DE3212215A1

DE3212215A1 - Kuehleinrichtung fuer kernreaktoren

Info

Publication number: DE3212215A1
Application number: DE19823212215
Authority: DE
Inventors: Martin H. Pittsburgh Pa. Cooper; Daniel J. Greensburg Pa. Racki
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1981-08-25
Filing date: 1982-04-01
Publication date: 1983-03-17
Also published as: FR2512258A1; JPS5835495A; GB2104710A

Description

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Kühleinrichtung für Kernreaktoren

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für Kernreaktoren nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs? eine
bevorzugte Anwendung betrifft die Not- oder Reservekühlung für Kernreaktoren mit Flüssigmetall.

Kernreaktoren enthalten einen Reaktorkern aus Brennstäben, in denen verwertbare Energie durch eine Kernspaltungsreaktion erzeugt wird. Zur Abfuhr der während des Reaktorbetriebs erzeugten Wärme sind Systeme vorgesehen, die eine relativ große Wärmeabfuhrkapazität aufweisen.

Aufgrund der Eigenschaften der Spaltungsreaktion ist es nicht möglich, während normaler Abschaltperioden des Reaktors oder selbst während Störfällen, die Wärmeerzeugung vollkommen zu unterbinden. Ein geringer Prozentsatz der thermischen Leistung des Kerns wird weiter erzeugt, so daß der Kern mit einer Kühlung versehen werden muß, um während einer langen Zeit nach dem Abschalten ein Kernschmelzen zu verhindern.

Da ein Störfall, wie beispielsweise ein Leitungsbruch, auch zu einem Ausfall der im Normalbetrieb vorhandenen Wärmeabfuhr führen kann, erfolgt die Wärmeabfuhr in Störfällen oder beim Abschalten üblicherweise durch ein unabhängiges und kleineres System.

Die von dem Reservesystem für den Störfall vorgesehene Rolle legt es nahe, daß dieses System vollkommen automatisch arbeiten sollte, ohne äußere Steuerungen

oder

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oder Stromversorgung und möglicherweise sogar ohne bewegte Teile. Ein vollkommen passives System ist am wünschenswertesten .

Im Stand der Technik ist eine große Auswahl von Reservekühleinrichtungen für Reaktorkerne bekannt. Einige davon stellen unabhängige Systeme dar, während andere Modifikationen des Hauptwärmeabfuhrsystems sind, mit denen die Folgen gewisser Störfälle verringert oder eine Notkühlung für den Reaktorkern durchgeführt werden können. Ein Beispiel für eine passive Einrichung zur Behebung der Folgen eines Leitungsbruchs ist in.dem US-Patent 4030252 beschrieben.

Es ist darauf hinzuweisen, daß nach dem Abschalten eines Kernreaktors der mit spaltbarem Material besetzte Bereich des Kerns weiterhin Wärme erzeugt, während andere Teile des Reaktors anfangen abzukühlen. Dies führt zu großen Temperaturunterschieden auch während der üblichen Abschaltzeiten des Reaktors.
Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Kühleinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der sichergestellt ist,.daß das Kühlmittel nach dem Abschalten weiterhin zirkuliert, selbst wenn die Kühlmittelförderpumpen nicht in Betrieb sind. Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung verwendet einen unabhängigen Kühlmittelkreislauf mit sog. "Flußdioden" oder hydraulischen Dioden, die einer Flüssigkeitsströmung in einer ersten Richtung einen hohen Widerstand und in einer zweiten Richtung einen geringen Widerstand entgegensetzen. Dazu erzeugt diese Einrichtung bei der Strömung in der ersten Richtung mit hohem Widerstand Turbulenzen oder andere

