DE1564628A1 - Kernreaktoranlage,bestehend aus einem vorzugsweise als schnellem Brueter arbeitenden Reaktor - Google Patents

Description

• Kernreaktoranlage, bestehend aus einem vorzugsweise als schnellem Brüter arbeitenden Reaktor Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kernreaktoranlage, die vorzugsweise aus einem als schnellem Brüter arbeitenden Reaktor mit Natrium als direktem Kühlmittel und mehreren hinter-. einander und/oder parallelgeschalteten Kühlmittelkreisläufen, sowie einem Turbogeneratorsatz besteht. Solche Kernreaktoranlagen arbeiten mit verhältnismäßig hohen Dampftemperaturen an den Turbinen, die in der gleichen Größenordnung liegen, wie jene konventioneller Kraftwerke. Für die Erzielung guter Turbinenwirkungsgrade ist dies ein dringendes Bedürfnis, fordert jedoch andererseits auch entsprecnend hohe Temperaturen im Primärkühlmittel des Kernreaktors. Insbesondere in schnellen Brutreaktoren

  r.err:c:@t dabei eine verhältni:-mäßig sehr h3he £nert;iedichte,

  so daß f?"; besonderer Kül:lmitt@,-@i bedarf, um die entstehepde

  ,`ärme @ibzufülirE.n. nls Kühlmittul kommt beispielsweise las

  @znter gehr hohem Lruck oder Flüssigmetall, wie z.8. Natrium

  inf

  n #tr#hior.

  . ar .mpfturbinc mit ac.#c.

  uun Betrieb der D= am @@n@,@..## hio#.,cne .,cnen

  iurur@ttor i.-". e#.: datei notwenäit-, über "wis;;henkül:lmittelkrei:;-

  läufe die ;,ärme an dU1s eiF@entliche iurbinenarbeitsmittel zu

  ühE,rtr::gt@n. Im'-.@lle einer F--ü-:-,igmetal ikühlunp; wird dabei

  die Härme zunächst auf einen Zwischenwirmeträger oder Äühl-

  mittelkreislauf übertragen, der ebenfalls ein Flüssigmetall

  enthält, das jedoch im Gegensatz zum Frimärkreislauf nicht mehr

  rc:cioaktiv ist. Die wärmeübertragenden Apparate, wie: z.ü.

  Zwischenwärmetauscher, Verdampfer und Lbernitzer, arbeiten

  daher ebenfalls auf einem verhältnismäßig hohen Temperatur-

  niveau, wobei sehr hohe Unterschiede in den Temperaturdifferenzen

  zwischen ein- und ausströmenden Kühlmittel an beiden Seiten

  der wärmetauschenden Apparate auftreten können. Diese Unter-

  schiede werden noch größer, wenn während des Betriebes schnelle

  Laständerungen, oder ein Heißstart nach einer #;chnellabschal-

  tang vier Primäranlage notwendig werden sollte. Die dabei auf-

  tretenden Beanspruchungen des Materials der wärmetauschenden

  ..pparate können nur schwer beherrscht werden.

  ::s ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Lrfindung, einen

  Weg zu zeigen, wie derartige Materialbeanspruchungen vermieden

  bzw. wesentlich verringert werden können.

  x:rfindunC;sgemäß wird der aus dem tteaktor kommende Wärmestrom

  im Primär- oder im Zwischenkühlmittelkreis in Anteile für die

  Verdampfung und t%berhitzung de; eigentlichen Arbeitsmediums

  aufgeteilt und :ind zur 1-"rzeui?ung niedrigerer Temperaturdiffe-

  renzen an einigen der verschieaenen wärmetauschenden Apparate

  =jn sich bekannter Bauart z@inrichtungen zur Vermischung des aus

  aiesen Apparaten austretenden abgekühlten Mediums mit dem ein-

  tretenden noch heißen Medium vorgesehen.

