DE1003363B

DE1003363B - Siedereaktor

Info

Publication number: DE1003363B
Application number: DEG19285A
Authority: DE
Inventors: Samuel Untermyer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1955-03-28
Filing date: 1956-03-27
Publication date: 1957-02-28
Also published as: NL113530C; GB822032A; NL205824A; BE546478A; CH341577A; FR1150740A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft Siedereaktoren und Verfahren zum Betrieb von Siedereaktoren. Während die Erfindung in verschiedenster Weise ausgeführt und abgeändert werden kann, ist sie besonders für die bekannten Siedewasserreaktoren mit Turbinenanlagen geeignet und wird besonders in Verbindung mit diesen beschrieben.

Ein Siedereaktor ist ein Reaktor, in dem mindestens ein Teil des Kühlmittels innerhalb des Reaktors in den Dampfzustand übergeführt wird. Die Wärmeenergie in dem Kühlmittel wird entweder direkt oder über einen Wärmeaustauscher indirekt ausgenutzt, um Energie für ein primäres Antriebssystem zu liefern. Das Kühlmittel kann z. B. aus leichtem Wasser bestehen, welches Dampf liefert, um eine Dampfturbine anzutreiben.

Der Reaktor enthält im allgemeinen den Kernbrennstoff, ein Kühlmittel und eine Moderatorsubstanz. Das Kühlmittel kann gleichzeitig auch als Moderator dienen. Das Kühlmittel kann z. B. schweres Wasser sein, welches als Moderator wirkt, oder der Reaktor kann aus dem Kernbrennstoff, leichtem Wasser als Kühlmittel und einem Moderator aus Graphit, Beryllium oder schwerem Wasser bestehen. Regelstäbe oder andere Steuereinrichtungen sind im allgemeinen vorgesehen, um den ReaktionsVorgang des Reaktors, d. h. die Spaltungsgeschwindigkeit in dem Reaktor, zu steuern.

Kernreaktoren können in zwei allgemeine Gruppen eingeteilt werden. Die selbstregelnden Reaktoren sind solche, bei denen eine Zunahme der Reaktorleistung unmittelbar eine Abnahme des Reaktionsvorganges bewirkt, die ihrerseits die Reaktorleistung herabsetzt. Diese Art von Reaktoren sind betriebssicher. Die autokatalytischen Reaktoren dagegen sind solche, bei denen eine Zunahme der Reaktorleistung eine Zunahme des Reaktionsvorganges bewirkt, die wiederum eine Zunahme der Reaktorleistung ergibt. Wenn der Reaktorbetrieb nicht durch andere Mittel begrenzt wird, dann kann diese Betriebsart dazu führen, daß der Reaktor sich selbst zerstört.

Zur Definition wird ferner derjenige Teil des Kühlmittels, der im wesentlichen keine Dampfblasen enthält, als »nicht siedender Teil« des Kühlmittels bezeichnet. Das Kühlmittel befindet sich dann in einem flüssigen Zustand bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck. Es ist ersichtlich, daß dieselbe Flüssigkeit in einen Dampf- oder Siedezustand übergehen kann, wenn entweder die Temperatur zunimmt oder der Druck abnimmt, oder wenn beide Vorgänge stattfinden. Ein unterkühltes Kühlmittel ist ein solches, das sich bei einem gegebenen Temperatur- und Druckzustand in flüssigem Zustand befindet; dieser Ausdruck bezeichnet allgemein eine

Anmelder:

General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M.-Eschersheim, Lichtenbergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 28. März 1955

Samuel Untermyer, Atherton, Calif. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

Flüssigkeit, die sich auf einer Temperatur befindet, welche etwas unterhalb des Siedepunktes bei einem gegebenen Druck liegt.

Die Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen im allgemeinen selbstregelnde Reaktoren. Sowohl mit leichtem Wasser als auch mit schwerem Wasser gekühlte Reaktoren können bekanntermaßen so entworfen werden, daß das Sieden oder Verdampfen des Wasserkühlmittels die gewünschte Wirkung auf den Reaktionsvorgang hat. Es ist z. B. möglich, einen Reaktor so zu konstruieren, daß der Reaktionsvorgang allmählich abnimmt, wenn das Kühlmittel aus dem Reaktor herausgetrieben wird. Ein Reaktor kann auch so bemessen sein, daß der Austritt einer ersten kleinen Menge des Kühlmittels den Reaktionsvorgang nur schwach vermindert, während der Austritt der doppelten Kühlmittelmenge den Reaktionsvorgang in unverhältnismäßig größerem Ausmaß vermindert.

