DE1268748B

DE1268748B - Siedekernreaktor

Info

Publication number: DE1268748B
Application number: DEP1268A
Authority: DE
Inventors: Ronald Scott Challender; Jack Jones
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1962-07-16
Filing date: 1963-06-29
Publication date: 1968-05-22
Also published as: GB1022354A; BE635045A; NL295142A; US3231474A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

G21d

Deutsche Kl.: 21g-21/24

Nummer: 1268 748

Aktenzeichen: P 12 68 748.8-33

Anmeldetag: 29. Juni 1963

Auslegetag: 22. Mai 1968

Die Erfindung bezieht sich auf Siedekernreaktoren mit zwei hintereinandergeschalteten Strömungswegen für das moderierende Kühlmittel durch den innerhalb eines Reaktordruckgefäßes angeordneten Reaktorkern, die aneinandergrenzende, in Wärmeaustausch miteinander stehende Bereiche des Reaktorkerns durchsetzen, bei denen das Kühlmittel im ersten Strömungsweg von einem ersten, oberhalb des Reaktorkerns befindlichen Bereich innerhalb des Reaktordruckgefäßes nach unten in einen unterhalb des Reaktorkerns liegenden Bereich innerhalb des Reaktordruckgefäßes und anschließend aus diesem nach oben in einen anderen, zweiten, oberhalb des Reaktorkerns und innerhalb des Reaktordruckgefäßes befindlichen Bereich strömt, wobei die Temperatur des Kühlmittels beim Eintritt in den ersten Strömungsweg unterhalb der Siedetemperatur und bei Austritt aus dem zweiten Strömungsweg oberhalb der Siedetemperatur liegt.

Ein solcher Kernreaktor ist aus der französischen Patentschrift 1266 085 bekannt. Vorgenannte Patentschrift beschreibt äußere und innere Kühlmittelströmungswege, die in Reihe liegen (bezeichnet als »Mehrfach- bzw. Wiedereintrittskühlung«); in dieser Vorveröffentlichung wird jedoch an keiner Stelle eine gute Wärmeübertragung zwischen den beiden Strömungswegen erwähnt. In dieser Hinsicht beruht diese Vorveröffentlichung auf altbekannter Praxis. Der zweite Strömungsweg ist zum Überhitzen von Dampf und nicht für die Dampferzeugung vorgesehen. Es ist somit kein Hinweis und keine Anregung für eine Kühlmittelregulierung gegeben, wodurch das Sieden außerhalb der Brennstoffkanäle unterdrückt wird.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1127 506 ist ein überhitzten Dampf erzeugender Kernreaktor bekannt, bei dem ein Kühlmittelfluß zuerst außerhalb der Brennstoffkanäle und dann im Gegenstrom innerhalb der Brennstoffkanäle stattfindet. Bei dieser bekannten Vorrichtung bewirkt die Wärmeübertragung durch die Kanäle ein Sieden außerhalb der Kanäle. Zusätzlich findet zuerst eine Strömung nach aufwärts und dann erst nach abwärts statt.

Aus E u. M, H. 1, 1958, S. 12, Abb. 11, ist eine Kühlmittelströmung bekannt, bei der überhaupt kein Sieden des Kühlmittels stattfindet.

Die französische Patentschrift 1265 778 offenbart einen durch Wasserdampf gekühlten Reaktor mit einem getrennten Wassermoderator und zeigt nur eine Mehrfach- bzw. Wiedereintrittskühlung. Die französische Patentschrift 1257 338 offenbart einen Reaktor mit rohrförmigem Brennstoff und Sieden des Kühlmittels an der Außenseite des Brennstoffs. Die Siedekernreaktor

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority,

London

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,

5900 Siegen, Eiserner Str. 227

Als Erfinder benannt:

Jack Jones,

Ronald Scott Challender, London

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 16. Juli 1962 (27 303)

französische Patentschrift 1292 370 bezieht sich auf einen Reaktor mit Ausscheidungs- bzw. Trenneinrichtungen in Verbindung mit zusätzlichem Brennstoff zum Überhitzen von Dampf vom siedenden Wasser nach der Trennung.

Da das Auftreten des Siedens oder Kochens in einem Reaktor im Effekt da Moderatorverlust bedeutet, wo Dampfblasen gebildet werden, ist dadurch die axiale Neutronenflußverteilung in dem Kernreaktor stark verzerrt, und zwar am Boden des Reaktors am stärksten. Diese Verzerrung reduziert den Leistungsausgang. Außerdem kann bei einem Siedekernreaktor das Eintreten von Wasser niedriger Temperatur in den Kern des Reaktors Unstabilitäten verursachen, da es bekannt ist, daß zwei Alternativströmungen durch den Kern hindurch auftreten könnten.

