DE1439846B2 - Mit fluessigem kuehlmittel gekuehlter atomkernreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mit flüssigem Kühlmittel gekühlten Atomkernreaktor mit einem Reaktordruckbehälter, in welchem sich ein Reaktorkern und ein Druckerzeuger für die Unterdrucksetzung des Kühlmittels für Vermeidung seines Siedens befinden, wobei in den Druckerzeuger hinein ein Druckerzeugungsstrom fließt, um einen Kühlmitteldruck entsprechen der Temperatur des Druckerzeugerstromes zu erzeugen, wobei dieser Kühlmitteldruck den Betriebsdruck des Kühlmittels bei seinem Zwangsumlauf durch den Reaktorkern darstellt.

Das Reaktorkühlmittel wird zu dem Zweck unter Druck gesetzt, das Sieden des Kühlmittels im Reaktorkern zu reduzieren, da siedendes Kühlmittel eine beeinträchtigende Wirkung auf die Betriebscharakteristiken des Reaktors infolge der Auswirkungen auf Kern- und Pumpenleistung haben kann. Zu diesem Zweck wird das Reaktorkühlmittel einem Druck über dem Sättigungsdampfdruck des Kühlmittels bei der höchsten Temperatur, die das Kühlmittel während seines Durchfließens durch den Kern erreicht, ausgesetzt. Ein derartiger Druck, der in Beziehung zu der höchsten Kühlmitteltemperatur steht, wird mit Überdruck bezeichnet.

Ein wassergekühlter Reaktor, bei welchem Überdruck dadurch bewirkt wird, daß unter Druck gesetztes Gas in den den Reaktor enthaltenden Behälter eingebracht wird, ist in der belgischen Patentschrift 629 810 umrissen; wenn der Überdruck durch unter Druck gesetztes Gas bewirkt wird, besteht die Gefahr, daß Gas im Kühlmittel mitgerissen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Atomkernreaktorkern durch Mittel unter Überdruck zu setzen, welche es unnötig machen, Energie von außerhalb des den Reaktor enthaltenden Druckbehälters einzubringen.

Die Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Reaktor erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kühlmittelstromführung im Reaktorkern aus einem Hauptstrom und dem Druckerzeugungsstrom besteht, wobei Mittel vorgesehen sind, um den Druckerzeugungsstrom auf seinem Weg durch den Reaktorkern auf eine höhere Temperatur als den Kühlmittelhauptstrom im Reaktorkern zu bringen.

Durch die Erfindung wird ein System vorgesehen, bei welchem der Überdruck zur Temperatur des Druckerzeugungsstromes in Beziehung gesetzt wird, wobei die Temperatur allein dadurch erzielt wird, daß nukleare Heizwirkungen ausgenutzt werden, welche sich den sich ändernden Kernkonditionen bzw. -zuständen sehr genau und rasch angleichen. Somit ist der Überdruck nicht von einem Druck abhängig, welcher von Gasüberdruck herstammt, mit der Möglichkeit, daß Gas im Kühlmittel mitgerissen wird, oder welcher von elektrischen Heizsystemen, mit ihren langsamen Ansprechzeiten, herkommt.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch den Reaktor, während

Fig.2 einen schematischen Aufriß darstellt, wobei die linke Seite eine Anordnung gemäß der Erfindung illustriert, während die rechte Seite eine andere Anordnungsmöglichkeit wiedergibt, die der Anordnung von F i g. 1 ähnlich ist.

Der Druckwasserreaktor gemäß F i g. 1 weist einen aktiven Kern aus Kernbrennstoffelementen auf, welche durch Druckwasser gekühlt werden, das auch als Moderator wirkt. Der Kern weist einen Satz von aufrechten Brennstoffelementen oder -baugruppen 11 (von denen zwei dargestellt sind) auf, die zwischen oberen und unteren Halterosten 12, 13 angebracht sind. Jede Baugruppe weist eine Anzahl länglicher Brennstoffnadeln 14 auf, die von einer sechskantigen wasserdichten Ummantelung (Kühlmittelstromführung) 15 umgeben sind und aus angereicherten Uraniumoxyd-Pellets bestehen, welche in Hüllen aus rostfreiem Stahl gestapelt sind. Der Kern ist von einem Leitblech oder Prallkörper 16 (der die Roste 12, 13 hält) umschlossen und in dem unteren geschlossenen Ende eines Reaktorbehälters 17 untergebracht und gestützt, wobei eine Ringleitung 18 zwischen dem Kernprallkörper 16 und dem Reaktorbehälter 17 zum Pumpen von Reaktorkühlwasser in einen Kühlmittel-Einlaßraum 19 unterhalb des Kerns gebildet ist. Kühlmittel-Umlaufvorrichtungen in Form von Umwälzpumpen 21, die in Gehäusen 22 angebracht sind, welche einstückig mit dem Reaktorbehälter 17 sind und aus diesem herausragen bzw. außerhalb desselben vorstehen, sind durch eine koaxiale Rohrleitung 23 in den Strömungsweg zwischen oberen und unteren Abschnitten der Ringleitung 18 geschaltet, wobei die Abschnitte durch einen Kühl-

