DE1127506B - Vorrichtung zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Kernreaktoranlagen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

INTERNAT. KL.

G 21

S 59376 VIHc/21g

ANMELDETAG: 9. A U G U S T 1958

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER

AUSLEGESCHRiET: 12. APRIL 1962

Die Vorteile der sogenannten Verdampferkernreaktoren, welche unmittelbar verwendungsfähigen Dampf liefern, sind bekannt. Bei der bisher bekanntgewordenen Bauweise für solche Reaktoren werden diese mit rohrförmigen Brennelementen versehen, deren Außenfläche vom Moderatorwasser umspült wird. Der an der Außenfläche der rohrförmigen Brennelemente durch die Wärmeübertragung aus den Elementen unmittelbar erzeugte Wasserdampf wird bei einer bekannten Ausführungsform in eine Kammer zurückgeleitet, von wo aus der Dampf die Innenbohrung der Brennelemente durchläuft, um dabei getrocknet und überhitzt zu werden.

Das Hauptproblem, welches beim Bau eines solchen Reaktors auftaucht, besteht darin, den Ablauf der physikalischen Vorgänge innerhalb des Reaktors stabil zu halten.

Der Wärmeübergang, der durch unmittelbaren Kontakt zwischen den Reaktorbrennstoffen und dem zugleich als Brems- und Übertragungsmittel dienenden Wasser erfolgt, ist, wenn man wesentliche Wärmeströme erreichen will, von einer oberflächlichen Verdampfung begleitet, die die Güte der Wärmeübertragung beeinträchtigt. Diese Erscheinung ruft örtliche Erhitzungen der Brennelemente hervor, durch die schließlich die so erzeugte Dampfmenge so groß wird, daß es zu einer Störung des Gleichgewichtes kommt und die dampfförmige Phase zur freien Wasseroberfläche entweicht.

Diese inneren Instabilitätserscheinungen sind von zyklischen Erhitzungen der Brennelemente begleitet, die für das Betriebsverhalten der letzteren schädlich sind. Das auf Grund der vorstehenden Ursachen seine Eigenschaften mit der Zeit verändernde Moderatormittel beeinflußt den augenblicklichen Wirkungsgrad des Reaktors und bildet somit eine neue Quelle für Instabilitäten.

Es sind bereits die verschiedensten Verfahren vorgeschlagen worden, um diese Nachteile zu beseitigen. Beispielsweise hat man das Kühlmittel in der Umgebung der Brennelemente kräftig bewegt, was aber zu einem relativ großen Energieverlust führt.

Es ist demgegenüber aber bekannt, daß bei gasgekühlten Reaktoren, bei denen ein Gas für die Wärmeübertragung von den Brennelementen zu einem außerhalb des eigentlichen Reaktors gelegenen Wärmeaustauscher sorgt, die vorerwähnten Instabilitätserscheinungen nicht entstehen können. Diese Reaktoren erlauben im übrigen auch die Erzeugung von überhitztem Dampf.

Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer Vorrichtung zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Vorrichtung zur Verbesserung
des Wirkungsgrades von Kernreaktoranlagen

Anmelder:
Societe Rateau Societe Anonyme, Paris

Vertreter: Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 41

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 5. Februar 1958 (Nr. 757 520)

Roger Jean Imbert, Paris,

und Jacques Pierre Chaboseau,

Brevannes, Seine-et-Oise (Frankreich),

sind als Erfinder genannt worden

Kernreaktoranlagen, welche unmittelbar Wasserdampf erzeugen, bei der bezüglich der Übertragung der bei Kernreaktionen frei werdenden Wärme die Vorteile eines Verdampferreaktors und die eines gasgekühlten Reaktors vereinigt werden, d. h. bei der unter Ausschluß der Hauptursachen für die innere Instabilität und ohne Verminderung des thermischen Wirkungsgrades in einem äußeren Wärmeaustauscher unmittelbar im Reaktor überhitzter Dampf gewonnen werden kann.

Des weiteren ermöglicht es diese Vorrichtung, in äußerst wirtschaftlicher Weise den Druckunterschied zu erzielen, den man benötigt, um eine kräftige Strömung des Kühlmittels zu erreichen, wenn dieses in Form von Dampf oder Gas an den Brennelementen entlangströmt.

Bei dieser Vorrichtung wird erfindungsgemäß die durch Kernspaltung gewonnene Wärme mit Hilfe des erzeugten Dampfes zu dem zu verdampfenden Wasser übertragen, indem der Dampf durch die Kanäle hindürchströmt, in denen sich die Brennelemente befinden und die an ihrer Außenseite unmittelbar von dem zu verdampfenden Wasser umgeben sind.
Die nachfolgende Beschreibung, die sich auf die Zeichnungen bezieht, erläutert an Hand nicht beschränkender Beispiele die Hauptmerkmale der vor-

' liegenden Erfindung und die Mittel zu deren Ver-

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wirklichung. Sämtliche sich aus der Beschreibung und den Figuren ergebenden Einzelheiten sind als weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung anzusehen. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen schematisch dargestellten Reaktor nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Ansicht der dem Reaktor zugeordneten zusätzlichen Bauelemente, mit denen der Reaktor in Betrieb genommen werden kann, wo-' mungsmittel und ihrer Geschwindigkeit so gewählt, daß eine gewünschte Verdampfung und Überhitzung bei einem vorgegebenen Verhalten des Reaktors siehergestellt ist. Wenn man beispielsweise überhitzten Dampf mit einer Temperatur von 450° C und einem Druck von 90 atii bei einer Gesamtwärme von ungefähr 775 kcal/kg erhalten will, sind, wenn das dem Reaktor bei 10 zugeführte Wasser eine Temperatur von 150° C und einen entsprechenden Druck

oder zur Notabschaltung verwendet werden kann.

Fig. 3 eine schematische vertikale Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Reaktors nach der Erfindung,

Fig. 4 weitere Einzelheiten der Erfindung und speziell die zusätzliche Anordnung eines Leistungsreglers zur schnellen Stillsetzung der Anlage,

Fig. 5, 5 a und 5 b weitere Anordnungen der Reaktorbauelemente in Horizontal- und schnitten.

In der Fig. 1 ist schematisch als nicht beschränkendes Ausführungsbeispiel ein Reaktor dargestellt, der in seinem Mantel oder Reaktorkessel drei verschiedene Räume aufweist.

Der mittlere Raum des Reaktors, der dessen aktiven Teil enthält, enthält ein gewisses Wasservolumen 2, dessen freier Wasserspiegel mit dem Bezugszeichen 3 versehen ist. Dieses Wasservolumen 2

bei ein Teil oder die Gesamtheit dieser Bauelemente io hat, insgesamt 625 kcal/kg zuzuführen. Diese Wärmeferner auch zur normalen Stillsetzung der Anlage menge verteilt sich auf 125 kcal/kg, die von dem

Dampf bei seiner Überhitzung aufgenommen werden, und 500 kcal/kg, die durch die Wände der Rohre 5 von dem überhitzten Dampf zum Wasser übertragen werden, um das letztere zusätzlich zu erwärmen und bei einem Druck von beispielsweise 100 atü zur Verdampfung zu bringen. Es ist zu beachten, daß zur Erzeugung gesättigten Dampfes in den Raum? bei einem Druck, der größer ist als der am Ausgang des Vertikal- 20 Reaktors 9 erwünschte Druck, theoretisch vom thermischen Standpunkt aus keine weitere thermische Einwirkung erforderlich ist, so daß demzufolge der freie Raum zwischen den Rohren 5 und den Brennelementen, durch den der Dampf hindurchströmt, vorzugsweise auch so ausgebildet Werden kann, daß in dem Dampf eine sehr starke Turbulenz bei der Berührung der Brennelemente entsteht, wobei die durch die Turbulenz entstehenden Verluste allein durch den Überdruck kompensiert werden, mit dem

ruht unten auf einer Rohrträgerplatte 4, an der dicht 30 das Speisewasser zugeführt wird. Bei der Gesamtanschließend Rohre 5 befestigt sind. Die Rohre 5 energiebilanz ist dieser Überdruck aber praktisch sind an beiden Enden offen und enden oben auf vernachlässigbar.

