DE3526154A1

DE3526154A1 - Nuclear reactor

Info

Publication number: DE3526154A1
Application number: DE19853526154
Authority: DE
Inventors: Claus Dipl Ing Goetzmann; Peter Dipl Ing Rau
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-07-22
Filing date: 1985-07-22
Publication date: 1987-01-22
Also published as: CH668855A5

Abstract

In the reactor pressure vessel (6) of a nuclear reactor there is provided an intermediate coolant circuit (7) by means of which the heat of the coolant cooling the reactor core (2) is transferred to a heat exchanger (12) above the reactor core (2). The intermediate coolant circuit (7) is essentially situated in two planes, with the result that the intermediate coolant circulates without pumping. A heat carrier that can be heated in the heat exchanger (12) transports the reactor heat as thermal energy, in particular, out of the reactor pressure vessel (6). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit einem Reaktordruckbehälter, der einen Reaktorkern und ein Kühlmittel enthält, mit dem Wärme von dem Reaktorkern zu einem Wärmetauscher übertragen wird, der oberhalb des Reaktorkerns im Reaktordruckbehälter angeordnet und mit Leitungen verbunden ist, mit denen ein im Wärme tauscher erhitzbarer Wärmeträger durch eine Wand des Reaktordruckbehälters geführt wird.The invention relates to a nuclear reactor with a Reactor pressure vessel that has a reactor core and a Contains coolant with the heat from the reactor core is transferred to a heat exchanger above of the reactor core arranged in the reactor pressure vessel and is connected to lines with which one in heat exchanger heatable heat transfer through a wall of the Reactor pressure vessel is guided.

Bei dem aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift 18 81 622 bekannten Kernreaktor der obengenannten Art ist der Wärmetauscher ein Dampferzeuger, der in einem besonderen Gehäuseteil angeordnet ist. Dieser Gehäuse teil ist mit einem unteren, den Reaktorkern enthaltenden Gehäuseteil zu einem gemeinsamen Reaktordruckbehälter zusamengeflanscht. Der Dampf des Dampferzeugers treibt eine Turbine mit einem elektrischen Generator. Ein Teil des Dampfes wird aber auch in einen Wärmetauscher ge führt, der Niederdruckdampf für Raumheizungs- und Auf bereitungszwecke erzeugt. Der bekannte Kernreaktor ist ein Druckwasserreaktor. Sein Primärkühlmittel, leichtes Wasser, soll im Naturumlauf durch den Reaktorkern zum Dampferzeuger strömen. Für die Rückförderung des außer halb des Reaktordruckbehälters verbrauchten, d. h. kon densierten Dampfes, sind verschiedene Pumpen vorgesehen.The one from the German utility model 18 81 622 known nuclear reactor of the above type the heat exchanger is a steam generator that works in one special housing part is arranged. This housing part is with a lower one containing the reactor core Housing part to a common reactor pressure vessel flanged together. The steam of the steam generator drives a turbine with an electric generator. A part the steam is also ge in a heat exchanger leads, the low pressure steam for space heating and on generated for preparation purposes. The well-known nuclear reactor is a pressurized water reactor. Its primary coolant, lightweight Water, is said to circulate through the reactor core to Steam generators flow. For the return of the exception half of the reactor pressure vessel used, d. H. con dense steam, various pumps are provided.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, gegenüber dem bekannten eine apparative Vereinfachung zu erreichen und dennoch die Sicherheit zu erhöhen. Dabei soll berücksich tigt werden, daß Dampferzeuger mit ihren großen Wärme übergangsflächen empfindliche Gebilde sind. Deshalb soll der Austritt von Radioaktivität durch eine Mehrkreisan ordnung der abzuführenden Wärme verbessert werden.The invention is based on the task against known to achieve an apparatus simplification and nevertheless increase security. It should take into account that steam generators with their great heat are sensitive structures. Therefore should the leakage of radioactivity through a multi-circuit order of the heat to be dissipated.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß im Reaktordruckbe hälter ein an sich bekannter Zwischenkühlkreis vorgese hen ist, mit dem Wärme des Kühlmittels auf den Wärmetau scher übertragen wird, und daß der Zwischenkühlkreis in zwei Ebenen verläuft, von denen die eine in dem Wärme tauscher und die andere so weit unter dem Wärmetauscher liegt, daß ein Zwischenkühlmittel im Zwischenkühlkreis ohne Pumpen umläuft.According to the invention it is provided that in the reactor pressure a pre-known intermediate cooling circuit hen is with the heat of the coolant on the heat rope shear is transmitted, and that the intermediate cooling circuit in runs two levels, one of which is in the warmth exchanger and the other so far below the heat exchanger there is an intermediate coolant in the intermediate cooling circuit circulates without pumps.

