DE1128573B - Kernreaktoranlage zur Erzeugung ueberhitzten Dampfes mit einem Kernreaktor mit heterogenem Reaktorkern - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

B 53513 Vmc/21g

ANMELDETAG: 6. JUNI 1959

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER
AUSLEGESCHRIFT: 26. AP RIL 1962

Die Erfindung betrifft eine Kernreaktoranlage zur Erzeugung überhitzten Dampfes mit einem Kernreaktor mit heterogenem Reaktorkern, mit in einem Moderatorblock eingesetzten Heizelementen, bestehend aus einem Brennelement, das konzentrisch von einem Rohr umgeben ist, und mit zwei Primärkreisläufen, von denen der eine zur Erzeugung von Sattdampf und der andere zur Erzeugung des überhitzten Dampfes dient.

Um ein Wärmekraftwerk mit hinreichend großem Wirkungsgrad betreiben zu können, nimmt man eine Überhitzung des Arbeitsdampfes vor. Diese Überhitzung bereitet bei einem Kernkraftwerk Schwierigkeiten, so daß ζ. B. schon Anlagen bekannt sind, bei denen man den Sattdampf aus Kernenergie erzeugt und diesen dann mit einer konventionellen Feuerung überhitzt.

Bei bekannten Anlagen sieht man zwei Kernreaktoren vor, von denen der eine zur Erzeugung des Sattdampfes und der zweite, davon völlig getrennte und andersartig aufgebaute (Hochtemperaturreaktor) zur Überhitzung des Sattdampfes dient. Eine derartige Anlage bedingt ersichtlich einen erheblichen technischen Aufwand. Eine bekannte Weiterbildung einer solchen Anlage sieht daher die bauliche Vereinigung beider Reaktoren vor, bei der eine gegenseitige Wärmebeeinflussung auftritt. Eine weitere vorgeschlagene Verbesserung dieser bekannten Anordnung soll die Ausnutzung von Brutstoffelementen zur Dampfüberhitzung sein.

Bei einer anderen bekannten Anordnung hat man einen zylindrischen, gleichmäßig mit Brennstofistäben versehenen Reaktionsraum in eine Randzone und eine davon abgetrennte zentrische Zone unterteilt. Das Arbeitsmittel durchströmt dort zuerst die Randzone, wo es in den Sattdampfzustand übergeht, um danach die zentrale Zone zu durchströmen, wo es in überhitzten Dampf verwandelt wird. Diese bekannte Anordnung hat den Nachteil einer schlechten Neutronenökonomie.

Es ist ferner ein Überhitzerreaktor bekannt, dessen Brennelemente als Hohlzylinder ausgebildet sind. Bei diesem Kernreaktor wird die Außenseite der Brennelemente zur Erzeugung des Sattdampfes von Wasser umspült und der so erzeugte Sattdampf zur Überhitzung durch den Innenraum der hohlzylindrischen Brennelemente geleitet.

Eine weitere bekannte Kernreaktoranlage zur Erzeugung überhitzten Dampfes in einem Kernreaktor hat zwei voneinander getrennte und unabhängige Primärkreisläufe und Brennelemente, die konzentrisch von einem Rohr umgeben sind. In jedem der beiden Primärkreisläufe ist ein Wärmeaustauscher eingeschal-Kernreaktoranlage

zur Erzeugung überhitzten Dampfes

mit einem Kernreaktor mit heterogenem

Reaktorkern

Anmelder:

Brown, Boveri & Qe. Aktiengesellschaft, Mannheim-Käfertal, Boveristr. 22,

und Beteiligungsund Patentverwaltungsgesellschaft mit beschränkter Haftung, Essen, Altendorf er Str. 103

Dipl.-Ing. Andreas Setzwein,

Hohenschäftlarn bei München,

und Helmuth Braun, Rülzheim,

sind als Erfinder genannt worden

tet. Der eine Wärmeaustauscher dient zur Erzeugung des Sattdampfes und der andere zur Überhitzung des Dampfes im Sekundärkreislauf.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei optimalem Wirkungsgrad, geringer Materialbeanspruchung und mit einem geringen Aufwand, insbesondere hinsichtlich des Brennstoffes, überhitzten Dampf in einer Kernreaktoranlage zu erzeugen.

