kühlwassers so groß ist, daß der diesem Gewichtsunterschied entsprechende Unterschied der statischen Drücke der beiden Säulen zumindest den überwiegenden Teil der in dem Abschalt kreis wirkenden Druckdifferenz ausmacht.

2. Reaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die zum Reaktor gehörenden Teile des Primärkreises mit einer wärmeisolierenden Schicht (60) versehen sind, die den überwiegenden Teil ihrer der Bassinflüssigkeit zugewendeten Fläche derart bedeckt, daß die mittlere Temperatur der Bassinflüssigkeit bei normalem Reaktorbetrieb mindestens 50 Grad niedriger ist als die Tem peratur des aus der Abflußleitung (18′′; 46; 71; 125; 127) ausströmenden Kühlwassers.

3. Reaktoranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bassin (1; 41) ein Kühler (128) angeordnet ist, der von einem kühlenden Fluid durchströmt wird, wobei ein überwiegender Teil der gesamten Kühlfläche des Kühlers in Kontakt mit der Bassinflüssigkeit steht, und daß der Kühler an ein besonderes, außerhalb des Bassins angeordnetes, von dem genannten Fluid durchströmtes System angeschlossen ist.

4. Reaktoranlage nach einem der Ansprüche 1 oder 3, da durch gekennzeichnet, daß ein Teil der genannten im Abschaltkreis wirkenden flußtreibenden Druckdifferenz von einer im Abschaltkreis angeordneten Flüssigkeits pumpe (57) erzeugt wird.

5. Reaktoranlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitspumpe (57) auf solche Weise mit der Zirkulationspumpe (48) verriegelt ist, daß eine Stei gerung oder Senkung der von der Zirkulationspumpe er zeugten Druckdifferenz eine entsprechende Steigerung oder Senkung in der Flüssigkeitspumpe bewirkt.

6. Reaktoranlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Flüssigkeitspumpe eine Wasserstrahl pumpe (57) ist, bei welcher der Wasserstrahl zu dem von der Zirkulationspumpe getriebenen Kühlwasserfluß ge hört.

7. Reaktoranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Höhenunterschied (ΔH; ΔH′; ΔH′′; ΔH′′′; ΔH′′′′) zwischen der oberen Abschaltöff nung und der unteren Abschaltöffnung mindestens sieben mal so groß wie die vertikale Länge (L; L′; L′′; L′′′; L′′′′) des Kerns ist.

8. Reaktoranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche im Bassin (3) befindlichen Abschnitte der Zuflußleitung(en) und der Abflußleitung(en) oberhalb des oberen Randes des Reaktor kerns angeordnet sind, und zwar in einem Abstand von diesem Rand, der mindestens 20% der maximalen Wasser tiefe im Bassin beträgt.

9. Reaktoranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Abschaltöffnung und die untere Abschaltöffnung mit einem oberen (28; 63; 120) bzw. unteren (33; 64) Gradientschloß ver sehen sind, die eine Vielzahl nebeneinander angeord neter vertikaler Kanäle enthalten.

10. Reaktoranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Abflußkammer befindliche Kühlwasser bei normalem Betrieb mittels eines an dem oberen Ende des Reaktorbehälters angeord neten Gaskissens (50) von dem Bassinwasser getrennt ist und daß die an das Gaskissen grenzende Fläche (25′) der Bassinflüssigkeit höher als die an das Gaskissen grenzende Fläche (26′) des Reaktorkühlwassers liegt.

11. Reaktoranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bassin mit Hilfe einer mit eigener Wärmequelle versehenen, dampferzeugenden Vorrichtung (24) unter Druck setzbar ist.

12. Reaktoranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Abschaltöffnung (76) mit einem mit mehreren vertikalen Kanälen ver sehenen Gradientschloß (64) sowie mit einer Gasschloß anordnung (107, 123) mit einer außerhalb des Bassins mündenden Zufuhrleitung für Gas (107) versehen ist.

13. Reaktoranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zirkulationspumpe (48) von einer Antriebsanordnung (48′; 105) antreibbar ist, deren Drehzahl regelbar ist, und daß der Steuerkreis der Antriebsanordnung über Signalübertragungsglieder (103, 104) an einen an der unteren Abschaltöffnung an geordneten Niveauindikator (61′; 61; 62; 62′; 101) zur Anzeige der Lage der Grenzschicht zwischen Reaktor kühlwasser und Bassinflüssigkeit angeschlossen ist, daß der Niveauindikator bei einer relativ hohen Lage der Grenzschicht ein erstes Signal und bei einer relativ niedrigen Lage der Grenzschicht ein zweites Signal liefert und daß das erste Signal eine Erhöhung und das zweite Signal eine Senkung der Drehzahl der Zirkulationspumpe bewirkt.

14. Reaktoranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Niveauindikator (69′, 69, 70′, 70, 102) an der oberen Abschaltöffnung zum Anzeigen der Lage der Grenzschicht zwischen Reaktor kühlwasser und Bassinflüssigkeit angeordnet ist, daß ein erstes Steuerrohr (66) zur Zufuhr von zusätzli chem Reaktorwasser zum Primärsystem und eine Ventil vorrichtung (67′, 113, 68′, 114) für dieses erste Steuerrohr vorhanden sind, daß ein zweites Steuerrohr (65), ein drittes Steuerrohr (165), ein erstes fern gesteuertes Abflußventil (65′) für das zweite-Steuer rohr (65), ein zweites ferngesteuertes Abflußventil (165′) für das dritte Steuerrohr (165) und ein Relais (118) vorhanden sind, daß das zweite Steuerrohr (65) eine Einlaßöffnung in oder in der Nähe der unteren Abschaltöffnung (76) hat, daß das dritte Steuerrohr (165) eine Einlaßöffnung für Bassinflüssig keit im oberen Bassinbereich hat, daß das Relais (118) in einer ersten Stellung seiner Kontakte das erste Abflußventil (65′) und in einer zweiten Stellung seiner Kontakte das zweite Abflußventil (165) mit der Ventil vorrichtung (67′, 113, 68′, 114) derart verriegelt, daß der einströmende Fluß des ersten Steuerrohres (66) gleich dem ausströmenden Fluß des zweiten (65) bzw. dritten (165) Steuerrohres ist, und daß das Relais der art angeordnet ist, daß es die genannte zweite Stel lung als Antwort auf das genannte Signal einnimmt.

15. Reaktoranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Ab schaltöffnungen mit einem Gradientschloß (63, 64) ver sehen ist, das eine Vielzahl nebeneinander angeordne ter vertikaler Kanäle hat, daß die im Bassin (41) be findliche Bassinflüssigkeit und das im Reaktorbehäl ter (42) befindliche Kühlmittel bei normalem Reaktor betrieb einen meßbaren Unterschied in Bezug auf eine bestimmte physikalische Eigenschaft aufweisen und daß ein oberer (69, 61) und ein unterer (70, 62) diese Eigenschaft erfassender Geber mit vertikalem Abstand voneinander in dem Gradientschloß angeordnet sind.