  --in:;ine@ und Ausgang, aer wärmetauschenden :':pparate @.ind dazu mit

  einer eine einsteilbare Drosselstelle enthaltenden Bypaßleitung

  überbrückt, wobei die an sich benöti:;te Umwälzpumpe in cler

  ngsl eit@in- vor der Abzweii_ung der Bypaßleitung von dem wärme-

  t_1uz:chender. i:pp-_r:it aus E,esehen, angeordnet ist.

  zur,@ii aie -uftei'_Ling der hühlmittclkreisläufe für die verschie-

  denen wärmetauschenden Apparate werden auf deren Primärseite

  die jeweils benötigten Eintrittstemperaturen hergestellt. Wo

  jedoch primärseitig mit niedrigeren Temperaturen ausgekommen

  werden kann, werden diese nach dem Vorschlag dieser Erfindung

  herabgesetzt, indem dem zufließenden heißen Medium ein Teil

  des den wärmetauschenden Apparat verlassenden, also abgekühlten

  Medium::, zugemischt wird. Dies bedeutet, daß eine wesentlich

  größere hühlmittelmenge, jedoch auf niedrigerem Temperatur-

  niveau den wärmetauschenden Apparat durchsetzt, dessen Über-

  tragungsleistung also praktisch gegenüber dem Stand der Technik

  nicht herabgesetzt wira. Dieses Prinzip lädt sich nun in sehr

  verschiedenartigen Schaltungen der Arbeitsmittelkreisläufe ver-

  wirklichen. i:inige davon sind in den Figuren 1 bis 4 zur Erläu-

  terung de:; grundlegenden Erfindungsgedankens näher beschrieben,

  wobei die für das Verständnis der vorliegenden zrfindung nicht

  notwenaigen, an sich bekannten Elemente derartiger Wärmekreis-

  läufe, wie z.B. Wiisserabscheider, der Übersichtlichkeit halber

  nicht näher dargestellt :-,ind.

  In aem Krei;@l<iufscriema gemäß Figur 1 i:-t der Kernreaktor, der

  z.B. ein :schneller Brutreaktor sein kann, mit 1 bezeichnet, er

  sei mit flüssigem Natrium gekühlt; dieses verläßt den Reaktor

  über die Leituni, 10, die sich dann in zwei Kreisläufe auf-

  spaltet. Der eine Kreislauf wira durch den Zwischenüberhitzer 21

  una die Leitungen 11 und 12,'der andere über den Zwischenüber-

  hitzer 22 und die Leitungen 14 und 15 gebildet. In die Lei-

  tungen 12 und 15 sind Umw'ilzpumpen 7 eingebaut, die das abge-

  kühlte Natrium zum neaktor 1 zurückführen. An beide Zwischen-

  wärmetauscher 21 und 22 ist je ein Zwischenkühlmittelkreislauf

  angeschlossen, der einmal den Verdampfer j und einmal den Über-

  hitzer 4 und den 7wischenüberhitzer 5 mit Anergie versorgt.