Der Lösung dieser Aufgabe wird der an sich bekannte Gedanke zugrunde gelegt, daß zur Erzeugung des Sattdampfes jeder der bekannten Niedrigtemperaturreaktoren angewendet, die Überhitzung mit einem ebenfalls beliebigen bekannten Hochtemperaturreaktor vorgenommen werden kann, und diese beiden Reaktoren in einem Reaktorkern konstruktiv vereinigt werden können. Der Lösung liegt somit die Erkenntnis zugrunde, daß es möglich ist, sowohl bei der Verwendung von festen Brennstoffelementen in beliebiger Form als auch bei der Verwendung von Suspensionen die an sich bekannte Kombination eines Niedrig- mit einem Hochtemperaturreaktor so vorzunehmen, daß die Anordnung in einem gemeinsamen Reaktorbehälter

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bei thermisch geringer Beanspruchung des Konstruktionsmaterials möglich ist, und daß dabei die bekannten Vorteile der einzelnen Systeme erhalten bleiben können. Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei dem vorliegenden Kernreaktor mit Brennelementen, die von einem Rohr umgeben sind, erfindungsgemäß das eine Primärkühlmittel zur Erzeugung des überhitzten Dampfes das Brennelement umspült und das andere Primärkühlmittel zur Erzeugung des Sattmittel gemischt, wobei das Arbeitsmittel die Überhitzungstemperatur annimmt.

Als Wärmeübertragungsmittel kann sowohl dasselbe Mittel wie das Arbeitsmittel als auch ein anderes Mittel verwendet werden. Ein anderes Mittel muß dann wieder an geeigneter Stelle in einem Separator aus dem Kreislauf des Arbeitsmittels ausgeschieden werden. An Stelle einer direkten Durchmischung von Arbeitsmittel und Wärmeübertragungsmittel kann man

dampfes in dem Zwischenraum zwischen dem Rohr io beide Mittel auch durch den in Abb. 1 dargestellten und dem Moderatorblock strömt. Wärmetauscher 2 führen.

Bevorzugte Ausführungsformen der Kernreaktor- Der Strom des Wärmeübertragungsmittels, der zwi-

anlage nach der Erfindung sind in der Zeichnung dar- sehen dem Brennelement 10 und dem Rohr 12 fließt, gestellt. soll den erforderlichen Temperaturausgleich zwi-

In Abb. 1 sind die Kreisläufe einer Kernreaktoren- 15 sehen den beiden Wänden 10 bzw. 12 gewährleisten, lage zur Überhitzung von Dampf schematisch darge- Die Verhältnisse sollen zweckmäßig dabei so gewählt stellt. Im Reaktorkern 1 wird das in einem Kreislauf 7 werden, daß etwa 65 % der in dem Brennelement 10 umlaufende Arbeitsmittel in Sattdampf verwandelt erzeugten Wärmemenge unmittelbar in das Arbeitsund einem Wärmetauscher 2 zugeführt, in dem es mittel (Sattdampfzone) strömt, während die restliche überhitzt wird. Der so überhitzte Arbeitsdampf treibt 20 Wärmemenge in die Überhitzungszone abgeführt wird, eine Turbine 4 und wird nach Durchlaufen der Tür- Dabei kann dann der zwischen den Abschirmungen bine 4 in einem Kondensator 5 niedergeschlagen. Das 14, 22 liegende Teil des Raumes 13 als Verdamp-Kondensat wird vom Kondensator 5 durch eine fungsraum angesehen werden, während der Über-Pumpe6 zurückbefördert. Ein Überhitzungsmittel in hitzungsraum für das Arbeitsmittel oberhalb des Cores einem zweiten Kreislauf 8 wird mittels einer Umwälz- 25 liegt.

pumpe 3 durch den Reaktorkern 1 und den Wärme- Es ist zwecks günstiger Ausgestaltung der Wärmetauscher 2 gefördert und dient zur Wärmeübertragung Übertragungsverhältnisse durchaus möglich, für das bei den entsprechend hohen Temperaturen. Brennelement 10 und für das Rohr 12 verschiedene

In Abb. 2 sind Einzelheiten eines Heizelementes Formen zu wählen. Als Brennelement 10 können z. B. im Längsschnitt dargestellt; ein Querschnitt an der 30 auch ein Graphitrohr mit eingefüllten Uranbrennstoff-Stelle der in Abb. 2 eingezeichneten Pfeile ist in Abb. 3 kugeln, kurze Hohlzylinder, Platten, Spiralen od. dgl. gezeigt. Ein hohlzylindrisches Brennelement 10 hat verwendet werden.

eine zentrale Bohrung 9 und ist durch Abstandshalter Weiterhin werden das Rohr 12 sowie die Schutz-