einem Niveau, welches merklich über dem freien Die starke Turbulenz und die hohen Strömungs-

Wasserspiegel 3 liegt. In dem Innern dieser Rohre geschwindigkeiten des Dampfes ermöglichen es, auf befinden sich die Brennelemente 6, die beispielsweise 35 den beachtlichen spezifischen Wärmestrom, der von Hülsen mit an U 235 angereichertem Uran sein den Brennelementen ausgeht, an denen die Spaltungsreaktionen stattfinden, mit großen Wärmeaustauschkoeffizienten einzuwirken.

Bei den vorangehenden Ausführungen wurde davon ausgegangen, daß sich der Reaktor im Betrieb befand. Das nachfolgend an Hand der Fig. 2 als nicht beschränkendes Beispiel beschriebene System zeigt, wie man den Reaktor in Betrieb nehmen kann.

In Fig. 2 finden sich die gleichen Elemente wieder,

Auf diese Weise strömt der erzeugte Dampf vom 45 wie in Fig. 1, d.h. der Reaktorkessel 1, die Räume7 Raum 7 zum Raum 8 und überstreicht dabei die und 8, die Dampf ableitung 9 und der Wasserrücklauf Brennelemente 6, so daß im Raum 8 überhitzter 10 des normalen Verbraucherkreises. Der letzt-Dampf auftritt, der bei 9 am Ausgang des Reaktors erwähnte Verbraucherkreis ist mit Hilfe von zwei unmittelbar abgenommen werden kann. Die Dampf- Ventilen 11 und 12 abtrennbar. Befindet sich der abfuhr am Auslaß 9 wird durch Zufuhr von Speise- 50 Reaktor außer Betrieb, werden zwei an den Reaktor wasser über die Leitung 10 kompensiert. angeschlossene Hilfskreise zu seiner Inbetriebnahme

verwendet. Der erste Hilfskreis hat die Aufgabe, das Wasservolumen 2 zu erhitzen. Zu diesem Zweck gehört zu diesem Hilfskreis eine beliebig ausgebildete Beheizungsvorrichtung 13 und eine Umwälzpumpe 14. Diese letzterwähnten Mittel können auch durch

können.

Der obere Raum 7 des Reaktorkessels enthält gesättigten Wasserdampf, der durch die Verdampfung des Wasservolumens 2 entsteht.

Dieser obere Raum 7 steht mit dem dritten oder unteren Raum 8 über die Kanäle in Verbindung, die zwischen den Innenwandungen der Rohre S und den Brennelementen 6 freigeblieben sind.

Wenn die Anlage mit Hilfe der nachfolgend als Beispiel noch zu beschreibenden Vorrichtungsteile in Betrieb genommen ist, dürfte die Art des Arbeitsablaufs in dem Reaktor offensichtlich sein.

Die von der Oberfläche der Brennelemente 6 abgegebenen Kalorien werden in ihrer Gesamtheit zu dem die Brennelemente umspülenden Dampf übertragen, der dann wiederum einen wesentlichen Teil der aufgenommenen Wärme zum Wasservolumen 2 überträgt, das die Außenwände der Rohre 5 umgibt. Die Verdampfung des Wassers geschieht durch diesen Wärmeübergang.

bewegliche oder unbewegliche Wärmequellen ersetzt werden, die sich in dem Flüssigkeitsvolumen 2 befinden.

Der zweite Hilfskreis hat die Aufgabe, für eine Dampfzirkulation in den Rohren 5 zu sorgen. Dieser Kreis enthält zu diesem Zweck einen Kondensator 15, in dem ein Kühlwasserstrom über ein Rohrsystem 16 fließt. Eine Kondensatpumpe 17 sorgt für eine Rück-

Die Wärmeaustauschflächen, und zwar sowohl die

zwischen den Brennelementen und dem Dampf als 65 führung des Kondensates in den Kessel des Reaktors,

auch die zwischen dem Dampf und den Rohren 5 Da ein Vakuum vorhanden ist, tritt, sobald die

und zwischen den Rohren 5 und dem Wasser, sind Wassertemperatur in dem Kessel 1 größer wird als

entsprechend den physikalischen Zuständen der Strö- die des bei 16 umlaufenden Wassers, eine Verdamp-

fung und eine Dampfströmung durch die Rohre 5 auf Der Reaktor kann nun in Betrieb genommen werden, indem man die beispielsweise aus Borkarbid bestehenden Regelstäbe 6 a aus dem Wasser 2 heraus in den Raum 7 bewegt. Die Hilfsbeheizung 13 kann nun stillgesetzt werden. Je nach den physikalischen Bemessungen der Hirfskondensatoreinrichtung 15, 16, 17 kann der Reaktor mehr oder weniger stark in Betrieb gesetzt werden, bevor man den normalen Ver-

16,17 der Fig. 2 treten, indem man den vom Reaktor während des Anlassens erzeugten Dampf durch die Turbine oder durch einen Nebenschluß der Turbine hindurchleitet.

Wie bereits zuvor erwähnt, können in den Dampfrohren 5 große Strömungsgeschwindigkeiten erzielt werden, ohne daß hierdurch unerträgliche Energieverluste auftreten. Es folgt hieraus, daß auch große

um auf die Überhitzungstemperatur des Dampfes einzuwirken.

Jede Verminderung des Wärmeübergangs zwischen den Rohren 5 und dem Wasser entspricht einer Ver-5 minderung der erzeugten Dampfmenge, woraus dann, wenn hypothetisch angenommen wird, daß die durch Kernspaltung erzeugte Gesamtwärmemenge konstant bleibt, eine Vergrößerung der Überhitzung des Dampfes resultiert, sofern die Temperatur der Hül-

braucherkreis durch Öffnen der Ventile 11 und 12 io sen der Brennelemente immer relativ hoch bleibt, anschließt. Ein Rückschlagventil 18 verhindert einen Die Anordnung der Mantelrohre 21 ermöglicht

Rücklauf zur Druckseite der Kondensatpumpe 17. ferner auch, das Volumen des durch den Wärme-

Es ist bei dieser Hirfskondensatoreinrichtung noch übergang beaufschlagten Moderatorwassers zu bezu beachten, daß man sie für einen Notbetrieb ver- grenzen und ein noch stabileres Betriebsverhalten des wenden kann. Bei einem Versagen oder Abschalten 15 Reaktors zu erreichen.

des normalen Verbrauchersystems kann man mit der Da bei einem solchen Reaktor die Kühlung der

genannten Einrichtung, ohne den Reaktor zu schädi- Brennelementenhülsen unmittelbar durch den Dampf gen, die Kernreaktoranlage außer Betrieb setzen. sichergestellt wird, ist die Höhe des Wasserspiegels 3

Wenn dem Reaktor unmittelbar eine Dampfturbine nicht kritisch und kann ohne Störungen unterhalb des mit Kondensator zugeordnet ist, kann der Konden- 20 oberen Niveaus der Hülsen abgelassen werden. Es sator dieser Turbine an Stelle der Hilfseinrichtung 15, ergibt sich auf diese Weise eine zusätzliche Regelung

der Kernspaltung durch Verminderung des Moderatormittelvolumens. Eine solche Regelung kann in bekannter Weise durch Absenkung des Wasser-25 spiegeis 3 so weit getrieben werden, daß der Reaktor außer Betrieb gesetzt wird.

Die Fig. 4 zeigt als Ausführungsbeispiel, wie sich ein solches Regelverfahren durchführen läßt. Unterhalb des Reaktors befindet sich ein Behälter 24.