  Wärmeträger kommt in ai esem Fall wieder flüssiges Natrium

  infrage, das im Gegensatz zu den Primärkreisläufen nun nicht

  mehr radioaktiv ist. Für das Turbinenarbeitsmittel sind die

  Jekundärseiten des Verdampfers3 und der Uberhitzer 4 und 5,

  l@:tztere unter 2wi:-#chen.:chuitung der Turbinenstufen, in an

  ;:ich beK=-innter r@eis@: hintereinander geschaltet. Der Zwischen-

  kühlmittelkrei::lauf auf der Verdampfer;;eite besteht dabei aus

  d,n Zeitungen 213, 24 und 25, in die eine Umwälzpumpe 71 ein-

  ge:;chaltet ist. Die Leitung z5 stellt dabei einen Bypaß zum

  Eingang und Ausgang des Verdampfers j dar und ist mit einer

  einstellbaren Drosselstelle'zur Regelung der in die Leituni; 25

  einzuspeisenden, abgexühlten Wärmeträgers versehen. Auf diese

  Weise ist es möglich, trotz hoher iiustrittstemperaturen des

  Zwischenwärmeträgers aus dem Zwischenwärmetauscher 21 am Ver-

  dampl'ereingang wesentlich niedrigere zingangstemperaturen zu

  erhalten und somit auch auf Mngangs- und Ausgangsseite aes

  Verdampfers verhältnismäßig niedrige Temperaturdifferenzen

  zwischen Zwischenwärmeträger und Turbinenarbeitsmittel zu

  erhalten. Außerdem wira über die ganzen Wärmetauscherflächen

  hinweg praktisch der gleiche Temperaturunterschied, der bei-

  spielsweise in der Größenordnung von 40 bis 50o C liegen kann,

  aufrecht erhalten. Alm Zwischenwärmetauscher 21 herrschen da-

  j;egen wesentlich höhere `Temperaturen, auf der @ingangsseite

  praktisch diejenigen wie auf der deaktoraustrittsseite. Durch

  die Spezialschaltung im Zwischenkühlmittelkreislauf bleiben

  jedoch auch hier die Temperaturunterschiede gering und in der

  gleichen Größenordnung w-ie am Verdampfer 3.

  Das gleiche Ergebnis kann erzielt werden, wenn die BypaBleitung

  nicht in diesem Zwischenkühlmittelkreis, sondern im-Primär-

  kühlmittelkreis eingebaut wird, sie ist in der Figur 1 ge-

  strichelt eingezeichnet und trägt die Bezugsziffer 13. In die-

  sem Fall wird dann die Eingangstemperatur des Zwischenwärme-

  tauschers21 bereits herabgesetzt, so daß auch dessen Austritts-

  temperatur entsprechend derjenigen für den Verdampfer herab-

  gesetzt ist und die Bypaßleitung 25 in Wegfall kommen kann.

  In beiden Fällen ist die Umwälzpumpe 71 bis 7 für das Kühl-

  mittel so angeordnet, so daß sie den Kühlmittelstrom auch.

  durch die Bypaßleitungen 25.bzw. 13 hindurchdrückt. Nie be-

  reits erwähnt, wird dabei die Menge des durch die Bypaßleitungen

  fließenden abgexühlten Wärmeträgers durch die Drossel 26 bzw.

  26' eingestellt.

  Im anderen Zwischenkühlmittelkreislauf, der an den Zwischen-

  wärmetauscher 22 angeschlossen ist, sind Überhitzer und @wi-

  schenüberhitzer für das Turbinenarbeitsmittel in an sich be-

  kannter "reise in Purallelschaltung angeordnet. Lie dazu nötigen

  'derbindun-sleitun:,en sind mit 27, 28 und 29 bezeichnet, für

  die Umwälzung des z"wischenwUrmeträgerr3, in diesem Falle eben-

  falls Natrium, ist die Pumpe 72 vorgesehen. Der Arbeitsmittel-

  kreislauf wira durch die Leitungen ß gebildet, die in an sich

  bekannter Weise an den Turb-:eTeneratcrsixtz 6 unter Zwischen-

  schaltung von l'i3z,ei-ewasservorwärmer, Kondensatoren sowie Um-

  wälzpumpen 73 angeschlossen sind.

  Hine andere Schaltung entsprechend dem Prinzip der vorliegenden

  hrfindune, ist in Figur 2 dargestellt. Hier ist nur ein einziger

  Primärkühlmittelkreislauf vorgesehen, das Kühlmittel durchströmt

  die Leitungen 16 und die hintereinander gebchalteten Zwischen-

  wärmetauscher 22 und 21. Der Zwischenwärmetauscher 22 versorgt

  dabei mit Hilfe eines Zwischenwärmeträgers, z.B. Wieder Natrium,

  über die Verbindun-sleitungen 27 und 28 sowie die UmWälzpumpe 72

  die parallel,u:chalteten Überhitzer 4 und Z wischenüberhitzer 5.