mittel-Prallkörper 24 unterteilt sind; diese Pumpen 21 dienen dazu, das Kühlmittel durch den unteren Abschnitt der Ringleitung in den Einlaßraum 19 und von dort durch Kanäle, die von den Brennstoffbaugruppen im Reaktorkern gebildet sind, umzuwälzen.

Über dem Reaktorkern teilt ein zylindrischer Prallkörper 25, der an seinem unteren Ende an dem Prallkörper 16 angebracht ist, das Innere des Reaktorbehälters 17 in einen zentralen Regelraum 26 und einen koaxialen ringförmigen Wärmeaustauschraum 27. Wärmeaustauscher 28 befinden sich in dem Wärmeaustauschraum 27, womit Wärme auf ein Arbeitsmittel oder Sekundärkühlmittel — wie z. B. Wasser, aus dem Dampf gewonnen wird — übertragen werden kann. Im Wärmeaustauschraum 27 wird das Arbeitsmittel durch Wärmeaustauschrohre geleitet (die schematisch durch senkrechte Linien im Raum 27 dargestellt sind), während das Reaktorkühlmittel nach unten über die Wärmeaustauschrohre in den oberen Abschnitt der den Kern umgebenden Ringleitung 18 strömt. Das Arbeitsmittel wird in die Rohre der Wärmeaustauscher und aus diesen heraus durch koaxiale radiale Sammelrohrgruppen 29 geleitet, die sich durch den Reaktorbehälter 17 an seinem oberen Ende erstrecken und in Ventilen 31 endigen, von denen Abgaberohre 32 weggeführt sind.

Der Regelraum 26 beherbergt durch Strömungsmittel betätigte Reaktor-Steuerstabmechanismen 33, durch welche neutronenabsorbierende Steuerstäbe 34 von Y-förmigem Querschnitt zwischen Ummantelungen 15 in den Kern und aus diesem heraus bewegt werden können. Außerdem befindet sich in dem zentralen Regelraum 26 ein Kühlmittel-Unterdrucksetzungsbehälter bzw. Kühlmittel-Druckbehälter 35, der die Form eines koaxialen zylindrischen Tanks hat, welcher an seinem unteren Ende geschlossen und an seinem oberen Ende offen ist und eine wärmeisolierende Schicht aufweist. Das untere, abgedichtete Ende des Tanks 35 befindet sich in einer Höhe unter der Mitte der Vertikallänge der Wärmeaustauscher 28, während das obere offene Ende des Tanks 35 mit dem oberen offenen Ende des Reaktorbehälters verbunden und über eine Flanschverbindung 36 abgedichtet ist. Die Flanschverbindung 36 weist einen oberen Außenflansch auf, der mit dem Behälter 17 dicht verbunden ist, und einen unteren Innenflansch, der mit einem Außenflansch am oberen Ende des Tanks 35 dicht verbunden ist. Ein Deckel 37 für den Reaktorbehälter 17 dient ebenfalls dazu, den Druckerzeugertank strömungsmitteldicht abzuschließen. Ein Einlaß 38 für den Druckerzeugertank 35 hat die Form eines aufrechten Rohrs, welches in abgedichteter Weise koaxial durch das untere Ende des Druckerzeugertanks 35 hindurchführt und sich nach unten erstreckt, um mit einem ausgewählten Brennstoffelement, nämlich mit der zentralen Brennstoffbaugruppe 11 im Reaktorkern, in Verbindung zu stehen, wobei das Rohr 38 eine Einlaßöffnung 38 a aufweist und mit der Ummantelung 15 dieser zentralen Brennstoffbaugruppe 11 mittels eines Adaptors 38 b dicht verbunden ist. Das Rohr 38 weist eine wärmeisolierende Außenschicht auf. An ihrem oberen Ende, und zwar über dem Tank 35, ist das Einlaßrohr 38 abgeschlossen und an seinem Ende 38 c mit Öffnungen versehen (wobei Sprühdüsen in den Öffnungen vorgesehen sind), so daß Kühlwasser, welches durch das Einlaßrohr von der zentralen Brennstoffgruppe 11 aus kommt, in das Innere des Tanks 35 gesprüht wird. Auslaßöffnungen aus dem Druckerzeugertank 35 sind durch offenendige Tauchringe 39 (von denen eines gezeigt ist) gebildet, die unter dem Kühlmittel-S pegel im Tank eintauchen. Diese Tauchrohre 39 steigen in dem Tank 35 auf eine Höhe über dem oberen Ende der Wärmeaustauscher 28 (d. h. über die Höhe der Sammelrohre 29) an, ragen durch den Tank auf dieser Höhe und erstrecken sich nach unten durch