Reibungserscheinungen

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Reibungserscheinungen, die zu einem hohen Widerstand führen. Die Strömung in der zweiten Richtung erfolgt angenähert gerade hindurch ohne Wirbelbewegung. In einer Ausführungsform ist die Strömungsdiode in eine unabhängige Strömungsschleife eingebaut, bei der das Kühlmittel des Reaktors aus einem Bereich oberhalb des Reaktorkerns entfernt wird, eine externe Wärmeabfuhreinrichtung wie beispielsweise einen atmosphärischen Wärmetauscher durchläuft und anschließend durch eine Strömumgsdiode oder mehrere hintereinandergeschaltete Strömumgsdioden in einen Bereich unterhalb des Reaktorkerns gelangt. Beim Betrieb des Reservesystems und abgeschaltetem Hauptkühlmittelsystem wird die Strömung durch den Reaktorkern und durch die Reserveschleife aufgrund der natürlichen Zirkulation des Reaktorkühlmittels infolge des aufsteigenden erhitzten Kühlmittels aufrechterhalten. Zusätzlich kann die Strömungsgeschwindigkeit durch eine elektromagnetische oder eine andere Pumpenart erhöht werden. Die Diode oder die Diodenreihenschaltung arbeitet so, daß beim Betrieb des Reservesystems eine Kühlmittelströmung in der Richtung geringen Widerstandes erlaubt wird. Im normalen Reäktorbetrieb mit eingeschaltetem Hauptkühlmittelsystem stellt das Reservesystem einen Strömungspfad dar, durch den eine gewisse Menge Reaktorkühlmittel in unerwünschter Weise am Reaktorkern vorbei in eine umgehungsleitung fließen könnte. Diese Möglichkeit wird durch die Strömungsdiode in beträchtlicher Weise und auf akzeptable Strömungswerte reduziert, da diese Umgehungsströmung die Diode oder die Diodenreihenschaltung in Richtung hohen Widerstandes durchfließen muß.

Beim Ausfall der normalen Reaktorkühlmittelströmung, beispielsweise aufgrund eines Fehlers in der Kühlmittelpumpe,

setzt

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setzt der Betrieb des Reservesystems automatisch mit der natürlichen Zirkulation ein. Die einzige externe, nicht vom System selbst schon erfüllte Anforderung könnte im Anschalten einer wahlweise vorgesehenen Pumpe sein, sofern diese Teil des Systems ist.

In einer zweiten Ausführungsform sind die Strömungsdioden oder die Reihenschaltungen von Strömungsdioden am unteren Ende der Brennstäbe und der radialen Abschirmeinrichtungen eingebaut, die beide in Randzonen des Reaktorkerns liegen. Beide werden hier unter dem Ausdruck "Mantelelemente" zusammengefaßt. Diese Mantelelemente sind im allgemeinen geringeren Betriebstemperaturen ausgesetzt als die zentral gelegenen Brennstäbe und zwar aufgrund der nuklearen Eigenschaften des Kerns als Ganzem und aufgrund anderer Umstände. Die Strömungsdioden sind in allen oder einigen Mantelelementen angebracht und stellen einen hohen Strömungswiderstand in Richtung der üblichen Reaktorkühlmittelströmung dar, die von unten nach oben erfolgt und einen geringen Strömungswiderstand in der umgekehrten Richtung. Während des normalen Reaktorbetriebs wirken die Dioden als eine Öffnung, mit denen die Strömung durch die Mantelelmente beschränkt wird. Während des Ausfalls der Reaktorkühlmittelströmung erfolgt die natürliche Zirkulation, bei der Kühlmittel nach oben durch die zentral gelegenen heißen Brennstäbe fließt und dann nach unten durch die am Rand gelegenen kühleren Mantelelmente, wie sie durch den geringen Strömungswiderstand der Dioden in dieser Richtung erlaubt ist. Ein der ersten Ausführungsform ähnliches System zur Wärmeabfuhr kann dazu dienen, die Wärme von einem Punkt im Pfad der natürlichen Zirkulation zu entfernen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand

von

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von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer einzelnen Diode mit Strömung in Vorwärtsrichtung mit hohem Widerstand,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer einzelnen Diode mit Strömung in Rückwärtsrichtung mit geringem Widerstand, 10

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Kernreaktors mit einem Reservekühlsystem unter Verwendung einer einzelnen Diode,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Reaktors mit Mantelelementen, in denen Strömungsdioden eingebaut sind,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Ein^elhext aus Fig. 4 mit einer Reihenschaltung

von Dioden und

Fig. 6 einen Querschnitt aus Fig. 5.