Demzufolge bezweckt die Erfindung die Schaffung einer Steuerung des Reaktorkühlmittels in einem Siedekernreaktor in der Weise, daß der Neutronenfluß weniger verzerrt wird, wodurch der Leistungsausgang verstärkt und die Stabilität des Reaktors verbessert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, sicherzustellen, daß das Sieden nur im zweiten Strömungsweg auftritt, während das Kühlmittel im ersten Strömungsweg nur auf eine Temperatur erhitzt wird, die nahe, aber noch gerade unterhalb des Siedepunktes liegt. Diese Wärmeübertragung wird durch Regulierung der Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit durch den Reaktorkern gesteuert. Die Erfindung ist insbesondere

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für Siedekernreaktoren anwendbar, bei denen das am unteren Ende nach einer unteren Kammer 12 hin

Kühlmittel in einem geschlossenen System umläuft offen ist. Die Bodenplatte der Kammer 4 ist von

und ein Wärmeaustauscher im Kühlmittelströmungs- Löchern 15 durchsetzt, um einen Wasserstrom nach

weg vorgesehen ist. Eine derartige Anordnung ist bei unten von der Kammer 4 her zuzulassen, und zwar

Siedekernreaktoren nicht üblich; sie steht jedoch im 5 durch den ganzen Kern von Brennstoffelementen 7

Einklang mit der Regulierung der Kühlmittel- hindurch und in guter Wärmeübertragungsbeziehung

geschwindigkeit im Reaktorkern. mit den Kanälen 6. Die Kanäle 6 sind aus Zirkonium-

Durch die Erfindung wird erreicht, daß die Tem- rohren mit dünnem Querschnitt (etwa 0,78 mm) her-

peratur des Kühlmittels entlang dem ersten Strö- gestellt. Sie dienen als Schranken und teilen den ab-

mungsweg bis zum Eintritt in den zweiten Strömungs- io wärts gerichteten Kühlmittelstrom durch den Kern

weg unterhalb der Siedetemperatur liegt. hindurch von dem nach aufwärts gerichteten Kühl-

Das moderierende Kühlmittel kann Wasser sein, mittelstrom. Sie brauchen keinem bedeutenden

welches nach Verlassen des zweiten Strömungsweges Druckunterschied an ihren Wänden zu widerstehen,

über zwischen der Reaktordruckgefäßwand und dem und es ist erforderlich, daß sie die Wärmeübertra-

zweiten oberhalb des Kerns befindlichen Gefäß- 15 gung zwischen dem abwärts und dem aufwärts strö-

bereich angeordnete Wärmeaustauscher dem Eingang menden Kühlmittel nicht wesentlich behindern,

des ersten Strömungsweges zugeleitet wird und so Obere Prallplatten 10 sind so angebracht, daß sie

einen innerhalb des Reaktordruckgefäßes geschlos- Dampfstrom um und über einen Wärmetauscher 2

senen Kreislauf durchläuft. führen. An ihrem unteren Ende bilden die Prall-

Vorzugsweise wird innerhalb des im Reaktordruck- 20 platten 10 eine Kondensatabteilung 13, und der Ausgefäß geschlossenen Wasserkreislaufes eine Pumpe laß einer Kondensatrückführpumpe 3 ist mit der angeordnet, durch welche die Wassertemperatur beim Kammer 4 verbunden, um einen Zwangsumlauf des Eintritt in den zweiten Strömungsweg durch den Kühlwassers aufzubauen. Wasser, welches aus den Kern über die Variation der Wasserströmungs- Brennstoffkanälen 6 hervorkommt, wird durch eine geschwindigkeit unterhalb der Siedetemperatur ge- 25 Rezirkulationspumpe 9 aufgenommen, deren Auslaßhalten wird. öffnung nach der Kammer 12 hin offen ist. Die Tren-

Dem Eingang des ersten Strömungsweges durch nung von Wasser und Dampf erfolgt in einem unteren

den Kern wird sowohl über die Wärmeaustauscher Dampfprallkörper 14 vor dem Einlaß nach der

geströmtes Wasser als auch direkt aus dem Ausgang Pumpe 9.

des zweiten Strömungsweges durch den Kern aus- 30 Im Betrieb wird Wasser in den Brennstoff kanälen 6

tretendes Wasser zugeführt, wobei eine Vorrichtung durch die Spaltungswärme in dem Brennstoff erhitzt,

zum Regulieren des Mischungsverhältnisses beider und es steigt durch Zwangsumlauf und natürliche

