SE455352B - Kernreaktoranleggning med ett vatteninjektionssystem i tva steg med mellankylning och stralpump samt sett for vatteninjektion - Google Patents

Description

455 352 Ett ändamål med föreliggande uppfinning är följaktli- gen att åstadkomma ett passivt eller icke-elektriskt ångdri- vet vatteninjektionssystem med flera steg för tillförsel av vatten till tryckkärl i ett kärnreaktorsystem, vilket ej är känsligt för elektriska fel, eftersom det kan styras selek- tivt och manuellt.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att kyla vatt- net som erhålles från utvalda ångdrivna steg hos ett vatuar injektionssystem med flera steg.

Ytterligare ett ändamål med uppfinningen är att till- föra vatten till tryckkârlet hos en kärnreaktor genom umgåt- jande av ett injektions- eller vattentillförselsystem som är billigt, okomplicerat och enkelt att underhålla.

Uppfinningen kräver stegvis ökning av trycknivån hos kylvatten, som är tillgängligt från en eller flera olika behållare, såsom exempelvis bränslebassängen, undertryck- ningsbassängen eller kondensattanken hos en kärnreaktor.

Den ökade trycknivån krävs för att övervinna mottrycket i tryckkärlet, i vilket vattnet skall injiceras och som arbe- tar vid tryck på ca 70 bar eller däröver. Den önskade ut- gångstrycknivân från injektionssystemet uppnås i steg genom utnyttjande av ånga alstrad i själva tryckkärlet. Två ång- drivna vatteninjektorer är anordnade i serie med en kylande anordning, såsom exempelvis en värmeväxlare, vilken kyler vattnet som flyter däremellan. En strålpump mottar först vattnet från en eller flera av ovan nämnda behållare. Ater- matningsvatten från utgången hos den första ångdrivna vatteninjektorn kyls och driver ingångsvattnet genom strål- pumpen och in i den första ånginjektorn.

Det speciellt karakteristiska för en anordning och ett sätt enligt föreliggande uppfinning framgår av patent- kraven. _ Det exakta utförandet av en utföringsform av upp- finninäen såväl som ytterligare ändamål och fördelar med denna kommer klart att framgå vid studium av tillhörande ritningar.

Fig. 1 visar schematiskt en kokvattenreaktor av typ direktcykelkokare. 455 352 Pig. 2 illustrerar schematiskt en föredragen ut- föringsform för genomförande av föreliggande uppfinning.

Fig. l visar väsentliga delar hos en kokvåtten- reaktor av typ direktcykelkokare. Uppfinningen kan emellertid tillämpas även vid andra typer av reaktorer.

Olika exempel på sådana visas i boken Nuclear Power Plants av R.L. Loftness, publicerad 1964 av Van Nostrand Company. _ Reaktorer innefattar vanligen ett skyddande inne- slutningsskal 10. I inneslutningsskalet 10 är ett tryck- kärl ll lämpligen monterat på ett fundament 13. Tryck- kärlet ll innefattar ett huvud 14, vilket kan avlägsnas för införande av nytt bränsle i reaktorn och för att medge åtkomst av reaktorhärden 15. Reaktorbränsle avsett för eller avlägsnat från härden lagras temporärt under vatten i en lämplig övre bränslebassäng 16, som innehåller de- mineraliserat vatten och är belägen i inneslutningsskalet.

Inneslutningen 10 innehåller även en tryckundertryckande bassäng 17 för kondensation av ånga i det osannolika fallet att någon av vissa typer av antagna reaktorolyckor in- träffar. Bassängen 17 är lämpligen fylld med vatten. En sådan olycka innefattar läckage av ånga från tryckkärlet ll till ett primärutrymme 18 i reaktorn, vilket begränsas av lämpliga väggar 20 innefattande undervattensöppningar 22 i bassängen 17. Ett lämpligt tryckundertryckande system innefattande en undertryckningsbassäng visas och beskrivs av C.P. Ashworth m.fl. i en artikel med titeln "Pressure Suppression“, Nuclear Energy, augusti 1962, sid. 313-321.

Reaktorn genererar ånga som driver en turbin/ generatorkombination 24 för alstring av elektricitet, som utnyttjas av konsumenter och i viss utsträckning"av kärn- reaktorn själv. Ångan som alstras av reaktorn överföres till turbin/generator-kombinationen 24 genom åtminstone ett enkelt rör eller ledning 26, genom vilken flödet styrs på lämpligt sätt, exempelvis medelst en eller flera venti- ler, såsom indikeras vid 27. En gren 30 från ledningen 26 455 352 försedd med lämpliga ventiler 32 och 33 sträcker sig igenom väggarna 20 hos primärutrymmet 18 och inneslut- ningsskalet 10 och överför ånga till ett system 35 för kylning av reaktorhärdens isolation och till vilket den häri beskrivna uppfinningen hänför sig.

