DE3528713A1

DE3528713A1 - Reaktor mit einem natuerlichen sicherheitskonvektionskuehlsystem

Info

Publication number: DE3528713A1
Application number: DE19853528713
Authority: DE
Inventors: Leonardo La Jolla Calif. Cavallaro; Davorin Dave Carlsbad Calif. Kapich; Stanley Lee San Diego Calif. Koutz
Original assignee: GA Technologies Inc
Current assignee: GA Technologies Inc
Priority date: 1984-08-29
Filing date: 1985-08-09
Publication date: 1986-03-06
Also published as: GB2163890A; JPS6171392A; GB2163890B; US4759899A; GB8521034D0; CA1257715A

Description

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kernreaktoren und auf Kühlmittelkreislaufsysteme dafür.

Ein Kernreaktor umfaßt gewöhnlich einen in einem Behälter enthaltenen Kern und ein Primärkühlsystem zum Pumpen eines Primärkühlmittels durch den Kern. Das Primärkühlmittel bewegt sich gewöhnlich durch einen Fluidkreislauf, in dem das Primärkühlmittel Wärme vom Kern aufnimmt, und wird extern in einem Wärmetauscher gekühlt, um Wärme auf ein Arbeitsfluid zu übertragen.

Wenn ein Ausfall oder Defekt an irgendeinem Element des Fluidkreislaufs auftritt, der auf einem Stromausfall oder auf einem Bruch oder Reißen eines äußeren Rohrs beruhen kann,und die Zirkulation von Fluid zum Kern . stoppt, kann sich der Kern überhitzen. Aufgrund der mit einem solchen Überhitzen verbundenen Gefahren kann ein Reaktor ein Sekundär- oder Sicherheitskühlmittelsystem umfassen.

Es ist erwünscht, daß ein Sekundärkühlmittelsystem unmittelbar auf die Herabsetzung bzw. Reduktion einer Strömung im Primärkühlsystem anfängt zu arbeiten, ohne einen Verlauf auf bzw. eine Abhängigkeit von den komplizierten Überwachungssystemen oder von einem Eingriff eines Operators. Ein derartiges vorgeschlagenes System ist in einem Forschungsmemorandum von K. Hannerz beschrieben, das den Titel "Towards Intrinsically Safe Light Water Reactors", trägt, von Oak Ridge Associated Universities, Institute for Energy Analysis, DE83-O17859, Juli 1983, das über den National Technical Information Service (d.h. den Nationalen Technischen Informationsdienst der USA) erhältlich ist. In dem dort beschriebenen Reaktor ist der Kern in einem Becken mit relativ kühlem Wasser eingetaucht, und ein Primärkühlmittel wird

durch den Kern und durch Dampferzeuger mittels eines Pumpsystems in Umlauf versetzt und gehalten. Zwei horizontale Grenzflächen bzw. Zwischenschichten sind zwischen stillstehendem Beckenwasser und stillstehendem Primärkühlmittel in Verbindung mit strömendem Primärkühlmittel vorgesehen, eine unterhalb des Kerns und eine von der Oberseite einer Steigleitung versetzt, die sich etwa 25 m oberhalb des Kerns erstreckt. Eine Vermischung der beiden Fluide an den Zwischenschichten ist durch ihre Dichteunterschiede begrenzt. An jeder Zwischenschicht befindet sich das Primärkühlmittel mit höherer Temperatur, geringerer Dichte oberhalb des Beckenwassers. Wenn das Druckdifferential bzw. die Druckdifferenz im Primärkreislauf gleich dem statischen Gefalle- bzw. Druckhöhendifferential im Sekundärfluid ist, dann strömt kein Sekundärfluid durch den Kern. Im Fall einer Reduktion des Drucks des Primärkühlmittels an der Zwischenschicht unterhalb des Kerns sowie auf das Versagen des Pumpsystems hin steigt jedoch Wasser aus dem Becken in den Kern, und der Kern wird durch natürliche Konvektion gekühlt.

Eine Begrenzung des oben beschriebenen Systems besteht darin, daß, da der statische Druck zwischen den beiden Zwischenschichten im wesentlichen gleich der statischen Druckdifferenz im Becken ist, Druckhöhenverluste im Kern durch natürliche Konvektion ausgeglichen werden müssen, um eine Strömung vom Becken her zu vermeiden. Auf diese Weise wird die Rate der Kühlmittelströmung durch den Pegel der Reaktivität im Kern bestimmt, der eine solche Konvektion bewirkt, und kann nicht unabhängig hiervon verändert werden, ohne das Gleichgewicht von Zwischenschichten umzuwerfen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Reaktor, dessen Kern in ein Becken mit relativ kühlem Sekundärkühlmittel ein- bzw. untergetaucht ist, eine Einrichtung zur Ermöglichung von Strömung von Sekundärkühlmittel von dem Becken durch den Kern durch natürliche Konvektion als

Sekundärkühlmittelsystem und umfaßt eine Einrichtung zur Ermöglichung der Auswahl der Strömungsrate des Primärkühlmittels unabhängig von der Kernreaktivität.

Demgemäß ist es ein allgemeiner Aspekt der vorliegenden Erfindung, einen Kernreaktor zu schaffen, der ein neuartiges Kühlsystem besitzt.

