DE3215122C1 - Kernreaktor mit einem flüssigen Kühlmittel - Google Patents

Description

• Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Kühlkanäle in der Nähe der Platte derart geschlitzt, daß sie auf der einen Seite der Platte von wesentlich weniger Kühlmittel durchströmt werden als auf der anderen Seite der Platte. Mit einem solchen von den Schlitzen gebildeten Bypass kann man erreichen, daß der Strömungswiderstand, den der Reaktorkern darstellt und der im wesentlichen durch die Kühlkanäle bestimmt ist, verringert wird, weil auf seiner Seite der Platte weniger Kühlmittel durch die Kühlkanäle gepreßt wird. Auf der anderen Seite der Platte ist dementsprechend die Strömungsgeschwindigkeit im Moderatorbehälter, d. h. außerhalb der Kühlkanäle entsprechend geringer. Ist dabei vorzugsweise auf der Anströmseite der Platte der Kühlmitteldurchsatz nur etwa halb so groß wie auf der anderen Seite der Platte, so ergibt sich in diesem Kühlkanalabschnitt eine Verdoppelung der Aufwärmspanne. Hinter den Schlitzen sorgt dann das kältere Moderatorkühlmittel für eine Temperaturabsenkung, die die Kühlmitteltemperatur am Austritt aus den Kühlkanälen bestimmt. Auf diese Weise kann die Kühlmitteltemperatur über die Kühlkanäle vergleichmäßigt werden.
• Die gewünschte Aufteilung der Durchflußmengen kann man durch die Bemessung der Schlitze in der Nähe der Platte erreichen. Man kann aber auch den Kühlmitteleinlaß in den Moderatorbehälter durch eine Stauplatte steuern, die größere Öffnungen als die Platte in der Kernmitte aufweist. Die Offnungen können ebenso wie die Schlitze in der Kernmitte mit Stelleinrichtungen zur Veränderung des Durchlaßquerschnittes versehen sein.
• Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden anhand der Zeichnung zwei Ausführungsbeispiele beschrieben. Sie zeigen in F i g. 1 und 2 jeweils einen Kernreaktor nach der Erfindung in einem Vertikalschnitt durch den Reaktordruckbehälter.
• Der mit schwerem Wasser (D20) gekühlte und moderierte Kernreaktor besitzt einen Reaktordruckbehälter 1 mit einem Einlaßstutzen 2 und einem Auslaßstutzen 3. An die Stutzen 2 und 3 ist ein nicht weiter dargestellter äußerer Kühlkreis mit einem Dampferzeuger, einer Pumpe usw. angeschlossen. Der Reaktordruckbehälter 1 ist mit einem Deckel 5 abgeschlossen, der mit Schrauben 6 befestigt ist. Auf dem Deckel sitzen Kühlkanalverschlüsse 7, die das Aufsetzen einer Lademaschine ermöglichen.
• In den mittleren, zylindrischen Bereich des Reaktordruckbehälters 1 ist ein ebenfalls zylindrischer Moderatorbehälter 10 eingehängt, der mit dem Reaktordruckbehälter 1 einen Ringspalt 11 I einschließt. In dem Ringspalt 11 strömt das gesamte Kühlmittel nach unten zum unteren Plenum 12, dessen Unterseite durch einen Füllkörper 13 im Kugelboden 14 des Reaktordruckbehälters begrenzt wird.
• Die Oberseite des unteren Pienums 12 ist durch eine Gitterplatte 16 bestimmt, in der die unteren Enden von Kühlkanälen 17 befestigt sind. Dies sind vertikale Rohre mit einem Durchmesser von 120 mm, die auf konzentrischen Kreisen oder gitterförmig angeordnet sind. Die Figur zeigt nur zwei davon. Beim Ausführungsbeispiel sind für eine elektrische Leistung von etwa 1000 MWe 500 Kühlkanäle 17 vorgesehen, die nicht weiter dargestellte Brennelemente 18 eng umschließen. Die Brennelemente 18 enthalten Natururan als Brennstoff in nicht weiter dargestellten Brennstäben und bestimmen damit die Abmessungen des säulenförmigen Reaktorkerns 19, d. h. des Durchmessers seines vom Moderatorbehälter 10 umschlossenen zylindrischen Querschnitts und der Kernhöhe, wobei die untere Grenze durch die strichpunktierte Linie 20, die obere durch die strichpunktierte Linie 21 in der F i g. 1 bezeichnet ist. Der zwischen den Kühlkanälen 17 liegende Kernbereich dient als Moderatorraum 22 und ist durch die Moderatorwirkung des schweren Wassers bestimmt.
• In der Mitte des Reaktorkerns 19 sitzt eine ebene, horizontale Platte 25. Sie füllt den Querschnitt des Moderatorbehälters 10 aus und ist mit einzelnen Durchlässen versehen, wie bei 26 angedeutet ist. Damit bildet die Platte 25 eine Drosseleinrichtung, mit deren Hilfe das in das untere Plenum 12 eingeleitete Kühlmittel auf die Kühlkanäle 17 einerseits und den dazwischen liegenden Moderatorraum 22 andererseits verteilt wird. Die Verteilung richtet sich nach der notwendigen Wärmeabfuhr. Beim Ausführungsbeispiel werden 950/a der Kühlmittelmenge von 60 000 t/h in die Kühlkanäle 17 eingespeist. 5% durchströmen als Moderator den Moderatorraum 22. Dabei kann die gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels auf die einzelnen Kühlkanäle 17 durch stellbare Drosseln in düsenförmigen Unterteilen 28 der Kühlkanäle 17 eingestellt werden, die im Bereich der Gitterplatte 16 vorgesehen sind.
• Das Kühlmittel verläßt die Kühlkanäle 17 oberhalb der Kernoberkante 21 durch Schlitze 30. Von dort aus strömt es durch eine obere Gitterplatte 31 in das obere Plenum 32. Aus diesem gelangt es über ein Rohr 33 vom Moderatorbehälter 10 zum Auslaßstutzen 3. Da die Austrittsschlitze 30 unterhalb der oberen Gitterplatte 31 und nur wenig über der Kernoberkante 21 liegen, wird das Kühlmittel bereits im Moderatorbehälter 10 mit dem aufsteigenden Moderatorwasser vermischt. Die Gitterplatte 31 wirkt als Strömungsgleichrichter auf das Kühlmittel. Dadurch wird eine weitgehende Entkopplung der Horizontalströmung im oberen Plenum 32 vom Kühlmittelaustritt aus den Schlitzen 30 der Kühlkanäle 17 erzielt. Die Unterkante des Auslaßstutzens 3 fällt mit der Oberkante der Gitterplatte 31 zusammen.
• Die Kühlkanäle 17 setzen sich oberhalb der Gitterplatte 31 in Form von Rohren 35 fort, die durch einen Füllkörper 36 in dem aufgewölbten Deckel 5 und durch eine den Füllkörper 36 nach unten abschließende Abdeckwand 37 zu den Kühlkanalverschlüssen 7 führen.
• Die Rohre 35 ermöglichen den Zugang zu den Kühlkanälen 17 bei aufgesetztem Deckel 5 und damit das Auswechseln der Brennelemente 18 in Betrieb.
• Durch eine Führung der Rohre 35 in Hülsen 38. die in der Abdeckung 37 und in der Gitterplatte 31 geführt bzw. festgelegt sind, können unterschiedliche Wärmebewegungen zugelassen werden, so daß keine Wärmespannungen entstehen können.
• Die Platte 25 ergibt die gewünschte Verteilung des als Kühlmittel und Moderator wirkenden schweren Wassers. so daß nur ein einziger Kreislauf zur Wärmeabfuhr aus dem Reaktordruckbehälter 1 heraus benötigt wird.
• Sie sorgt darüber hinaus für eine Zurückhaltung von Kühlmittel im Reaktorkern 19 für den bei Sicherheitsbetrachtungen zugrunde gelegten Störfall eines Primärkreisbruches. Sollte nämlich der an die Stutzen 2 und 3 angeschlossene Primärkühlkreis brechen, so kann sich nur entweder der unterhalb oder der oberhalb der Platte 25 gelegene Teil des Reaktorkerns 19 über eine strömungswiderstandsarme Verbindung in den gebrochenen Strang entleeren. Für den anderen durch.die Platte 25 abgeteilten Kernbereich führt eine Strömung zur Bruchstelle über die Kühlkanäle 17, so daß für eine gewisse Zeit die Benetzung und Kühlung der Brennelemente 18 sichergestellt ist. Diese Zeit reicht, wenn das halbe Kernvolumen zur Verfügung steht, aus, um Notkühlmittel einzuspeisen.
• Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind die Kühlkanäle 17 in der Kernmitte, nämlich unmittelbar unterhalb der Platte 25, mit Schlitzen 40 versehen. Diese bilden zusätzlich zu den stirnseitigen Düsen 28 Eintrittsöffnungen für das Kühlmittel. Ferner ist im Bereich der unten Gitterplatte 16 eine Stauplatte 42 vorgesehen, die größere Öffnungen 43 als die Öffnungen 26 in der Platte 25 aufweist. Die Querschnitte der Öffnungen 26 und 43 sowie der Einlässe 28 und 40 in die Kühlkanäle sind gegebenenfalls mit Hilfe von nicht gezeichneten Stelleinrichtungen so aufeinander abgestimmt, daß beim Ausführungsbeispiel die eine Hälfte des gesamten Kühlmittels von 60 000 t/h in Richtung der Pfeile 44 durch den unteren Teil der Kühlkanäle 17 und die andere Hälfte durch den unteren Moderatorraum 22 strömt, wie durch die Pfeile 45 angedeutet ist.
• Oberhalb der Platte 25 strömt fast das gesamte Kühlmittel durch die Kühlkanäle 17. Der durch den Pfeil 46 sybolisierte Anteil beträgt hier 95% der Gesamtmen- ge gegenüber 5% durch die Öffnungen 26.
• Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 ist der Strömungswiderstand im Kern 19, der von der Kühlmittelströmung überwunden werden muß, wesentlich, nämlich um etwa ein Drittel herabgesetzt. weil dieser Widerstand vor allem durch die Strömung in den Kühlkanälen verursacht ist. Dennoch bleiben die mit der Platte 25 erzielten Vorteile in bezug auf die Kühlmittelströmung im Störfall erhalten. Auch hier wird unabhängig davon, ob ein Riß des äußeren Kühlkreises in der Nähe des Einlaßstutzens 2 oder des Auslaßstutzens 3 postuliert wird, immer das halbe Kernvolumen mit seinem Kühlmittelinhalt zur Wärmeabfuhr bis zum Einsetzen einer Notkühlung zur Verfügung stehen.
• Dabei ergibt die Stauplatte 42 eine Verringerung der auf die Platte 25 wirkenden Druckkräfte, so daß die Platte 25 dünner und damit weniger neutronenabsorbierend ausgebildet werden kann.