Genereringen av ånga i reaktorn reducerar effefiten av kylvattnet i tryckkärlet ll. Vattnet i tryckkärlet kan sägas kyla reaktorbränslet i härden 15 eller kan reaktor- bränslet anses värma upp vattnet i tryckkärlet. Förlusten av vatten från tryckkärlet till följd av ånggenerering kan förklaras i termer av fasändring mellan vätske- och gasfaserna för material.

Det vatten som förloras under ångproduktion ersätts under reaktorns arbete medelst ett matarvattentillförsel- system 37, som innefattar en kondensattank 38. Under normal funktion överföres detta ersättningsvatten till tryck- kärlet av en lämplig matarvattenpump (ej visad), som arbe- tar via ett rör eller ledning 40, vilken sträcker sig till tryckkärlet ll från en kondensor (ej visad). Om matar- vattentillförselsystemet 37 faller ur funktion ersätter systemet 35 detta tillräckligt länge för att medge full- ständig avställning av reaktorn och tryckevakuering av kärlet ll från dess normala arbetstryck, som överstiger ca. 70 bar.

Detaljerna för normal funktion hos matarvattensyste- met 37 och detaljerna hos dess konstruktion såväl som dess förbindning och samverkan med turbin/generator-enheten 24 via exempelvis ett rör eller ledning 43 är välkända inom området. Detta gäller även kondensattanken 38, vilken innehåller vatten tillgängligt för tillförsel till konden- sorn Äej visad) hos matarvattentillförselsystemet 37 vid normal funktion. Vattnet från kondensattanken 38 är även tillgängligt (vilket även vatten från den övre bränsle- bassängen 16 och undertryckningsbassängen 17 är) för syste- met 35 via rör eller ledningar 45. Som framgår av fig. 2 455 352 bildar dessa ledningar 45 ett inlopp för vatten gill en lämplig ventil 47. Andra ventiler (ej visade) kan ut- nyttjas för bestämning av vilka av de olika vatten- källorna (kondensattanken 38, undertryckningsbassängen 17 eller bränslebassängen 16) eller vilken kombination av dessa som skall utnyttjas för tillförsel av vatten. Gene- rellt sett kan de olika ventilerna som angivits ovan på- verkas manuellt eller styras av en lämplig ventilstyrenhet eller -enheter (ej visade), som avkänner vätskenivån hos kylvattnet i reaktorkärlet eller påverkas av en indike- ring utvisande att matarvattentillförselsystemet 37 är ur funktion.

Som kommer att visas utnyttjas den ånga som alstras av reaktorn och passerar genom grenledningen 30 från reak- torns ångledning 26 för återmatning av vattnet till reak- torns tryckkärl ll för ersättning. Detta matarvatten strömmar genom ett rör eller ledning 50.

Vissa system för kylning av reaktorhärdens isolation som är kända och i funktion utnyttjar egenskaper såsom de vilka beskrivs i det amerikanska patentet 3.431.168. Paten- tet visar anordnandet av en turbinpump, som tillför lagrat vatten till reaktorkärnan för bibehållande av kylvätske- nivån. Den visade turbinen är ångpâverkad och oberoende av eventuell förlust av elektrisk energi vid reaktorn.

Kylsystemet enligt denna uppfinning innefattar emellertid en strålpump och injektorsteg och kylorgan eller värme- växlare, såsom kommer att beskrivas nedan.

En värmeväxlare 53 är exempelvis kopplad till ut- loppet från den ångdrivna injektorn 60, vilken driver ett fluidum såsom vatten med hjälp av ånga från reaktorn. En sådan injektor är kommersiellt tillgänglig från Pumberthy Corporation och väsentliga delar av dess funktion kommer att anges här nedan för att medge en fullständig förståelse av den teknik som ligger till grund för föreliggande upp- finning. Värmeväxlaren 53 utnyttjar ett lämpligt kylmedium, 455 352 exempelvis vatten av låg temperatur såsom arbetsfluidum, vilket tillföres värmeväxlaren 53 genom ett inlopp 54 och avgår via ett utlopp 55. Konvektiva krafter, pump eller'andra drivorgan (ej visade) bringar kylmediet att strömma genom värmeväxlaren 53.

Värmeväxlaren 53 kan vara en av ett flertal på] marknaden tillgängliga värmeöverföringsanordningar för avlägsning av värme från ett fluidum, som passerar genom ett rör eller en ledning. Ingen speciell modell eller typ rekommenderas för användning häri. Detaljerna för ett sådant val faller väl inom kompetensen för en fack- man inom området.

Värmeväxlaren 53 kan sedd i kombination med den ångdrivna injektorn 60 betraktas såsom ett enda steg hos injektionssystemet som beskrivs. Ventilen 33 styr till- förseln av ånga från reaktorn till respektive grenar av lämpliga rör eller ledningar 63 och 65. Ledningen 63 leder ånga till ånginloppssídan hos den ångdrivna injek- torn 60. Ledningen 65 tillför ånga till en annan eller andra ångdriven injektor 70.

Injektorerna 60, 70 uppvisar liknande egenskaper.

Speciellt innefattar var och en inloppsöppningar för ånga och vatten§ Följaktligen är inlopp anordnade hos varje injektor; ett för vatten och ett för ånga. På ut- loppssidan hos injektorn 60 finns ett avtappnings- eller överströmningsrör eller -ledning 71. En huvudutloppsled- ning 72 utnyttjas i normal funktion för att medge utmat- ning av vatten. Under uppstartning och arbete skapas en sugkraft i varje ångdriven injektor genom att högtrycks- ånga passerar genom ett expansionsmunstycke. Expansions- munstycket bringar inloppsångan av högt tryck att accele- rerasjtill överljudshastighet vid subatmosfärstryck. Sub- atmosfärstrycket bringar vattnet att passera genom injek- torn i sugkammaren 74, varvid kondensation av höghastig- hetsångan i ett kondensationsområde 75 ger upphov till en fluidumström med hög hastighet som ger en sekundär sug- effekt i ett efterföljande område hos injektorn, vilket i 455 352 sin tur stänger en backventil i överströmnings- eller avtappningsledningen och dirigerar flödet genom huvud- _ utloppsledningen 72. _ Om man endast betraktar den första ånginjektorn 60 så införes ånga vid dess ånginlopp och strömmar genom sugkammaren 74. Ångan passerar sedan genom kondensatiqns- området 75 och avgår till en början via en backventil 73 i avtappningsledningen in i ett lämpligt yttre område (ej visat) inrättat att mottaga överströmningsflöde från kylningssystemet. Det från injektorn 60 utmatade flödet strömmar genom en backventil 76 och respektive grenar av lämpliga rör eller ledningar 80 och 81 för överföring av utgående vatten till lämpliga av komponenterna visade i fig. 2.

Speciellt leder en ledning 80 till värmeväxlare 53 och en ledning 83 till en värmeväxlare 88, som har ett inlopp 89 för kylmedium och utlopp 55. Respektive värme- växlare 53 och 88 är förbunden med utgångsledningar eller -rör 91, 92, vilka är kopplade till en strålpump 100 respek- tive till ånginjektorn 70. Utgângen från strålpumpen 100 tillför vatten till sugkammaren 74 hos injektorn 60 genom en ledning eller ett rör l0l. Strålpumpen 100 har ett in- lopp för mottagande av vatten från någon av ledningarna 45 genom ventilen 47. Ånginjektorn 70 har en sugkammare 110, ett kondensa- tionsomrâde lll, en överströmnings- eller avtappningsback- ventil 113 och en huvudbackventil ll5. Dess uppbyggnad är följaktligen lik den för ånginjektorn 60.

Lämpliga ånginjektorer och en strålpump för använd- ning vid uppfinningen kan erhållas från the Pemberthy Division of Houdaille Industries i Illinois. Exempelvis kan ett par Pemberthy Automatic Injectors och en strålpump av typ LL, LM eller LH utnyttjas. Ånginjektorn betraktas såsom varande en tvåfas- anordning, eftersom den injicerar en vätska (dvs. vatten) 455 352 5 med utnyttjande av en gas (dvs. ånga) och innefattar om- vandlingen av gasfasen till en vätskefas vid kondensation under dess passage genom injektorn. Strålpumpen är givet- vis en enfasanordning, eftersom vatten som injiceras in i det övriga vattnet endast innefattar en enda (vätske-)fas av H20. Ü I strålpumpen 100 drivs vatten under högt tryck från injektorn 60 och värmeväxlaren 53 genom ett munstycke ll7 hos pumpen under bildande av en sugeffekt, som tenderar att suga vatten genom ventilen 47. Munstycket ll7 ger en vattenström med hög hastighet för åstadkommande av ett lågt tryck i pumpen 100, vilket skapar den önskade sug- verkan. Pâ utmatningssidan av pumpen 100 finns en diffusor 119 utförd för att reducera flödeshastigheten och gradvis förstärka trycket under det att energiförlusterna minime- ras. Ytterligare information avseende sâdana pumpar finns att tillgå i Igor J. Karassik m.fl., Pump Handbook utgiven av McGraw Hill, publicerad 1976.