16 zentral in einem mit einer äußeren Schutzhülle 22 hülle 14 zweckmäßig nach oben über den Reaktorversehenen und auf Trägern 17 stehenden Rohr 12 ge- 35 kern hinaus verlängert. Dadurch ist eine äußerst gelagert. Das Rohr 12 befindet sich in einem mit einer drängte Anordnung von Überhitzer und Reaktorkern Schutzhülle 14 ausgekleideten Bohrung 13 eines Moderatorblockes 15. Durch, eine Öffnung 20 wird ein
gasförmiges Wärmeübertragungsmittel und außerhalb

des Rohres 12 in den zwischen den beiden Schutzhül- 40 ten Fällen eine Erhöhung des thermischen Wirkungslen 14, 22 verbleibenden Raum der Bohrung 13 das grades der Gesamtanlage sowie eine Verringerung des Arbeitsmittel zugeführt.

Der sich in dieser Anordnung einstellende Temperaturverlauf ist im oberen Teil der Abb. 2 schematisch dargestellt (Abszisse = Querschnittslinie, Ordinate der gezeigten Kurve = Temperatur). Die Temperaturen im Bereich 18 sind Überhitzungstemperaturen und die Temperaturen im Bereich 19 Sattdampftemperaturen des Arbeitsmittels. Durch geeignete Wahl der Geschwindigkeit und Menge des Wärmeübertragungsmittels kann die auf das Arbeitsmittel übertragene Endtemperatur beliebig eingestellt werden.

Das Rohr 12 kann aus einem Moderatorstoff, wie Graphit oder Berylliumoxyd, bestehen. Außerdem kann dieses Rohr 12 durch Einlagerung von Uran so ausgebildet werden, daß der Wärmestrom in das Übermöglich.

Durch die vorliegende Anordnung von Dampferzeuger und Überhitzer ergibt sich in den dargestell-

Eigenbedarfs für die Kühlmittelumwälzung durch sinnvolle Ausnutzung thermischer Strömungen.

Claims (10)

PATENTANSPRÜCHE: hitzungsmittel bzw. in das Arbeitsmittel variiert werden kann. Ebenso kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieses Rohr 12 als Brutelement ausgebildet sein. Das Brennelement 10 besteht z. B. aus einem Graphitrohr, in dem angereichertes Urankarbid oder Uranoxyd homogen verteilt ist. Als in flüssiger Form zugeführtes Arbeitsmittel wird vorzugsweise Wasser verwendet. Am Austritt am oberen Ende des Brennelementes 10 und des umgebenden Rohres 12 (nicht gezeigt) werden das auf Sattdampftemperatur gebrachte Arbeitsmittel und das Wärmeübertragungs-

1. Kernreaktoranlage zur Erzeugung überhitzten Dampfes mit einem Kernreaktor mit heterogenem Reaktorkern, mit in einem Moderatorblock eingesetzten Heizelementen, bestehend aus einem Brennelement, das konzentrisch von einem Rohr umgeben ist, und mit zwei Primärkreisläufen, von denen der eine zur Erzeugung von Sattdampf und der andere zur Erzeugung des überhitzten Dampfes dient, dadurch gekenn zeichnet, daß das eine Primärkühlmittel zur Erzeugung des überhitzten Dampfes das Brennelement umspült und das andere Primärkühlmittel zur Erzeugung des Sattdampfes in dem Zwischenraum zwischen dem Rohr und dem Moderatorblock strömt.

2. Kernreaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennelement die Form eines Hohlzylinders hat.

3. Kernreaktoranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennelement ein

Graphitrohr mit in dieses eingelagertem und in diesem homogen verteilten Urankarbid oder Uranoxyd ist.

4. Kernreaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennelement aus einem Rohr besteht, in dem fließfähiger Brennstoff strömt.

5. Kernreaktoranlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr, welches das Brennelement konzentrisch umgibt, aus einem moderierenden Stoff besteht.

6. Kernreaktoranlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr, welches das Brennelement konzentrisch umgibt, aus Brutstoff besteht.

7. Kernreaktor anlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr, welches das Brennelement konzentrisch umgibt, Brennstoff enthält.

8. Kernreaktoranlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Vorrichtungen zum Mischen der beiden Kühlmittel vorgesehen sind.

9. Kernreaktoranlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmeaustauscher zum Übertragen der Wärme von dem Primärkühlrnittel mit Überhitzertemperatur auf das Kühlmittel, das mit Sattdampftemperatur aus dem Reaktorkern austritt, vorgesehen sind.

10. Kernreaktoranlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärkühlmittel gleichzeitig als Moderator dienen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1051425;
Nuclear Science and Engineering, Bd. 1, 1956, S 167 bis 173;

Electrical Times, 1958, September, S. 376 bis 379.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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