  Uber einen davon getrennten Zwischenkühlmittelkreislauf, bei

  dem als Wärmeträger wieder Natrium verwendet wird, versorgt

  der Zwi,3chenwärmetausc:her 21 den Verdampfer > mit entsprechender

  Enerjie. vrie in der achaltung gemäß Figur 1 wird die @@intritt::-

  temperatur de:; N;vischenwärmeträgers in den Verdampfer > mit

  Hilfe der durch die Bypaßleitung 26 und die dort angeordnete

  einstellbare Lrosc e1 strömenden abf;ekühlten yhdrmeträger er-

  niedrigt.

  Da;; gleiche Ziel kann erreicht werden dadurch, daG die bypab-

  lei tung 2 @ durch eine Bypaßleitung 1'7 im Primärkreiolduf er-

  setzt wird, wobei bereits die Eing@in;,.;ternper#,jtur des

  im @wi:;::aen.vifrmetauscher 21 entsprechend herabge.3et::t

  so ciz;iz norm!sierweise eine gleiche ü:ußn«hme im

  Zwi@:chenkühlmittelkreis erübrigt. Der Kreislauf des eigent-

  lichen Turbinenarbeitsmittels ist der E;lc@icne wie in dem bei;:piel

  nach Fit-Ur 1.

  in der Anlagenschaltung gemäß Fig. j ist für die Ubertragung

  der primären ;rärmeeni-gie sui aen ZcviL,:henwärmetrc;iger nur ein

  einziger 2 wischenwärmetauscher vorgesehen. Die für die Uber-

  tragung der i@ärmeenerf,ie auf das Turbinenarbeitsmittel not-

  wendigen wärmetauschenden Apparate des Dampferzeugers , Über-

  hitzers 4 und Zwischenüberhiters 5, sind in diesem Zwischenkühl-

  mittelkreis, der als Wärmeträger ebenfalls Natrium verwenden

  .mag, in Parallelschaltung angeordnet. Die für die Erzielung

  gleichmäßiger und verhältnismäßig geringer Temperaturunter-

  schiede an den wärmetauschenden Flächen des Dampferzeugers 5

  not:=rendige verring erte Eintrittstemperatur wird wieder durch

  die Bypußleitung 25 erzielt, durch welche das über die Leitung 24-und die Umwälzpumpe 71 zuströmende abgekühlte Natrium, dosiert durch die einstellbare Drossel 26, der lei tung 23 und damit äem Untritt des Dampferzeugers j zugeführt wird.
• Auch in der Schaltung der Kernreaktoranlage gemäß Figur 4 ist nur ein einziger Zwirchenwärmetauscher :'_ vorgesehen. In dem einzigen ZwiJLhenkühlmittelkreis findet die Aufteilung der Wärmeenergie auf die verschiedenen wärmeübertragenden Apparate f'ür das ; urbinenirbeitsmittel durch die Hintereinanderschaltung von Dampferzeuger ; und den parallelgeschalteten Uberhitzern 4 ums 5 statt. Wie in den vorhergehenden Beispielen ist parallel zur Primarseite der Verdampfers > die Bypaßleitung 25 mit der iros: elstelle 0 vorgesehen. Zur weiteren ateuerung der Aufteilung der Wärmeenerlie zwi: chen den tberhitzerh und dem Verdampfer 5 ist auf der eingangsseite des Überhitzers 4 eine Überbrückungsleitung mit der einstellbaren Drossel 26' vorge2ehen. Über diese wirn ein Teil des aus dem'Zwischenwärmetauscher 2 kommenden heißen Wärmeträgers an den Uberhitzern vorbeigeführt und gemischt mit dem aus diesen Überhitzern kommenden abgekühlten Wärmeträger dem Verdampfer 3 zugeführt. Durch diese in den vier verschiedenen Beispielen dargestellte Art der Beaufschlagung der wärmetauschenden Flächen wirken sich Laständerungen in weitaus geringerem Maße schädlich auf die Eeanspruchung derselben aus. In ähnlicher Weise wird dadurch auch ein Heißstart der Anlage nach einer Reaktorschnellabschaltun.; möglich, da größere: schlagartige Temperaturänderungen und damit evtl. unzulässige thermische Beanspruchungen der wärme-.
• tauschenden Flächen mit Sicherheit vermieden@werden. Prinzipiell sind derartige Maßnahmen selbstverständlich auch bei anderen Reaktorkühlmitteln möglich, aucri sind noch andere Anlagenschaltun gen denkbar, bei denen diese @rfindung.mit Vorteil angewendet werden kann. Die Anwendung dieses Prinzips ist auch nicht beschränkt auf reine Kernreaktoranlagen oder Anlagen mit Zwisehenkühlkreisläufen, sie kann vielmehr überall dort mit Vorteil angewendet werden, wo es sich darum handelt, mögliche Temperaturspannungen in wärmeübertragenden Apparaten bei gleicher Wärmeübertragungsleistung herabzusetzen.

