DE1764825A1

DE1764825A1 - Kernreaktor

Info

Publication number: DE1764825A1
Application number: DE19681764825
Authority: DE
Inventors: Ronald William Nichols
Original assignee: Atomic Power Constructions Ltd
Current assignee: Atomic Power Constructions Ltd
Priority date: 1967-08-15
Filing date: 1968-08-14
Publication date: 1974-08-01
Also published as: GB1242533A; FR1603449A

Description

zum Patentgesuch

der Firma Atomic Power Constructions Limited, Vigilant House, 6 / 14 Sutton Court Road, Sutton, Surrey, England

betreffend:

"Kernreaktor"

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor und bezieht sich ins—besondere auf die Kühlung gasgekühlter Reaktoren der integrierten Bauxfeise während Betriebspausen.

Die Entwicklung der gasgekühlten Reaktoren hat zu höheren Gastemperaturen und zu höheren Wärmeübergangsmengen geführt. Die Wärmeabsenk- oder Umwandlungskapazität der Reaktorsysteme hat jedoch nicht proportional zugenommen, und infolgedessen ist die Bewältigung von Wärmeübergängen, die z.B. von Energieschwankungen herrühren, zunehmend schwieriger geworden.

Bei gasgekühlten Kernreaktoren der integrierten Bauart, ist es laufende Praxis, die Hauptwärmetauscher für die Abfuhr der Zerfallswärme während Betriebspausen zu verwenden, doch erfordern die davon herrührenden Wärmeübergänge teuere und komplizierte Bauteile für den Dampfkreislauf zwischen den Wärmetauscherauslassen und den Turbinen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Reaktorkonstruktionen zu vermeiden und eine solche

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Wärmetauscheranordnung zu schaffen, daß die Wärmeabfuhr auch während Betriebspausen und -Unterbrechungen keine Schwierigkeiten bereitet.

Die Erfindung besteht an einem Kernreaktor der integrierten Bauweise mit mindestens einem ersten Wärmetauscher für die Wärmeabfuhr aus dem Kernkühlmittel während des normalen Reaktorbetriebes darin, daß in dem Reaktordruckbehälter mindestens ein zweiter Wärmetauscher für die Abfuhr im wesentlichen der gesamten Wärme aus dem Kernkühlmittel während Betriebsbedingungen vorgesehen ist, die anderenfalls Anlaß zu übermäßigen Warmeübergangen und/oder unstabilem Betrieb in einem zweiten, mit dem ersten Wärmetauscher oder-Tauschern verbundenen Strömungsmittelsystem geben würden.

Aus der Anordnung eines zweiten Warmetausehersystems, das unabhängig von dem Haupt- oder ersten Wärmetausehersystem ist, ergibt sich eine Anzahl von Vorteilen.

In erster Linie erhebt sich das Problem, daß es, aufgrund von Paktoren, die auch die Ablagerungen auf den Außenseiten von Wärmetauschern und den Abschluß defekter Röhren in den Wärmetauschern umfassen, erforderlich ist, das Wärmetauschersystem mit Überhitzer-Wärmeaustauschflächen zu entwerfen. Das führt üblicherweise entweder zu höheren Temperaturen in den zweiten Kreisläufen oder zu einem reduzierten maximalen Energieausbringen von dem Reaktor, um eine niedrigere maximale Primärkühltemperatur zu ergeben übereinstimmend mit einer geeigneten Begrenzung der Höchsttemperaturen in dem zweiten Kreislauf.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Pig. 1 eine Wärmetauscheranordnung in schematischer Darstellung und

Pig. 2 und 3 eine andere Wärmetauscheranordnung für i rajaajjaandar, unabhängige Wärmetauscher.

OPUGlNAL INSPECTED

Ein typischer Kreislauf ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Ein Wärmetausehergehäuse 1 innerhalb eines Reaktordruckbehälters enthält einen Hauptwärmetauscher 2, einen Zwischenerhitzer 3 und einen unabhängigen Wärmetauscher H. Primärkühlgas wird von den Reaktor-Brennstoffkanälen abwärts durch das Wärmetauschergehäuse 1 in Richtung des Pfeiles A umgewälzt. Die Wärmetauscher 2 und 3 und die Turbinenstufen 6 und 7 liegen in dem Kreislauf in Reihe. Die Kühlgastemperatur kann auf einem optimalen Wert gehalten werden, und die Einlaßtemperatur des Dampfes zu der Stufe 6 kann kontrolliert werden durch Verändern der Fördermenge der Pumpe 5 und/oder durch Regelung des Ventils 5a. 3isher ist es Jedoch nicht möglich gewesen, die Temperatur des in die Stufe 7 eintretenden Dampfes auf einem optimalen Wert zu halten, wenn aber die Durchflußmenge des sekundären Kühlmittels in dem Wärmetauscher geändert wird, ist es möglich, die Einlaßtemperatur der Stufe optimal zu gestalten, ohne schädliche Auswirkungen auf die Gasaustrittstemperatur aus dem Reaktorkern.

Ein zweiter Vorteil ergibt sich in 3ezug auf fehlerhafte Bedingungen. Eine notwendige Sicherheitsmaßnahme ist, daß die Temperaturanstiege in einem Traktor während Betriebspausen oder -Unterbrechungen innerhalb bestimmter Grenzen bleiben sollten im Falle eines Aussetzens oder Versagens des ?rimär-Gaskreislaufsystems. Unter diesen Umständen muß der Gaskreislauf durch den Reaktorkern aufrechterhalten werden. Wenn dieser Kreislauf durch natürliche Konvektion aufrechterhalten werden soll, wird diese Zirkulation erhöht durch Verwendung eines unabhängigen, hochtemperaturbeanspruchten Wärmetauschers 4 im Vorzug gegenüber einem Betrieb der Hauptwärmetauseher 2 und 3 unter niedriger Wärmebeanspruchung. Somit steht in dem vorigen Falle eine höhere Säule kalten schweren Gases zur Verfügung für die Einleitung der Konvektionszirkulation des Kühlmittels. Es zeigt sich somit, daß ein unabhängiger Betriebspausen-Wärmetauseher die Kühlung des Reaktorkerns im Falle eines Versagens oder Ausfalls der Primärgasumwälzvorrichtung erleichtert. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß , obgleich lediglich auf eine Wärmetauschereinheit

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3ezug benommen worden ist, in Praxis üblicherweise eine Anzahl derartiger Wärmetauseher vorhanden sein wird, die beispielsweise so angeordnet sind, wie in der britischen Patentschrift 1.123.972 beschrieben.

Wichtig ist auch die Peststellung, daß der Wärmetauscher ¹I für die bei Betriebspausen oder -Unterbrechungen gegebenen Bedingungen so ausgelegt werden kann, daß das aus ihm austretende und auf den Hauptwärmetauscher 2 auftreffende Primärkühlmittel eine solche Temperatur hat, daß Dampfbildung\ bei hoher Temperatur in dem Wärmetauscher 2 vermieden wird. Somit sind die Dampfkomponenten stromabwärts von dem Wärmetauscher 2 in Abwesenheit einer Dampferzeugung keinen Wärmeübergängen oder -Schwankungen unterworfen. Zusätzlich muß der ,iasserstrom zu dein Wärmetauscher 2 entweder durch Schließen des Regelventils 5a und/oder durch Abschalten der Speisewasserpumpe 5 unterbrochen werden.

Hach einem v/eiteren Merkmal der Erfindung ist ein gasgekühlter Kernreaktor der integrierten Bauart mit Druckglocke vorgesehen, in der ein oder mehrere erste Wärmetauscher für die Abfuhr eines größeren Wärmeanteils aus dem Kernkühlmittel während des normalen Betriebes vorgesehen sind, und ein ■ oder mehrere zweite Wärmetauscher, ebenfalls in dem Druckbehälter, die einen kleineren Teil der Wärme von dem Kernkühlmittel während des normalen Reaktorbetriebes abführen und die ferner während Betriebspausen oder - Unterbrechungen im wesentlichen die gesamte Wärme dem Reaktorkühlmittel entziehen. Vorzugsweise kann die Zufuhrmenge des sekundären Kühlmittels zu den sekundären Wärmetauschern variiert werden. Das sekundäre Kühlmedium in dem sekundären Wärmetauscher bzw. den sekundären Wärmetauschern ist vorzugsweise Wasser/Dampf und kann entv/eder abgeführt oder weiterverwendet werden, beispielsweise durch Einspeisung in die Turbine an einer geeigneten Stelle oder als eine Quelle der Speisewasservorwärmung.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich in

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Bezug auf den sogenannten "10-Minuten-Durchlauf", d.h. eine Bedingung, die allgemein dahin geht, daß, wenn die 3elastung des Hauptgenerators wesentlich und schnell abfällt, die Kernenergiestation in einem Bereitschaftszustand für die Lieferung einer normalen Ausgangsieistung verbleiben muß. Dieses Erfordernis gibt Anlaß zu harten Übergangsbedingungen, die durch die vorliegende Erfindung in einem beträchtlichen Ausmaß gemildert v/erden können. Deshalb werden (Pig. 1), wenn der Generator seinen Stromkreis öffnet, die überwachungs- oder Regelger^lte unmittelbar sehließen, um einen Betrieb des Turbogenerators mit zu hoher Geschwindigkeit oder ein Durchgehen des Turboge- m nerators zu verhindern, wodurch sich somit eine sehr starke Reduzierung der Strömungsmenge in den Kreislaufabschnitten 6,3,7 ergibt ( Ein Entspannungsventil ist zwischen den Teilen 2 und 6 angeordnet). Unter diesen Umständen ist es unvermeidbar, daß die Sekundär-Kühlmittel-Temperaturen sehr schnell ansteigen, und die vorliegende Erfindung kann unter diesen Umständen zur Anwendung kommen durch große Erhöhung des Sekundär-Kühlmittelstromes in dem Wärmetauscher *J in unmittelbarem Ansprechen auf das Schließen der Hauptturbinenansaugrohre. Diese Wärme kann während der lastlosen Zeit eines sogenannten "10-Minuten-Durchlaufes" abgeführt werden, und es ist somit möglich, die Hauptdampf- und -Gassysteme bei Temperaturen zu betreiben, die näher bei denjenigen lie- f gen, die vorherrschend sind, wenn der Generator wieder an Last gelegt wird oder zum Voll-Lastbetrieb zurückkehrt.

Eine alternative Anordnung für die unabhängigen Weärmetauseher ist in Fig. 2 und 3 gezeigt. Hauptwärmetauschergehäuse 1, die die Hauptwärmetauscher 2 und die Zwischenerhitzer 3 enthalten, sind in einem Ringraum angeordnet, der gebildet wird durch die Umfangswand des seitlichen Kernschildes 8 und

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durch die Membranauskleidung 9 eines Beton-Druckbehälters. Die unabhängigen Wärmetauscher 4 sind in Gehäusen 4 a angeordnet zwischen den Hauptwärmetausehergehausen 1. Obgleich die unabhängigen Wärmetauseher in Fig. 2 auf dem gleichen Teilkreisdurchmesser wie die Hauptwärmetauscher angeordnet sind, können sie natürlich auch woanders angeordnet sein, z.B. zentral zwischen benachbarten Gehäusen 1 und einer der Flächen 8,9. Dieses System kann in einer gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Weise unterschiedlichen Weise betrieben werden. !Jährend des normalen Betriebes ist das Ventil 10 geöffnet und das Ventil 11 geschlossen, so daß der unabhängige Wärmetauscher 4 nicht dem heißen Primärkühlmittel ausgesetzt ist. Im Falle einer Betriebspause- oder Unterbrechung wird das Ventil 10 geschlossen und das Ventil 11 geöffnet, so daß das Hauptgebläse 12 immer noch den Primärkühlmittel-Kreislauf antreibt, doch werden die Hauptwärmetauseher stillstehendes oder stagnierendes Prinärkühlmittel enthalten, das keine nennenswerte Wärme auf die Hauptwärmetauseher 2 und die Zwischenerhitzer 3 übertragen kann. Somit sind wiederum die stromabwärts befindlichen Damnfkomponenten nicht den Wärmeübergangen ausgesetzt.

Es ist bekannt, daß in einem parallel nebeneinander liegende Rohre enthaltenden Dampfkessel unter Bedingungen, wie sie bei niedrigen Durchflußraten auftreten, wenn Dampfbildung eintritt, die Durchflußverteilung zwischen den Rohren unstabil sein kann, d.h. daß die Siede- oder Verdampfungshöhe in den Rohren variiert. Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, daß, da die Kauptwärmetauseher nicht bei sehr niedrigen Durchflußraten betrieben werden, dieser unstabile Zustand vermieden wird.

Es ist ersichtlich, daß in den beiden in Fig. 1 und Fig. 2 und 3 dargestellten Ausfuhrungsformen die Dampferzeugung während einer kontrollierten Betriebspause der Anlage oder xiährend eines An fahr Vorganges verteilt werden kann zwischen Hauptwärmöfeausehern 2 und unabhängigen Wärmetauschern 4 durch

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Einstellung der Verteilung der Wasserströme in der ersten Ausführungsform und durch Variieren sowohl der Primärais auch der Sekundär-Kühlmittelströme bei der zweiten Ausführungsform.

Es versteht sich, daß stabile Bedingungen, z.B. Kühlung, gegeben sind, sobald einmal stabile Bedingungen während der Betriebspause oder -Unterbrechung erreicht worden sind, wobei der erste Wärmetauscher betrieben werden könnte, ohne Anlaß zu geben zu übermäßigen Wärmeübergängen in dem Sekundär-Strömungsmittelsystem, wobei sich jedoch unstabile Bedingungen in dem Wärmetauscher selbst ergeben würden. In einem Parallelstrom-Wärmetauscher könnten die unstabilen Bedingungen zu ungleichmäßigen Durchflußmengen und Siede- oder Verdampfungshöhen in den Rohren der Wärmetauscher führen. Solche unstabilen Bedingungen könnten wiederum zu unerwünschten Dampfzuständen am Ausgang des ersten Wärmetausehers führen. Somit wird der zweite Wärmetauscher unter diesen Um-

ständen verwendet, da er bei oder nahe seiner Auslegekapazität arbeitet und daher eine zufriedenstellende Dampfleistung erzeugt. In einer typischen Form wird die Auslegeleistung des zweiten Wärmetauschers so bemessen sein, daß sie einen Wert von 20 % der Leistung des ersten Wärmetauschers erreicht.

- Patentansprüche -

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Claims

- 8 Patentansprüche

1. Kernreaktor in integrierter Bauweise mit mindesten einem ersten Wärmetauscher für die Wärmeabfuhr aus dem Kernkühlmittel während des normalen Reaktorbetriebes, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Reaktordruckbehälter mindestens ein zweiter Wärmetauscher (Jj)für die Abfuhr im wesentlichen der gesamten Wärme aus dem Kernkühlmittel während Betriebsbedingungen vorgesehen ist, die anderenfalls Anlaß zu übermäßigen V/ärme üb er gang en und/Öder unstabilem Betrieb in einem zweiten, mit dem ersten Wärmetauscher oder -tauschern (2)verbundenen Strömungsmittelsystem geben würden.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder einige der zweiten Wärmetauscher (4) auch vorgesehen sind zum Entfernen eines kleineren Wärmeanteils von dem Kühlmittel während des normalen Reaktorbetriebes.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine größere Anzahl erster Wärmetauscher (2) und eine gleiche Anzahl zweiter Wärmetauscher (4), von denen jeder in Bezug auf die Richtung des Kühlmittelstromes stromaufwärts von einem verschiedenen der ersten Wärmetauscher (2) angeordnet ist.

4. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder erste Wärmetauscher (2) und der diesem stromaufwärts zugeordnete zweite Wärmetauscher (H) in einem gemeinsamen Gehäuse (1) angeordnet sind.

5. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Vielzahl erster (2) und zwdter Wärmetauscher (4), von denen jeder zweite Wärmetauscher (4)

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nahe einem oder mehreren der ersten Wärmetauscher (2) ange ordnet i st.

Kernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Wärmetauscher (2) in einem Ringraum zwischen dem Druckbehälter des Reaktors und dem Seitenschild des Reaktorkerns angeordnet sind, und daß auch die zweiten Wärmetauscher (4) in dem Ringraum angeordnet sind.

Kernreaktor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder erste (2) und jeder zweite Wärmetauscher (4) in einer eigenen Ummantelung bzw, in einem eigenen Gehäuse (1,4a) angeordnet ist und da$ Kühlmittelumwälzvorrichtungen (12) vorgesehen sind für eine 3ewegung oder Umwälzung des Reaktorkühlmittels durch die Ummantelung bzw. das Gehäuse (1) 4a) zusammen mit Kühlmittel-Durchfluß-Regelventilen (10,11) für die Regelung der Kühlmitte Id urchflußmenge durch die Ummantelungen oder Gehäuse (1,4a).

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