DE1137810B - Waermeabsorptionseinrichtung fuer Kernreaktoren zum Antrieb von Schiffen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

C19581Vinc/21g

ANMELDETAGs 10. AUGUST 1959

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 11. OKTOBER 1962

Die Erfindung betrifft eine Wärmeabsorptionseinrichtung für einen Kernreaktor mit flüssigem, im Reaktorkern verdampfendem Kühlmittel, dessen Dampf einem Wärmetauscher oder Turbinen zugeführt wird, und mit einem den Reaktor umgebenden ringförmigen wassergefüllten Schutzbehälter.

Die Einrichtung zur Absorption der Wärme soll einerseits beim Abschalten der Leistung oder beim Stillsetzen des Reaktors wirksam werden, unabhängig davon, ob es sich um ein normales Abschalten oder ein Notabschalten für den Fall einer Störung oder eines Unfalles handelt, und sie soll anderseits auch jeden Überdruck verhindern, der gegebenenfalls im Primärkreis des Reaktors auftritt, und damit gleichzeitig das Risiko verringern, daß sich die Sicherheitsventile dieses Kreises öffnen.

Die im wesentlichen eine Kühlvorrichtung darstellende vorliegende Einrichtung ist vor allem für Kernreaktoren nützlich, die in Schiffe eingebaut werden, um Wärme zum Antrieb der Turbinen des Schiffes zu erzeugen.

Bei einem normalen Stillsetzen kann man die Turbogeneratoren des Schiffes — zumindest einen von ihnen — noch während einiger Zeit laufen lassen, um die bereits in dem Reaktor entstandene Wärme auf diese Weise abzuführen. Man kann zu dem gleichen Zweck auch andere Maschineneinrichtungen des Schiffes in Anspruch nehmen.

Wenn demnach das normale Stillsetzen keine schwer zu lösenden Aufgaben stellt, so ist dies jedoch bei einer Notabschaltung ganz anders; insbesondere, wenn irgendeine Störung auftritt, etwa ein unvorhergesehenes plötzliches Schließen der Ventile der Turbine (oder Turbinen), eine Undichtigkeit an dem Wärmetauscher oder eine elektrische Störung.

Bei der Notabschaltung kann die Energie, die für das Inganghalten des Kühlkreislaufes benötigt wird und im allgemeinen sehr gering ist, von besonderen Hilfseinrichtungen oder auch von einer Akkumulatorenbatterie geliefert werden.

Es sind bereits Notkühlsysteme für Kernreaktoren bekannt. Diese Kühlsysteme weisen jedoch erhebliche Nachteile auf und sind für den Betrieb in Schiffen nicht ohne weiteres geeignet.

Bei einem der bekannten Kühlsysteme werden Leistungsänderungen durch Verschieben der Regelstäbe des Reaktors nach der Druckanzeige des Primärsystems ermöglicht, so daß der Druck einigermaßen konstant bleibt. Diese Regelmöglichkeit ist für normale Leistungs- und Druckschwankungen vorgesehen. Bei plötzlicher Entlastung der Turbine wird ein zweiter Regelkreis wirksam. In diesem Fall wird der vom Wärmeabsorptionseinrichtung

für Kernreaktoren zum Antrieb von Schiffen

Anmelder: Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris

Vertreter: Dipl.-Ing. R. Beetz, Patentanwalt, München 22, Steinsdorfstr. 10

Beanspruchte Priorität: Frankreich vom 14. August 1958 (Nr. 772 524)

Pierre Jean Ricard, Paris, ist als Erfinder genannt worden

Kernreaktor erzeugte Dampf an den Kondensator abgegeben. Eine dritte Regelmöglichkeit ist schließlich insofern gegeben, als die Bunkerräume mit Kühlrohrregistern ausgekleidet sind, die bei bestimmten Betriebszuständen in Tätigkeit treten. Dieses dreiteilige Regelungssystem hat bei Verwendung auf Schiffen schwerwiegende Nachteile. Es muß nämlich offensichtlich eine schnelle Änderung der Turbinenleistung ermöglicht sein. Die Regelung der Eintauchtiefe der Regelstäbe kann jedoch nur langsam erfolgen, da sonst der Betriebszustand des Reaktors unstabil werden könnnte. Daher müssen für eine einwandfreie Anpassung an die Turbinenleistung mindestens zwei Regelmöglichkeiten ausgenutzt werden, was ein kompliziertes Steuersystem erfordert. Zum Abführen der Auskühlwärme beim Stillsetzen des Reaktors müssen schließlich die Kühlrohrregister in den Bunkerräumen mit Kühlflüssigkeit beschickt werden.

Bei einem anderen bekannten System ist eine besondere Notkühlvorrichtung vorgesehen, die als ein vom Betriebsmittelkreis getrennter und mit diesem durch einen Wärmetauscher verbundener Kühlkreis ausgebildet ist. Durch die räumliche Trennung von Reaktor und Notkühlkreis sind jedoch lange Rohrleitungen erforderlich, die die Störanfälligkeit vergrößern. Außerdem ist der Sicherheitskühler im Nebenschluß zum Wärmetauscher angeschlossen, und die Funktion des Notkühlsystems hängt von der Funktion der Heliumpumpen ab, die in dem Betriebsmit-

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telkreis des Reaktors liegen. Bei Ausfall der Heliumpumpen ist daher die gesamte Anlage gefährdet.

Der vorliegenden Einrichtung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeabsorptionseinrichtung (Kühlsystem) für Kernreaktoren zu schaffen, die einfach aufgebaut ist, sich schnell regeln läßt und betriebssicher arbeitet.

Dieses Ziel wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß bei einem Reaktor der eingangs erwähnten Gatzur Höhe des Niveaus 2 steht. Der Wasserdampf wird aus dem oberen Teil des Gefäßes über eine Leitung 3 abgeführt, die in einen (nicht dargestellten) Wärmetauscher mündet.

Der in dem Wärmetauscher kondensierte Dampf wird als Wasser über eine Leitung 4 in das Gefäß 1 zurückgeleitet, die an der untersten, mit 5 bezeichneten Stelle an das Gefäß angeschlossen ist. Das Kondenswasser tritt dann von unten in die aktiven Reak-

tung der ringförmige, wassergefüllte Schutzbehälter ίο torzellen über Regelvorrichtungen ein.
erfindungsgemäß ein erstes, von Wasser durchflossenes Um das Reaktorgefäß 1 ist ein Schutzbehälter 6

Kühlrohrsystem aufweist sowie ein Kühlrohrsystem, angeordnet, der dem biologischen, d. h. dem Strahdessen Zulaufverteiler an die Speiseleitung zum War- lungsschutz, dient. Dieser Behälter ist mit reinem metauscher oder zur Turbine und dessen Abflußsam- Süßwasser gefüllt und enthält mehrere Schichten aus melleitung zur Rückführung des kondensierten Kühl- 15 Metallplatten 7 (Fig. 2).

mittels an das Reaktorgefäß angeschlossen ist, so daß Um die Wärme abzuleiten, die sich beim normalen

der so gebildete Kühlkreis den Wärmetauscher oder Reaktorbetrieb in dem Strahlungs-Schutzbehälter 6 die Turbine überbrückt, und daß zur Steuerung des bildet, ist ein Seewasserumlauf durch ein als Rohr-Durchflusses des aus dem Reaktor kommenden bündel 8 ausgebildetes Rohrsystem vorgesehen, das Dampfes durch dieses zweite Kühlrohrsystem wenig- 20 von dem reinen Wasser vollständig umgeben ist. Die stens ein Ventil vorgesehen ist. Verwendung von Meerwasser als Kühlflüssigkeit ist