Wärmemengen zwischen den Brennelementen und 30 Durch diesen Behälter 24 strömt das von der Pumpe dem Dampf und zwischen dem Dampf und den Roh- 19 umgewälzte Wasservolumen, um für gleiche Temren 5 übertragen werden können. Die Übertragung peraturen des Wassers in dem Behälter 24 und in der Wärme von diesen Rohren 5 zum Wasser kann dem arbeitenden Teil des Reaktors zu sorgen, aber, wenn sie zu gering ist, die Leistung der Kern- Der obere Teil 7 des Reaktors ist mit dem oberen

reaktoranlage begrenzen. Um den Wärmeaustausch 35 Teil des Behälters 24 verbunden, dessen Fassungszwischen den Rohren 5 und dem Wasser zu ver- vermögen größer ist als die insgesamt vorgesehene großem, läßt sich, wenn sich dieses als notwendig Wassermasse.

erweist, eine starke Wasserströmung zwischen den In der Rohrleitung zwischen 7 und 26 befindet

Leitungen 5 erzwingen. sich ein Dampfkompressor 25, der bei 7 ansaugt und

Die Fig. 3 zeigt als Ausführungsbeispiel eine An- 40 in den Behälter 24 hineinfördert. Der von dem Komordnung, mit der eine solche kräftige Strömung pressor 25 gelieferte Druck sorgt für den gewünscherreicht werden kann. Eine Umwälzpumpe 19, die von ten Niveauausgleich zwischen dem Wasserspiegels einem geeigneten Motor angetrieben wird, saugt das im Reaktor und dem Wasserspiegel 26 in dem Behäl-Wasser aus dem oberen Teil des Kessels ab und ter 24. Eine enge Überströmleitung 27 mit einem führt es wieder im unteren Teil des Kessels zu. Wenn 45 Ventil ermöglicht, den vom Kompressor 25 gelieferder Durchströmquerschnitt für das Wasser zwischen ten Druck einzustellen, während ein wesentlich den Rohren 5 zu groß ist und zu einer nicht mehr größerer Nebenschluß 28, der ebenfalls mit einem durchführbaren Umwälzung führen würde, ist es vor- Ventil versehen ist, durch eine direkte Verbindung teilhaft, das Wasser durch Kanäle zu leiten, die, wie zwischen dem Raum 7 und dem Behälter 24 eine die Fig. 3 zeigt, die Rohre 8 umgeben. Wie die Zeich- 50 schnelle Entleerung des Reaktorwassers in den Benung erkennen läßt, sind die Rohre 5 von Mantel- halter 24 ermöglicht.

rohren 21 umgeben, durch die das Wasser hindurch- Diese Gesamtheit von Bauelementen kann daher

geleitet werden kann. Um diese Mantelrohre 21 zu mit dem Sicherheitsregler des Reaktors zusammenbefestigen, kann man in dem Kessel eine zweite per- wirken und den Reglerstäben parallel geschaltet sein forierte Platte 20 anordnen, die die unteren Enden 55 und gegebenenfalls sogar die letzteren ersetzen, der Mantelrohre 21 trägt. Die Umwälzpumpe 19 Die Fig. 5, 5 a und 5 b zeigen weitere Anordnungen

schickt das umgewälzte Wasser in die Zwischen- der Reaktorelemente in Vertikal- bzw. Horizontalräume zwischen den Rohrträgerplatten 4 und 20, von schnitten. In der Fig. 5 sind erneut der obere Raum 7 wo das Wasser über die Ringräume zwischen den und der untere Raum 8 des Reaktors, das Wasser-Rohren 5 und 21 aufsteigen kann. Die Mantelrohre 60 volumen 2, der Wasserspiegel 3, ein Rohr 5 und die 21 können Durchflußpfade von konstantem Quer- Rohrträgerplatte 4 dargestellt. Auch hier werden die schnitt oder auch Kanäle, die an ihrem Ende in Art Brennelemente 6 im Inneren des Dampfstromes beeines Diffusors 22 aufgeweitet sind, bilden. lassen, der durch die Dampfleitung 29 hindurchgeht.

Bei einer solchen Anlage kann durch eine Ände- Zusätzlich sind aber noch Brennelemente 30 vorgerung der Umwälzung mittels einer Änderung der 65 sehen, die mit einem Teil ihrer Oberfläche auch Drehzahl der Pumpe 19 oder mittels eines Regel- unmittelbar auf die Erwärmung des Wassers einwirventils 23 der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen ken und, wie die Fig. 5 a zeigt, rohrförmig sein den Rohren 5 und dem Wasser 2 verändert werden, können. ■

Eine weitere Konstruktionsform, die der der Fig. 5 und 5 a ähnlich ist, zeigt die Fig. 5 b. Hier sind die inneren Brennelemente 6 über Zellwände 35 miteinander und mit den am Umfang angeordneten Brennelementen 30 verbunden, mn eine thermische Verbindung zwischen den verschiedenen Brennelementen zu bewirken.

Die Brennelemente in der Anordnung gemäß Fig. 5, a und 5 b, welche teils mit dem Wasser in Berührung stehen und teils auch vom Wasser getrennt sind, ermöglichen es, die anfängliche Beheizung des gesamten oder eines Teils des Moderatorwassers auf nuklearem Wege vorzunehmen. Auf diese Weise wird es dann auch möglich, den Reaktor mit kleineren Beheizungsvorrichtungen oder im extremen Fall sogar ohne die Bauelemente 13,14 anzulassen.

Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Vorrichtung zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Kernreaktoranlagen, Welche unmittelbar Wasserdampf erzeugen, dadurch gekennzeich net, daß die Übertragung der durch Kernspaltung gewonnenen Wärme auf das zu verdampfende Wasser mit Hilfe des erzeugten Dampfes erfolgt, welcher durch Kanäle hindurchströmt, in denen sich die Brennelemente befinden und die an ihrer Außenseite unmittelbar von dem zu verdampfenden Wasser umgeben sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle, in denen der Dampf einerseits mit den Brennelementen und andererseits mit der Innenwand der Kanäle in unmittelbaren thermischen Kontakt kommt, so dimensioniert sind, daß eine zuvor festgelegte Überhitzung des Dampfes auftritt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ableitung des Dampfes Rohre oder Leitungen vorgesehen sind, welche einen Teil der Brennelemente umschließen und teilweise von diesen gebildet werden, und daß sich die Einlaßöffnung dieser Rohre oder Leitun- S. gen oberhalb des im Reaktor vorhandenen Wasserspiegels befinden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Inbetriebsetzung des Reaktors eine Beheizungsvorrichtung für das im Reaktor befindliche Wasser und eine Anordnung zur Erzeugung einer Dampfströmung, welche die durch Kernreaktion erzeugte Wärmeströmung absorbiert, vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine Umwälzpumpe, mit der eine Wasserströmung über die Beheizungsflächen erzwungen wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Regler zur Beeinflussung dei Stärke der Wasserströmung, mit welchem die Endtemperatur des von der Anlage erzeugten Dampfes verändert werden kann.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfrohre oder -leitungen von Mantelrohren umgeben sind, durch die das Wasser in Gegenrichtung durchgeleitet wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 7, gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Änderung des im Reaktor befindlichen Wasservolumens, mit welcher die Kernspaltung im Reaktor beeinflußt werden VaTm.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Aufnahmebehälter, dessen Fassungsvermögen mindestens dem gesamten Wasservolumen entspricht, und einen Dampf druckerzeuger, mit dem eine beliebig große Wassermenge aus dem Reaktor in den Vorratsbehälter gedruckt werden kann.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1010 202;
USA.-Patentschrift Nr. 2770591;
»Nucleare Science and Engineering«, Bd. 1, 1956, bis 169.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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