Der Anteil der Dampfblasen oder die Abwesenheit des flüssigen Kühlmittels in einem solchen selbstregelnden Reaktor bestimmen die maximale Ausgangsleistung des Reaktors. Wenn z. B. 20 Volumprozent des Kühlmittels in einem Reaktor sich in Dampfzustand befinden, dann hat der Reaktor 20% Dampfphasenanteil. Bei einem typischen Reaktor beträgt die maximale Abnahme des Reaktionsvorganges, die in dem Arbeitsbereich des Reaktors geduldet werden kann, etwa 3%, was bei einem typischen Reaktor einem Dampfphasenanteil von 20% entspricht. Es ist daher wünschenswert, eine mög-

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liehst große Leistung aus einem solchen Reaktor zu erhalten, ohne die Grenze von 20% Dampf blasen zu überschreiten. Diese Begrenzung wird noch deutlicher, wenn in Betracht gezogen wird, daß die Menge der verfügbaren Energie in einem Siedewasserreaktor durch die Menge des verfügbaren Dampfkühlmittels bestimmt wird. Es ist daher besonders wünschenswert, eine Vorrichtung vorzusehen, welche den Energietransport von dem Reaktor erhöht, so daß der

eine Rohrleitung 18 zugeführt, aus dem das anfallende Wasser über eine Leitung 20 entfernt und dem unteren Teil des Reaktorbehälters 10 wieder zugeführt wird. Der Dampf von dem Dampfbehälter wird über eine Rohrleitung 21 dem Einlaß der Hochdruckturbine 22 eines mehrstufigen Turbogenerators 23 zugeführt. Der Turbogenerator besteht aus einer mehrstufigen Hochdruckturbine 22 und einer mehrstufigen Niederdruckturbine 24, die durch eine gemeinsame

sator 28 kondensiert und durch eine Leitung 29 der Umlaufpumpe 30 zugeführt. Von der Pumpe 30 fließt das Wasser durch die Leitung 31 zur Pumpe 32 und wird in diesem unterkühlten Zustand in den Reak-

Nettowirkungsgrad des Reaktors durch den Wärme- io Welle verbunden sind und einen Generator 25 anaustausch und nicht durch den Dampfphasenanteil treiben, dem die elektrische Energie an Ausgangsbestiimmt ist. klemmen 26 entnommen werden kann. Der Abdampf

Der Betrieb des Siedereaktors wird ferner durch der Hochdrackstufe 22 wird durch eine Leitung 27 schwankende Belastungen kompliziert. Da der Reak- der mehrstufigen Niederdruckturbine 24 zugeführt, tor eine große Menge von gesättigtem Wasser ent- 15 Der Abdampf der Turbine 24 wird in dem Kondenhält, kann er momentan genügend Dampf liefern, um
rasche Druckschwankungen in der Anlage zu verhindern. Wenn z. B. eine Turbine plötzlich mehr
Dampf benötigt, als durch die Spaltung innerhalb des
Reaktorbrennstoffes erzeugt wird, dann verwandelt 20 torbehälter 10 durch die Leitung 33 geleitet. Dies sich das gesättigte Kühlwasser blitzartig in Dampf, ist der Dampfumlauf in der Reaktoranlage, um den Mangel auszugleichen. Die schnelle Umwand- In dem Wasserumlauf wird nicht siedendes Wasser

lung von Wasser in Dampf erzeugt aber einen Dampf- hoher Temperatur dem Behälter 10 durch eine Rohrphasenanteil, welcher die Reaktorleistung herabsetzt. leitung 34 entnommen und fließt dem Wärme verbrau-Um dies auszugleichen, müssen die Regelstäbe her- 25 chenden Gerät 35 zu. Dieses Wärme verbrauchende ausgezogen werden, bis die Dampferzeugung durch Gerät kann z. B. ein Wärmeaustauscher sein, der dazu Spaltungswärme den Bedarf ausgleicht. Es ist daher benutzt wird, Wasser zu erhitzen, um Dampf für die besonders erwünscht, daß ein im wesentlichen selbst- Niederdruckstufen der Turbine zu erzeugen, oder das stabilisierendes Verfahren und eine Einrichtung für Wärme verbrauchende Gerät 35 kann wie im vorden Betrieb von Siedereaktoren unter wechselnden 30 liegenden Beispiel aus einem Schnell verdampf er be-Belastungszuständen geschaffen werden. stehen. Eine D ruckreduzier düse 36 sprüht Wasser

Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Siedereaktor- hoher Temperatur in die Kammer 35, in der ein reduanlage sowie Verfahren zum Betrieb derselben anzu- zierter Druck herrscht, so· daß ein Teil des heißen geben, die eine erhöhte Reaktorausgangsleistung Wassers blitzartig in Dampf übergeht, der durch eine sicherstellen. Außerdem soll die Energie dem ver- 35 Rohrleitung 37 der Niederdruckturbine 24 zugeführt dampften Kühlmittel und dem flüssigen Kühlmittel wird. Der Teil des nicht siedenden Kühlmittels oder entnommen werden. Ferner soll die Krafterzeugungs- Wassers, der nicht schlagartig in Dampf in der anlage im wesentlichen selbstregelnd sein. Schnellverdampfungskammer 35 umgewandelt wird,