Die Wirkungsweise einer Wirbeldiode ist in den Figuren 1 und 2 erläutert. Fig. 1 zeigt die "Vorwärts"-Richtung der Strömung, in der die Flüssigkeitsströmung einen ho·^ hen Widerstand aufgrund des Wirbels 2 erfährt, der in der schematischen Darstellung von Fig. 1 durch das kreisförmige oder in anderer Weise gebogene Gehäuse 3 erzeugt wird. Während der Vorwärtsströmungsrichtung nach Fig. stellt die achsiale öffnung 4 den Strömungsauslaß dar. Fig. 2 *eigt die "Rückwärts"-Richtung 7 der Strömung, in der kein Wirbel ausgebildet wird und daher nur ein

geringer

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geringer Widerstand auftritt.

Zur Erzeugung des Wirbels bei der Strömung in Vorwärtsrichtung werden verschiedene Techniken verwendet. Das Gehäuse 3 kann zu diesem Zweck Leitbleche oder sogar propellerähnliche Einrichtungen aufweisen und braucht in diesem Fall nicht selbst gebogen zu sein. Die Dioden können in Kombinationen verwendet werden, entweder in Reihen-oder in Parallelschaltungen. Eine ausführlichere Beschreibung von Strömungsdioden sind in dem US-Patent 3,604,442 enthalten. Das Zusammenschalten von Wirbeldioden in Parallel- und Reihenanordnungen wird in den US-Patenten 3,207,168 und 3,631,873 beschrieben, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird.

Fig. 3 erläutert die erste Ausführungsform am Beispiel eines flüssigmetallgekühlten schnellen Brüter-Reaktors. Die normale Kühlung des Reaktorkerns 8 erfolgt durch eine starke Strömung flüssigen Natriums, das über eine Vielzahl von Einlaßröhren 22 (eine davon ist in Fig.4 gezeigt) in eine Beruhigungskammer 9 eintritt. Die Strömung erfolgt nach oben durch den Kern 8, gelangt in eine heiße Beruhigungskammer 10 und tritt über eine Vielzahl von Ausgangsleitungen 11 aus (eine davon ist in Fig. 3 dargestellt).

Der Reaktor weist ein Reservekühlsystem (Wärmeaustauscheinrichtung) auf, das einen Einlaß 15 , wahlweise vorhandene Pumpvorrichtungen 16 (vorzugsweise eine batteriebetriebene elektromagnetische Pumpe, wenn das Reaktorkühlmittel ein flüssiges Metall ist), ein Wärmeaus-

tauscher 17 (der in Fig. 3 mit Strahlungs- Wärmeaustauschröhren 18 versehen ist) und eine Diode 19 (oder mehrere zusammengeschaltete Dioden) in der Ausgangsleitung 20 enthält, die innerhalb der Eingangsberuhigungskammer 9

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kammer 9 liegt.

Während der normalen Kühlmittelströmung wird die Eingangsberuhigung skammer 9 von den Hauptkühlmittelpumpen (die nicht dargestellt sind) unter Druck gesetzt·und so die Strömung aufrechterhalten. Das Reservekühlsystem läßt eine Rückströmung 21 durch, die unerwünschterweise den Reaktorkern 8 umgeht. Die Rückströmung 21 ist betragsmäßig klein (ungefähr 1/5% der gesamten Strömung) , da sie den hohen Widerstand in Vorwärtsrichtung der Dioden 19 erfährt. Die Äuckströmung 21 kann weiter reduziert werden, wenn während des üblichen Reaktorbetriebs Pumpvorrichtungen 16 eingeschaltet werden. Wenn die normale Kühlmittelströmung aussetzt, beispielsweise aufgrund eines Fehlers in der Hauptkühlmittelpumpe oder eines Unfalls, heizt die Restwärme des Reaktorkerns 8 weiterhin das Kühlmittel auf, und es setzt eine natürliche Zirkulation ein, wenn ein Strömungspfad existiert. Ein derartiger Pfad wird automatisch vom Reservekühlsystem zur Verfügung gestellt. Die natürliche Strömung erfährt dann nur den geringen Widerstand der Dioden 19.