Claims (7)

1. Patentansprüche: 1. Kernreaktor mit einem Moderatorbehälter, der einen von Brennelementen gebildeten zylinderförmigen Reaktorkern enthält und von einem flüssigen Kühlmittel. insbesondere schwerem Wasser, zur Kühlung der Brennelemente, die in rohrförmigen Kühlkanälen angeordnet sind, der Länge nach durchströmt ist, wobei der Moderatorbehälter von dem gleichen Kühlmittel wie die Brennelemente gekühlt ist und das Kühlmittel mit Hilfe einer Drosseleinrichtung so verteilt ist, daß der größte Teil des Kühlmitteldurchsatzes auf die Kühlkanäle entfällt, und wobei die Drosseleinrichtung eine quer zu den Kühlkanälen verlaufende Platte umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß diese Platte (25) in der Mitte des Reaktorkerns (19) angeordnet ist.
2. 2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (17) auf der einen Seite der Platte (25) stirnseitige Eintrittsöffnungen (28) und auf der anderen Seite der Platte (25) Schlitze (30) am Umfang als Austrittsöffnungen aufweisen.
3. 3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (25) verteilte Durchlaßöffnungen (26) aufweist, deren Querschnitt insgesamt höchstens ein Zehntel des Querschnittes der Kühlkanäle (17) beträgt.
4. 4. Kernreaktor nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (17) in der Nähe - der Platte (25) derart geschlitzt sind (40), daß sie auf der einen Seite der Platte (25) von wesentlich weniger Kühlmittel durchströmt werden als auf der anderen Seite der Platte.
5. 5. Kern reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende der Kühlkanäle (17) auf der mit einem Schlitz (40) versehenen Seite in einer Stauplatte (42) geführt ist, die größere Öffnungen (43) als die Platte (25) in der Kernmitte aufweist.
6. 6. Kernreaktor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmitteldurchsatz auf der einen Seite der Platte (25) etwa halb so groß wie auf der anderen Seite der Platte ist.
7. 7. Kernreaktor nach Anspruch 4,5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (30, 40) und/oder die Öffnungen (26, 43) in der Platte (25, 42) Stelleinrichtungen zur Veränderung des Durchlaßquerschnittes aufweisen.

   Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit einem Moderatorbehälter, der einen von Brennelementen gebildeten zylinderförmigen Reaktorkern enthält und von einem flüssigen Kühlmittel, insbesondere schwerem Wasser, zur Kühlung der Brennelemente, die in rohrförmigen Kühlkanälen angeordnet sind, der Länge nach durchströmt ist, wobei der Moderatorbehälter von dem gleichen Kühlmittel wie die Brennelemente gekühlt ist und das Kühlmittel mit Hilfe einer Drosseleinrichtung so verteilt ist, daß der größte Teil des Kühlmitteldurchsatzes auf die Kühlkanäle entfällt, und wobei die Drosseleinrichtung eine quer zur den Kühlkanälen verlaufende Platte umfaßt.

   Bei dem aus der DE-AS 10 54 603 bekannten Kernreaktor der oben genannten Art ist unter anderem eine sogenannte zweiflutige Wasserführung vorgese- hen. Die nebeneinanderstehenden. den Reaktorkern bildenden Brennelemente können nämlich nicht nur. wie dies üblich ist, gleichmäßig von einem Ende, insbesondere von der Unterseite her, zum anderen Endc.

   entsprechend also nach oben, durchströmt werden, sondern auch so, daß die Strömung von unten nach oben nur durch einen mittleren Teil des Reaktorkerns erfolgt.

   Am oberen Ende des Reaktorkerns wird das Kühlmittel dann auf die äußeren Brennelemente umgelenkt, die im Gegensinn, nämlich von oben nach unten durchströmt werden.

   Die vorgenannte zweiflutige Wasserführung ergibt eine erhebliche Vergrößerung des Strömungswiderstandes gegenüber dem Fall, daß der Reaktorkern über seinen gesamten Querschnitt gleichmäßig und parallel durchströmt wird. Außerdem ist eine solche Strömungsführung mit Temperaturunterschieden über den Kernquerschnitt verbunden, die in der Regel unerwünscht sind. Demgegenüber geht die Erfindung von der Aufgabe aus, bei einem einfachen Aufbau des Reaktorkerns eine intensive Kühlung mit einem geringen Strömungswiderstand zu erreichen.

   Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei dem eingangs genannten Kernreaktor dadurch gelöst, daß diese Platte in der Mitte des Reaktorkerns angeordnet ist. Damit wird die Aufteilung des Kühlmittels auf die Kühlkanäle und den Moderatorraum im Bereich des Reaktorkerns nur mit Hilfe der Platte erreicht, die eine Bemessung der Kühlmittelmenge nach den Erfordernissen der Wärmeentwicklung im Reaktorkern bewirkt.

   Das als Moderator verwendete Kühlmittel hat, wie in Leichtwasserreaktoren, fast die gleiche Temperatur wie das Kühlmittel der Brennelemente. Durch die Mengenbemessung mit Hilfe der Platte in der Mitte des Reaktorkerns wird lediglich dafür gesorgt, daß der Kühlmitteldurchsatz durch die Kühlkanäle der Wärmeentwicklung in den Brennelementen entspricht, weil dort 95% der gesamten Wärmeleistung des Reaktors vorliegen. Im Gegensatz zu dem aus der DE-AS 1054 603 bekannten Kernreaktor bietet der Reaktorkern aber nur einen sehr viel kleineren Strömungswiderstand.

   Die Kühlkanäle können vorteilhaft auf der einen Seite der Platte stirnseitige Eintrittsöffnungen und auf der anderen Seite der Platte Schlitze am Umfang als Austrittsöffnungen aufweisen. Auf der zuletzt genannten Seite besteht dann die Möglichkeit, Rohre für den Anschluß einer Lademaschine vorzusehen, die einen Brennelementwechsel bei laufendem Reaktor, d. h. ohne Unterbrechung des Reaktorbetriebes ermöglicht.

   Zur Einstellung des Moderatordurchsatzes kann die Platte verteilte Durchlaßöffnungen aufweisen. Ihr Querschnitt sollte höchstens ein Zehntel des Querschnittes der Kühlkanäle betragen, um die gewünschte Aufteilung auf den Moderatorbereich und die Kühlkanäle zu erhalten. Außerdem können die Durchlaßöffnungen mit Mitteln versehen werden, die bei großen Druckunterschieden eine Erhöhung des Strömungswiderstandes ergeben. Solche Mittel, zum Beispiel Umlenkungsplatten, Düsen oder dergleichen, sorgen dann für den Fall einer plötzlichen Druckabsenkung für eine Zurückhaltung des Kühlmittels im Reaktorkern.