Bei dem Kernreaktor nach der Erfindung wird die Wärme des des Reaktorkerns durch das sogenannte Primärkühlmit tel zwar ebenfalls im Naturumlauf abgeführt. Der weitere Wärmetransport über den Zwischenkühlkreis erfolgt aber noch innerhalb des Reaktordruckbehälters. Darüber hinaus ist auch für den Zwischenkühlkreis keine Pumpe erforder lich. Somit ist gleichzeitig eine große Sicherheit für die Wärmeabfuhr wie auch eine große Sicherheit gegen mechanische Störungen, z. B. gegen Lecks erreicht, durch die Radioaktivität entweichen könnte.In the nuclear reactor according to the invention, the heat of the reactor core through the so-called primary cooling tel also dissipated in natural circulation. The other However, heat is transported via the intermediate cooling circuit still inside the reactor pressure vessel. Furthermore no pump is required for the intermediate cooling circuit either Lich. This is also a great security for the heat dissipation as well as a great security against mechanical disturbances, e.g. B. against leaks the radioactivity could escape.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfin dung ist so ausgebildet, daß der Zwischenkühlkreis meh rere parallele Stränge umfaßt, die ein flüssiges Zwischen kühlmittel enthalten, und daß die Stränge an einen ge meinsamen Druckhalter mit einem Gaspolster angeschlossen sind, das einen höheren Druck als den Siededruck des Zwischenkühlmittels aufweist. Hier kann der Zwischen kühlkreis auf einfache Weise unter einem erhöhten Druck gehalten werden, um das für die Wärmeabfuhr verwendete Zwischenkühlmittel in flüssigem Zustand zu halten. A particularly advantageous embodiment of the Erfin manure is designed so that the intermediate cooling circuit meh rere parallel strands comprising a fluid intermediate contain coolant, and that the strands to a ge shared pressure holder connected with a gas cushion are that a higher pressure than the boiling pressure of the Has intermediate coolant. Here the intermediate can cooling circuit in a simple manner under increased pressure be kept to that used for heat dissipation Keep intermediate coolant in a liquid state.

Der Zwischenkühlkreis umfaßt vorzugsweise einen den Querschnitt des Reaktorkerns einschließenden ringförmi gen Zwischenwärmetauscher. Mit diesem können mehrere am Umfang des Reaktorkerns verteilte Wärmetauscher verbun den sein, die eine zylindrische Form mit einem wesent lich kleineren Durchmesser als der Reaktorkern haben. Man erhält dadurch, wie gefunden wurde, einen ausgezeich neten Wärmeübergang vom Primärkühlmittel auf den Zwischen kühlkreis. Dennoch bleibt oberhalb des Reaktorkerns ge nügend Raum frei, um Brennelemente auszuwechseln oder zu reparieren.The intermediate cooling circuit preferably comprises one Cross section of the reactor core including annular intermediate heat exchanger. With this several can Distributed heat exchangers connected to the circumference of the reactor core be those that have a cylindrical shape with an essential Lich smaller diameter than the reactor core. As a result, an excellent result is obtained Neten heat transfer from the primary coolant to the intermediate cooling circuit. Nevertheless, ge remains above the reactor core sufficient space to replace or close fuel elements repair.

Die Sekundärseiten der Wärmetauscher können durch eine den Reaktordruckbehälter umschließende Ringleitung ver bunden sein. Eine solche Ringleitung läßt sich günstig befestigen. Sie vermeidet Überbeanspruchungen der aus dem Reaktordruckbehälter herausführenden Leitungen bei Seitenkräften. Außerdem kann dabei ein Anschluß erreicht werden, bei dem der Wärmeträger auf der Sekundärseite der Wärmetauscher vom Primärkühlmittel vollständig durch den Zwischenkühlkreis abgetrennt ist. Ferner kann von der Ringleitung eine Stichleitung zu einer Wärmesenke für eine Notkühlung ausgehen. Dies ist vorteilhafterweise ein mit dem Erdreich in Verbindung stehendes Rohrsystem.The secondary sides of the heat exchanger can be replaced by a ring line enclosing the reactor pressure vessel be bound. Such a ring line can be inexpensive fasten. It avoids overuse of the the lines leading out of the reactor pressure vessel Lateral forces. A connection can also be reached be in which the heat transfer medium on the secondary side the heat exchanger from the primary coolant completely through the intermediate cooling circuit is disconnected. Furthermore, from the Ring line a branch line to a heat sink for run out of emergency cooling. This is advantageous a pipe system connected to the ground.

Die Erfindung kann im Gegensatz zu dem Kernreaktor nach dem deutschen Gebrauchsmuster 18 81 622 auch als Siede wasserreaktor ausgeführt werden, bei dem das flüssige Kühlmittel einen Spiegel aufweist, der unterhalb des Wärmetauschers liegt. Hier kann neben dem Wärmetaucher ein Kondensator oberhalb des Flüssigkeitsspiegels ange ordnet sein. Der ringförmige Zwischenwärmetauscher liegt dagegen vorzugsweise unterhalb des Flüssigkeitsspiegels.In contrast to the nuclear reactor, the invention can according to the German utility model 18 81 622 also as Siede run water reactor in which the liquid Coolant has a mirror below the Heat exchanger is. Here, in addition to the heat exchanger a condenser above the liquid level to be in order. The ring-shaped intermediate heat exchanger lies in contrast, preferably below the liquid level.

Für näheren Erläuterung der Erfindung wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Dabei zeigt: For a more detailed explanation of the invention, the Drawing described an embodiment. Here shows:

Fig. 1 ein Heizkraftwerk mit einem Kernreaktor nach der Erfindung in einem Vertikalschnitt, Fig. 1 shows a plant with a nuclear reactor according to the invention in a vertical section,

Fig. 2 einen schematisierten Horizontalschnitt mit der Wärmeabfuhr als Prinzipschaltbild, Fig. 2 shows a schematized horizontal section with the heat dissipation as a principle diagram,

Fig. 3 einen Schaltplan für die Druckhaltung der Zwi schenkühlkreise, Fig. 3's cooling circuits is a circuit diagram of the pressurization of the Zvi,

Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch den Reaktordruck behälter mit Einzelheiten des Zwischenkühl kreises, Fig. 4 is a vertical section through the reactor tank pressure circuit with details of the intermediate cooling,

Fig. 5 einen Fig. 4 zugeordneten Horizontalschnitt durch den Reaktordruckbehälter, Fig. 5 is a Fig. 4 associated horizontal section through the reactor pressure vessel,

Fig. 6 einen Ausschnitt aus der Wand des Reaktordruck behälters im Bereich eines Wärmetauschers in größerem Maßstab. Fig. 6 shows a detail of the wall of the reactor pressure vessel in the area of a heat exchanger on a larger scale.

Das vorgeschlagene nukleare Heizwerk 1 mit 20 MW Lei stung hat einen Reaktorkern 2, der aus 16 Kernzellen 3 aufgebaut ist. Jede dieser Kernzellen 3 enthält einen nicht dargestellten integrierten hydraulischen Steuer stabantrieb, der in Stufen von z. B. 20 mm verfahrbar ist. Die Brennelemente 4 der Kernzellen 3 haben jeweils 63 Stäbe. Die mittlere Leistungsdichte im Kern 2 be trägt ca. 10 kW/l. Die Lebensdauer des Kernes 2 beträgt 40 Kalenderjahre.The proposed nuclear heating plant 1 with 20 MW Lei stung has a reactor core 2 , which is composed of 16 core cells 3 . Each of these core cells 3 contains an integrated hydraulic control rod drive, not shown, which in stages of z. B. 20 mm is movable. The fuel elements 4 of the core cells 3 each have 63 rods. The average power density in core 2 is approx. 10 kW / l. The lifespan of core 2 is 40 calendar years.