Bei einer derartigen Ausbildung einer Wärmeab- in keiner Weise zwingend und kein Merkmal der Ersorptionseinrichtung wird die Zirkulation durch Si- findung; es kann zu diesem Zweck auch irgendein anphonwirkung aufrechterhalten, ohne daß irgendwelche deres Kühlmittel benutzt werden. Das Rohrbündel 8 Pumpen erforderlich sind. Sämtliche Betriebszustände 25 ist zwischen zwei ringförmigen Zuführverteilern 9 und des Reaktors, die sich beim Betrieb auf Schiffen er- Abflußsammelleitungen 10 angeordnet. Das Meerwasser oder ein anderes Kühlmittel läuft in den Rohren des Rohrbündels 8 im Sinne der Pfeile 11 um. Der Umlauf des Meerwassers in dem Rohrbündel 8 30 kann mittels einer Pumpe durchgeführt werden, die in dem Flüssigkeitskreislauf der Rohre 12 angeordnet wird, an die die kreisförmigen Zulaufverteiler 9 und Abflußsammler 10 angeschlossen sind. Der Abfluß aus den Sammlern 10 erfolgt durch Siphonwir-35 kung, damit der Druck in den Rohren der Rohrbündel 8 unterhalb des in dem Behälter 6 herrschenden

geben können, lassen sich in einfacher und sicherer Weise beherrschen, wobei die automatische Regeleinrichtung besonders einfach im Aufbau ist, da sie nur einen einzigen Regelkreis betätigen muß.

Das Ventil zur Steuerung des Durchflusses des aus dem Reaktor kommenden Dampfes ist vorzugsweise zwischen der Speiseleitung des Wärmetauschers oder der Turbine und dem zweiten Kühlrohrsystem angeordnet.

Ferner kann ein zweites, sieh bei Überdruck öffnendes Ventil zwischen die Speiseleitung des Wärmetauschers oder der Turbine und das zweite Kühlrohrsystem geschaltet sein.

Vorzugsweise sind in dem ringförmigen Behälter zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlrohrsystem Trennwände angeordnet, die an ihren unteren und oberen Bereichen Durchlässe aufweisen.

Zur Kühlung des Reaktors beim Ausbau oder Wechsel der Brennstoffelemente läßt sich mit Vorteil eine Umwälzpumpe für das Reaktorkühlmittel verwenden, die mit dem Reaktorgefäß verbunden ist und das Kühlmittel in das zweite Kühlrohrsystem fördert, das über ein zusätzliches Ventil mit dem am unteren Druckes liegt und im Fall von Undichtigkeiten das Meerwasser nicht in diesen Behälter eindringen kann.

Der Strahlungs-Schutzbehälter 6, der das mit Meerwasser gespeiste Rohrbündel 8 enthält, wird benutzt, um aus dem Reaktor die restüche Wärme zu entfernen, die im FaE eines Stillsetzens noch in dem Reaktor enthalten ist oder noch freigesetzt wird.

Zu diesem Zweck ist ein zweites System oder Bündel von Rohren 13 ebenfalls in dem Reinwasser des Behälters 6 angeordnet; die Rohre dieses Bündels liegen zwischen einem Zulaufverteiler 14 und einem Abflußsammler 15 in einem Kreislauf, der einerseits

Teil des Reaktorgefäßes liegenden Einlaß für das 50 über eine Leitung 16 an die Leitung 3 des Wärme-

Kondensatorwasser des Wärmetauschers verbunden ist.

Die Erfindung ist an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Reaktors, der mit einer Einrichtung nach der Erfindung zur Absorption der Wärme im Falle einer Leistungsabschaltung oder eines Stillsetzens des Reaktors versehen ist,

Fig. 2 eine in größerem Maßstab gezeichnete Schnittdarstellung einer Einrichtung nach der Erfindung, die Einzelheiten des Schutzbehälters und der beiden Rohrsysteme zeigt, die in dem Behälter angeordnet sind.