Eine Verbesserung gegenüber früheren Systemen liegt bei diesem Reservekühlsystem in der vollkommen automatischen und im System selbst angelegten Betriebsweise, die aufgrund der Verwendung von einer oder mehreren Dioden ermöglicht wird.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung der zweiten Äusführungsform am Beispiel eines flüssigmetallgekühlten schnellen Brüter-Reaktors. Der Strömungspfad für das Hauptkühlmittel ist identisch zu dem von Fig. 3 mit der Ausnahme, daß die nach oben gerichtete Strömung durch die Mantelelemente 12 herabgesetzt ist, da sie in Richtung des hohen Strömungswiderstands der

Dioden 19

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Dioden 19 erfolgt. Dies ist aufgrund der nuklearen Eigenschaften der Mantelelemente 12 wünschenswert. Wenn die Hauptkühlmittelströmung unterbrochen wird, setzt die natürliche Zirkulation ein, bei der eine nach oben gerichtete Strömung durch die erhitzten Brennstäbe 14 (einer ist dargestellt) im Zentralbereich erfolgt und eine nach unten gerichtete Strömung durch die Mantelelemente 12 in Richtung des geringen Widerstands der Dioden 19. Diese Strömungskonfiguration ist in Fig.4 angedeutet.

Das vollständige Reservekühlsystem der zweiten Ausführungsform kann durch Kombination mit Wärmeaustauscheinrichtungen verbessert werden, die ähnlich denen der ersten Ausführungsform von Fig. 3 sind, um so schließlieh die Wärme aus dem Reaktor abzuführen. Aber selbst ohne eine derartige Kombination dient das Vorhandensein eines Pfades für die natürliche Zirkulation im Reaktorkern zur Umverteilung der Wärme von den heißesten Brennstäben auf die kühleren Mantelelemente und verstärkt die natürliche Zirkulationsströmung.

In Fig. 5 ist ein vergrößerter Querschnitt des Endstücks eines Mantelbrennelements aus Fig. 4 dargestellt. In diesem Fall wird eine Reihenschaltung von drei Dioden verwendet. Die Strömungspfeile in Fig. 5 deuten die Richtung der normalen Kühlmittelströmung an, die den hohen Widerstand erfährt.

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt aus Fig. 5 mit einem Leitblech 23 im Gehäuse 3 zur Erzeugung des Wirbels. Statt der in Fig. 5 dargestellten drei Dioden in Reihenschaltung, könnten auch eine oder mehrere benutzt werden.Abwechselnde Dioden können vorgesehen werden, um Wirbel entgegengesetzter Richtung zu erzeugen und dadurch den hydraulischen Widerstand noch weiter zu

erhöhen

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erhöhen.

In beiden hier beschriebenen Ausführungsformen können entweder einzelne Dioden oder Kombinationen in Reihenoder Parallelschaltung verwendet werden. Die Dioden könnten außerdem an den oberen Enden der Mantelbrennstäbe angebracht werden.

Claims

Westinghouse Electric Corp.

Westinghouse Building
Gateway Center

Pittsburgh,Pennsylvania 15222
V.St.A. ·

Patentansprüche

Kühleinrichtung für flüssigkeitsgekühlte Kernreaktoren, in deren Reaktorkern im Normalbetrieb eine von unten nach oben gerichtete Kühlmittelströmung aufrechterhalten wird,
dadurch gekennzeichnet,

daß Strömungspfade mit eingebauten Strömungsdioden (19) für das Kühlmittel vorgesehen sind, die für die natürliche Konvektionsströmung des Kühlmittels bei ausgeschaltetem Hauptkühlsystem einen geringen Strömungswiderstand aufweisen, für die Kühlmittelströmung im Normalbetrieb aber einen hohen Widerstand.
2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsdioden (19) in Strömungskanäle der

/kern
Reaktorperipherie eingebaut sind.

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3. Kühleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Strömungskanal mindestens zwei Strömungsdioden in Reihenschaltung vorgesehen sind.

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4. Kühleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Strömungskanal mindestens zwei Strömungsdioden in Parallelschaltung vorgesehen sind.
5. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle durch Brennelemente (12) verlaufen.
6. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Strömungspfad (15) aus einer den Reaktorkern umgehenden Rohrleitung besteht, die mit dessen oberem und unterem Ende in Verbindung steht.
7. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Pumpvorrichtungen (16) vorgesehen sind.
8. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungspfade für die natürliche Konvektion mit einem Wärmetauscher (17) verbunden sind.