DE1113041B - Kernreaktor mit Brennstoffkanaelen und stroemendem Kuehlmittel - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

U5343Vmc/21g

ANMELDETAG: 12. MAI 1958

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 24. AUGUST 1961

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor mit einer Anzahl von Brennstoff kanälen, welche Brennstoffelemente enthalten, deren Spaltungswärme durch ein durch jeden Brennstoffkanal strömendes Kühlmittel abgeführt wird, das aus einer Suspension von Flüssigkeitsteilchen in einem Gas oder Dampf besteht.

In der britischen Patentschrift 735 851 ist ein .Wärmeübertragungsverfahren beschrieben, bei welchem eine in Suspension befindliche Flüssigkeit in einem Gas als Kühlmittel verwendet wird.

Die Verwendung einer Sprühkühlung für ein Wärmeaustauschverfahren ist aus »Nuclear Science Abstracts«, 8953, 1956, bekannt, worin die Verwendung versprühten Wassers zur Kühlung der Kanäle in dem ORNL-Graphitreaktor beschrieben wird, und aus dem Band »Reactor Handbook Engineering« der Buchreihe »Selected Reference Material on Atomic Energy«, 1955, worin der Wärmeentzug aus geschmolzenem Salz mittels Durchsprühen flüssigen Wismuths in feinen Tröpfchen durch das Salz beschrieben ist.

Verfahren zur Trennung von Dampf und Flüssigkeit sind ebenfalls bekannt, und zwar aus dem Band 3 der Reihe »Peaceful Uses of Atomic Energy«, 1955, sowie aus der deutschen Patentschrift 952 929 und der britischen Patentschrift 648 293.

Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Kernreaktors, bei welchem ein derartiges Kühlmittel vorzugsweise in Form einer Flüssigkeit verwendet wird, welche in ihrem eigenen gesättigten Dampf zur Suspension gebracht wird, wobei ein solcher Reaktor gegenüber bekannten Wärmeaustauschverfahren die Vorteile hat, daß relativ hohe Wärmeübertragungsgrade erzielt und eine Überhitzung leicht erreicht werden können. Die Probleme, die durch die Wasser-Absorption des Reaktoraufbaus und durch die geringe Phasentrennung bei den geforderten Strömungsgeschwindigkeiten, wie es in den den Stand der Technik darstellenden Veröffentlichungen erwähnt ist, entstehen, werden ebenfalls durch die vorliegende Erfindung nahezu bedeutungslos gemacht.

Erfindungsgemäß ist der eingangs genannte Kernreaktor dadurch gekennzeichnet, daß an den Einlaßenden eines jeden Brennstoffkanals eine Vorrichtung angebracht ist, welche die Flüssigkeitsteilchen erzeugt und in den Gas- oder Dampfstrom einbringt.

Im Reaktor können weitere Rohre untergebracht werden, welche wärmeerzeugende Brennstoffelemente aufweisen und dazu vorgesehen sind, das verdampfte Kühlmittel, welches durch die weiteren Rohre hindurch von der Abscheidungsvorrichtung her strömt, zu überhitzen.

Kernreaktor mit Brennstoffkanälen und strömendem Kühlmittel

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority, London

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt, Siegen, Oranienstr. 14

Beanspruchte Priorität: Großbritannien vom 13. Mai 1957 (Nr. 15 130/57)

John Desmond Thornton, London, und Henry Reginald Clive Pratt,

Melbourne (Australien), sind als Erfinder genannt worden

Die Überhitzerrohre können in einer ringförmigen Zone angeordnet sein, welche die Verdampferrohre umgibt, oder umgekehrt.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnungen näher erläutert werden, und zwar zeigt bzw. zeigen

Fig. 1 bis 3 schaubildliche lotrechte Schnitte durch Kühlrohrelement-Bauarten gemäß der Erfindung,

Fig. 4 ein Schaubild eines Reaktors, welcher die in Fig. 1 veranschaulichte Rohrelement-Bauart aufweist,

Fig. 5 ein Schaubild eines Reaktors, welcher die in Fig. 2 veranschaulichte Rohrelement-Bauart aufweist,

Fig. 6 einen Ausschnitt aus Fig. 5 in vergrößertem Maßstab,

Fig. 7 ein Schaubild eines Reaktors, welcher die in Fig. 3 veranschaulichte Rohrelement-Bauart aufweist,

Fig. 8 einen schaubildlichen lotrechten Schnitt durch eines der Rohrelemente der Fig. 7 in einem vergrößerten Maßstab, während die

Fig. 9 bis 11 schaubildliche Kreislauf-Darstellungen einiger der möglichen Dampf- und Wasserverbindungen zwischen einem Reaktor gemäß der Erfindung und einer Dampfturbine wiedergeben.

Es sei zunächst auf die Fig. 1 bis 3 Bezug genommen, bei welchen ein lotrecht angeordnetes Rohr 1

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ein Stabelement 2 aus Spaltmaterial enthält. Das Rohr ist beispielsweise eines aus einer Mehrzahl, welche parallel zueinander so angeordnet sind, daß die Brennstoffelemente 2 zusammengefaßt werden, um dadurch eine kritische Masse zu bilden. Die Parameter oder Abmessungsgrößen der Anlage werden durch bekannte Kerndaten bzw. -bezugsgrößen bestimmt, und zwischen den Rohren befindet sich ein Neutronen moderierendes Material oder nicht, je nachdem, ob ein thermischer oder ein schneller Reaktor gefordert wird.

In Fig. 1 ist das Rohr so eingerichtet, daß Flüssigkeitsteilchen von einem Strom des eigenen Dampfes mitgerissen werden, und zwar dadurch, daß die Flüssigkeit am unteren Ende des Rohres mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit zugeführt wird, und daß Rohr und Brennstoffelement-Durchmesser mit Hinsicht auf die Wärmeleistungsmenge des Stabes so gewählt werden, daß ein Sieden innerhalb eines sehr kurzen Abstandes vom unteren Ende des Rohres auftritt. Diese Anordnung hat einen aufsteigenden Strom von »Naß«-Dampf zur Folge.

Am oberen Ende des Rohres 1 befindet sich ein Dampf-Flüssigkeits-Abscheider 3 von herkömmlicher Bauart.

In Fig. 2 sind das Rohr 1, das Brennstoffelement 2 und der Abscheider 3 den Bauelementen der Fig. 1 ähnlich. Das Rohr ist jedoch so eingerichtet, daß Flüssigkeitsteilchen von einem Gasstrom mitgerissen werden, welcher unabhängig von der Flüssigkeit am unteren Ende des Rohres eingeführt wird. Diese Einrichtung besteht darin, daß eine Venturi-Einschnürung 4 mit radialen Flüssigkeitszufuhrrohren 5, welche an einem Sammeleinlaß 6 angeschlossen sind, vorgesehen wird.

Es hat sich herausgestellt, daß durch den in Fig. 2 dargestelltenAufbau ein bemerkenswert hohes Wärmeübertragungsverhältnis erzielt wird. Von einem 9,525 mm Durchmesser aufweisenden Element 2 mit glatter Oberfläche, welches auf einer Länge von 73,66 cm von einem Rohr 1 mit einem Innendurchmesser von 12,7 mm umschlossen wird, kann eine Wärmemenge freigegeben bzw. erhalten werden, welche 10 kW überschreitet, und zwar durch Einspritzen von Wasser in den Trockendampf, welcher am unteren Ende des Rohres mit einem Druck von 2,10 kg/cm² zugeführt wird, wodurch ein mittlerer Druck im Rohr von 1,575 kg/cm² erreicht wird. Somit können in einer Anlage, welche praktisch nicht unter Druck arbeitet, hohe Wärmeübertragungsverhältnisse erzielt werden, und es können noch höhere bzw. günstigere Verhältnisse bei den höheren Drükken erreicht werden, welche für eine Kraftleistungserzeugung benötigt werden.

Eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 3 dargestellt, bei welcher die Venturi-Einschnürung 4 gemäß der Fig. 2 sich am oberen Ende des Rohres 1 befindet, so daß das Gas und die Flüssigkeit am oberen Ende des Rohres 1 zugeführt bzw. mitgerissen werden. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider kann dann aus einer einfachen Abscheide- bzw. Trennvorrichtung 3 α bestehen. Es sei darauf hingewiesen, daß die Aufbauten gemäß den Fig. 2 und 3, welche sich von denjenigen der Fig. 1 unterscheiden, auch dann verwendet werden können, wenn eine Flüssigkeit von einem anderen Gas als ihrem eigenen Dampf mitgerissen werden soll.

In Fig. 4 ist schaubildlich dargestellt, wie der Aufbau gemäß Fig. 1 zum Zweck der Dampferzeugung in einem Kernreaktor der Bauart untergebracht sein kann, bei welchem ein Flüssigkeitsmoderator verwendet wird, der in einem zylinderförmigen Gefäß liegt, dessen einzelne Rohre jeweils vom vorerwähnten Aufbau gebildet werden. Der Reaktor besteht aus einem zylindrischen Druckkessel 7, welcher einen zylindrischen Behälter 8 umgibt, der eine Mehrzahl von Rohren 1 aufweist, von denen sich jedes durch das obere Ende des Gefäßes hindurch in eine Zone 9 hinein erstreckt, welche durch einen zylindrischen Teilabschnitt

10 gebildet wird, in dessen Mitte sich Fensterschlitze

11 befinden, welche eine Verbindung mit einer Außenzone 12 herstellen. Jedes Rohr 1 ist mit einem Abscheider 3 oberhalb eines Wasserspiegels 13 ausgerüstet, welcher durch ein Standrohr 14 definiert wird.

Die unteren Enden der Rohre 1 erstrecken sich

nach unten in eine Endkammer 15 hinein, welche durch einen Mantel 16 gegen eine untere Zone 17 des Druckbehälters 7 wärmeisoliert wird und welche mit

ao einer Wasserzufuhrleitung 18 ausgestattet ist. Der besseren Veranschaulichung wegen ist die Endkammer 15 exzentrisch zum Behälter dargestellt. Aus einer derartigen Anordnung ergibt sich jedoch kein praktischer Vorteil. Für den Behälter 8 sind Zufuhr- und Entlüftungsrohre 19 bzw. 20 vorgesehen. Weitere Rohre la erstrecken sich durch den Behälter 8 hindurch, und zwar zwischen der Außenzone 12 und der unteren Zone 17 des Druckbehälters. Die vorerwähnte untere Zone 17 ist mit einem Dampfauslaß 21 ausgestattet.

Bei Betrieb kann angenommen werden, daß der Reaktor durch das Herausziehen herkömmlicher Steuerstäbe (nicht dargestellt) divergierend bzw. leistungssteigernd arbeitet und daß Wasser nach der Endkammer 15 mit einer solchen Geschwindigkeit durch eine Rohrleitung 18 hindurch zugeführt wird, daß ein Sieden unmittelbar am unteren Ende der Rohre 1 stattfindet und daß eine Dispersion von Wassertröpfchen im Dampf die vorerwähnten Rohre nach oben durchströmt, und zwar rund um die darin enthaltenen Brennstoffelemente 2 herum. Die meisten Tröpfchen verdampfen, ehe sie den Abscheider 3 erreichen, wobei sie die Wärme als latente Verdampfungswärme mitnehmen, während alles überschüssige Wasser durch die Abscheider abgesondert wird und sich am unteren Ende der Zone 9 sammelt, ehe es das Niveau des Wasserspiegels 13 erreicht, wenn es durch die Rohrleitung 14 entladen wird. Der gesättigte Dampf strömt dann durch die Fensterschlitze 11 in die Zone 12 und von dort nach unten durch die Rohre la hindurch, wo er überhitzt und am Auslaß 21 entnommen wird. Der Mantel 16 verhindert, daß der überhitzte Dampf durch das in der Endkammer 15 befindliche Wasser gekühlt wird.

Der Aufbau gemäß Fig. 2 kann in einer in den Fig. 5 und 6 veranschaulichten Weise in einem Reaktor untergebracht werden. In Fig. 5 umschließt ein Druckmantel 7 a einen Behälter 8 a, über welchem der Mantel ähnlich wie in Fig. 4 in Innen- und Außenzonen 9 α und 12 a unterteilt ist. Bei dieser Ausführungsform sind jedoch die Überhitzerrohre la in der Mitte des Behälters 8 α angeordnet, und die Dampferzeugungsrohre 1, welche in diesem Falle mit Venturi-Einschnürungen 4 versehen sind, befinden sich in einer ringförmigen Außenzone des Behälters 8 a. Für jeden Rohrkreis 1, d. h. für jede Rohrgruppe, die sich auf einem gemeinsamen Radius befindet, ist eine Endkammer 15 α vorgesehen, und diese Endkammern

ISa sind nach unten in Richtung auf den Mittelpunkt zu abgestuft bzw. abgesetzt, um einen Zugang zu den Innenendkammern zu gestatten. In Fig. 6 ist der untere Abschnitt eines Rohres 1 in vergrößertem Maßstab dargestellt. Wie ersichtlich, ist der Ringsammeleinlaß 6 mit Tauchrohren 22 ausgestattet, und die Brennstoffelemente sind in Form eines Büschels oder Bündels von Stäben 2 α vorgesehen, welche an einen mit Öffnungen versehenen Hohlkegel 23 angeschlossen sind, der in einem konischen Sitz 24 ruht. Nach jeder Endkammer 15 a ist eine tangentiale Zufuhrleitung 18a vorgesehen (Fig. 5), und der zylindrische Teilabschnitt 10 α erstreckt sich nach unten über den Behälter 8 a hinaus, um dadurch einen Auslaß für den überhitzten Dampf zu schaffen. Ein Gasraum 16 α dient dazu, die innere Endkammer 15 a gegen den aus dem zylindrischen Teilabschnitt 10 a ausströmenden überhitzten Dampf zu isolieren.

Standrohre (nicht dargestellt), welche jedoch der Rohrleitung 14 in Fig. 4 gleichen, sind für das Rückführen des Wassers, das sich in der Zone 12 a unterhalb des Abscheiders sammelt, nach den jeweiligen Endkammern 15 α vorgesehen.

Bei Betrieb wird ein Dampf- und Wassergemisch in jede Endkammer 15 a eingeführt bzw. eingespeist. Das Wasser sondert sich infolge der tangentialen Zuführung ab, und es sammelt sich am unteren Ende der Endkammer, von wo es mittels der Venturiwirkung der Tauchrohre 22 abgezogen und vom Dampf bei seinem Durchströmen durch jedes Rohrl hindurch mitgerissen wird. Das Wasser, welches am oberen Ende der Rohre ausströmt, wird ausgeschieden bzw. abgesondert und nach den Endkammern zurückgeführt. Inzwischen strömt gesättigter Dampf durch die Fensterschlitze 11 in die Innenzone 9 α hinein, durch die Überhitzerrohre la hindurch nach unten und wird am unteren Ende des Reaktors zentral ausgestoßen.

Eine weitere Reaktorausführungsform gemäß der Erfindung ist in den Fig. 7 und 8 dargestellt, bei welchen beispielsweise ein in Fig. 3 veranschaulichter Aufbau jeweils in einer Mehrzahl von Druckrohren 25 untergebracht ist, die wiederum jeweils ein Rohr des Behälters 8 bilden. Eine mittlere Zone des Reaktors wird für die Dampferzeugung verwendet, während eine Außenzone, ähnlich wie in Fig. 4, für das Überhitzen vorgesehen ist, obgleich diese Ausführungsform unschwer einer in der Mitte erfolgenden Überhitzung angepaßt werden kann, wie dies bei Fig. 5 der Fall ist. Für jeden Druckrohrsatz, welcher auf einem gemeinsamen Radius sitzt, ist eine Ringauslaß-Sammelleitung 26 vorgesehen, und jede Sammelleitung 26 ist an Rohrleitungen 27 angeschlossen oder wird durch diese nach einer Dampf- und Wassertrommel 28 entleert. Jeder derartige Druckrohrsatz weist eine Ringeinlaß-Sammelleitung 40 auf, nach welcher Dampf zugeführt wird. Das mitgerissene Wasser hat die Tendenz, sich in der Sammelleitung und in einer Abscheidevorrichtung 25 a abzusetzen, während der Dampf zum oberen Ende jedes Druckrohres 25 weiterströmt und in das Venturirohr 4 α eintritt. Die Dampf- und Wassertrommel führt für alle Rohrelemente 1 die Funktion der Abscheidevorrichtung 3 a gemäß Fig. 3 aus, und von ihr gehen Dampfauslaßverbindungen 29 nach den Überhitzern.

DieVenturi-Einschnürung4a wird durch eine Ring-Sammelleitung 6 mit Wasser versorgt, welches durch die Tauchrohre 22 vom Wasservorrat in der Abscheidevorrichtung 25 a her zugeführt wird. Der Dampf aus den Reaktoren kann für das Antreiben von Kraftleistung bzw. Starkstrom liefernden Turbinen in üblichen Kreislaufsystemen verwendet werden, wie sie in den Fig. 9 bis 11 veranschaulicht sind. Fig. 9 stellt ein offenes Kreislaufsystem dar, welches für einen Reaktor verwendet werden kann, wie er beispielsweise mit Hinweis auf die Fig. 1 bis 4 beschrieben ist, bei welchen das Wasser nicht getrennt in den Dampf eingespritzt wird, sondern infolge der Abmessungen der Rohre und Brennstoffelementstäbe, welche für besondere Wärmeleistungsverhältnisse gewählt sind, mitgerissen wird.

Das Wasser wird durch die Rohrleitung 30 der Dampferzeugungszone 31 des Reaktors zugeführt, wo es, wie bereits beschrieben, verdampft wird. Am Auslaßende der Zone 31 werden die übrigbleibenden Wassertröpfchen vom gesättigten Dampf getrennt, das Wasser nach der Zufuhrleitung 30 zurückgeführt und der Dampf durch die Überhitzungszone 32 des Reaktors hindurchgeleitet, von wo er nach der Turbine T und dem Kondensator C weitergeleitet wird, während das Kondensat nach der Zufuhrleitung 30 zurückgeführt wird. Alternativ kann die Wasserzufuhrgeschwindigkeit derart gesteuert bzw. unter Kontrolle gehalten werden, daß der austretende Dampf gerade noch trocken oder alternativ überhitzt ist.

Die Fig. 10 und 11 veranschaulichen geschlossene Kreislaufsysteme, welche für Reaktoren, wie sie mit Hinweis auf die Fig. 5 und 6 oder 7 und 8 beschrieben sind, geeignet sind, bei welchen Wasser und Dampf getrennt in den Reaktor eingespritzt werden. In dem in Fig. 10 veranschaulichten Kreislaufsystem wird die Dampferzeugungszone 31 des Reaktors mit Wasser durch eine Zufuhrleitung 30 gespeist, während sie mit gesättigtem Dampf durch die Dampfleitung 33 gespeist wird. Am Auslaßende der Zone 31 wird das Wasser wiederum vom Dampf getrennt bzw. geschieden und nach der Zufuhrleitung 30 zurückgeführt, während der Dampf durch die Überhitzungszone 32 hindurch und daraufhin nach der Turbine T und dem Kondensator C strömt und das Kondensat nach der Zufuhrleitung 30 rückgeführt wird. Ein Teil des die Zone 31 verlassenden gesättigten Dampfes wird jedoch durch das Dampfrohr 33 abgesaugt und in den Reaktor hinein zurückgeführt.

Bei dem in Fig. 11 dargestellten Kreislaufsystem der Loeffler-Bauart strömt der gesamte gesättigte Dampf, welcher die Abscheider am Auslaß der Dampferzeugungszone 31 des Reaktors verläßt, durch die Überhitzungszone 32 des Reaktors hindurch. Der größte Teil des überhitzten Dampfes wird nach der Turbine und dem Kondensator geführt. Ein Teil des überhitzten Dampfes wird jedoch durch die Rohrleitung 34 nach dem Mischer M abgesaugt, während ein Teil des Kondensats vom Kondensator C durch die Rohrleitung 35 nach dem Mischer abgesaugt wird. Im Mischer M werden der überhitzte Dampf und das Kondensat in den Verhältnissen miteinander vermischt, welche erforderlich sind, um den Dampf aus seinem Überhitzungszustand herauszubringen, und der gesättigte Dampf wird dann über die Dampfleitung 33 nach dem Reaktor geführt. Die Masse des Kondensates vom Kondensator C her wird, wie vorhin, durch die Zufuhrleitung 30 unmittelbar nach dem Reaktor zurückgeführt.

Die Temperatur des Kondensats, welches den Kondensator C verläßt, ist im allgemeinen zu niedrig, um es dem Reaktor zuzuführen. Es kann aber durch

Wärmeaustauscher erhitzt werden, welche durch Dampf, der von der Turbine in bekannter Weise abgesaugt wird, gespeist werden.

Alternativ kann das Kondensat durch Wärmeaustauscher erhitzt werden, welche zur Kühlung des Moderators des Reaktors verwendet werden.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Kernreaktor mit einer Anzahl von Brennstoffkanälen, weiche Brennstoffelemente enthalten, deren Spaltungswärme durch ein durch jeden Brennstoffkanal strömendes Kühlmittel abgeführt wird, das aus einer Suspension von Flüssigkeitsteilchen in einem Gas oder Dampf besteht, da durch gekennzeichnet, daß an den Einlaßenden eines jeden Brennstoffkanals eine Vorrichtung angebracht ist, weiche die Flüssigkeitsteilchen erzeugt und in den Gas- oder Dampf strom einbringt.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen am Einlaßende eines jeden Brennstoffkanals Reservebehälter für die Flüssigkeit, welche die Flüssigkeitsteilchen bildet, aufweisen, in welche das untere Ende eines jeden Brennstoffkanals derart eintaucht, daß die Flüssigkeit am unteren Ende siedet und eine Dispersion der Flüssigkeit in ihrem eigenen Dampf innerhalb der Brennstoffkanäle aufsteigt.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen am Einlaßende eines jeden Brennstoffkanals eine Venturi-Einschnürung und eine derart zu dieser Einschnürung hinführende Flüssigkeitszufuhr aufweisen, daß das Gas, welches durch die Einschnürung hindurch in den Brennstoffkanal strömt, Flüssigkeitsteilchen aus der Flüssigkeitszufuhr mitreißt.

4. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitszufuhr ein Tauchrohr aufweist, welches in eine Flüssigkeitsabscheidevorrichtung, die in einem Gaszufuhrstutzen am anderen Ende des Brennstoffkanals angebracht ist, eintaucht.

5. Kernreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß je eine ringförmige Endkammer den Gaszufuhrstutzen und die Flüssigkeitsabscheidevorrichtung für je eine Rohrgruppe bildet, welche im gleichen radialen Abstand von der lotrechten Achse des Reaktors liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 952 919;

britische Patentschrift Nr. 648 293;

»Nuclear Science Abstracts«, 10, Nr. 19, Abstract, 8953, 1956;

Bd. »Reactor Handbook: Engineering« der Buchreihe »Selected Reference Material on Atomic Energy«, 1955, S. 778;

Bd. 3 der Reihe »Proceedings of the International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, 1955, S. 116 bis 120.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

© 109 679/178 8.