In der Fig. 1 ist der Kernreaktor in ein Flüssigkeitsdruckgefäß 1 eingebaut, das eine Flüssigkeit, z.B. Wasser, enthält, welche in dem äußeren Reflektor bis tauscherkreislaufes oder der Turbine und anderseits über erne Leitung 17 oder 18 an das Gefäß 1 des Reaktors angeschlossen ist. Die Aufgaben der Leitungen 17 und 18 werden weiter unten näher erläutert.

Die Leitung 16 enthält zwei Ventile 19 und 20, die parallel zueinander geschaltet sind, wobei gegebenenfalls auch ein einziges Ventil die Aufgaben der beiden Ventile 19 und 20 erfüllen könnte. Das Ventil 19 ist mit Mitteln zu seiner Steuerung durch besondere Organe versehen, während das Ventil 20 sich bei einem einstellbaren Überdruck in der Leitung 3 selbsttätig öffnet.

Die Leitung 17 enthält ein Ventil 21, das mit Mitteln für die Steuerung seiner Öffnung versehen ist.

Ebenso liegt in der Leitung 18 ein Ventil 22, das ein Ventil der gleichen Bauart wie das Ventil 21 ist.

In dem Behälter 6 sind Trennwände 23 vorgesehen,

die den Innenraum des Gefäßes unterteilen und mit

unteren (Eintrittsöffnungen 24) und oberen (Austrittsöffnungen 25) Durchlässen versehen sind. Diese Trennwände sorgen für einen natürlichen Umlauf des Süßwassers in dem Behälter 6, und zwar zwischen den Räumen der beiden Rohrbündel 8 und 13.

Diese Anordnung, wie sie soeben beschrieben wurde, wirkt in folgender Weise:

Beim Abschalten der Leistung oder Stillsetzen des Reaktors werden die Ventile 19 und 21 geöffnet, um den Wärmetauscher über das Rohrsystem oder -bündel 13 kurzzuschließen oder zu überbrücken. In der Praxis bleibt übrigens das Ventil 21 grundsätzlich stets offen, wie dies noch näher erläutert werden wird. Es bildet sich dann ein natürlicher Umlauf über die Leitung 3, das Ventil 19, die Leitung 16, die Rohre des Rohrbündels 13, die Leitung 17 und eine Leitung 26 aus, die in den Reflektorraum des Reaktors hineinführt. Das Rohrbündel 13 spielt dann die Rolle eines Kondensators.

Andererseits kann — selbst wenn das Ventil 19 willkürlich geschlossen gehalten wird — der Umlauf in dem Rohrbündel 13 dank der Wirkung des sich selbsttätig öffnenden Ventils 20 eingeleitet werden. Dieses Ventil kann beispielsweise auf einen Druck eingestellt werden, der 10 % über dem normalen Druck liegt. Dieses Ventil 20 verringert infolgedessen auch bei sich gegebenenfalls unbeabsichtigt einstellenden größeren Druckschwankungen in der Dampfleitung 3 das Risiko eines unerwünschten Öffnens der eigentlichen Überdruckschutzventile 27, die sich lediglieh bei einem wesentlich höheren Drucküberschuß öffnen sollen.

Um die Arbeitsweise in dem soeben beschriebenen Sinne zu sichern, muß das Ventil 21 bei normalem Betrieb offengelassen werden; dies ergibt keinen Nachteil, da das Rohrbündel 13, das in dem kalten Wasser des Behälters 6 angeordnet ist, dann bei Überdruck ebenfalls als Kondensator wirkt.