Claims (1)

1. Patentansprüche 1. Kernreäktoranlage, bestehend aus einem vorzugsweise als schnellem Brüter arbeitenden Reaktor (1) mit einem direktem üühlinittelkreis und mehreren weiteren hintereinander- und/oder parallelgeschalteten Kühlmittelkreisläufen, sowie einem Tur- bogenerntorjatz (b), dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem heaktor kommende Viärmestrom im Primär- oder im Zwischenkühl- mittelkreis in Anteile für die Verdampfung und Überhitzung des eigentlichen Arbeitsmediums aufgeteilt iat und daß zur L'r- zeudung niedriger Temperaturdifferenzen an einigen der ver- schiedenen wärmetauschenden Apparate an sich bekannter Bauart 21, 2, 3, 4, 5) `inrichtungen zur Vermischung des aus d-#tctn ::pp;iraten austretenden, abgekühlten Mediums mit dem eintretenden noch heißen Medium vorgesehen sind. 2. kernreaktoranlage nach ::nspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß :int7 :ing und -lu sgang der wärmetauschenden Apparate mit einer eine einstellbare Drosselstelle (26, 26') enthaltenden Bypaßleitung (25, 15, 17) überbrückt sind, wobei die an sich benötigte Umwälzpumpe (7, 71) in der Äusgangsleitung vor der Abzweigung der Bypaßleitung, von-dem wärmet--!uschenden Apparat au.-- gesehen, angeordnet ist. ;. Fiernreaktoranlaöe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärkühlmittel außerhalb des Reaktorkernes auf zwei. getrennten .'t:e?eri ;14, 11) -*e einen Zwischenwärmetauscher (21, 22) durch,:trömt, von denen der eine mit Hilfe eines sekundären 'färmeträgers - bei einer Flüssigmetallkühlung des Reaktors, z.B. ebenfalls ein Flüssigmetall - den Verdampfer (5) und der andere auf gleiche Weise den Überhitzer (4) und Zwischen- überhitZer (5) für das Turbinenarbeitsmittel speist. 4. Kernreaktoran2.aC-e nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,- daß dis Primärkühlmittel n@icheinander zwei Wärmetauscher (21, 22) durchströmt, die je an einen getrennten sekundÜren Närmeträger- krc:islauf angeschlossen sind, von denen der eint den ierd@impfer ( _@) und der andere in Parallelschaltung den Cberhitzer (4) und Zwischenüberhitzer (5) für das Turbinenarbeitsmittel ent- hält. 5. hernreaktoranläge nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärkühlmittel nur einen Zwischenwärmetauscher (2) durchströmt, der an einen sekundären riärmeträgerkreislauf an- geschlossen ist, welcher Verdampfer (-:), Überhitzer (4) und Zwischenüberhitzer (5) in Parallelschaltung enthält. 6. Kernreaktoranlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärkühlmittel nur einen Zwischenwärmetauscher (#J durchströmt, der an einen sekundären Wärmeträgerkreislauf angeschlossen ist, welcher Überhitzer (4) und Zwischenüber- hitzer (5) in Parallelschaltung und in Reihe dazu den Ver- dampfer (J) für das Turbinenarbeitsmittel enthält.