ίο den Wärmeaustauschraum 27, um Kühlwasser von dem Druckerzeuger 35 in das Reaktorkühlmittel in dem Wärmeaustauschraum 27 nahe dem unteren Ende dieses Raums (d. h. gerade oberhalb des oberen Pegels des Reaktorkerns) abzugeben. Benachbart dem Einlaß 38 a kann das Rohr 38 Druckminderungsöffnungen für die Verbindung mit dem Raum 26 aufweisen.

Der Reaktorbehälter 17 ist in einer dichtpassenden Ummantelung 41 untergebracht, die ihrerseits von einer Außenschale 42 umgeben ist. Der Zwischenraum 43 zwischen Reaktorbehälter und Ummantelung ist mit Gas gefüllt, während der Zwischenraum 44 zwischen Ummantelung und Schale mit Wasser bis zu einer Höhe 45 gefüllt ist. Kühlschlangen 46 sind unterhalb des Wasserpegels 45 in der Schale 42 angebracht. Die Ummantelung weist eine Ausweichöffnung 47 auf, die normalerweise von einer zerbrechlichen Scheibe 48 abgeschlossen ist; eine Ausweichleitung 49 steht mit der Öffnung 47 in Verbindung. Im Falle eines Bruchs des Reaktorbehälters, welcher ein Freiwerden von radioaktivem, unter hohem Druck und hoher Temperatur stehendem Kühlwasser in die Ummantelung verursacht, wird dieses frei werdende Wasser durch die Scheibe 48 geleitet und unter dem Wasserpegel in der Schale 42 ausgelassen. Diese Anordnung dient dazu, jedem etwaigen Druckaufbau in der Schale entgegenzuwirken. Außerdem wirkt das Wasser in der Schale 42 als Neutronenschirm, welcher durch zusätzliche Schirme 50, die die unteren Bereiche des Reaktorbehälters umgeben, ergänzt wird.

Während des Reaktorbetriebs wird Kühlwasser, das durch den Reaktorkern mittels der Pumpen 21 umgewälzt wird, durch die die Strömung leitenden Brennstoffbaugruppen-Ummantelungen 15 in getrennte Ströme unterteilt. Der größere Teil des Kühlmittels, der als erster oder Haupt-Kühlmittelstrom bezeichnet werden soll, steigt durch den Kern hindurch an, wobei er in diesem erwärmt wird, und gelangt in den Regelraum 26 über dem Kern und um das Äußere des Druckerzeugertanks 35 herum zu dem oberen Ende des Reaktorbehälters 17, um von dort nach unten durch den Wärmeaustauschraum 27 zu strömen, wobei er seine Wärme an das Arbeitsmittel in den Wärmeaustauschrohren abgibt, und gelangt in den oberen Abschnitt der Ringleitung 18 und somit in die Pumpen 21. Ein zweiter oder druckerzeugender Kühlmittelstrom wird durch das Kühlmittel gebildet, das durch die Ummantelung 15 der zentralen Brennstoffbaugruppe fließt. Dieser druckerzeugende Strom steigt in dem in Verbindung damit stehenden Druckerzeuger-Einlaßrohr 38 und wird durch die Düsen am Ende 38 c in den Druckerzeugertank 35 eingesprüht; Kühlwasser aus dem Druckerzeugertank wird zu dem Hauptstrom mit Hilfe der Tauchrohre 39 zurückgeführt. Der Verlauf der beiden Ströme ist durch Pfeile angezeigt.