Der Betriebsdruck des Primärkühlwassers ist auf 15 bar festgelegt. Der gesamte Primärkreis ist in einem Reaktor druckbehälter 6 aus nichtrostendem Stahl angeordnet. In dem Reaktordruckbehälter 6 befindet sich ebenfalls der gesamte Zwischenkühlkreis 7.The operating pressure of the primary cooling water is set at 15 bar. The entire primary circuit is arranged in a reactor pressure vessel 6 made of stainless steel. In the reactor pressure vessel 6 is also the entire intermediate cooling circuit. 7

Der Zwischenkühlkreis 7 umfaßt einen achtsträngigen Wen delrohrwärmetauscher 8, der oberhalb des Kernes 2 im Ring spalt 9 zwischen Kern 2 und Reaktordruckbehälter 6 ange ordnet ist. Die Wärmeübertragung erfolgt durch Naturzir kulation vom Kern 2 zu dem Zwischenwärmetauscher 8. The intermediate cooling circuit 7 comprises an eight-strand Wen delrohrwärmetauscher 8 , the gap above the core 2 in the ring 9 between core 2 and reactor pressure vessel 6 is arranged. The heat transfer takes place by natural circulation from the core 2 to the intermediate heat exchanger 8 .

Die Druckhaltung im Primärkühlwasser erfolgt durch im Kern 2 produzierten Dampf, der an zwei oberhalb von Wärmetauschern 12 angeordneten Kondensatoren 13 (Wendel rohr) kondensiert wird.The pressure in the primary cooling water is maintained by steam produced in the core 2 , which is condensed on two condensers 13 arranged above heat exchangers 12 (helical tube).

Der Zwischenwärmetauscher 8 liegt ganz unterhalb des Betriebswasserspiegels 15. Seine Rohre 16 enden in acht Sammlern 18, die fest mit über den Sammlern 18 angeord neten zylindrischen Behältern 19 verbunden sind. In die Behälter 19 wird radial über ebene konzentrische Rohr sammler 20, 21 das Heiznetz 22 geführt (Fig. 6). Der Wärmetausch erfolgt durch je ein Wendelrohrbündel 23 pro Behälter 19. Der Zwischenkühlkreis 7 läuft in Naturzir kulation. Die konstruktive Ausführung des Anschlusses des Heiznetzes 22 an die Zwischenkühlkreisbehälter 19 vermeidet, daß an einer Stelle Heiznetz 22 und Primär kühlmittel in direkten Kontakt kommen.The intermediate heat exchanger 8 is located completely below the process water level 15 . Its tubes 16 end in eight collectors 18 , which are firmly connected to the collectors 18 angeord Neten cylindrical containers 19 . In the container 19 , the heating network 22 is guided radially over flat concentric tube collectors 20 , 21 ( FIG. 6). The heat is exchanged by a spiral tube bundle 23 per container 19 . The intermediate cooling circuit 7 runs in natural circulation. The constructive design of the connection of the heating network 22 to the intermediate cooling circuit container 19 avoids that heating network 22 and primary coolant come into direct contact at one point.

Der Volumenausgleich und die Druckhaltung aller acht Zwischenkühlkreisloops erfolgt durch einen Sammelbehäl ter 26 und ein Stickstoffsystem 27. Der Sammelbehälter 26 ist innerhalb der Sicherheitshülle 28 angeordnet, die den Reaktordruckbehälter 6 umschließt. Das Stickstoff system 27 ist außerhalb derselben plaziert (Fig. 3).The volume equalization and the pressure maintenance of all eight intermediate cooling circuit loops is carried out by a collecting container 26 and a nitrogen system 27 . The collecting container 26 is arranged within the safety casing 28 which surrounds the reactor pressure container 6 . The nitrogen system 27 is placed outside the same ( Fig. 3).

Je zwei Heiznetzanschlüsse 22 sind innerhalb der Sicher heitshülle 28 verbunden. Die zugehörigen Vor- und Rück laufleitungen 29, 30 werden aus der Sicherheitshülle 28 geführt. Als Abschluß der Sicherheitshülle vorgesehene Ventile 31, 32 erlauben die Stillegung eines Stranges des Heiznetzes 22.Two heating network connections 22 are connected within the safety sleeve 28 . The associated supply and return lines 29 , 30 are guided out of the safety cover 28 . Valves 31 , 32 provided at the end of the safety cover allow one strand of the heating network 22 to be shut down.

Zur Einbindung der Stränge des Heiznetzes 22 ist außer halb der Sicherheitshülle je eine Ringleitung 34, 35 für den Vor- und Rücklauf vorgesehen. In der Sicherheitshülle 28 sind alle Primärkühlmittel führende Hilfs- und Neben anlagen angeordnet. To integrate the strands of the heating network 22 , a ring line 34 , 35 is provided for the flow and return in each case outside of the safety cover. In the security case 28 all primary coolant auxiliary and auxiliary systems are arranged.

Die Sicherheitshülle 28 liegt in einer im Querschnitt quadratischen Betonkaverne 37. Sie ist durch einen Beton schiebeverschluß 38 gegen Einwirkungen von außen ge schützt. Das Leervolumen der Sicherheitshülle 28 ist durch nicht gezeichnete Füllkörper so begrenzt, daß bei tief liegenden Wasserlecks der Kern 2 ohne Nachspeisung von Primärkühlmittel bedeckt bleibt.The security sleeve 28 is located in a concrete cavern 37 with a square cross section. It is protected by a concrete sliding lock 38 against external influences. The empty volume of the safety cover 28 is limited by fillers not shown so that the core 2 remains covered without primary coolant in case of deep water leaks.

Die Nachwärme könnte über ca. 1 Tag im Primärkühlmittel ohne Wärmeabfuhr gespeichert werden. Darüber hinaus kann durch in der Erde verlegte Rohrschlangen 40 permanent ein Teil der Nachwärme über die Kondensatoren 13 an das Erdreich abgeführt werden.The residual heat could be stored in the primary coolant for about 1 day without heat dissipation. In addition, pipe coils 40 laid in the ground can permanently dissipate part of the residual heat via the capacitors 13 to the ground.

Claims

1. Nuclear reactor with a reactor pressure vessel which contains a reactor core and a coolant with which heat is transferred from the reactor core to a heat exchanger which is arranged above the reactor core in the reactor pressure vessel and is connected to lines with which a heat carrier which can be heated in the heat exchanger is connected by a Wall of the reactor pressure vessel is guided, characterized in that in the reactor pressure vessel ( 6 ) a known intermediate cooling circuit ( 7 ) is provided with the heat of the coolant is transferred to the heat exchanger ( 12 ), and that the intermediate cooling circuit ( 7 ) runs in two levels, one of which is in the heat exchanger ( 12 ) and the other is so far below the heat exchanger ( 12 ) that an intermediate coolant circulates in the intermediate cooling circuit ( 7 ) without pumps.

2. Nuclear reactor according to claim 1, characterized in that the intermediate cooling circuit ( 7 ) comprises a plurality of parallel strands which contain a liquid intermediate coolant and that the strands are connected to a common pressure holder ( 26 ) with a gas cushion which has a higher pressure than the boiling pressure of the intermediate coolant.

3. A nuclear reactor according to claims 1 or 2, characterized in that the intermediate cooling circuit (7) comprises a cross-section of the reactor core (2) enclosing the annular intermediate heat exchanger (8).

4. Nuclear reactor according to claim 3, characterized in that with the intermediate heat exchanger ( 8 ) a plurality of heat exchangers ( 12 ) distributed around the circumference of the reactor core ( 2 ) are connected, which have a cylindrical shape with a substantially smaller diameter than the reactor core ( 2 ) to have.

5. Nuclear reactor according to claim 4, characterized in that the secondary sides of the heat exchanger ( 12 ) are connected by a ring line surrounding the reactor pressure vessel ( 6 ) ( 34 , 35 ).

6. Nuclear reactor according to claim 5, characterized in that from the ring line ( 34 , 35 ) a branch line to a heat sink ( 40 ) for emergency cooling.

7. Nuclear reactor according to claim 6, characterized in that the heat sink is a pipe system ( 40 ) connected to the ground.

8. Nuclear reactor according to one of claims 1 to 7, that with a liquid coolant, the level of which is below half of the heat exchanger, characterized in that, in addition to the heat exchanger ( 12 ), a condenser ( 3 ) is arranged above the liquid mirror ( 15 ) .

9. Nuclear reactor according to claims 3 and 8, characterized in that the annular intermediate heat exchanger ( 8 ) lies below the liquid level ( 15 ).

10. Nuclear reactor according to one of claims 1 to 9, characterized in that the lines ( 20 , 21 , 23 ) of a heating network ( 22 ) heated by the heat exchanger ( 12 ) are separated by the intermediate cooling circuit ( 7 ) from the primary cooling water ( Fig. 5).