Die Erfindung betrifft eine Siedereaktoranlage, die wird über die Leitung 38 der Pumpe 32 zugeleitet, einen Kernreaktor mit einem verdampfbaren Kühl- 40 welche dieses Wasser zusammen mit dem Wasser des mittel enthält und so entworfen ist, daß der Reak- Kondensators 28 dem Reaktorbehälter 10 zuführt, tionsvorgang bei Verringerung des Gehalts an flüssi- Die in Fig. 1 dargestellte Anlage kann daher als

gern Kühlmittel herabgesetzt wird. Erfindungsgemäß Siedereaktoranlage mit doppeltem Kreislauf betrachsind Einrichtungen vorgesehen, um Energie aus tet werden. Es ist ein Dampfkreislauf oder ein Kreiseinem nicht siedenden oder im wesentlichen flüssigen 45 lauf für das verdampfte Kühlmittel und ein Flüssig-Teil des Kühlmittels zu entnehmen; dabei wird dem keitskreislauf, d. h. ein Kreislauf für das nicht Reaktor unterkühltes Kühlmittel zugeführt, so daß siedende Kühlmittel, vorhanden, die beide dem Turbonur ein Teil des Kühlmittels innerhalb des Reaktors generator Energie von dem Reaktor zuführen. Das Kühlmittel in Dampf form enthält. Dies ergibt eine Kühlmittel besteht in den beschriebenen Ausführungs-Siedereaktoranlage mit gesteigerter Ausgangsleistung, 50 beispielen aus leichtem Wasser, es kann jedoch auch die im wesentlichen bei B elastungs Schwankungen aus einem anderen Kühlmittel, z. B. schwerem selbstregelnd arbeitet. Wasser, oder anderen Stoffen bestehen, die eine ver-

Fig. 1 ist eine halbschematische Darstellung einer hältnismäßig große latente Verdampfungswärme Krafterzeugungsanlage gemäß der Erfindung; haben. Wasser ist bei Anwendung in kommerziellen

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines 55 Kraftanlagen wegen der verhältnismäßig kurzen Teiles des Reaktorkernes, und Halbwertzeit (in der Größenordnung von Sekunden)

Fig. 3, 4 und 5 stellen weitere Ausführungsformen seiner im Reaktor erworbenen Radioaktivität besondes Erfindungsgegenstandes dar. ders wünschenswert, da diese kurze Halbwertzeit die

Fig. 1 zeigt einen Reaktorbehälter 10 mit einem Wahrscheinlichkeit einer Vergiftung der Rohrleitun-Reaktorkern 11 und einem Dampfdom 12 oberhalb 60 gen und der Turbinenanlage verhältnismäßig gering der Oberfläche des Kühlmittels 13. Der eigentliche macht und daher die Gefahren für das Bedienungs-Reaktor besteht aus einer Anzahl von Kernbrennstoff- personal herabsetzt.

teilen 14 mit dazwischenliegenden Öffnungen 15. Der Eine angemessene Strahlungsabschirmung wird um

Reaktionsvorgang des Reaktorkernes 11 wird durch den Reaktorbehälter 10 und auch um die übrige Aneine Anzahl von Regelstäben 16 gesteuert, die in 65 lage und um die Rohrleitungen angeordnet, wie dies einen Teil der Öffnungen hinein- oder aus ihnen her- erforderlich ist; die Darstellung dieser Abschirmung ausbewegt werden können, wie dies durch die Pfeile ist aber zur Vereinfachung der Beschreibung in der 17 angedeutet ist, um die gewünschte Geschwindig- Fig. 1 fortgelassen. Außerdem sind im Interesse einer keit des Spaltvorganges zu erhalten. Der Dampf aus Vereinfachung der Beschreibung der Erfindung eine dem Dampfdom 12 wird dem Dampfbehälter 19 über 70 Anzahl von zusätzlichen Bauteilen fortgelassen, die

für eine vollständige betriebsfähige Anlage erforderlich sind, wie z. B. Reiniger, um das Kühlmittel für den Reaktor sauberzuhalten, Dampfseparatoren, Speisewassererhitzer, eine Kühlanlage für den Kondensor sowie Instrumente und Regelgeräte.