Zum Betrieb des erfindungsgemäßen Reaktors,

bei dem die Schwierigkeiten des Pumpens von Gemischen in zwei Phasen vermieden und Leerräume im Kern auf ein Minimum beschränkt bleiben sollen, muß das Kühlwasser im Druckerzeuger-Einlaßrohr 38 heißer als das Kühlwasser an irgendeiner Stelle des Hauptkühlmittelstroms sein. Dies kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Gemäß F i g. 1 erfolgt es dadurch, daß eine Kühlmittelströmungsdrosselung an der Ausgangsseite der Baugruppen-Ummantelung 15 vorgesehen ist, die mit dem Rohr 38 verbunden ist. Die Drosselung wird durch die Bohrungsverringerung erzeugt, die der Einlaß 38 α bildet, und durch die Abmessungen der Düsen am Ende 38 c, wodurch der Druckerzeugerstrom veranlaßt wird, langsamer als der Hauptstrom durch den Reaktorkern zu fließen, und demzufolge auf eine höhere Temperatur als der Hauptstrom erhitzt zu werden. Wenn der Druckerzeugungsstrom einmal im Druckerzeugertank 35 ist, baut er einen Dampfdruck auf, der zu seiner Temperatur in Beziehung steht und somit über dem Kühlmittel-Sättigungsdampfdruck an jeder Stelle im Hauptstrom liegt. Ein Kühlwasservorrat sammelt sich am Grund des Druckerzeugertanks 35, und dieses Wasser wird durch die Tauchrohre 39 zum Hauptstrom zurückgeführt, welche dabei den Druck im Tank als Überdruck dem Hauptkühlmittelstrom übermitteln, wenn er aus dem Reaktorkern heraustritt.

Die rechte Seite von F i g. 2 zeigt in rein schematischer Form die allgemeine Anordnung des Reaktors von Fig. 1. Das System ergibt einen Überdruck, der zu der Temperatur des Druckerzeugungsstroms in Beziehung steht, was wiederum allein mit Hilfe der Ausnützung von nuklearen Heizwirkungen erreicht wird, die eng und rasch an sich ändernde Kernbedingungen angepaßt sind, so daß der Überdruck nicht von einem Druck abhängt, der von elektrischen Heizanlagen mit ihren langsamen Ansprechzeiten oder von Gasüberdruck mit der Gefahr, daß Gas von Kühlmittel mitgerissen wird, erzeugt wird, und auch kein kaltes Sprühmittel erfordert. Das Sprühen des Druckerzeugerdampfes durch die Düsen (von denen eine auf der rechten Seite von F i g. 2 gezeigt und mit 51 bezeichnet ist) ist insofern vorteilhaft, als dadurch der Druck in dem Druckerzeugungsraum am oberen Ende des Tanks 35 unmittelbar dem Druck des in den Druckerzeugertank eintretenden Wassers folgen kann. Druckerzeugerstrom und Hauptstrom können als parallel zum Kern und Wärmeaustauscher angesehen werden, wodurch der Druckabfall des Druckerzeugungsstroms niedrig gehalten wird. Damit der Druckerzeugungsdampf auf einer höheren Temperatur als der Hauptstrom gehalten wird, sind der Tank 35 und der Druckbehälter 17 außen mit Wärmeisolierungsmaterial versehen, das mit 52 bzw. 53 bezeichnet ist.

Der schematisch auf der linken Seite von F i g. 2 gezeigte Reaktor ist in den meisten Punkten gleich demjenigen von Fig. 1, mit dem Hauptunterschied, daß gemäß F i g. 2 der Druckerzeugertank 35' an seinem unteren Ende offen ist und die Tauchrohre 39 von F i g. 1 nicht vorgesehen sind. Diese Anlage arbeitet im wesentlichen wie an Hand von F i g. 1 beschrieben, liefert jedoch eine größere Ausströmfläche für den Druckerzeuger. Wenn sich Druckerzeugungsund Hauptstrom über dem oberen Kernende vereinigen, verursacht dies eine höhere durchschnittliche Einlaßtemperatur für die Wärmeaustauscher als in der Anlage gemäß F i g. 1, wo die beiden Ströme sich nach den Wärmeaustauschern vereinigen, aber es erfordert einen höheren Druckabfall, der durch zusätzliche Drosseln 54 geliefert wird. Die Wärmeaustauscher 28 sind schematisch in F i g. 2 gezeigt, und zwar mit oberen und unteren Sammelrohren, aber es ist offensichtlich, daß diese lediglich eine zweckmäßige Illustrierung der koaxialen Sammelrohrgruppen 29 von F i g. 1 darstellen.

ίο Die Erfindung ist vorstehend an Hand der einstückigen Kernreaktoren, die in der Zeichnung gezeigt sind, erläutert worden, d. h. an Hand von Reaktoren, bei denen sowohl Reaktorkern als auch Wärmeaustauscher in einem Druckbehälter eingeschlossen sind, und sie wird als vorteilhaft betrachtet dank der Verwendung von begrenzter Kernwärme zur Erzeugung eines Überdrucks, wobei die begrenzte Kernwärme durch die örtliche Kühlmittelaufteilung an einer bestimmten Stelle im Kern erhalten wird, um einen Hauptkühlmittelstrom und einen verhältnismäßig kleineren Kühlmittel-Druckerzeugungsstrom zu ergeben, und dadurch, daß der strömende Druckerzeugungsstrom ein hohes Maß an Steuerung erhält, und zwar durch die Strömungsführung und ' die Drosselungsanordnung.

Zweckmäßig wird der Druckerzeugungskühlmittelstrom durch eine Zone des Kerns geleitet, in der ein niedriger Neutronenfluß bzw. ein Neutronenflußgefälle herrscht. Dann kann der Druckerzeugungsstrom mit einer höheren Temperatur als der Hauptstrom betrieben werden, während die Gefahr eines Abbrennens der Brennstoffgruppe, die von dem Druckerzeugungsstrom gekühlt wird, verringert wird. Die vorstehend beschriebene Anordnung eignet sich für einen Reaktorkern mit einer zentralen Flußminderzone, aber es können auch bei anderen Reaktoren gemäß der Erfindung die Druckerzeugungsströme von den Umfangszonen des Kerns abgeleitet werden.

Außerdem ist es möglich, daß Reaktoren gemäß der Erfindung veränderliche Strömungsdrosseln im Druckerzeugungsstrom haben, durch welche dann der Grad des Überdrucks in dem Hauptstrom geregelt werden könnte. Derartige veränderliche Drosseln können die Form von Klappen in den Druckerzeuger-Einlaßrohren zusätzlich zu den Öffnungen oder in den Einlaß- und/oder Auslaßenden der Ummantelungen haben. Außerdem kann eine von dem Druckerzeugungsstrom gekühlte Brennstoffgruppe dahingehend abgeändert werden, daß sie Brennstoffnadeln von kleinerem Durchmesser oder geringerer Anreicherung als diejenigen, welche von dem Hauptstrom gekühlt werden, enthält. In diesem Fall würde der gesamte Wärmeausgang der abgeänderten Baugruppe auf dem Niveau der anderen Baugruppen dadurch gehalten, daß eine größere Anzahl von Brennstoffnadeln in der Baugruppe vorgesehen wird. Eine derart abgewandelte Brennstoffgruppe würde für jede Brennstoffnadel einen niedrigeren Wärmefluß und demzufolge einen größeren Betriebsspielraum gegen das Ausbrennen haben; dies würde die Baugruppe für den Betrieb in dem heißen Druckerzeugungs-Kühlmittelstrom geeignet machen. Alternativ können die Brennstoffnadeln der Baugruppe besondere Wärmeübertragungsflächen zur Verringerung der Abbrenngefahren haben.

Bei einer anderen möglichen Ausführungsform wird der Druckerzeugungskühlmittelstrom von einem:

Teil des aus dem Kern herauskommenden Kühlmittels abgeleitet, welches durch einen zweiten Durchgang durch einen getrennten Teil des Kerns geschickt wird, damit seine Temperatur höher wird.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im

beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

309507/103

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Mit flüssigem Kühlmittel gekühlter Atom¹ kernreaktor mit einem Reaktordruckbehälter, in welchem sich ein Reaktorkern und ein Druckerzeuger für die Unterdrucksetzung des Kühlmittels zur Vermeidung seines Siedens befinden, wobei in den Druckerzeuger hinein ein Druckerzeugungsstrom fließt, um einen Kühlmitteldruck entsprechend der Temperatur des Druckerzeugerstromes zu erzeugen, wobei dieser kühlmitteldruck den Betriebsdruck des Kühlmittels bei seinem Zwangsumlauf durch den Reaktorkern darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelstromführung (15) im Reaktorkern aus einem Hauptstrom und dem Druckerzeugungsstrom besteht, wobei Mittel vorgesehen sind, um den Druckerzeugungsstrom auf seinem Weg durch den Reaktorkern auf eine höhere Temperatur als den Kühlmittelhauptstrom im Reaktorkern zu bringen.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckerzeuger in Form eines Tanks ausgebildet ist, der einen Einlaß (38) aufweist, welcher mit der Führung (15) in Verbindung steht.

3. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tank am unteren Ende geschlossen ist und daß ein Tauchrohr (39) einen Strömungsweg für das Kühlmittel vom Inneren zum Äußeren des Tanks bildet.

4. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Tauchrohr außerhalb des Tanks über die Länge des Wärmetauschers (28) erstreckt.