Ein besonderer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Kernreaktor zu schaffen, der ein Primärkühlsystem mit einer Strömungsrate besitzt, die unabhängig von der Kernreaktivität verändert werden kann, um eine Steuerung und Überwachung der Kühlmitteleinlaß- und -auslaßtemperaturen zu ermöglichen, und ein Sekundärkühlsystem besitzt, das unmittelbar auf die Herabsetzung bzw. Reduktion der Primärkühlmittelströmung unter einen vorbestimmten Minimalwert anfängt zu arbeiten.

Weitere Aspekte, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung hervor. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 eine axiale senkrechte Schnittansicht eines Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung,

Figur 2 eine Schnittansicht, wobei der Schnitt längs

Linie 2-2 in Fig. 1 ausgeführt ist und die Blickrichtung in Pfeilrichtung verläuft,

Figur 3 eine teilweise schematische Schnittansicht,

wobei der Schnitt im wesentlichen längs Linie 3-3 in Fig. 1 ausgeführt ist und die Blickrichtung in Pfeilrichtung verläuft,

Figur 4 eine teilweise schematische Schnittansicht, wobei der Schnitt längs Linie 4-4 in Fig. 3 ausgeführt ist und die Blickrichtung in Richtung der Pfeile erfolgt, und

Figur 5 eine schematische Zeichnung, die den in Fig. 1 veranschaulichten Reaktor in Verbindung mit einer Wärmesenke bzw. einem Kühlkörper, und einem Wärmetauscher darstellt. 5

Ganz allgemein umfaßt das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen Kernreaktor 10, der einen im Inneren eines geschlossenen Behälters 14 gehalterten Kern 12 und eine Einrichtung zum Liefern einer Strömung eines Primärkühlmittels durch den Kern 12 besitzt. Der Kern 12 besteht aus einer Anzahl von im allgemeinen vertikal orientierten, langgestreckten Brennelementen Im veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der Behälter 14 ein langgestreckter Tank mit gewöhnlich kreisförmigem Querschnitt und umfaßt eine gewöhnlich zylindrische Seitenwand 16, einen geschlossenen Boden 18 und eine Oberseite 20. Die Oberseite besitzt gewöhnlich eine darüber befindliche, entfernbare Abdeckplatte 22, die Zutritt zum Inneren des Behälters 14 zum Auftanken, für Wartungszwecke etc. gestattet.

Der Kern 12 befindet sich in der Nähe des Bodens des Behälters 14 und besitzt eine Anzahl von Verbindungsdurchführungen, d.h. Kanälen, die sich von seinem unteren Ende 24 zu seinem oberen Ende 26 erstrecken, um eine Kühlmittelströmung hindurch zu ermöglichen. Während des Normalbetriebs tritt Primärkühlmittel durch eine Einlaßöffnung 28 in den Reaktorbehälter 14 ein und bewegt sich von dort durch ein Einlaßrohr- bzw. Kanalsystem 30 zum Kern

12. Das Einlaßkanalsystem 30 umfaßt hierbei eine Einlaßkammer 32, die einen völlig ausgefüllten Raum 34 unterhalb des Kerns 12 liefert, und ein Einlaßrohr 36, das sich von der Einlaßöffnung 28 zur Einlaßkammer 32 erstreckt. In der Einlaßkammer 32 ist eine Strömungsverteilerabdeckung 38 vorgesehen, um die Strömung annähernd gleichmäßig über die Fläche des unteren Endes 24 des Kerns 12 zu verteilen. Das Kühlmittel strömt durch den Kern 12 von dem völlig ausgefüllten Einlaßraum 34 nach

oben zu einem Auslaßkanalsystem 40, das eine Auslaßkammer 42, die einen oberhalb des Kerns 12 befindlichen, völlig ausgefüllten Auslaßraum 43 umgrenzt, und ein Auslaßrohr 44 umfaßt, das sich von dort zu einer Auslaßöffnung 46 nahe dem oberen Ende der Seitenwand 16 des Behälters 14 erstreckt. Die Auslaßöffnung 46 steht gewöhnlich mit einer äußeren Rohrleitung 48 in Verbindung, die das Primärkühlmittel zu einem Wärmetauscher 50 (Fig. 5) befördert, um von ihm Wärme zu gewinnen. Gewöhnlich wird eine Pumpe 52 (Fig. 5) verwendet, um die Zirkulation des Fluids durch den Kern 12 aufrechtzuerhalten.

Da ein Versagen der Pumpe 52 möglich ist oder sich ein anderer Vorfall ereignen kann, der die Zufuhr von Primärkühlmittel zur Einlaßöffnung 28 unterbricht, ist es erwünscht, daß der Reaktor 10 ein Sekundärsystem besitzt, um eine Kühlmittelströmung durch den Kern 12 zu liefern, um zu verhindern, daß sich der Kern überhitzt.

Zu diesem Zweck ist der Kern 12 unterhalb der Oberfläche eines Beckens 54 mit relativ kühler Flüssigkeit angeordnet, die als Sekundärkühlmittel wirksam ist, und es sind Einrichtungen vorgesehen, um eine Zirkulation des Sekundärkühlmittels von dem Becken 54 durch den Kern 12 zu ermögliehen, um bei der Abwesenheit von zwangsweiser Primärkühlmittelzirkulation durch natürliche Konvektion von ihm Wärme zu entnehmen. Um einen Weg für die Strömung des Sekundärkühlmittels vom Becken 54 zu liefern, besitzt das Einlaßkanalsystem 30 eine oder mehrere Öffnungen 56,

gO die mit dem Becken 54 in Verbindung stehen, und das Auslaßkanalsystem 40 besitzt eine oder mehrere Öffnungen 58, die ebenfalls mit dem Becken 54 in Verbindung stehen, so daß auf das Aufhören von zwangsweiser Kühlmittelzirkulation hin die Dichtedifferenz zwischen dem heißen Kühlmittel im Kern 12 und dem relativ kalten Kühlmittel im Becken 54 bewirkt, daß Kühlmittel im Inneren des Kerns 12 ansteigt, wobei es Sekundärkühlmittel aus dem Becken 54 in das Einlaßkanalsystem 30 durch die Öffnun-

gen 56 zieht und eine Zirkulation von Sekundärkühlmittel nach oben durch den Kern 12 in die Auslaßkammer 42 und von dort durch die Öffnungen 58 in das Auslaßkanalsystem 40 zurück zum Becken 54 herstellt.

Während des Normalbetriebs ist es erwünscht, daß geringe oder keine Strömung zwischen dem Sekundärkühlmittel im Becken 54 und dem Kühlmittel im Primärkühlkreislauf, d.h. dem durch die Einlaß- und Auslaßkanalsysteme 30, 40 strömenden Primärkühlmittel, auftritt. Insbesondere ist es erwünscht, daß Einrichtungen vorgesehen sind/ um eine Strömung aus den Öffnungen 56 im Einlaßkanalsystem 30 und in die Öffnungen 58 im Auslaßkanalsystem 40 durch das Becken 54 unter Umgehung des Kerns 12 zu verhindern. Es ist jedoch erwünscht, dies ohne die Verwendung von Bestandteilen zu erreichen, die eine Strömung von Sekundärkühlmittel durch den Kern nach Versagen des Primärkühlsystems verhindern könnten. Wie oben festgestellt wurde, haben Versuche zur Lösung dieses Problems in der Vergangenheit zu Reaktoren geführt, bei denen die Strömungsrate des Primärkühlmittels durch die Kernreaktivität bestimmt ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind Einrichtungen vorgesehen, um eine zwangsweise Strömung von Primärkühlmittel mit einer vorgewählten Rate unabhängig von der Kernreaktivität zu ermöglichen, ohne daß eine wesentliche Strömung durch die Öffnungen 56 und 58 gestattet wird. Dies wird beim bevorzugten Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, daß die Kühlmittelgeschwindigkeit im Inneren des Einlaß-

gQ kanalsystems 30 benachbart den Öffnungen 56 so erhöht wird, daß der Druck lokal um einen Betrag herabgesetzt wird, der angenähert gleich dem Druckabfall über den Kern bei jeder beliebigen gegebenen Strömungsrate ist. Dies ermöglicht es, ein gewünschtes Druckdifferential über den

gg Kern aufrechtzuerhalten, so daß durch ihn eine adäquate,d.h. ausreichende Kühlmittelströmung mit geringer oder keiner Strömung durch die Öffnungen 56, 58 in den jeweiligen Kanalsystemen 30, 40 vorgesehen wird. Die Einrichtung zur

Erhöhung der Kühlmittelgeschwindigkeit umfaßt vorzugsweise eine oder mehrere VenturiVerengungen 6O, um die innere Querschnittsfläche des Einlaßkanalsystems 30 benachbart den Öffnungen 56 zu begrenzen bzw. zu verengen. Im veranschaulichten Ausführungsbeispiel nehmen die Öffnungen 56 im Einlaßkanalsystem die Form von ringförmigen Querspalten in den Venturiverengungen 60 ein.

Es wird nun das veranschaulichte Einlaßkanalsystem 30 mehr im einzelnen beschrieben. Die Einlaßöffnung 28 befindet sich nahe der Oberseite der Seitenwand 16 des Reaktorbehälters 14, und das die Einlaßöffnung mit der Einlaßkammer unterhalb des Kerns verbindende Rohr 36 besitzt an seinem oberen Ende einen 90°-Krümmer 62, so daß es in der Lage ist, Fluid von einem horizontalen äußeren Rohr 63 (Fig. 5) in vertikaler Richtung nach unten längs der Innenseite 64 der Seitenwand 16 zu fördern. Auf einer Höhe in der Nähe des unteren Endes des Behälters ist das Einlaßrohr 36 in ei-n Paar von Düsen 66 gegabelt. Unterhalb einer jeden Düse 66 und von dieser durch einen schmalen Ringspalt 56 getrennt, befindet sich ein Diffusor 68, um Strömung von der ihm zugeordneten Düse 66 aufzunehmen. Jeder Diffusor 68 erstreckt sich nach unten zur Einlaßkammer 32 unterhalb des Kerns 12. Die Düsen 66 und die Diffusoren 68 liefern ein Paar von parallelen Venturiverengungen 60, die den Druck im Inneren des Einlaßkanalsystems 30 benachbart den Öffnungen 56 herabsetzen. Die Verwendung eines Paares von Venturiverengungen 60 verbessert die Zuverlässigkeit dahingehend, daß die Störung, z.B. Verstopfung, einer von gQ ihnen nicht das Sekundärkühlsystem unwirksam machen oder sperren würde, da sich die Strömung weiter durch die zweite vorbewegen könnte.

Wie oben festgestellt wurde, ist es erwünscht, während des Normalbetriebes geringe oder keine Strömung durch die Öffnungen 56, 58 zu haben. Um dies zu erreichen, sind die Venturiverengungen 60 so ausgebildet, daß die Differenz zwischen dem Druckanstieg von den Venturiverengungen 60

zu dem völlig ausgefüllten Einlaßraum 34 und dem Druckabfall vom völlig ausgefüllten Einlaßraum 34 zum völlig ausgefüllten Auslaßraum 43 gleich der Differenz des statischen Drucks im Becken 54 zwischen den Öffnungen 56 im Einlaßkanalsystem 30 und den Öffnungen 58 im Auslaßkanalsystem 40 ist. Dieser Ausgleich kann durch die Gleichung

(P₂ -P₁) - (P₂ - P₃) = P_3a - P_la

ausgeglichen werden, wobei p, der statische Druck des mit relativ hoher Geschwindigkeit strömenden Kühlmittels zwischen den Düsen 66 und den Diffusoren 68, p_ der statische Druck im völlig ausgefüllten Einlaßraum 34, p- der statische Druck im völlig ausgefüllten Auslaßraum 43, p, der statische Druck im Becken 54 benachbart den Düsen 66 und p, der statische Druck im Becken 54 benachbart dem völlig ausgefüllten Auslaßraum 43 ist.

Im veranschaulichten System befinden sich die Spalte 56 zwischen den Düsen 66 und den Diffusoren 68 in derselben Höhe wie der völlig ausgefüllte Auslaßraum 43. Dementsprechend ist p, gleich p, , und die obige Gleichung reduziert sich auf die folgende:

^P2 " ^pl ^{= P}2 " ^p3-

Die Größe (P_ - p,) stellt die Druckzunahme zwischen der Venturiverengung 60 und dem völlig ausgefüllten Einlaßraum 34 dar, und (p„ - p_) stellt den Druckabfall aufgrund des Strömungswiderstands im Inneren des Kerns 12 dar. Gewöhnlich ist der auf dem Strömungswiderstand im Inneren des Kerns 12 beruhende Druckabfall annähernd proportional zum Quadrat der Strömungsrate. Obwohl das Aufheizen des Kühlmittels im Inneren des Kerns 12 die Tendenz hat, Kühlmittel nach oben durch natürliche Konvektionsströmung hindurchzutreiben, ist die Strömungsrate des Primärkühlmittels unter normalen Betriebsbedingungen gewöhnlich so hoch, daß dieser Effekt für die Zwecke der vorliegenden Analyse vernachlässigbar ist.

Ein Hauptvorteil, der durch die Venturiverengungen 60 der vorliegenden Erfindung geschaffen worden ist, besteht darin, daß der Druckabfall zwischen den Venturiverengungen 60 und dem völlig ausgefüllten Einlaßraum 34 auch angenähert proportional zum Quadrat der Strömungsrate ist. Demgemäß verursacht bei einer gegebenen Kernanordnung und einer gegebenen Einlaßkanalsystemanordnung eine Veränderung der Strömungsrate lediglich geringfügige Veränderungen in der statischen Druckdifferenz zwischen den Venturiverengungen 60 und dem völlig ausgefüllten Auslaßraum 43. Um derartige geringfügige Veränderungen zu kompensieren, sind Einrichtungen vorgesehen, um eine Einstellung des Drucks im Inneren der Venturiverengungen 60 unabhängig von der Strömungsrate dort hindurch zu ermöglichen. 15

Hierbei umfaßt die Einrichtung zur Ermöglichung der Einstellung des Drucks im Inneren der Venturiverengungen 60 ein Paar von einstellbaren Sperr- bzw. Blockierelementen 70, wobei jeweils eines in jeder Venturiverengung 60 vorgesehen ist. Die Sperrelemente 70 sind hierbei gewöhnlich kegelförmig und sind jeweils am unteren Ende eines in vertikaler Richtung orientierten bzw. ausgerichteten, in vertikaler Richtung bewegbaren Stabes 72 angebracht, der bewegbar an seinem unteren Ende gehaltert ist. Einstellungen des Drucks im Inneren der Venturiverengungen 60 können ausgeführt werden, indem die vertikalen Positionen der entsprechenden Sperreinrichtungen 70 durch vertikale Einstellungen der Stäbe 72 eingestellt werden. Die Stäbe 72 arbeiten vorzugsweise im Einklang, d.h. gemeinsam. Die Venturiverengungen 60 und die Sperreinrichtungen 70 sind vorzugsweise so ausgebildet, daß die Spulen 70 verwendet werden können, um eine Strömung in jeder Richtung zwischen dem Inneren der Venturiverengungen 60 und dem umgebenden Becken 54 zu liefern.

Die Einlaßkammer 32 ist durch den Boden 18 des Reaktorbehälters 14 und die Stützanordnung 76 für den Kern umgrenzt. Die Stützanordnung 76 für den Kern 12 umfaßt hierbei eine

gewöhnlich zylindrische vertikale Wand 78, die sich vom Boden 18 des Behälters nach oben erstreckt, eine gewöhnlich kegelstumpfförmige Wand 80, die sich nach oben und von dort radial nach innen erstreckt, und eine kreisför- ^ mige Gitter- bzw. Trägerrostplatte 82, die sich gewöhnlich horizontal über die Oberseite der kegelstumpfförmigen Wand 80 erstreckt und die die Brennelemente 15 trägt.

Die Gitterplatte 82 besitzt eine Anzahl von Öffnungen, die mit vertikalen Kanälen in den Brennelementen 15 für eine Kühlmittelströmung in Verbindung stehen. Es ist im allgemeinen erwünscht, daß die Kühlmittelströmung relativ gleichmäßig über die verschiedenen Brennelemente 15 verteilt wird. Zu diesem Zweck erstreckt sich eine im allgemeinen zylindrische Einfassung oder Verkleidung bzw. -abdeckung 84 von der Peripherie der Gitterplatte 82 nach unten in den völlig ausgefüllten Einlaßraum 34. Die Verkleidung 84 erstreckt sich fast bis zum Boden 18 des Behälters 14 benachbart dem Einlaßrohr 36, um in die Einlaßkammer 32 eintretendes Kühlmittel abzulenken. Die untere Kante 86 der Verkleidung 84 nimmt in der Höhe zur entgegengesetzten Seite der Einlaßkammer 32 zu, wodurch ein Spalt 90 mit veränderlicher Breite für die Kühlmittelströmung zwischen dem unteren Rand 86 und dem Boden 18 des Behälters 14 vorgesehen wird.

Die oberen Enden 92 der Brennelemente 15 sind durch ein Niederhaltegitter 94eingezwängt bzw. eingespannt, das eine Bewegung der Brennelemente 15 nach oben verhindert. Während des Normalbetriebs ist die Größe der auf die Kühlmittelströmung zurückzuführenden, nach oben gerichteten Kraft auf die Brennelemente 15 viel kleiner als ihr Gewicht. Jedoch setzt das Vorsehen des Niederhaltegitters 94 die Möglichkeit herab, daß eines oder mehrere Elemente 15 durch einen Kühlmittelwellenstoß oder ein anderes ungewöhnliches Ereignis entfernt oder versetzt werden könnte. Der Kern ist von einer gewöhnlich zylindrischen vertikalen Wand 95 umgeben,

die sich zwischen der Auslaßkammer und der Einlaßkammer erstreckt.

Eine Anzahl von Regelstabanordnungen 96 ist zur Einführung in den Kern 12 vorgesehen. In Fig. 1 ist eine typische Regelstabanordnung 96 veranschaulicht. Die Regelstabanordnungen 96 sind am oberen Ende des Behälters 14 gehaltert.

Nach oben, durch den Kern 12 fließendes Wasser wird von der Auslaßkammer 42 aufgenommen. Die Auslaßkammer 42 ist in der Form allgemein eiförmig, wie in der Draufsicht zu sehen ist, und umfaßt eine im wesentlichen vertikale Seitenwand 98, die die Fläche oberhalb des Kerns 12 umschließt und sich in radialer Richtung nach außen um das untere Ende des Auslaßrohrs 44 erstreckt.

Das Auslaßrohr 44 erstreckt im wesentlichen vertikal von der Auslaßkammer 42 längs der Innenseite 64 der Seitenwand 16 des Behälters an einer Stelle nach oben, die diametral entgegengesetzt zu der des Einlaßrohrs 36 ist. Wie das Einlaßrohr 36 besitzt das Auslaßrohr 44 einen 90°-Krümmer 100 an seinem oberen Ende, der es mit einem horizontalen äußeren Rohr 48 verbindet.

Eine Abdeckung bzw. Verkleidung 102 erstreckt sich um die Peripherie des Kerns 12 nach oben in die Auslaßkammer 42, um bei der Verteilung von Kühlmittel als Unterstützung zu dienen, wenn dieses von den oberen Enden der Brennelemente 15 austritt, um an den Auslaßenden der Brennelemente 15 einen annähernd gleichmäßig verteilten Druck aufrechtzuerhalten. Die Abdeckung 102 ähnelt in der Form der Abdeckung 84, die sich in die Einlaßkammer 32 erstreckt, wobei ihre obere Kante 104 sich in der Höhe ändert, um den Druck annähernd gleichmäßig über das obere Ende 26 des Kerns 12 zu verteilen.

Die Flüssigkeit im Becken 54 wird gewöhnlich auf einer relativ niedrigen Temperatur gehalten, z.B. 140° F (60°C). Das Kühlmittel im Primärfluidkreislauf tritt in den Behälter 14 bei einer höheren Temperatur, wie z.B. 200° F (93⁰C) ein und wird auf eine noch höhere Temperatur durch den Kern 12 aufgeheizt, wenn es diesen durchströmt. Es ist erwünscht, die Wärmeübertragung von dem Kühlmittel zur Beckenflüssigkeit zu begrenzen, da eine solche Wärmeübertragung den Wirkungsgrad des Systems herabsetzt. Die oben beschriebenen Venturiverengungen 60 begrenzen eine Vermischung der beiden Fluide während des Normalbetriebs, was zur Begrenzung der Wärmeübertragung zwischen ihnen beiträgt. Zusätzlich ist eine Wärmeisolierung 105 längs des Einlaßkanalsystems 30, des Auslaßkanalsystems 40 und der zylindrischen Wand 95 um den Kern 12 vorgesehen, um leitende Wärmeübertragung, d.h. Wärmeübertragung durch Leitung durch sie zu begrenzen.

Es wird nun die Funktion, d.h. die Wirkungsweise des Sekundärkühlkreislaufs mehr im einzelnen beschrieben. Um eine Verbindung zwischen dem Inneren der Auslaßkammer 42 und dem Becken 54 für den Fall eines Versagens des Primärzirkulationssystems zu ermöglichen, sind eine oder mehrere Öffnungen 58 in der Oberseite der Auslaßkammer vorgesehen, um eine Aufwärtsströmung des Kühlmittels durch sie zu ermöglichen. Vorzugsweise sind zwei solcher Öffnungen 58 vorgesehen, eine auf jeder Seite der Auslaßkammer 42. Von jeder Öffnung 58 erstreckt sich eine T-förmige Rohranordnung 106 nach oben, die aus einer vertikalen Steigleitung 108 und einer horizontalen Spreng- bzw. Spritzeinrichtung 110 besteht. Jede Spritzeinrichtung 110 besitzt Öffnungen 112 an ihren entgegengesetzten Enden, so daß Kühlmittel nach oben durch die Steigleitung 108 und aus beiden Enden der Spritzeinrichtung 110 in das Becken 54 strömen kann.

Während der natürlichen Konvektion durch das sekundäre Kühlmittelsystem tritt Kühlmittel in die Spalte 56 in den Venturiverengungen 60 ein, strömt durch die Diffusoren 68 nach unten in die Einlaßkammer 32, strömt durch den Kern in die Auslaßkammer 42 nach oben, strömt durch die Steigleitungen 108 nach oben und strömt durch die Öffnungen an den Enden der Spritzeinrichtungen 110 in das Becken 54. Die antreibende Kraft für das Sekundärkühlsystem wird durch die Expansion des darin befindlichen Fluids geliefert, wenn dies durch den Kern 12 aufgeheizt wird. Diese Expansion setzt die Dichte des Fluids im Kern 12 bezüglich des Kühlmittels mit niedrigerer Temperatur in den Diffusoren 68 herab, so daß sich ein Konvektionsstrom ergibt.

Es ist einzusehen, daß die Wirksamkeit des Sekundärkühlsystems der vorliegenden Erfindung es erforderlich macht, daß das Fluid im Becken 54 auf einer relativ niedrigen Temperatur gehalten wird. Zu diesem Zweck sind eine oder mehrere Tankkühleinrichtungen 114 vorgesehen, um Wärme vom Becken 54 zu entnehmen. Wie in den Fig. 3 und 4 veranschaulicht ist, sind vorzugsweise zwei Tankkühleinrichtungen 114 vorgesehen. Die Tankkühleinrichtungen 114 befinden sich vorzugsweise auf entgegengesetzten Seiten des Behälters 14, jeweils eine unterhalb einer Spritzeinrichtung 110. Jede Tankkühleinrichtung 114 umfaßt ein Rohrsystem, das ein Tankkühlmittel, wie z.B. Wasser enthält, das durch die Kühleinrichtungen 114 strömt und durch eine äußere Wärmesenke, wie z.B. einen Teich 116 (Fig. 5) oder eine andere große Wassermasse bei im wesentlichen Umgebungstemperatur zirkuliert. Das Tankkühlmittel in den Kühleinrichtungen 114 wird vorzugsweise durch natürliche Konvektion in Umlauf versetzt, so daß für seine Zirkulation kein Verlaß auf eine äußere Energie bzw. Kraft erforderlich ist. Zu diesem Zweck befindet sich die äußere Wärmesenke 116 vorzugsweise auf einer größeren Höhe als die Tankkühleinrichtungen 114, so daß Tankkühlmittel mit hoher Temperatur auf natürliche Weise nach oben zur

Wärmesenke strömt, nachdem es in den Tankkühleinrichtungen 114 aufgeheizt worden ist, während Tankkühlmittel mit niedrigerer Temperatur von der Wärmesenke 116 zu den Tankkühleinrichtungen 114 nach unten strömt.

Es wird nun insbesondere auf Fig. 3 und 4 Bezug genommen. Jede Kühleinrichtung umfaßt einen Einlaßsammler 118 und einen Auslaßverteiler 12O,die durch eine Anzahl von Aluminiumrohrschlangen (nicht gezeigt) für eine Strömung des Kühlmittels vom unteren Rohr zum oberen Rohr verbunden sind. Um die Aufrechterhaltung einer natürlichen Konvektionsströmung durch die Aluminiumrohre zu unterstützen, befindet sich der Einlaßsammler 118 unterhalb des Auslaßverteilers 120, so daß Tankkühlmittel nach oben durch die Rohre fließt, wenn es durch die umgebende Beckenflüssigkeit aufgeheizt wird.

Das Tankkühlmittel wird in jede Tankkühleinrichtung 114 durch ein vertikales Einlaßrohr 122 zugeführt, das mit dem Einlaßsammler verbunden ist, und das Tankkühlmittel wird von jeder Kühleinrichtung 114 zur Wärmesenke durch ein vertikales Auslaßrohr 124 transportiert, das mit dem Auslaßverteiler 120 verbunden ist.

Die Tankkühleinrichtungen 114 sind vorzugsweise voneinander unabhängig, so daß das Versagen einer der Tankkühleinrichtungen nicht die Funktion der anderen behindert. Die Tankkühleinrichtungen 114 besitzen vorzugsweise ausreichende Kühlkapazitäten, so daß jede von ihnen alleine in der Lage ist, eine ausreichende Kühlung in dem Fall des Versagens des Primärsystems zu liefern.

Die Tankkühleinrichtungen 114 besitzen vorzugsweise keine Ventile oder andere Bestandteile, die die Tendenz haben könnten, eine Strömung durch sie unter beliebigen Umständen zu beschränken. Während des Normalbetriebs sind somit die Tankkühleinrichtungen 114 darin wirksam, daß sie die Temperatur des Beckens 54 auf einer gewünschten Temperatur

halten. Während des Normalbetriebs wird relativ wenig Wärme auf das Becken 54 übertragen, und dementsprechend ist die Strömungsrate durch die Tankkühleinrichtungen 114 relativ gering. Während des Betriebs des Sekundärkühlsystems wird eine größere Wärmeübertragung auf das Tankkühlmittel im Inneren der Kühleinrichtungen 114 die Konvenktionsströmungsrate durch diese erhöhen, wodurch die Menge der vom Becken 54 entnommenen Wärme erhöht wird und schließlich ein Temperaturgleichgewicht im Becken 54 geschaffen wird.

Die Tatsache, daß das Tankkühlmittel vom Primärkühlmittel

isoliert ist, das durch den Kern während des Normalbetriebs strömt, ermöglicht es, daß das Tankkühlmittel zu einem Teich 116 im Freien ohne signifikante radioaktive Kontamination bzw. Verunreinigung des Teiches 116 in Umlauf 15

gebracht wird. Während des Betriebs des Sekundärkühlsystems ist die Strahlung des Tankkühlmittels noch relativ niedrig, da es keine Vermischung des Tankkühlmittels mit dem Sekundärkühlmittel gibt, und die Reaktivität des Kerns ist

vermutlich auf ein Minimum herabgesetzt worden, wie durch 20

Einführung von Regelstäben.

Wie oben ausgeführt wurde, werden beim Reaktor 10 drei verschiedene Fluide verwendet: ein Primärkühlmittel, das durch den Primärkühlkreislauf unter normalen Betriebsbe-

dxngungen strömt;ein Sekundärkühlmittel,die Teichflüssigkeit, die sich mit dem Primärkühlmittel vermischt und durch den Kern während Notfallbedingungen strömt; und ein Tertiärkühlmittel, das Tankkühlmittel, das durch die Tankkühleinrichtungen strömt und sich mit keiner der beiden anderen Flüssigkeiten, d.h. dem Primärkühlmittel oder der Beckenflüssigkeit vermischt. Vorzugsweise sind alle drei Kühlmittel flüssiges Wasser. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann es erwünscht sein, ein Sekundärkühlmittel zu verwenden, das die Reaktivität im Kern

beim Eintritt in den Kern 12 herabsetzt. Beispielsweise kann mit Borat versetztes Wasser, d.h. borhaltiges Wasser (borated water) als Sekundärkühlmittel verwendet werden.

Ein wichtiger Vorteil des oben beschriebenen Reaktors liegt darin, daß die Venturiverengungen 60 in der Lage sind, das gewünschte Druckgleichgewicht bzw. den gewünschten Druckausgleich zwischen dem Primärkühlmittel und dem Sekundärkühlmittel während des Starts des Reaktors aufrechtzuerhalten. Da die Druckrückführung bzw. -erholung in den Venturiverengungen annähernd gleich dem Druckabfall über dem Kern bei jeder beliebigen Strömungsrate ist, macht die Aufrechterhaltung des gewünschten Druckausgleichs keinen Zusatz von

IQ Wärme zum Kühlmittel in Kern 12 erforderlich, noch wird eine spezielle Kühlmittelströmungsrate benötigt. Demgemäß kann die Kühlmittelströmung während des Startens in Gang gesetzt bzw. begonnen werden, wobei eine relativ geringe Vermischung zwischen dem Primärkühlmittel und dem Sekundärkühl-

2^5 mittel auftritt.

Aus dem Obenstehenden geht somit hervor, daß die vorliegende Erfindung einen Kernreaktor mit einem neuartigen Kühlsystem schafft. Während obenstehend ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel veranschaulicht und beschrieben wurde,soll diese Beschreibung den Umfang der Erfindung bezüglich dieses oder eines anderen speziellen Ausführungsbeispiels nicht beschränken.

Claims

Ansprüche

Ii Kernreaktor, gekennzeichnet durch ~- einen geschlossenen Behälter (14), der ein Becken (54) mit Sekundärkühlmittel enthält,

- einen Reaktorkern (12), der im Becken angeordnet ist und ein oberes Ende (26) und ein unteres Ende (24) besitzt und eine Anzahl von sich hindurch erstreckenden Kanälen aufweist, um eine Aufwärtsströmung von Kühlmittel durch den Kern zu ermöglichen,

- ein Einlaßkanalsystem (30) zum Leiten von Primärkühlmittel zum unteren Ende des Kerns, wobei das Einlaßkanalsystem eine oder mehrere darin ausgebildete Öffnungen (56) besitzt, um eine Fluidverbindung zwischen dem Einlaßkanalsystem und dem Becken zu ermöglichen,

- eine Pumpeinrichtung (52) um eine Strömung des Primärkühlmittels in das Einlaßkanalsystem zu bewirken,

- ein Auslaßkanalsystem (40), das oberhalb des Kerns zur Aufnahme von Kühlmittel vom oberen Ende des Kerns angeordnet ist und dieses zu einem äußeren Auslaßrohr (4 8) transportiert, wobei das Auslaßkanalsystem eine oder mehrere Öffnungen (58) besitzt, um eine Fluidverbindung zwischen dem Auslaßkanalsystem und dem Becken zu ermöglichen, und
- eine Einrichtung (60), um im wesentlichen eine Strömung von Kühlmittel durch die Öffnungen in den Einlaß- und Auslaßkanalsystemen während des Betriebs der Pumpeinrichtung zu verhindern, während gleichzeitig eine zwangsweise Strömung des Primärkühlmittels durch den Kern bei einer unabhängig von der Kernreaktivität ausgewählten Rate ermöglicht wird,

wodurch unter normalen Betriebsbedingungen das Kühlmittel in einem Primärkühlkreislauf strömt und eine Strömung durch die Öffnungen minimal ist, aber im Fall des Versagens der Kühlmittelversorgungseinrichtung natürliche ν Konvektion bewirken wird, daß Sekundärkühlmittel vom

Becken durch einen Sekundärkühlkreislauf in die Öffnungen * im Einlaßkanalsystem, durch den Kern und aus den Offnungen

in das Auslaßkanalsystem in Umlauf gesetzt wird.
2. Kernreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (114, 116) zum Kühlen des Beckens (54) mit Sekundärkühlmittel durch natürliche Konvektion.
3. Kernreaktor, gekennzeichnet durch

- einen geschlossenen Behälter (14), der ein Becken (54) mit Sekundärkühlmittel enthält,

- einen im Becken angeordneten Kern (12), der ein oberes Ende (26) und ein unteres Ende (24) besitzt und eine Anzahl von sich hindurch erstreckenden Kanälen aufweist, um eine Aufwärtsströmung von Kühlmittel durch den Kern zu ermöglichen,

- ein Einlaßkanalsystem (30) zum Leiten von Primärkühlmittel zum unteren Ende des Kerns von einem äußeren

Kühlmittelversorgungsrohr, wobei das Einlaßkanalsystem eine oder mehrere darin ausgebildete Öffnungen (56) besitzt, um eine Fluidverbindung zwischen dem Einlaßkanalsystem und dem Becken zu ermöglichen, - ein oberhalb des Kerns angeordnetes Auslaßkanalsystem (40), um Kühlmittel vom oberen Ende des Kerns aufzunehmen und es zu einem äußeren Auslaßrohr (48) zu transportieren, wobei das Auslaßkanalsystem eine oder mehrere Öffnungen (58) besitzt, um eine Fluidverbindung zwischen dem Auslaßkanalsystem und dem Becken zu ermöglichen,

- eine Pumpeinrichtung (52), um flüssiges Kühlmittel in das Einlaßkanalsystem zu drücken, und

- eine Einrichtung (60), um die Kühlmittelgeschwindigkeit im Einlaßkanalsystem lokal benachbart den Öffnungen zu erhöhen, um den Druck im Einlaßkanalsystem benachbart den Öffnungen bezüglich des Drucks im Becken benachbart den Öffnungen auszugleichen,

wodurch bei normalen Betriebsbedingungen Kühlmittel in einem Primärkühlkreislauf strömt, der die äußeren Rohre enthält, und eine Strömung durch die Öffnungen minimal ist, aber im Fall des Versagens der Kühlmittelversorgungseinrichtung natürliche Konvektion bewirkt, daß Sekundärkühlmittel vom Becken durch einen Sekundärkühlkreislauf in die Öffnungen im Einlaßkanalsystem, durch den Kern und aus den Öffnungen in das Auslaßkanalsystem zirkuliert.
4. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η 3Q zeichnet, daß das Einlaßkanalsystem (30) eine Rohrlänge umfaßt, die eine minimale Innenquerschnittsflache benachbart den Öffnungen (56) besitzt.
5. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (60) zum lokalen Erhöhen der Kühlmittelgeschwindigkeit eine oder mehrere Venturiverengungen umfaßt.
6. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß jede der Öffnungen (56) im Einlaßkanalsystem (30) einen Ringspalt in einer der Ventur!Verengungen umfaßt.
7. Kernreaktor nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine einstellbare Einrichtung (70, 72) zum Verändern der Innenguerschnittsflache in der (oder den) Venturiverengung(en) (60).
8. Kernreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Einrichtung (70, 72) eine oder mehrere bewegbare, im allgemeinen konische Blockierelemente umfaßt.
9. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 3 bis 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (114, 116) zum Kühlen des Beckens (54).
10· Kernreaktor nach Anspruch 2 oder 9,dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Einrichtung zum Kühlen des Beckens (54) einen außerhalb des Behälters (14) angeordneten Vorratsbehälter (116) mit Tertiärkühlmittel, eine im Inneren des Behälters angeordnete Kühleinrichtung (114) für die Zirkulation des Tertiärkühlmittels und eine Einrichtung (118,120) umfaßt, um den Umlauf des Tertiärkühlmittels zwischen dem Vorratsbehälter und der Kühleinrichtung und durch die Kühleinrichtung zu ermöglichen, wobei der Vorratsbehälter so angeordnet ist, daß er einen Umlauf des Kühlmittels vom Vorratsbehälter zur Kühleinrichtung durch natürliche Konvektion ermöglicht.
11. Kernreaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Kühleinrichtung (114) so ausgebildet ist, daß das Tertiärkühlmittel aufgeheizt wird, wenn es durch die Kühleinrichtung strömt und sich nach oben bewegt, wenn es aufgeheizt ist.