Die Einrichtung ist durch eine Umlaufpumpe 28 vervollständigt, die in eine an die Leitung 26 angeschlossene Leitung 29 einerseits und über eine Rohrleitung 30 und ein steuerbares Ventil 31 an die Leitung 16 anderseits eingeschaltet ist. Diese zusätzliche Anordnung einer Umlaufpumpe 28 gestattet die Kühlung des Reaktors während der Arbeiten, die beim Ausbau oder Auswechseln der in dem Reaktor sitzenden Brennstoffelemente durchgeführt werden müssen, d. h. wenn der Deckel des Reaktors entfernt und das Reaktorgefäß mit Wasser gefüllt ist. In diesem Fall wird der Schutzbehälter 6 ebenfalls zur Kühlung benutzt; es tritt aber kein natürlicher Umlauf in dem Rohrbündel 13 auf, und der Umlauf wird bei geschlossenem Ventil 21 und geöffnetem Ventil 22 durch die Umlaufpumpe 28 erzwungen.

Die Umlaufpumpe 28 bewirkt einen Umlauf des Reaktorwassers über die Leitung 26 bis zur Wiedereinführung an dem Punkt 5 (in Fig. 1 und 2) am Boden des Gefäßes 1. Dabei läuft das Wasser durch die Leitung 26, die Leitung 29, die Pumpe 28, die Leitung 30, das Ventil 31, das Rohrbündel 13, die Leitung 18, das Ventil 22 und denjenigen Teil der Leitung 4, der am Punkt 5 in das Reaktorgefäß mündet.

Die soeben beschriebene Einrichtung gestattet also die Absorption derjenigen Wärme, die im Fall eines Abschaltens oder Stillsetzens vom Reaktor noch abgegeben wird, selbst wenn es sich um ein plötzliches Stillsetzen in einem Notfall handelt oder um ein Stillsetzen, das zum Ausbau der Brennstoffelemente vorgenommen wird. Die Einrichtung gestattet außerdem die selbsttätige Aufnahme eines Teiles der von dem Reaktor erzeugten Wärme in denjenigen Fällen, in denen ein Überdruck auftritt. Dadurch kann außerdem die Großes dieses Überdruckes begrenzt werden.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Wärmeabsorptionseinrichtung für einen Kernreaktor zum Antrieb von Schiffen mit flüssigem, im Reaktorkern verdampfendem Kühlmittel, dessen Dampf einem Wärmetauscher oder Turbinen zugeführt wird und mit einem den Reaktor umgebenden ringförmigen wassergefüllten Schutzbehälter, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Behälter ein erstes, von Meerwasser durchflossenes Kühlrohrsystem aufweist sowie ein zweites Kühlrohrsystem, dessen Zulaufverteiler an die Speiseleitung zum Wärmetauscher oder zur Turbine und dessen Abflußsammelleitung zur Rückführung des kondensierten Kühlmittels an das Reaktorgefäß angeschlossen ist, so daß der so gebildete Kühlkreis den Wärmetauscher oder die Turbine überbrückt, und daß zur Steuerung des Durchflusses des aus dem Reaktor kommenden Dampfes durch dieses zweite Kühlrohrsystem wenigstens ein Ventil vorgesehen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil zwischen der Speiseleitung des Wärmetauschers oder der Turbine und dem zweiten Kühlrohrsystem liegt.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites, sich bei Überdruck öffnendes Ventil zwischen die Speiseleitung des Wärmetauschers oder der Turbine und das zweite Kühlrohrsystem geschaltet ist.

4. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ringförmigen Behälter zwischen dem ersten Kühlrohrsystem und dem zweiten Trennwände angeordnet sind, die in ihren unteren und oberen Teilen Durchlässe enthalten.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung des Reaktors beim Ausbau oder Wechsel der Brennstoffelemente eine Umwälzpumpe (28) für das Reaktorkühlmittel vorgesehen ist, die mit dem Reaktorgefäß verbunden ist und das Kühlmittel in das zweite Kühlrohrsystem (13) fördert, das über ein zusätzliches Ventil (22) mit dem am unteren Teil des Reaktorgefäßes liegenden Einlaß für das Kondensatwasser des Wärmeaustauschers verbunden ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Atompraxis, Bd. 2, 1956, S. 140 und 141; Atomics and Nuclear Energy, Bd. 9, 1958, S. 156 und 157.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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