Das Kühlmittel wird erhitzt, indem es durch die Kanäle 15 in der Pfeilirichtung* 15' fließt. Es können auch waagerechte Reaktorkanäle verwendet werden, wenn ein zwangläufiger Umlauf vorgesehen ist. Im Interesse der Vereinfachung der Beschreibung sind jedoch nur senkrechte Kanäle dargestellt. Wenn das Kühlmittel durch die Kanäle 15 nach oben steigt, nimmt es eine zunehmende Wärmemenge auf, die bewirkt, daß eine Anzahl λόπ Dampfblasen in der Flüssigkeit entsteht und durch die Kanäle nach oben steigt. Wie schon erörtert wurde, bestimmt der Prozentsatz der Konzentration dieser Dampfblasen oder Dampfstellen in dem Fall eines Siedewasserreaktors den Reaktionsvorgang des Reaktors. Beim Gegenstand der Erfindung wird der Dampf in der Nähe der Auslaßenden oder oberen Enden der Kanäle 15 erzeugt, so daß die Ausgangsleistung des Reaktors vergrößert wird. Diese Besonderheit und die Arbeitsweise der Reaktoranlage wird aus der Betrachtung der Fig. 2 deutlicher, in der der Reaktorkanal α den Zustand darstellt, der im allgemeinen bei üblichen Siedewasserreaktoren vorhanden ist. Der Kanal b stellt den Zustand dar, der bei einem Reaktor gemäß der Erfindung auftreten soll, und der Kanal c zeigt lichen Siedereaktor, der ζ. Β. Dampf mit 600 Pfund pro Ouadratzoll (42 kg pro cm²) erzeugt, kann etwa 30% der Wärme dazu benutzt werden, um die Wassertemperatur zu erhöhen. Es würde daher kein Sieden auftreten, bis das Kühlmittel etwa 30% der Länge des Kühlkanals durchflossen hat. Die Fortlass'ung der Speisewassererwärmung hat aber den schwerwiegenden Nachteil, daß der Wirkungsgrad des thermischen Kreislaufes vermindert wird.

Beim Gegenstand der Erfindung sind nun Mittel vorgesehen, um innerhalb des Reaktorkühlsystems der Flüssigkeit Energie zu entnehmen. Hierdurch wird eine Quelle von 'unterkühlter Flüssigkeit gebildet, die dem Eingang der Reaktorkühlkanäle zugeführt wird.

Im Kanal b ist der Zustand dargestellt, der eintreten würde, wenn die Hälfte der Reaktorwärme benutzt würde, um die Temperatur der Flüssigkeit zu erhöhen, während die andere Hälfte der Wärme zur Dampfbildung benutzt wird. Es ist ersichtlich, daß keine nennenswerte Menge von Blasen erzeugt wird, bevor die Flüssigkeit die untere Hälfte des Kühlkanals durchsetzt hat. Die gleiche Anzahl von Blasen wie im Kanal α ist dargestellt, aber diese Blasen befinden sich nun im oberen Teil des Reaktors, so daß für die gleiche Geschwindigkeit des Kühlmittels und für die gleiche Anzahl von Blasen innerhalb des Reaktorkühlkanals doppelt soviel Blasen pro Zeiteinheit erzeugt werden, so daß die Dampferzeugungs-

den Zustand in dem Reaktorkernkanal einer bevor- 30 geschwindigkeit doppelt so groß wie im Kanal α ist.

zugten Ausführungsform der Erfindung.

Die Flußrichtung des Kühlmittels durch die Kanäle wird durch die Pfeile 15' angedeutet. Die Kreise stellen Blasen des verdampften Kühlmittels dar, und die Konzentration der Blasen 39 stellt den Prozentsatz der Dampfstellen in dem Kanal dar. Infolge der natürlichen Strömung des Kühlmittels durch die Kanäle haben die Dampfblasen das Bestreben, nach oben zu steigen und sich am oberen Ende des Reaktorkernes im zunehmenden Maß anzusammeln.

Im Interesse der A^ereinfachung ist bisher angenommen, daß Dampfstellen gegebener Größe die gleiche Wirkung auf den Reaktionsablauf unabhängig von ihrer Lage im Reaktor haben. Außerdem wird bei der folgenden Erläuterung angenommen, daß die Krafterzeugung im ganzen Reaktor gleichzeitig stattfindet.

Es sind jedoch genauere Rechnungen ausgeführt worden, welche die Änderungen der Krafterzeugung Außerdem wird eine gleiche Wärmemenge benutzt, um die Flüssigkeit vor der Freisetzung des Dampfes zu erwärmen. Die gesamte Wärmeerzeugungsgeschwindigkeit des Reaktors und die verfügbare Leistung ist daher viermal so· groß in dem Kanal b wie in dem Kanal a, während das Verhältnis der Dampfstellen in beiden Fällen im wesentlichen das gleiche ist.

Es wird, nun der Kanal c betrachtet, bei dem etwa ^%U der Reaktorwärme dazu benutzt wird, um die Flüssigkeit zu erwärmen und nur ¹A der Wärme zur Erzeugung des Dampfes verwendet wird. Durch ähnliche Schlußfolgerungen kann gezeigt werden, daß die gesamte Ausgangsleistung bei dem gleichen Bruchteil von Dampfstellen etwa 16mal so groß ist wie im Kanal a.

Es sei auch bemerkt, daß der Anteil der Dampfstellen in der Mitte des Kanals b viel· kleiner ist als der Anteil im Kanal a, und es sei ferner bemerkt, daß

in dem Generator berücksichtigen sowie auch die Ab- 50 die Flüssigkeit in der Mitte des Kanals c unterkühlt hängigkeit der Wirkung der Dampfstellen von ihrer ist. In Wirklichkeit ist bei einem Reaktor die Wärme-

Lage in dem Reaktor. Diese Rechnungen bestätigen die Annahme, daß eine Unterkühlung eine Leistungserhöhung ergibt.

Der Kanal α stellt einen Siedereaktor dar, bei dem gesättigte Flüssigkeit unten am Kühlkanal zugeführt wird. Die Wärme des Brennstoffes verdampft einen Teil der Flüssigkeit, so daß Blasen entstehen, die über die Länge des Kühlmittelkanals verteilt sind.

erzeugung gewöhnlich in der Nähe des mittleren Abschnittes des Reaktorkernes am intensivsten, und der Wärmeaustausch an diesem Punkt ist besonders kritisch. Es ist leichter möglich, die Wärme mit einer gewissen Sicherheit auf Flüssigkeiten unterhalb des Siedepunktes oder auf schwach siedende Flüssigkeiten zu übertragen als auf Flüssigkeiten, die große Dampfmengen in Mischung enthalten. Da durch die

Bei einem solchen Reaktor würde die Wärmeaus- 60 Erfindung entweder das Ausmaß des Siedens vermin-

gangsleistung normalerweise durch die Geschwindigkeit begrenzt sein, mit der der Dampf erzeugt wird, ohne daß ein gegebener Anteil von Dampfstellen im Reaktorkern überschritten wird. Als Beispiel sind in dem Kanal α zehn Blasen innerhalb des Kühlkanals dargestellt.

Es sei bemerkt, daß eine gewisse Menge unterkühlter Flüssigkeit in einer üblichen Siedereaktoranlage geliefert werden kann, wenn keine Rückerwärdert oder eine Unterkühlung an den Stellen schaffen wird, an denen die Wärmeerzeugung am intensivsten ist, vermindert die Erfindung die Wahrscheinlichkeit einer Überhitzung der Brennstoffelemente im kritischen Bereich der maximalen Wärmeerzeugung.

Die Stabilität der Regelung der gesamten Anlage nach Fig. 1 und 2 wird gemäß der Erfindung dadurch verbessert, daß Belastungsschwankungen weitgehend

mung des Speisewassers benutzt wird. Bei einem üb- 70 aufgenommen werden können, indem der Anteil der

Leistung eingeregelt wird, die dem nicht siedenden Teil des Kreislaufes entnommen wird. Der in dem Wärmeaustauscher ader Schnellverdampfer erzeugte Dampf wind in erster Linie dazu benutzt, die erhöhten Leistungsanforderungen auszugleichen. Wenn dies geschieht, dann erhöht ein größerer Leistungsbedarf nur den Teil der Leistung, der dem nicht siedenden Kreislauf entnommen wird, welcher seinerseits die Unterkühlung des in den Reaktor eintretenden Wassers erhöht. Hierdurch wird der Anteil der Dampfstellen in dem Reaktor vermindert. Der Bereich, in dem die Dampfstellen aufzutreten beginnen, wird in dem Reaktorkanal nach oben verschoben. Dies verursacht eine Steigerung des Reaktionsvorganges temperatur in dem Reaktor, welche 486° F (250° C) bei 600 Pfund pro Ouadratzoll (42 kg pro- cm²) beträgt.

Das Wasser, das aus dem Schnellverdampfer zum Reaktor zurückgeführt wird, wird mit dem Turbinenkondensat gemischt, welches in einem nicht dargestellten Speisewassererhitzer auf 206° F (94° C) erhitzt wird. Die Temperatur der Mischung beim Eintritt in den Reaktor beträgt 401° F (202° C), d.h., sie liegt ίο 86° F (48° C) unterhalb der Sättigungstemperatur in dem Reaktorbehälter und liefert daher das notwendige unterkühlte Kühlmittel für die Anlage.

Bei einer Teilbelastung des Generators wird sowohl die Dampfzufuhr aus dem Schnellverdampfungsbehäl-

des Reaktors, die ihrerseits dazu dient, die Leistung 15 ter als auch die aus dem Reaktor reduziert. Die Andes Reaktors zu erhöhen und den Leistungsbedarf lage ist so entworfen, daß die Zufuhr aus dem nicht auszugleichen. Es ist daher ersichtlich, daß die An- siedenden Kreislauf bei Teilbelastung derart verminlage in bezug auf die Belastung im wesentlichen dert wird, daß im wesentlichen der ganze Dampf direkt selbstregelnd ist. von dem Reaktor geliefert wird, wenn die Anlage mit

Als spezielles Beispiel für eine Reaktoranlage ge- 20 etwa 25% der Nennleistung läuft. Diese Anordnung maß der Erfindung sei angenommen, daß die Kraft- ergibt einen günstigen thermischen Wirkungsgrad bei erzeugungsanlage der Fig. 1 für die Erzeugung von
etwa 180 000 kW Nettoausgangsleistung entworfen
ist. Es kann gezeigt werden, daß es nicht möglich ist,
den gesamten Dampf von 600 Pfund pro· Ouadratzoll 25
(42 kg pro cm²) innerhalb eines Reaktorkernes von
3 m Durchmesser (9 Fuß) zu erzeugen. Dies würde
zu großen Schwankungen des Reaktionsvorganges
beim Zusammenbruch der Dampfblasen führen.

Bei dieser speziellen Anordnung wird daher nur die Hälfte des Dampfes in dem Reaktorkern erzeugt, während der übrige Dampf dadurch erzeugt wird, daß Reaktorwasser in der Schnellverdampfungskammer 35 auf einen niedrigeren Druck gebracht wird. Das Wasser tritt in den Reaktorkern in unterkühltem Zustand ein, so daß etwa 60 % der Höhe des Reaktorkanals mit unterkühltem Wasser gefüllt ist und ein Sieden nur in den oberen 40% der Höhe des Reaktors eintritt. Hierdurch läßt sich dem Reaktor etwa doppelt soviel Leistung direkt in Form von Dampf entnehmen, ohne die zulässige Grenze des Dampfanteils in dem Reaktorkern zu überschreiten. Außerdem wird eine Dampfmenge, die etwa gleich der durch den Dampf abgeführten Dampfmenge ist, dem Schnellverdampferkreislauf entnommen, so daß für einen gegebenen durchschnittlichen Prozentsatz an Blasen im Reaktor der kombinierte Schnellverdampferkreislauf und Dampfkreislauf die Entnahme der vierfachen Leistung bei einer gegebenen Größe des Reaktorkerns Teilbelastung. Wie schon oben erwähnt wurde, fällt der Druck in dem Schnellverdampfer leicht ab, wenn ein plötzlicher Leistungsbedarf auftritt, so daß der Zufluß des unterkühlten Wassers in dem Reaktor zunimmt. Die Dampfblasen in dem Reaktor werden daher vermindert, so daß der Reaktionsvorgang gesteigert wird und sich eine höhere Reaktorausgangsleistung zur Deckung des Bedarfes ergibt. Die Reaktoranlage ist daher mit Bezug auf Belastungsschwankungen selbstregelnd.

Der verwendete Brennstoff kann z. B. aus irgendeinem geeigneten spaltbaren Material bestehen, das die erforderliche Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion und Strahlungswirkungen aufweist. Die besonderen Einzelheiten des praktisch gemäß der Erfindung ausgeführten Reaktors werden nicht beschrieben, da die Erfindung mit den verschiedensten Reaktoren verwirklicht werden kann.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, bei dem ein zwangläufiger Umlauf stattfindet. Das Reaktorgefäß 40 hat keinen Dampfdom, sondern statt dessen einen Kernbauteil, in den unterkühltes Wasser durch die Rohrleitung 41 hineingepumpt wird. Wenn das Wasser durch den Reaktor gepumpt wird, wird es erhitzt, und eine Kombination von Dampf und Wasser wird durch die Rohrleitung 42 dem Dampfkessel 43 zugeführt, in dem der Dampf von dem Wasser getrennt wird und von dem er über

ermöglicht als bei Verwendung eines einfachen Siede- 50 ein. Drosselventil 44 der Hcchdruckeingangsstufe der

kreislaufes.

Der Reaktordruckbehälter 10 wird bei einem Druck von 600 Pfund pro Quadratzoll (42 kg pro. cm²) betrieben. Es sei bemerkt, daß der Druck wesentlich niedriger ist, als es bei der gleichen Temperatur bei einem nicht siedenden Druckwasserreaktor der Fall wäre. Dies ergibt eine Betriebswassertemperatur von etwa 486° F (250° C). Der Dampf von 600 Pfund pro Quadratzoll (42 kg pro cm²) strömt von dem Reaktor durch den Dampfbehälter 19 der Hochdruckturbine 22 zu. Der Schnellverdampfer arbeitet mit einem Druck von etwa 350 Pfund pro Quadratzoll (24,5 kg pro¹ cm²), wenn die Anlage die Nennleistung liefert. Ungefähr 8% des Wassers, welches dem Schnellverdampfer zugeführt wird, wird in Dampf verwandelt, der der Niederdruckturbine 24 zugeleitet wird. Das Wasser verläßt den Schnellverdampfer bei dem Druck von 350 Pfund pro Quadratzoll (24,5 kg pro· cm²) bei einer Sättigungstemperatun: von 432° F (220° C).

Turbine 45 zugeführt wird. Das Wasser fließt von dem Dampfkessel 43 durch ein Reduzierventil 46 in den Schnellverdampfungsbehälter 47, der einen erniedrigten Druck führt, SO' daß das heiße Wasser zum Teil in Dampf umgewandelt wird, der der Zwischenstufe der Turbine 45 über die Leitung 48 zugeleitet wird. Der Teil des Wassers, der in dem Schnellverdampfer 47 nicht verdampft wird, wird über ein Reduzierventil 49 dem Schnellverdampfer 50 zugepumpt, wo nochmals Dampf infolge des reduzierten Druckes in dem Schnellverdampfungsbehälter erzeugt wird. Dieser Dampf wird über eine Leitung 51 der Niederdruckstufe der Turbine 45 zugeführt. Der Teil des Wassers, der in der Turbine 45 nicht verdampft wird, wird über eine Rohrleitung 52 und 53 sowie eine Umlaufpumpe 54 über die Leitung 41 dem Boden des Reaktors wieder zugeführt. Das Kondensat vom Ausgang der Turbine wird in einem Kondensator 55 verdichtet und durch die Pumpe 56 in die Leitung 53

Diese liegt um 54° F (30° C) unter der Sättigungs- 70 und zurück zum Reaktor gefördert.

Bei dieser Ausführungsform wird das unterkühlte Wasser durch den zwangläufigen Kreislauf mit Hilfe der Pumpen 54 und 56 wieder in den Reaktor zurückgeführt. Ein nicht siedendes Kühlmittel mit verdampftem Kühlmittel wird entnommen und in dem Dampfkessel 43 abgetrennt. Das nicht siedende Kühlmittel wird dann anschließend in den Schnellverdampfungsbehältern 47 und 50 verdampft. Es ist ersichtlich, daß an Stelle der Schnellverdampfungsbehälter 47 und 50 geeignete Wärmeaustauscher angeordnet werden können, um dem nicht siedenden Kühlmittel Energie zu entnehmen.

Eine Wärmeaustauscheranlage, die derjenigen der Fig. 1 ziemlich ähnlich ist, ist in Fig. 4 dargestellt, in der ein Reaktor mit einem Dampfdom wie in Fig. 1 den Dampf über eine Leitung 57' der Hochdruckstufe einer mehrstufigen Turbine 58 zuführt. Der Heißwasserausgang des Reaktors 57 führt über die Rohrleitung 60 zur Schlange 61 des Wärmeaustauschers; das unterkühlte Kühlmittel wird durch die Pumpe 62 dem Eingang dies Reaktors 57 über die Leitung 63 zugeleitet. Der Ausgang des Wärmeaustauschers 64 ist über eine Rohrleitung 65 mit der Mitteldruckstufe der Turbine 58 verbunden. Der Austauscher 64 kann über ein Ventil 66 und eine Rohrleitung 66' mit Kühlmittel gespeist werden, von dem ein Teil in Dampf verwandelt wird, und der Rest siedet. Wahlweise kann dem Wärmeaustauscher auch über das Ventil 67 und die Leitung 67' Kühlmittel zugeführt werden. An der Ausgangsseite der Turbine 58 ist ein Kondensator 68 vorgesehen, wobei das Kondensat über Rohrleitungen 69 und 70 durch die Pumpe 71 gefördert wird.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem ein homogener Reaktor einen Behälter 72 für eine homogene spaltbare Lösung 73 enthält. Ein Dampfdom oder eine Kammer 74 ist für das verdampfte Kühlmittel vorgesehen, und ein Wärmeaustauscher 75 führt duirch den Bereich des verdampften Kühlmittels hindurch. Ein weiterer Wärmeaustauscher 76 wird dazu verwendet, aus der nicht siedenden oder flüssigen Phase des Kühlmittels Wärmeenergie zu. entnehmen. Die homogene spaltbare Lösung kann z. B. aus einer Lösung oder einem Brei bestehen, der mit schwerem oder leichtem Wasser angesetzt ist und die erforderliche Konzentration von spaltbarem Material enthält, um die Kettenreaktion aufrechtzuerhalten.

Um den Grad der in die Turbine 77 eingeführten Radioaktivität zu begrenzen, wird ein getrenntes Wärme übertragendes Medium, z. B. Wasser, durch den Austauscher 75 und die Rohrleitung 78 geführt, um der Hochdruckstufe der Turbine 77 Dampf zuzuführen. Der Niederdruckdampf wird von dem Austauscher 76 geliefert und strömt über die Leitung 79 der Zwischenstufe der Turbine 77 zu. Das Kondensat wird dem Kondensator 80 entnommen, strömt durch die Rohrleitung 81 und wird durch die Pumpe 82 wieder in den Kreislauf zurückgefördert.

Besondere Vorkehrungen für zusätzliche Wasserzufuhr, Dampfbehälter, Wasserreinigung u. dgl. sind in der Zeichnung fortgelassen. Bei dieser Anlage ist ein doppelter Kreislauf vorhanden, wobei die Energie dem verdampften Kühlmittel durch den Austauscher 75 und der nicht siedenden oder flüssigen Phase des Kühlmittels durch den Austauscher 76 entzogen wird. Das unterkühlte Kühlmittel wird dem Reaktor durch die normale Konvektionsströmung der homogenen spaltbaren Lösung zugeführt, so daß die Bildung von Dampfbliasen im wesentlichen auf einen Bereich in der Nähe der Oberfläche 73' der homogenen spaltbaren Lösung begrenzt ist und der Teil der spaltbaren Lösung, der in Berührung mit d<em Wärmeaustauscher 76 steht, sich im wesentlichen in einem flüssigen oder nicht siadenden Zustand befindet.

Die Ausgangsleistung wird daher durch die Wärmeübertragungseigenschaften des Reaktorkernes und des Kühlmittels und nicht durch die Dampfblasen bestimmt, so daß eine im wesentlichen selbstregelnde Reaktorkrafterzeugungsanlage gebildet wird, die von sich aus stabilisiert ist, ohne daß komplizierte Verfahren erforderlich sind, um Steuerstäbe einzustellen und Änderungen des Leistungsbedarfes nachzukommen.

Claims

Patentansprüche:

1. Siedereaktor mit einem Kernreaktor, der ^in verdampfbares Kühlmittel enthält und bei dem der Reaktionsvorgang bei Verringerung des Gehalts an flüssigem Kühlmittel herabgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Entnahme von Energie aus dem nicht siedenden Teil des Kühlmittels sowie Einrichtungen zur Zuführung von unterkühltem Kühlmittel zum Reaktor vorgesehen sind, so daß nur ein Teil des Kühlmittels in dem Reaktor Kühlmittel in Dampfphase enthält, derart, daß die Ausgangsleistung der Anlage erhöht wird und die Anlage im wesentlichen selbstregelnd arbeitet.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Reaktor mindestens ein Teil des flüssigen Kühlmittels, dem Energie entnommen worden ist, wieder zugeführt wird.

3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlmittel in flüssigem Zustand dem Reaktor entnommen und diesem nach Energieentnahme mindestens teilweise wieder zugeführt wird.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Energieverbraucher mit dem Reaktor gekoppelt ist, der verdampftes Kühlmittel entnimmt und die darin enthaltene Energie verbraucht, und daß Einrichtungen vorgesehen sind, um die Wärmeenergie aus dem in flüssigem Zustand entnommenen Kühlmittel dem: Verbraucher zuzuführen.

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieverbraucher aus einer Dampfturbine besteht und die Einrichtung zur Entnahme des flüssigen Kühlmittels und zur Ableitung der Wärmeenergie für die Dampfturbine mindestens einen Schnellverdampfer aufweist, der bei vermindertem Druck arbeitet und in dem mindestens ein Teil des Kühlmittels in Dampf verwandelt wird.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Entnahme des flüssigen Kühlmittels und der Energie für die Dampfturbine mindestens einen Wärmeaustauscher aufweist.

7. Anlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dampfkessel mit dem Reaktor gekoppelt ist, um den Dampf aus dem dem Reaktor entnommenen Dampf-Wasser-Gemisch abzutrennen, daß ferner eine mehrstufige Dampfturbine mit dem Dampfkessel verbunden ist, um die Energie des Dampfes umzuwandeln, daß ferner mindestens ein Schnellverdampfer mit vermindertem Druck vorgesehen ist, dem heißes Wasser von dem Dampfkessel zugeführt wird und der Dampf an eine Zwischenstufe der Turbine

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liefert, und daß Umlaufseinrichtangen vorgesehen sind, die das Wasser aus dar Turbine und mindestens einem Schnellverdampfer dem Reaktor wieder zuführen.

8. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Energieverbraucher mit dem Reaktor gekoppelt ist, um dem verdampften Kühl-

mittel Energie zu entnehmen, und daß die dem im wesentlichen flüssigen Kühlmittel entnommene Energie ebenfalls dem Verbraucher zugeführt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Nucleonics, Bd. 12, 1954, H. 7, S. 43.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen