DE1639239A1

DE1639239A1 - Kernkraftwerk

Info

Publication number: DE1639239A1
Application number: DE19681639239
Authority: DE
Inventors: Boardman Charles Edward; Shoopak Bernard Frederick; Schneider Henry John; Bertram Wolfe
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1967-01-11
Filing date: 1968-01-05
Publication date: 1971-01-14
Also published as: CH471436A; US3400048A; FR1556417A; ES350704A1; GB1210687A; ES349106A1; NL6800401A; SE330213B; BE709145A

Description

Anmelder: General Electric Company,

Schenectady, New York, U₀S.A.

Kernkraftwerk

Die Erfindung betrifft die Umwandlung von Masse in thermische Energie in einem dampfgekühlten Kernspaltungsreaktor, der als eine Wärmequelle in einem Kernkraftwerk verwendet wird, insbesondere ein Kernkraftwerk mit einem Dampferzeugungs- und Reinigungssystem.

Die Freisetzung hoher Energiebeträge durch Kernspaltungsreaktionen ist bekannt. Allgemein absorbiert ein spaltbares Atom wie U-233, U-235, Pu-239 oder Pu-24-1 ein Neutron in seinem Kern und der Kern erfährt häufig eine Spaltung. Dadurch werden im Mittel zwei Spaltfragmente geringeren Atomgewichts und großer kinetischer Energie und gewöhnlich zwei oder drei Neutronen ebenfalls mit hoher Energie erzeugt. Beispielsweise werden bei der Spaltung von U-235 ein leichtes Spaltfragment und ein schweres Spaltfragmenb mit Masaenzahlen zwischen 80 und 110 beziehungsweise zwischen 125 und 155 und im Mittel 2,5 Neutronen erzeugt. Die Energiefreiaetiäung liegt im Bereich von 200 MeV pro Spaltung.

Die kinetische Energie der Spaltfragmente ist schnell im Brennstoff und anderem umgebenden Material in Wärme umgewandelt» Mann v/ährnnd dienes Spaltprozesses im Mittel, ein Netbo-Neutron xlbvifUlii'iAilf d'-iii eine nach folgend ο Spaltung einleitet, wLrd die Ii pul. i,!uigfjr»ak tion ho ihn ttu'hul tend und die Würniüorzeugung erfoLtfb

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kontinuierlich. Die Wärme wird durch einen Kühlmitte!umlauf abgeführt. Die Reaktion kann so lange fortgesetzt werden, wie . ausreichendes spaltbares Material im System übrigbleibt um die = ■Effekte der Spaltprqdukte, die während des Betriebs erzeugt werden, zu überdecken,,

Nutzbare mechanische oder elektrische Energie kann durch Umwandlung der in solchen Kernspaltungsreaktionen freigesetzten Wärmeenergie erzeugt werden. Diese Energieerzeugung schließt ein Reaktorcore ein, das einen Kernbrennstoff, ein Kühlmittel , das man im Wärmetausch durch die Vorrichtung strömen läßt, und eine Regelung für den Kühlmittelstrom und die Betriebsbedingungen der Vorrichtungen enthält, um entweder direkt oder indirekt ein aufgeheiztes Kühlmittel zu erzeugen. Diesee Kühlmittel wird einer geeigneten Kraftmaschine zugeführt, das heißt, einer Einrichtung, die 'die Wärmeenergie entweder in mechanische oder elektrische Energie oder beide Energiearten umwandelt, um mechanische oder elektrische Energie zu erzeugen. Angemessen hohe thermodynamische Wirkungsgrade bei der Energieumwandlung werden dadurch gefordert, daß die Abgabe des aufgeheizten Kühlmittels von der Kettenreaktions» Vorrichtung zum Einlaß der Kraftmaschine bei einer Temperatur erfolgt, die so hoch wie möglich liegt. Bei der üblichen industriellen Anwendung, bei der beispielsweise eine Wärmeumwandler-Temperaturdifferenz von 58⁰C (100⁰F) Verwendung findet, liegen die niedrigsten, noch geeigneten Kühlmittuleinlaßtemperateuren am Kraftmaschineneinlaß in den meisten Fällen im Bereich zwischen 9O⁰O (200⁰F) und 15O⁰G (300⁰F), aber die Wirkungsgrade der Umwandlung sind ziemlich gering. Mit Kühlmittel temperature!! in der Größenordnung von Ü2O°G (1500⁰D¹) erhäLt man hohe) thermodynamisch© Wirkungsgrade, Die Anwendung noch höhe rot¹ Einlaß tempera türen, um weitere Steigerungen dea Wirlamgiigrades zu erreichen, ist primär

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durch, die angestiegenen Wärmeverluste des Systems und die mechanischen oder chemischen Eigenschaften der im System verwendeten Strukturmaterxalxen begrenzte

Das so erzeugte Hoclitemperatur-Kühlmittel kann in einer oder in mehreren der verschiedenen Arten von Kraftmaschinen eingesetzt werden. Sie schließen dampf- und gasgetriebene, hin- und hergehende oder rotierende Maschinen, wie Gas- oder Dampfkraftmaschinen, Gas- oder Dampfturbinen und dergleichen mit oder ohne eine mechanisch angetriebene, elektrische Energieerzeugungsanlage ein, die als Last mit der Kraftmaschine verbunden ist, um die mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Dampf war d;.,s hauptsächliche Arbeitsfluid in solchen Kraftmaschinen, und da die thermodynamischen Wirkungsgrade mit einem Anstieg der Einlaßtemperatur des Arbeitsfluids ansteigen, wurde lange Dampfüberhitzung in Kraftwerksystemen angewendet, die ihre Wärme aus der Verbrennung von Fossil-Feuerungsmaterial ableiten. Ferner bewirkt eine Überhitzung neben einem höheren Wirkungsgrad eine Herabsetzung der Kondensation innerhalb der Kraftmaschine und folglich eine Verminderung der Abnutzungsprobleme_o Der Aufbau der Kraftmaschine wird ebenso beachtlich vereinfacht und ferner ist ein kleinerer Wärmeumwandler (Turbinen-Kondensator) erforderlich.

Bei der Anwendung von mehreren, verschiedenartigen Kernreaktoren für die Erzeugung nutzbarer Energie sind ebenso wünschenswerte Auswirkungen bei einem Überhitzen des Arbeitsfluids vorhanden. Bei einem Druckwasserreaktor wird das dem Reaktor entnommene Heißwasser-Kühlmittel gewöhnlich durch einen Wärmerteuscher geführt, um das Wasser, das zum Reaktor zurückgeführt wird, zu kühlen und Dampf zu erzeugen, der der Kraftmaschine zugeführt wird. Bei einem organisch moderierten und gekühlten Reaktor wird

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das dam Reaktor entnommene heiße organische Kühlmittel gewöhnlich durch einen Wärmetauscher geführt, um die organische Flüssigkeit, die zum Reaktor zurückgeführt wird, zu kühlen und Dampf zu erzeugen, der der Antriebsmaschine zugeführt wird₀ Bei einem Siedewasser-Reaktor wird Dampf im Reaktor erzeugt und kann direkt dar Kraftmaschine zugeführt werden. Bei einem mit flüssigen Metall gekühlten Reaktor wird das heiße Primärkühlmittel durch einen Wärmetauscher geführt, um das Primärkühlmittel zu kühlen und ein heißes Sekundärnetallkühlmittel zu erzeugen, das heiße Sekundär-Flüssigtt.etall-Kühlmittel wird gewöhnlich durch einen fe zweiten Wärmetauscher geführt, um Wasser für die Bildung von Dampf zu verdampfen, der der Kraftmaschine zugeführt werden kann* Es ist ersichtlich, daß in jedem dieser repräsentativen Fälle Dampf das Arbeitsfluid ist, das der Kraftmaschine zugeführt wird. In jedem dieser Fälle bewirkt die Überhitzung dieses Dampfes gesteigerte Wirkungsgrade bei der mechanischen oder elektrischen Energieerzeugung.

Die Überhitzung von Dampf in einem Kernreaktor bringt Probleme mit sich, die sich von denen unterscheiden, die mit der Überhitzung von Dampf durch Verbrennung von Fossil-Feuerungsmaterial zusammenhängen. Das hauptsächliche Problem bringt die mögliche Wanderung von radioaktiven Materialien mit sich, die entweder aus einem Leok in einem defekten Brennstoff austreten, oder durch Erosion oder Korrosion von Strukturflächen im Reaktorcore in Berührung mit dem Damp.fkühlmittel freigesetzt werden. Solche Materialien werden in die Dampfturbine (oder einen anderen Wärmeumwandler) und deren ziigehoriges Leitungssystem getragen und dort abgelagert. Ein solches Vorkomnis erfordert zusätzliche Abschirmungen und eine ausgesprochen schwierige und kostspielige Anlagen-Dekontaminntion. Ein Weg, dieses Problem zu vermeiden, besteht

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darin, auf ein indirektes Umlaufsystem auszuweichen, in dem ein Fluid als Reaktorkühlmittel in Verbindung mit einem zweiten Kühlmittel verwendet wird, das das Turbinen-Arbeitsfluid ist, wobei die beiden Fluids in einen indirekten Wärmetausch miteinander gebracht werden.

Sin anderes Problem bringt die Verwendung von solchen kontaminierten, überhitzten Dampf für die Verdampfung von Kondensat-Speisewasser, um Sattdampf zu erzeugen, der als Kühlmittel in den Eeaktor eingeführt wird, mit sich. Der zweckmäßige Direktkontakt-Verdampfer wie der bekannte Loeffler-Kessel ist nicht von sich aus in der Lage, genügend dekontaminiertes Sattdampfkühlmittel zu erzeugen»

Ein Ziel der Erfindung ist ein Kraftwerksystem, das einen dampfgekühlten Kernreaktor als Wärmequelle verwendet, und in dem eine radioaktive Kontaminierung des Wärmeumwandlers und dessen zugehörigen Leitungs. ystems und anderer Einrichtungen vermieden wird, indem ein verbessertes Verfahren und eine besondere Vorrichtung für die Erzeugung von gereinigtem Sattdampf ohne die liacfeteile bei der Verwendung von zwei Kühlmittelfluiden in einem indirekten Kreislauf verwendet wird.

Die Erfindung v/ird im folgenden anhand der Zeichnung im einz-elnen erläutert. Es zeigen:

Fig,1 ein ochaltschemu des Kraftwerksystems gemäß der Erfindung,

Fi;.,.2 ein Schaltschema einer modifizierten Form des Dampferzeiu^imgo- und Dekont'iminati-Lonaaystems der Erfindung, und PU,.3 und 4 'juürnc.rub taansiohten der Einrichtung Tür die

jjr'i'.f.-M^uii,; und iJutcunUamLn h.rung von Dampf gcüiiäü der Erfindung,

Ji- in ii'iii.i geze.· i,',b, u Lrid die wooemüL Lohtm TeLIe des h.ru£b-Wtu. :; /j L ;i!ti', cl-ui din v.c t i nduu^ anv/endet, d tu¹ Ikiakborkofiiitil H),

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BAD OBiGlNAU

der Wärmetauscher 12, der Heißdampfkühler 14, der Dampftrockner 16, der Dampfrückförderer 18, die V/asserreinigungseinrichtung 20, die Rückförder «pumpe 24, das Dampffilter 26, die Turbine 28, der Generator 30, der Kondensator 32, die Kondensat-Speisewasserpumpe 34 und die zugeordneten Ventile und Rohrleitungen„

Der Heaktorkessel 10 enthält ein dampfgekühltes Kernspaltungscore 36, das ein Core eines schnellen Reaktors sein kann«, Sattdampf wird über die Leitung 38 eingeführt, und nachdem er im Wärmetausch mit den Brennelementen durch das Reaktorcore 36 geströmt' ist, wird er in einem stark überhitzten Zustand durch

P die Leitung 40 entnommen. Typische Dampftemperaturen für ein System, das mit 105,5 at (1500 psi) Druck arbeite^ sind näherungsweise 320⁰C (600⁰F) an der "Einlaßleitung 38 und 510⁰C (95O⁰F) an der Auslaßleitung 40. Dieser Dampf kann möglicherweise mit radioaktiven Materialien kontaminiert sein, wie oben erläutert.

Der überhitzte Dampf von der Leitung 40 wird über die Leitung 42 durch die Mantelseite des Wärme tauschers 12, wo der Dampf ein wenig abgekühlt wird, und weiter durch die Leitung 44 in den

fc Heißdampfkühler 14 geführt. Der Heißdampfkühler hat zwei Wassereinlässe 46 und 48, durch die Kondensat-Speisewasser und zurückgeführtes, gereinigtes Wasser in direkte Berührung mit dem überhitzten Dampf gebracht wird. Diese Berührung kühlt den Heißdampf

vollständig ab, verdampft eine Was3ermenge im Bereich von 25-35 " Gewichtsprozenten der eingeführten Heißdampfmenge und erzeugt nassen Sattdampf, derailt^erisaeneö Wasser enthält.

Dieser riuüiiu out tdaiiipf wird dom HuißdampfkiLhlor 14 über die Loiiuny ^ri0 cutnnnuiif.ti und Ln den D-impf trockner 1 fi geführt, iii r wird dan mit_f)-t:r Liwit-ne ',luiiunv abguisohiwlen und (hu¹ Ό impf ^u troukn-j b, Ihm ab^cii.iaLüiLütit. l.^r ij.iijr¹ wird geuuinniüLt urui übt. r dio i,t,-i uun^ ^v·«.'

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BAD ORkGINAL

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in die 7/asserreinigungseinrieb.tung 20 geführt, wo unerwünschte Kontaminiirungsanteile einschließlich radioaktiver Materialien durch Filtern, Ionenaustausch, oder eine andere Reinigungsbehandlung, die für den besonderen, vorhandenen Koηtaminierungsanteil geeignet ist, entfernt. Das so gereinigte Wasser wird
mittels der Pumpe 24 über die Leitung 54 und das Ventil 56 zum Heißdampfkühler 14 für eine Wiederverdampfung zurückgeführt.
In Abhängigkeit vom Grad der vorhandenen Kontaminierung kann das abgeschiedene Wasser vom Abscheide-Trockner 16 direkt ohne
Reinigung mittels der Pumpe 22 über die Leitung 58 und das Ventil

60 zurückgeführt werden.

Der Battdampf wird vom Abscheide-Trockner über die Leitung 62 abgezogen und in zwei Teile geteilt. Der Hauptanteil, näherungsweise 75$ des Gesamten, wird mittels des Dampf-Eückförderers durch die Leitung 38 und das Ventil 64 als eintretendes Sattdampf kühlmittel zum Reaktorkessel 10 zurückgeführt. Der übrige kleinere anteil, näherungsweise 257», wird durch die Leitung 82 und das Ventil 86 durch den Rohrteil des Wärmetauschers 12 im
Gegenstrom-Wärmetausch mit dem überhitzten Dampf geführt, der
vom Reaktor kommend durch den Hantelteil strömt. Hier wird der kleinere Lampfanteil im wesentlichen überhitzt und erreicht ziemlich _öen;..u eine Temperatur gleich der Reaktorkühlmittel-Auslaßtemperatur. Das- erfolgt zum großen Teil aufgrund der Tatsache, daß das Strömung«verhältnis des vom Reaktor ausströmenden Dampfes im Hantelteil zum kleineren Dampfanteil im Rohrteil nähorungsweise vier ist.

Der im Rohrteil des Wärmetauscners 12 überhitzte Dampf strömt i-.urch die Leitungen 72 und 74 einschließlich eines abschaltbaren DampfZylinders 26 in die Turbine 28, die den Generator 30, der Ausgangsklemmen Tb hat, antreibt. Der Abdampf kondensiert im

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Kondensator 32,und das Kondensat wird mittels einer Kondensat-Speisewasserpumpe 34 durch die Leitungen 78, 46, das Ventil 47 und eine wahlweise einschalfbare Kondensat-Reinigungseinrichtung 33 in den Heißdampfkühler 14 gefördert»

In dem oben erläuterten System sind beide Umgehungsleitungen 80 und 66, die jeweils Ventile 84 und 86 haben, geschlossen. Der gesamte Anteil an überhitztem Dampf, der die Turbine 28 treibt, kann im Heißdampfkühler 14 erzeugt und in Wärmetauscher 12 überhitzt werden; es ist kein direkter Strom vom Reaktorkessel zur Turbine erforderlich. Irgendwelche radioaktiven, im Reaktor-

core freigesetzten Kontaminationsanteile werden durch den Wärmetauscher 12 in den Heißdampfkühler 14 getragen, in dem sie, da

der Dampf durch Direktkontakt mit einem gesteuerten Überschuß von zurückgeführtem Speisewasser und Kondensat gekühlt wird, im wesentlichen vollständig in der Wasserphase gehalten werden. Es wurde festgestellt, daß die Radioaktivität des erzeugten Sattdampfes nach der Abscheidung des mitgerissenen kontaminierten Wassers einen Pegel hat, der ein Bruchteil in der Größenordnung von 1·10 bis 1·10 des Pegels ist, der in dem aus dem Reaktor ausströmenden Dampf existieren kann. Auf diese Weise ist der überhitzte Dampf, der die Turbine 28 treibt, frei von radioaktiven Kontaminationsanteilen, und hat doch eine Temperatur, die der Temperatur des aus dem Reaktor ausströmenden Dampfes sehr nahe kommt. Die Sammlung und Entfernung dieser Kontaminationsanteile wird durch eine sorgfältige Kontrolle der Arbeitsbedingungen, die im Heißdampfkühler H und im Abscheidetrockner 16 bestehen, in Verbindung mit einer Wasserreinijung in der Einrichtung 20 ausgeführt,,

Wie in Fig.i gezeigt, arbeiten der Heißdampfkühler 14, der

Abscheidetrockner 16, die Wasserreinigungtu'iiirichtung 20 und das

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zugeordnete Bückfördersystem beim Betrieb zusammen, um eine Erzeugung mit hohem Wirkungsgrad von dekontaminiertem, trockenem Sattdampf aus kontaminiertem, überhitzten Dampf, der durch die Leitung 44 zugeführt wird, und wenigstens teilweise gereinigtem Eüekfcirderwasser, das durch die !leitungen 46 und 48 zugeführt wird, zu ermöglichen. Die wesentlichen Schritte in Zusammenhang damit sind, (i_e) die Einführung von Wasser in disperser Form (wie einen Sprühnebel) in den Heißdampfkühler 14 und mit einer Rate mit einem gesteuerten Überschuß der Menge, die erforderlich ist, den gleichzeitig eingeführten, kontaminierten, überhitzten Dampf vollständig abzukühlen und so nassen Sattdampf zu erzeugen, (2„) die Abscheidung von mitgerissenem Wasser aus dem nassen Satt— dampf im Abscheidetrockner 16, um dekontaminierten trockenen Sattdampf und kontaminiertes Wasser zu erzeugen, und (3.) die Behandlung des kontaminierten Wassers, um Kontaminationsanteile zu entfernen, bevor dieses Wasser zusammen mit zurückgefördertem Kondensat-Speisewasser in den Heißdampfkühler 14 zurückgefördert wird.

Es wurde gefunden, daß durch Zerstäuben des Wassers, das in den Heißdampfkühler 14 eingeführt wird, und durch Steuern der relativen Dampf- und Wasserstromraten eine bedeutende Steigerung im Grad der Dampfdekontaminierung erreicht wird (oberhalb dessen, was durch Verteilen des Dampfes in einem Körper eureichfc x^ird)· Kontaminierter, überhitzter Dampf strömt hinter den Streudüsen (oder anderen Zerstäubereinrichtungen), die an die Enden der Wassereinlaßleitungen 46 und 48 angeschlossen sind, mit hoher lceit durch den Heißdampfkühler 14· Es besteht eine !strömung und die Wassertröpfaheri und der überhitzte wurden in enge „SeFührung gebracht, wodurch ein, sthr }-..=<;?] itftLo 'f-jo. v/'i;.;uer l^^öpfoheaoberfläohs ku '/

Ώαο f''dij?'ü z\x einet' ''ilVwmiv'^-·-^·:tr-·-■ uu;·: rm-. 0 098Ö3/Ü7U

Wirkungsgrad, um den überhitzten Dampf abzukühlen und einen wesentlichen Teil aber nicht alle der Wassertröpfchen zu verdampfen Es schafft ebenso in dem resultierenden nassen Sattdarapf mitgerissene Wassertröpfchen nit großer G-esamtberührungsf lache , die als Kerne für eine Ansammlung von fein verteilten Kontaminationsanteilen dienen und einen Wascheffekt auf den Dampf ausüben,. Dies© Gemisch wird durch die leitung 50 entnommen und in den Abscheidetrockner 16 geführt, wo das überschüssige, mitgerissene Wasser, das Kontaminationsanteile enthält, für eine Reinigung in der Reinigungseinrichtung 20 und für eine Rückforderung abgeschieden wird.

Die in der Reinigungseinrichtung 20 durchgeführte Wasserbehandlung kann· entweder aus einer Wasserfiltration oder einem Ionenaustausch oder beiden oder anderen Verfahren zur Entfernung der vorhandenen Kontaminationsanteile feestehen. Ls wurde gefunden, daß Betten von staubförmigen, gemischten Anionenaustausch-Harzen eine Entfernung sowohl von fein verteilten, partikelförmigen wie auch gelösten, ionenförmigen Kontaminationsanteilen mit hohem Wirkungsgrad bewirken. Das gereinigte Wasser wird zurück in den Heißdampfkühler 14 durch die Leitungen 44 und 48 in einer durch ein Yentil 56 gesteuerten Rate zurückgepumpt.

Das Ausmaß der erreichten Dekon amination ist eine komplexe Punktion von (1.) der zum Heißdampfkühler 14 zurückgeforderten Wassermenge, die über die Menge hinausgeht, die für die Kühlung des einströmenden, überhitzten Dampfes erforderlich ist, (2„) der Mongo des mitgerissenen Wassers, das im öattdampf verbleibt, der deii : bHoii^irlei.iockner 16 entnommen wir$, und (3.) der Fluß- -vafcü YO:.. aeieon .t aminiert em Wasser, dau /on dor Reinigungbeinrich-'-•la=,: 2ü t;'im Hüi LJu-η j/f kühl er H Kiuuafc£:;.ftisd4jr t wi :1, -^ ^- i&.-fc£

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die relativen Ströme von überhitztem Dampf und rückgefördertem Kondensat-Speisewasser in den Heißdampfkühler 14 einigen Schwankungen unterworfen sind, schafft dieses Verfahren für die Dekontaminierung von überhitztem Dampf und die Erzeugung von Sattdampf eine große Flexibilität, um großen Schwankungen im Reaktorsystem gerecht zu werden·

In einer Modifikation der Erfindung kann das in Fig.1 dargestellte Kraftwerksystem mit geschlossenem Ventil 86 uiid offenem Ventil 68 in der Umgehungsleitung 68 betrieben werden, wobei das Ventil 84 in der Umgehungsleitung 80 ebenso geschlossen bleibt. Das führt zu einem merklichen Druckanstieg des überhitzten Dampfes, der vom Wärmetauscher 12 durch die Leitungen und 74 in die Turbine 28 geführt wird, aber steigert natürlich auda. cten. Leistungsbedarf für den Antrieb des Dampfrückförderers 18 um näherungsweise 25-35$. Das hängt mit der Tatsache zusammen, «Idaß der Leistungsbedarf für den Rückförderer 18 auf den Dampfstrom, der als Kühlmittel des Reaktorcores 36 durch die Leitung 38 und das Ventil 64 geführt wird, wie auch auf den Sattdampf, der in den Wärmetauscher 12 eingeführt wird, bezogen ist. Der Druck des der Turbine 28 zugeführten überhitzten Dampfes ist im wesentlichen gleich dem des Sattdampfes am Eingang zum Reaktorcore 36 abzüglich Dampfleitungs-Druckgefallen. Bei dieser modifizierten Betriebsweise, wie bei der oben erläuterten Betriebsweise werden jegliche vom Reaktorcore 36 herübergebrachte, radioaktive Kontaminationsanteile im wesentlichen vollständig in der mitgerissenen Wasserphase gesammelt, die im Heißdampfkühler 14 gebildet und aufrechterhalten wird, und im Abscheidetrockner zurückgehalten, und werden so daran gehindert, die Turbine 28 zu erreichen.

Bei einer weiteren Modifikation der Erfindung, einer ModIfi-

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kation, die insbesondere während des Betriebs mit neuem, in das Reaktorcore 36 geladenem Brennstoff, oder wenn im wesentlichen alles von irgendwelchem defekten Brennstoff, der sich vorher im Oore befand, entfernt und durch fehlerfreien, wiederbeladenen Brennstoff ersetzt ist, anwendbar ist, kann das System in Pig.1 mit dem Ventil 68 in der Umgehungsleitung 66 und dem Ventil 86 in der leitung 82 beide geschlossen und dem Ventil 84 in der Umgehungsleitung 80 geöffnet betrieben werden. Bei einer solchen Betriebsweise wird kein überhitzter Dampf im Wärmetauscher 12 erzeugt und der überhitzte Dampf wird direkt vom Reaktorkessel durch die Leitungen 40, 80 und 74 zur Turbine 28 geführt. Eine solche Betriebsweise ist ziemlich gleich dem bekannten Loeffler-Kessel, außer das die Betriebsweise des Heißdampfkühlers 14 und des Abscheidetrocknen 16 eine in hohem Maße vorteilhafte Reinigung und Dekontamination des Sattdampfkühlmittels, das in das Reaktorcore 36 eingeführt wird, gewährleisten. Das System gemäß der Erfindung kann in dieser Art und Weise so lange, wie der Brennstoff im Reaktorcore 36 frei von Defekten ist, die umfassend genug sind, eine nicht mehr annehmbare Kontaminierung des Dampfes zu verursachen, mit den zugehörigen Vorteilen maximaler Dampftemperatur am Eingang der Turbine 28 und maximaler thermodynamisoher Wirkungsgrade betrieben werden. Sobald ein nicht mehr annehmbarer Pegel radioaktiver Kontaminierung in der Dampfauslaßleitung 40 gemessen wird, kann das Ventil 84 in der Umgehungsleitung 80 teilweise oder vollständig geschlossen werden (in Abhängigkeit vom Grad der Kontaminierung), und das Ventil 86 in der Leitung 82 kann teilweise oder vollständig geöffnet werden, um nicht kontaminierten, überhitzten Dampf im Wärmetauscher 12 zu erzeugen und den Grad der Kotaminierung in der Dampfmischung, die zur Turbine geführt wird, zu reduzieren. Bei einer dritten Modifikation der ErJ^ad^iga i:arui«das gerade erläuterte Verfahren

so geändert werden, daß das Ventil 68 in der Umgehungsleitung 66 eher als das Ventil 86 in der Leitung 82 geöffnet wird. Dadurch " werden der Druck am Turbineneingang und der Leistungsbedarf
für die förderung, wie in der Beschreibung der ersten Modifikation erläutert, erhöht.

Im folgenden wird ein spezielles Beispiel der Betriebsweise des Systems gemäß der Erfindung, wie es in Verbindung mit der
Fig.1 erläutert wurde, angegeben.

Beispiel 1 Reaktorcore 36

Leistung

Kühlmittelstrom(x10"~ ) Eintrittstemperatur Austrittstemperatur jiinströmungsdruck Ausströmungsdruck

Wärmetauscher 12

Wärmeleistung(x10"~ ) Rohrteil

Dampfstrom(x10"" ) Austrittstemperatur Ausströmungsdruck

Mantelteil

Dampfstrom(x10 ) Austrittstemperatur Ausströmungßdruck

Dampferzeuger 14

Wärmeleistung(x10" ) EinLaßströmung

Überhitzter Dampf Strüwun^arabe(x10" )

139|OMWth(mwt) 0,79Kg/h (1.735lb/hr) 32O⁰O

510O

⁰O (95O⁰F) 105,5 at (1500psia) 98,4at (HOOpsia)

35kcal/h (139.0Btu/hr)

0,79 kg/h (1.735lb/hr) 436⁰O

94,2at (i340psia)

0,243 kg/h (O.5361b/hr) 482⁰O (900⁰F) 84,4at (1200psia)

93kcalA (366.0Btu/hr)

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Eintrittstemperatur •Einströmungsdruck Speisewasser
Strömungsrate (x10~^b) Eintr i11 s temp eratur Einströmungsgasdruck Wasserreinigungseinriohtung Wasserreinigungsströmung (x10~ ) Eintrittstemperatur Eins trömungsdruck umgeleitete (Leitung 58)Strömung Auslaßströmung Strömungsrate (x10 ) Dampfanteil (Quality) Temperatur
Druck

Dampf-Abscheide-Trookner Einlaß strömung Strömungsrate (x10 ) Dampfanteil
Temperatur
Druok

Auslaßströmung Sattdampf

Strömungsrate (x10 ) Temperatur
Druok

Dampf anteil
Abgeschiedenes Waaaer S fcr ömung a ra t e (χ 1 ü "* )

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437°0 (818⁰I¹) 94,2at (134Opsia)

0,243 kg/h (O.5361b/hr) 271⁰C (520⁰P) 98,4at (i400psia)

114 kg/h (252113Ar) 294⁰C

(561⁰P)

94,2at (1340psia) 0 kg/h (0 lb/hr)

1,14 kg/h (2.5231b/hr) 90%

302,5⁰O (577⁰F) 92,1at (1310psia)

1,14 kg/h (2.5231b/hr)

302,5⁰C (577°P) 92,1at (1310psia)

1,03kg/h (2.271lb/hr) 302,5⁰C (577⁰F) 91,4at (1300psia) 99.99°/

0,114 kg/h (0.2521b/hr

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Temperatur Druck

Dampf-Dekontaminationsfaktoren Waschsystem in Betrieb

Waschsystem nicht in Betrieb

Rückförderer

Strömungsrate (x10~ ) Kopfteil (Head) Einlaß

Druck

Temperatur Auslaß

Druck

Temperatur Turbine 28 Strömungsrate (x10 ) Einlaßtemperatur Einströmungsdruck Grenaator Leistung

Kondensator

Wärmeleistung (x10 )

Kühlwasser-Strömungsrate (x10~⁶) 0,14kg/h (0.31b/hr) Verhältnis der Menge der Kontaminationsanteile im Dampf, de^dji den Heißdampfkühler (Leitung 44) eintritt, zur Menge im Dampf, der den

Trockner verläßt (Leitung,. .62 )

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302,5⁰O (577⁰F) 91,4at (i300psia)

(Strömungsraten wie oben) 1000

0,79kg/h (1.735lb/hr) 14,8at (210psia)

91,4at (1300psia) 304⁰C (580⁰I)

1o6,2at (1510psia) 32O⁰C (608⁰F)

0,243 kg/h (O.5361b/hr) 482⁰C (90O⁰F) 82,3at (1170psia)

68,8kcal/h (2 73Btu/hr

In Mg. 2 ist eine Modifikation der Heißdampfkühler- und Dekontaminationseinrichtung von Mg.1 gezeigt, in der Vielfach-Wassereinspritz und Wasserabscheide-Trocknereinrichtungen verwendet

werden. Der Heißdampfkühler/und der erste Abscheidetrockner 16 in Mg.2 entsprechen den in Pig.1 dargestellten Einrichtungen und stehen über Leitungen 52 und 48 mit einer nicht gezeigten Wasserreinigungseinrichtung in YerMndung, die der Einrichtung in Mg.1 entspricht. In Mg.2 sind eine zweite Dampf-Wasserberührungseinrichtung 100 und eine zweite Abscheidetrocknereinrich-•tung 102 hinzugefügt, so daß der Dampfstrom von der Einlaßleitung 44 für überhitzten Dampf nacheinander durch den Heißdampfkühler 14 durch die Leitung 50, durch den ersten Abscheidetrockner 16, durch die Leitung 104, durch die zweite Dampf-Wasserberührungseinrichtung 102, durch die Leitung 106, durch den zweiten AbscheideiiDckner 102 und die Auslaßleitung 62 für gesättigten Dampf verläuft. Gewünschtenfalls können eine größere Anzahl von in Serie verbundenen abwechselnden Dampf-Wasserberührungseinrichtungen und Abscheide-Trocknereinrichtungen hinzugefügt werden, aber für die Erläuterung ist nur eine solche hinzugefügte Einrichtung angegeben.

Eondensat-Speisewasser wird wie oben durch die Leitung 46 und das Ventil 47 in den Heißdampfkühler 14 eingeführt. Rückgefördertes Wasser, das durch die Leitung 48 fließt, wird in zwei Ströme aufgeteilt, einer fließt durch die Leitung 48 in das Ventil 110 in den Heißdampfkühler 14 und der andere durch die Leitung 112 und daß Ventil 114 in die Dampf-Wasserberührungseinriohtung 100. Im Dampf mitgerissenes Wasser, das in die Abscheidetrookner 16 und 102 eintritt, wird abgeschieden und duroh die Leitungen 116 und das Ventil 118 beziehungsweise die Leitung 120 und das Ventil 122 für eine Rückforderung duroh die Leitung 52 abgeführt. In dieser Art und Weise kann überhitzter Dampf gekühlt

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und dekontaminiert werden, kann Kondensat-Speisewasser verdampft werden, um gesättigten Dampf zu erzeugen, und der gesät- · tigte Dampf kann einer Anzahl von abwechselnden Wasch- und Trockenbehandlungen unterworfen werden, um einen praktisch

trockenen und völlig dekontaminierten Dampf zu erzeugen_e

In den Pig. 3 und 4 sind eine Draufsicht beziehungsweise eine horizontale Querschnittsansicht einer modifizierten Form eines Heißdampfkühlers und einer Trockeneinrichtung gemäß der Erfindung zusammen (im Falle der Fig. 3) mit einer schematischen Darstellung des Wasserreinigungs- und Rückförderungesystems, das in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 erläutert wurde, gezeigt. Die Hauptteile der Einrichtung sind ein Absoheide-Trocknerkessel 130 mit einem Hadialflügel-Dampf-Wasser-Abscheider 132, ein Dampftrockner 134, eine Dampfauslaßleitung 136» eine Dampfeinlaß - und Abkühlleitung 138, eine Wassereinlaßleitung 140, eine Ansaugeeinrichtung 142 und eine Wasserauslaßleitung 144· In dieser Modifikation wird kontaminierter, überhitzter Dampf, der durch die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Leitung 44 strömt, nach oben geführt und mit unterkühltem Kondensat-Speisewasser vermisdfc, das durch die Leitung 150 zusammen mit dekontaminiertem, rückgefördertem Wasser von der Einrichtung 20 und durch das Ventil 152 in die Einlaßleitung HO eingeführt wird. Ein Teil dieses WasserstromeB kann ebenso duroh die Leitung 154 und das Ventil 156 direkt in den Kessel 130 geführt werden, um den Wasserkörper 170 zu unterkühlen und den Pegel 184 zu halten. Auf diesem Wege kann aufgrund von Verdampfung im Kessel 130 verlorengegangenes Wasser ersetzt werden und eine

in
Blasenbildung/cTer Aneaugleitung 166, die nachfolgend erläutert wird, wird verhindert. Der teilweise abgekühlte Dampf strömt weiter durch die Ansaugeinriohtung 142, die dur.oh eine Kammer

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gebildet wird, die einen Abschnitt der Abkühlleitung 138 umschließ^ der Öffnungen 162 und ein Strömungsflächen-Reduzierstück 164 hat. Durch die Leitung 166 und das Ventil 168 kann eine Ansaugwasserströmung vom Körper 170 von abgeschiedenem Wasser im Kessel 130 gesteuert werden. Dieser AnsaugsChrist überwindet viele Schwierigkeiten, die andernfalls im Zusammenhang mit dem Pumpen von praktisch gesättigtem Wasser vom Körper 170 verbunden wären» Die resultierende Wasserströmung wird in die Ansaugeinrichtung 142 und weiter durch die Öffnungen 162 in eine Vermischung mit der Mischung, die in der Abkühlleitung 138 strömt, gezogen. Dadurch wird die Dampfabkühlung vollständig erreicht und es wird eine Mischung von Sattdampf mit mitgerissenem Wasser erzeugt, wobei die Kontaininierungsanteile primär in der Wasserphase enthalten sind. Der Hauptabkühleffekt wird durch Einführen vöä einer Mischung von Kondensat-Speisewasser, das durch die Leitung 150 strömt 1 und von dekontaminiertem Rückförderwasser, das von der Einrichtung 20 durch die Leitung 54 strömt, am Einlaß 140 erreicht. Auf diese Weise und aufgrund des Unterkühlungseffektes dea Wassers, das in dem Körper I70 durch die Leitung 154 eingeführt wird, wird das Verdampfen von kontaminiertem Rückförderwasser in der Ansaugeinrichtung 142 auf ein Minimum beschränkt.

Die vollständig abgekühlte Dampf-Wassermischung strömt nach oben in den Radialflügel-Abscheider 132, der ein zentrales Einlaßrohr 176 mit in Längsrichtung verlaufenden, radial versetzten Schlitzen oder Düsen 17-8, mehrere gekrümmte Radialflügel 180, die daran befestigt sind und um das Rohr 176 herum angeordnet sind, und eine äußere Leitfläche 182 hat, die an den Enden offen ist und sioh von einem Niveau oberhalb der oberen Enden" der Flügel 180 zu einer Stelle unterhalb des unteren Endes der Flügel und unter den Pegel 184 des V/asserkörpers 170 erstreckt* In dem

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zentralen Einlaßrohr 176 befindet sich ein bewegliches Absperrorgan 186, das eine Welle 188, eine Dichtung 190, einen Anschlag 192 und eine Vorspannfeder I94 hat, die den Anschlag 192 nach unten gegen die Dichtung 190 spannt, an welchem Punkt sich das Absperrorgan 186 unterhalb der unteren Enden der Düsen 178 befindet und das Ausgangsende des zentralen Einlaßrohres 176 schließt ο (G-ewünschtenfalls kann ein nicht gezeigtes Gewicht an die Absperrorgan 186-¥ellen--188-Kombination als eine Rückstellkraft für die Feder 194 angebracht werden.)

Die nasse Sattdampfmischung strömt vom zentralen Rohr 176 radial nach außen durch den offenen Teil der Düsen 178 unterhalb des Absperrorgans 186 über die inneren gekrümmten Flächen der Radialflügel 180, wodurch ein Abscheiden des mitgerisesnen Wassers bewirkt wird und ein Wasserwirbel auf der Innenfläche der Ableitfläche 182 erzeugt wird. Das abgeschiedene Wasser strömt nach unten und sammelt sich als Körper 170 an und der abgeschiedene Dtimpf strömt nach oben und tritt in den Trockner 134 durch die Öffnungen 196 ein und strömt praktisch frei von mitgerissenem Wasser und Kontaminationsanteilen durch die Öffnung 198 und den Auslaß 136, Wenn das Dampf-Wasseigemisch in das zentrale Einlaßrohr 176 mit höheren oder geringeren Strömungs-. raten eintritt, bewegt sich das Absperrorgan 186 entsprechend nach oben oder unten in Abhängigkeit von den höheren oder geringeren Drücken, wodurch eine variable Länge und variable offene Strömungsfläche der Düsen 178 geschaffen wird. Auf diese Art und Weise werden näherungsweise konstante Strömungsgeschwindigkeiten durch die Düsen und über die Flügel über einen sehr weiten Bereich von Strömungsraten bei sehr hohen Abscheidewirkungsgraden aufrechterhalten·

Patentansprüche 0Ö9883/07U

Claims

°* Meine Aktes 2048

RA.OOB-353—5.1.68

Patentansprüche

ΐΛ Verfahren für die Erzeugung von nutzbarer Energie aus einer Kernspaltungskettenreaktion, "bei dem eine Kernspaltungskettenreaktion unterhalten wird, um thermische Energie freizusetzen, bei dem Dampf, der durch Aufnahme der thermischen Energie überhitzt .wird, verwendet wird, die nutzbare Energie und Dampfkondensat zu erzeugen, wobei wenigstens ein Teil des überhitzten Dampfes mit dem Kondensat direkt gemischt wird, um das Kondensat zu verdampfen und trockenen Sattdampf zu erzeugen, und bei dem wenigstens ein !eil des Sattdampfes verwendet wird, die thermische Energie von der Reaktion aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des überhitzten Dampfes und des Kondensates in einer Heißdampfkühlereinrichtung (14) gesteuert vermischt werden, um den überhitztes Dampf vollständig abzukühlen und nassen Sattdampf zu erzeugen, daß das mitgerissene Wasser von dem nassen Sattdampf in einer Dampf-Wasser-Abscheideeinrichtung (16) abgeschieden wird, um trockenen Sattdampf zu erzeugen» daß Kontaminationsanteile aus wenigstens einem Teil des in der Abscheideeinriohtung (16) wiedergewonnenen Wassere entfernt werden, und daß das Wasser in die Heißdampfkühlereinrichtung geführt wird» · Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h gekenn 2 ei cn·* η e t, daß das Verhältnis der Strömung des Wassers zur Strömung des überhitzten Dampfes, der in den Heißdam#:ühlär{14) eingeführt wird bei einem Wert gesteuert wird» der über dem Wert liegt, der für eine vollständige Abkühlung dt* überhitzten Dampfes, der in den Heißdampfkühler eingeführt wird, erforderlich ist,

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fc Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Sattdampf, der von dem Dampf-Wasser-Abscheider (16) abgezogen wird, wenigstens .einer zusätzlichen

Folge von Behandlungen unterworfen wird, bei denen zuerst zudem

sätzliches Wasser in/Dampf zerstäub^ wird und dann das zerstäubte Wasser aus dem Gemisch abgeschieden wird, wobei trockener Sattdampf übrigbleibt«

^ Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaminationsanteile aus dem Wasser, das vom Dampf-Wasser-Abscheider abgezogen wird, durch Berühren des Wassers mit einem Ionenaustauscherharz entfernt wird.

Su Kernkraftwerk zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-4, mit einem Sattdampferzeuger, einer Einrichtung für den Umlauf des Dampfes vom Dampferzeuger aufeinanderfolgend durch die Wärmequelle, um überhitzten Dampf zu erzeugen, und

wenigstens eines Teiles zurück zum Dampferzeuger, mit einer dampfgetriebenen Kraftmaschine, die mit einem Verbraucher und einem Abdampfkondensator verbunden ist, mit einer Einrichtung für die !Führung des Dampfes, der durch die Aufnahme der in der Wärmequelle freigesetzten thermischen Energie überhitzt ist, zu der Kraftmaschine, und mit einer Einrichtung für die Rückführung des Kondensats vom Kondensator zum Dampferzeuger, d a duroh gekennzeichnet, daß der Dampferzeuger (18) einen Direktkontakt-Heißdampfkühler (18) hat, der eine Strömungaverbindung mit einem Dampf-Wasser-Abscheider (16) hat, daß er eine Wasser-Dekontaminationseinriohtung (20) hal·, die

für eine Wasseraufnähme mit dem Absoheider (16) und für eine Wasserabgabe mit dem Heißdampfkühler (18) verbunden ist, und daß er eine Einrichtung (132) hat, mit der daa Verhältnis der Wae-

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serströmung zum Heißdampfstrom, der in den Heißdampfkühler eingeführt wird, über dem Wert gehalten wird, der erforderlich ■ · ist, den überhitzten Dampf zu Sattdampf abzukühlen, wodurch Kontaminationsanteile des überhitzten Dampfes in dem mitgerissenen Überschußwasser injdem erzeugten nassen Sattdampf gesammelt und von dem Sattdampf in das Wasser abgeschieden werden, das dem

Abscheider entnommen und in die Dekontaminationseinrichtung geführt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, da durch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle so angeschlossen ist, daß

^ sie einen größeren Anteil des überhitzten Dampfes zum Dampferzeuger und einen kleineren Anteil zur dampfgetriebenen kraftmaschine liefert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem indirektem Wärmetauscher zwei Strömungsbahnen hat, von denen eine Strömungsbahn Dampf von der • Wärmequelle aufnimmt und Dampf zum Dampferzeuger abgibt und von denen die andere Strömungsbahn Dampf vom Dampferzeuger aufnimmt und Dampf zur Kraftmaschine weitergibt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn-

™ zeichnet, daß der Heißdampfkühler Kondensat vom Abdampfkondensator an einem Punkt oberhalb des Strömungspunktes relativ zur Strömungsrichtung des überhitzten Dampfes darin, an dem der Heißdampfkühler rüokgefördertes Wasser vom Abscheider aufnimmt, aufnimmt,

9· Vorrichtung nach Anspruch 5,gekennzeichnet durch wenigstens eine Dampf-Wasser-Berührungseinrichtung, von denen jede Dampf an einen zweiten Dampf-Wasser-Abscheider abgibt und Wasser von der Dekontaminationseinrichtung aufnimmt, welche Berührungseinrichtung und welcher Abscheider Sattdampf vom erstgenannten Dampf-Wasserabscheider aufnehmen und trooknen Satt-

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dampf an die Wärmequelle abgeben.

1Oe Vorrichtung nach Anspruch 5, !gekennzeichnet durch eine Wasseransaugeinrichtung (142), die Dampf zwischen dem Heißdampfkühler und dem Abscheider fördert und Wasser vom Abscheider aufnimmt und durch eine Einrichtung für die Einführung des Wassers, das von der Wasserdekontaminationseinrichtung zum Abscheider abgegeben wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung für die Vereinigung des Kondensats mit dem Wasser, das von der Wasserdekontaminatiönseinrichtung vor der Abgabe an den Heißdampfkühler und den Abscheider abgegeben wirdt,

β Vorrichtung nach Anspruch 5,dadurch gekenn* ζ e i'chne t, daß der Dampf-Wasser-Abscheider einen Radialflügel-Abscheider (132) mit einem vorgespannten, beweglichen, druckempfindlichen Absperrorgan (186) hat, das die offene Strömungsfläche, durch die das Dampf-Wasser-Gemisch gegen die Flügel des Abscheiders austritt, verändert werden kann, um die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches auf einem praktisch konstanten Wert über die Flügel zu halten*

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