Strömungen angebracht ist. Konvektion nach dem oberen Ende des Kanals auf,

Bei einem Siedekernreaktor gemäß der Erfindung an welchem Punkt ein Teil des Wassers genügend

ist im innerhalb des Reaktordruckgefäßes geschlos- 35 erhitzt worden ist, um Dampf zu bilden (etwa 268° C),

senen Wasserkreislauf eine zweite Pumpe angebracht, was einem Betriebsdruck von 703 kg/cm² entspricht,

die Wasser vom Ausgang des zweiten Strömungs- welcher in die Kammer 11 aufsteigt. Der Dampf strom

weges durch den Kern dem Raum zwischen dem verläuft um die oberen Prallplatten 10 und über den

Reaktorkern und der Druckgefäßwand zuführt; Wärmetauscher 2 hinweg, wo er seine latente Wärme

ferner sind um den Reaktorkern ein Wärmeaus- 40 und Eigenwärme abgibt und sich in der Abteilung 7

tauscher sowie Prallplatten angeordnet, die es be- zu Flüssigkeit kondensiert. Dieses Kondensat wird

wirken, daß das Wasser hintereinander wiederholt durch die Kondensatrückführpumpe 3 in die Kam-

durch Teile des Wärmeaustauschers und Teile des mer4 in Umlauf gebracht, von wo es gezwungen

ersten Strömungsweges durch den Kern strömt. wird, durch die öffnungen 15 und von dort um die

Der erste Strömungsweg ist vom zweiten Strö- 45 Brennstoffkanäle 6 herumzuströmen. Die Strömungs-

mungsweg durch Rohre abgegrenzt, wobei der zweite rate bzw. -geschwindigkeit wird so eingestellt, daß

Strömungsweg im Inneren dieser Rohre verläuft und das unterkühlte Kondensat von der Kammer 4 her-

wobei der Kernbrennstoff im Inneren dieser Rohre kommend erhitzt wird, und zwar in erster Linie durch

angeordnet ist. Wärmeleitung durch die Kanalwände 6 hindurch,

Vier Ausführungsbeispiele der Erfindung werden 50 so daß es sich nahe der Sättigungstemperatur be-

nunmehr an Hand der Zeichnung erläutert, und zwar findet, wenn es zum Boden der Kanäle 6 in der

zeigt Zone 8 gelangt. Typisch ist eine Temperatur

Fig. 1 einen Längsschnitt des ersten Ausführungs- von 263°C.

Beispiels, Alles Wasser, welches am oberen Ende des Brenn-

Fig. 2 einen Längsschnitt der zweiten Ausfüh- 55 Stoffkanals6 unverdampft bleibt, wird an denDampf-

rungsform, prallkörpern nach der unteren Kammer 12 durch die

Fig. 3 einen Längsschnitt des dritten Ausführungs- Rezirkulationspumpe 9 erneut in Umlauf gesetzt,

beispiels, während Dieses Wasser befindet sich ebenfalls nahezu auf

Fig. 4 einen Längsschnitt des vierten Ausfüh- Sättigungstemperatur, so daß beim Mischen mit dem

rungsbeispiels wiedergibt. 60 in Umlauf versetzten Kondensat der sich ergebende

In Fig. 1 ist ein Siedekernreaktor gezeigt, der Dampf im Bereiche sich ebenfalls nahe der Sätti-

einen Druckbehälter 1 aufweist, welcher einen Kern gungstemperatur vor dem Eintreten in die Kanäle 6

aus Brennstoffelementen 7 enthält, die in Brennstoff- befindet. Der Strom durch die Pumpen 3 und 9 kann

kanälen 6 angeordnet sind, wobei die Kanäle 6 durch durch Geschwindigkeitssteuerung der Pumpen regu-

eine erste obere Kammer 4 führen und in eine zweite 65 liert werden. Diese Regulierung kann von Hand oder

obere Kammer 11 einen Abzug haben. Die Brenn- automatisch gegen eine Temperaturabmessung er-

stoffkanäle umgibt eine Manschette 5, die an ihrem folgen, die beim Einlaß zu den Kanälen 6 vorgenom-

oberen Ende durch die Kammer 4 abgeschlossen und men worden ist.

F i g. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Teile des Reaktors, welche ähnliche Form, Lage und Funktion wie die entsprechenden Teile des an Hand von F i g. 1 beschriebenen Reaktors haben, sind in ähnlicher Weise bezeichnet und durch Hinzufügen des Buchstabens A kenntlich gemacht. Diese Teile werden nicht mehr im einzelnen beschrieben.

Gemäß F i g. 2 ersetzt eine einzige Pumpe 17 die Pumpen 3 und 9 von F i g. 1. Die Pumpe 17 hat zwei Zuführleitungen, die sich am Kanal 16 vereinigen. Die eine Zuführung ist Wasser, getrennt von Dampf, während die andere Zuführung Wasser aus der Kondensatkammer 13 A ist. Die Auslaßöffnung der Pumpe 17 ist mit der ersten oberen Kammer 4 A verbunden.

Im Betrieb saugt die Pumpe 17 sowohl einen unterkühlten Kondensatstrom über den Kanal 16 als auch einen Wasserstrom bei annähernd Sättigungstemperatur vorbei an dem Prallkörper 14^4 hinein. Der sich daraus ergebende gemischte Strom wird in die obere Kammer 4 A ausgestoßen und strömt dann nach unten in Berührung mit Brennstoffkanälen 6A, um Wärme zu gewinnen, wie an Hand von F i g. 1 beschrieben ist. Da nur eine einzige Pumpe vorhanden ist, werden die jeweiligen Ströme von unterkühltem Kondensat und Rezirkulationswasser durch ein Ventil 20 zwischen der Kondensatkammer 13^4 und dem Kanal 16 reguliert.

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Teile des Reaktors, die ähnliche Form, Lage und Funktion wie die entsprechenden Teile des an Hand von F i g. 1 beschriebenen Reaktors haben, sind gleich numeriert und mit dem Zusatz B versehen. Diese Teile werden im einzelnen nicht näher beschrieben.

Was Fig. 3 angeht, so wird dort eine einzige Pumpe 18 mit einem Einlaß, der durch den Kanal 16B mit dem Kondensatbehälter 13 B verbunden ist, und einem Auslaß nach der Kammer 4 B verwendet.

Im Betrieb wird Wasser in den Brennstoffkanälen 6 durch die Spaltprozeßwärme im Brennstoff erhitzt und steigt durch Zwangs- und natürliche Konvektion zum oberen Ende des Kanals, und an diesem Punkt ist ein Teil des Wassers genügend stark erhitzt, um Dampf zu bilden, welcher in die Kammer llß ansteigt. Der Dampf- und Wasserstrom führt um die oberen Prallkörper 10 B herum und über die Wärmetauscher 2B, wo er latente Wärme und einige Eigenwärme abgibt, um sie bei 13 B zu Flüssigkeit zu kondensieren. Dieses Kondensat wird durch die Kondensatpumpe 18 in die obere Kammer 4 B in Umlauf versetzt, von wo aus es gezwungen wird, durch die Öffnungen 155 nach unten um die Brennstoffkanäle 6 B herumzuströmen. Die Strömungsrate bzw. -geschwindigkeit ist so eingestellt, daß das unterkühlte Kondensat von der Kammer 4 B her durch Konduktion durch die Kanalwände 6B erhitzt wird, so daß es sich nahe oder bei Sättigungstemperatur befindet, wenn es am unteren Ende der Kanäle 6 B in der Zone 8 B anlangt.

Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Teile des Reaktors, welche ähnliche Form, Lage und Funktion wie die entsprechenden Teile des an Hand von F i g. 3 beschriebenen Reaktors haben, sind in gleicher Weise numeriert, aber zusätzlich mit C bezeichnet. Diese Teile werden nicht von neuem beschrieben.

Gemäß F i g. 4 ist ein unterer Wärmetauscher oder eine Reihe von Wärmetauschern 19 an der Innenseite der Manschette 5 C angebracht. Eine Reihe von unteren Wasserprallkörpern 21 ist um die Brennstoffelementkanäle 6 C und den Wärmetauscher 19 herum in solcher Weise angebracht, daß alles Wasser, welches nach unten von den Öffnungen 15 C her strömt, gezwungen wird, einem Weg zu folgen, welcher abwechselnd um die Brennstoffkanäle 6 C und um den Wärmetauscher 19 herumführt. Somit sammelt im Betrieb Wasserkühlmittel, welches einem derartigen Weg abwechselnd folgt, Wärme von der Außenwand des Brennstoffkanals 6 C und übergibt einen Teil dieser Wärme an den unteren Wärmetauscher 19. Die Geschwindigkeit des Kühlmittelstroms ist so eingestellt, daß sichergestellt wird, daß das unterkühlte Kondensat, welches die Kammer 4 C verläßt, sich nahe oder bei Sättigungstemperatur befindet, wenn es an der Zone 8 C anlangt, wie in den anderen Ausführungsformen. Der untere Wärmetauscher kann den Speisewasservorwärmerabschnitt des Wärmetauschers 2 C bilden.