Funktionen initieras genom tillkoppling av ånga vid ventilen 33, varvid ånga som mottages från tryckkärlet ll I(fig. 1) strömmar genom ånginjektorerna 60 och 70 och ut- matas genom respektive backventiler 73 och 113. Introduk- tion av vatten i båda av dessa injektorer 60, 70 genom tillkoppling av ventilen 47 åstadkommer kondensation i respektive kondensationsområde.75 och lll, som ger ett lågt tryck i det efterföljande området därvid slutande backventilerna 73, ll3 och medgivande utmatning genom respektive backventiler 76, ll5. En del av det som utmatas av injektorn 60 matas tillbaka genom grenledningen 80 och strålpumpen 100. Detta ger vatten med högre tryck till sugkammaren 74 och förstärker utgångstrycknivån för den första injektorn 60. Effektiviteten hos den första injek- torn %0 bibehâlles genom kylning av det ångupphettade vattnet vid utgången från injektorn 60 med värmeväxlaren 53 innan vattnet tillföres sugkammaren 74 genom strålpumpen 455 352 l00. Utan värmeväxlaren S3 skulle den totala utgångs- trycknivån från den första injektorn 60 kunna reduceras.

Vatten från utloppet hos den första injektorn 60 överföres via röret eller ledningen 81 till värmeväxla- ren 88 och sedan genom en ledning 92 till en andra injek- tor 70. Kylning av vattnet medelst värmeväxlaren 88 med- ger den andra injektorn 70 att arbeta vid en acceptabelt hög effektivitetsnivå. Utloppsvattnet från den andra injektorn 70 tillföres ledningen 50 vid ett utgångstryck överstigande ca. 70 bar, vilket är tillräckligt för att övervinna mottrycket i reaktorn och för att medge injice- ring av ersättningsvatten däri.

Beskrivningen ovan hänför sig till en enda möjlig utföringsform av föreliggande uppfinning och kan modifie- ras av fackmannen inom området. Uppfinningen är emellertid ej avsedd att vara begränsad till den föredragna utförings- formen som visats och beskrivits. Tvärtom definierar patent- kraven uppfinningen och dessa är avsedda att täcka alla modifikationer som faller inom uppfinningens ram.

Claims (2)

455 352 10 Patentkrav

1. Kärnreaktoranläggning innefattande ett tryckkärl (11) innehållande en kärnreaktorhärd (15) för ångalstring och ett injektionssystem för tillförsel av vatten genom en till tryckkärlet ansluten returledning (50, 40), k ä n n e t e c k n a d av att injektionssystemet inne- fattar första och andra ångdrivna vatteninjektorer (60, 70) för matning av vatten, vilka var och en innefattar ett in- lopp och ett utlopp för vatten och är inrättad att öka vattentrycket mellan inlopp och utlopp, första lednings- organ (30) för tillförsel av ånga från nämnda kärl (11) till nämnda första injektor (60), andra ledningsorgan (81, 92) för att förbinda utloppet hos nämnda första injektor med inloppet hos den andra injektorn (70), varvid utloppet hos nämnda andra injektor är inrättat att mata vatten in i nämnda returledning (50, 40), första kylorgan (88) för kylning av vatten som passerar genom nämnda andra lednings- organ (81, 92), vilka första kylorgan står i termisk för-I bindelse med nämnda andra ledningsorgan, en strålpumpanord- ning (100) för att mottaga ingångsvatten från en källa för vatten och inrättad att dirigera detta till inloppet hos nämnda första injektor (60), varvid nämnda andra lednings- organ innefattar en grenledning (80) inrättad att avleda en del av det vatten som flyter från utloppet hos nämnda första injektor till nämnda strålpumpanordning (100), vil- ken del av vattnet är inrättad att medbringa vatten från nämnda källa för vatten för tillförsel till inloppet hos den första injektorn (60), samt andra kylorgan (53) för kylning av nämnda del av vattnet i grenledningen (80). från nämnda andra ledningsorgan (81), vilka organ står i termisk förbindelse med nämnda grenledning, varigenom förmågan hos nämnda injektionssystem att öka trycknivån för vattnet i nämnda returledning (50, 40) förbättras. 455 352 11

2. Sätt att i en för alstring av ånga avsedd kärn- reaktoranläggning, som innefattar ett tryckkärl inne- hållande en kärnreaktorhärd för ângalstring, tillföra vatten till nämnda tryckkärl genom en returledning, k ä n n e t e c k n a t av att det innefattar höjning av trycknivån hos vattnet från en källa för vatten i en första injektor, som drivs av ånga från nämnda tryckkärl, kylning av vattnet som avges från nämnda första injektor, höjning av trycknivån hos vattnet som från nämnda källa tillföres nämnda första injektor i en strålpump, som drivs av en första del av det kylda vattnet från nämnda första injektor, ytterligare höjning av trycknivân av den återstående delen av det kylda vattnet från nämnda första injektor i en andra injektor, som drivs av ånga från nämnda tryckkärl, samt vidareledning av det vatten som avges från nämnda andra injektor genom nämnda returledning till nämnda tryckkärl.