Obwohl dieses Ausführungsbeispiel in bezug auf ein Pumpensystem ähnlich dem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, versteht sich, daß eine ähnliche Anordnung der unteren Wärmetauscher in Ausführungsbeispielen der ersten und zweiten Art ebenfalls eingebaut werden könnte. Der Brennstoff 7 könnte sich innerhalb oder außerhalb der Rohre in den Ausführungsbeispielen der Fig. 1, 2 und 3 befinden.

Die vorstehend beschriebenen Reaktoren arbeiten mit einer Dampffeuchtigkeit am Auslaß der Kanäle 6, die gleich derjenigen ist, welche bei bekannten Siedewasserreaktoren angetroffen wird, z. B. 13%. Sie haben aber eine verbesserte Neutronenflußverteilung infolge eines nichtsiedenden Moderates und eines Siedens in den Brennstoffkanälen, welches gleichmäßiger entlang den Kanälen verteilt ist und das bei einer gleichmäßigen Temperatur erfolgt. Dadurch kann eine größere Wärmemenge in jedem Kanal 6 erzeugt werden. Ebenso kann Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit durch die Kanäle hindurch erhöht werden, womit eine höhere Dampfausbeute für eine gegebene Feuchtigkeit am Auslaß der Kanäle 6 möglich ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Siedekernreaktor mit zwei hintereinandergeschalteten Strömungswegen für das moderierende Kühlmittel durch den innerhalb eines Reaktordruckgefäßes angeordneten Reaktorkern, die aneinandergrenzende, in Wärmeaustausch miteinander stehende Bereiche des Reaktorkerns durchsetzen, bei dem das Kühlmittel im ersten Strömungsweg von einem ersten, oberhalb des Reaktorkerns befindlichen Bereich innerhalb des Reaktordruckgefäßes nach unten in einen unterhalb des Reaktorkerns liegenden Bereich innerhalb des Reaktordruckgefäßes und anschließend aus diesem nach oben in einen anderen, zweiten, oberhalb des Reaktorkerns und innerhalb des Reaktordruckgefäßes befindlichen Bereich strömt, wobei die Temperatur des Kühlmittels beim Eintritt in den ersten Strömungsweg unterhalb der Siedetemperatur und bei Austritt aus dem zweiten Strömungsweg oberhalb der Siedetemperatur liegt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Kühlmittels entlang des ersten Strömungsweges bis zum Eintritt in den zweiten Strömungsweg unterhalb der Siedetemperatur liegt.

2. Siedekernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das moderierende Kühlmittel Wasser ist, welches nach Verlassen des zweiten Strömungsweges über zwischen der Reaktordruckgefäßwand und dem zweiten oberhalb des Kerns befindlichen Gefäßbereich angeordnete Wärmeaustauscher dem Eingang des ersten Strömungsweges zugeleitet wird und so einen innerhalb des Reaktordruckgefäßes geschlossenen Kreislauf durchläuft.

3. Siedekernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem innerhalb des im Reaktordruckgefäß geschlossenen Wasserkreislaufes eine Pumpe angeordnet ist, durch die die Wassertemperatur beim Eintritt in den zweiten Strömungsweg durch den Kern über die Variation der Wasserströmungsgeschwindigkeit unterhalb der Siedetemperatur gehalten wird.

4. Siedekernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eingang des ersten Strömungsweges durch den Kern sowohl über die Wärmeaustauscher geströmtes Wasser als auch direkt aus dem Ausgang des zweiten Strömungsweges durch den Kern austretendes Wasser zugeführt wird und daß eine Vorrichtung zum Regulieren des Mischungsverhältnisses beider Strömungen angebracht ist.

5. Siedekernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im innerhalb des Reaktordruckgefäßes geschlossenen Wasserkreislauf eine zweite Pumpe angebracht ist, die Wasser vom Ausgang des zweiten Strömungsweges durch den Kern dem Raum zwischen dem Reaktorkern und der Druckgefäßwand zuführt.

6. Siedekernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß um den Reaktorkern ein Wärmeaustauscher sowie Prallplatten angeordnet sind, die es bewirken, daß das Wasser hintereinander wiederholt durch Teile des Wärmeaustauschers und Teile des ersten Strömungsweges durch den Kern strömt.

7. Siedekernreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Strömungsweg vom zweiten Strömungsweg durch Rohre abgegrenzt ist, daß der zweite Strömungsweg im Inneren dieser Rohre verläuft und daß der Kernbrennstoff im Inneren dieser Rohre angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr, 1127 506;
französische Patentschriften Nr. 1266 085,
778,1257 368,1292 317;
E. u. M., 1958, H. 1, S. 12.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen