DE2413424A1

DE2413424A1 - Kernreaktor mit fluessigkeitskuehlung

Info

Publication number: DE2413424A1
Application number: DE2413424A
Authority: DE
Inventors: Didier Costes
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1973-03-30
Filing date: 1974-03-20
Publication date: 1974-10-10
Also published as: US3988202A; FR2223792B1; FR2223792A1

Description

PATENTANWALT

DR. HANS ULRICH MAY D 8 MÜNCHEN 2, OTTOSTRASSE 1a TELEGRAMME: MAYPATENT MÖNCHEN TELEFON COS113 C936S2 CP 479/1263 MUnchen, 20. März 1974

' Dr .M./es

B 4797.3 PG

Commissariat a" 1»Energie Atomique in Paris, Frankreich Kernreaktor mit Flüssigkeitskühlung

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor, der durch eine unter Druck stehende Flüssigkeit gekühlt ist, d.h. in dem das Kühlmittel, im allgemeinen Wasser, dauernd bei einem Druck gehalten wird, der über dem Dampfdruck dieses Kühlmittels bei der maximalen Betriebstemperatur liegt, und betrifft besonders eine Vorrichtung zur Regelung des Drucks der Kühlflüssigkeit in Abhängigkeit von Lastveränderungen des Kernreaktors, wobei diese Vorrichtung besonders die sofortige Einleitung oder Ableitung einer geeigneten Menge des Kühlmittels in dessen Kreislauf ermöglicht, welche die Verringerung ader Erhöhung des Gesamtvolumens infolge einer Temperaturveränderung kompensieren kann und so vermeidet, daß infolge der dadurch bedingten Druckschwankungen das Kühlmittel zum Sieden kommt, vas schwere Folgen für die Brennelemente des Reaktorkerns haben kann.

Es sind bereits verschiedene Ausführungsformen von automatischen Druckregelvorrichtungen für die Kühlflüssigkeit eines Kernreaktors bekannt. Die üblichsten solcher Vorrichtungen benutzen ein System, das aus einem außerhalb des Reaktorbehälters angeordneten Gefäß besteht,, in dem ein Gleichgewicht zwischen dem Kühlmittel und sei-

409841/0716

nera Dampf bei Qiner Temperatur eingestellt wird, die über der im Frinsärkreis dieses Kühlmittels und besonders im Inneren des Reaktorbehälters herrschenden Temperatur liegt. Das Volumen der in diesem Gefäß vorhandenen Kühlflüssigkeit entspricht der Menge, die notwendig ist, um die beim heißen Betrieb des Reaktors vorgesehenen Lastveränderungen zu ermöglichen, einschließlich der Fall einer Notabschaltung mit Binregelung der Temperatur auf ihren mittleren Anfangsvert. Beispielsweise beträgt für einen Kernreaktor mit einer Nennleistung von 1200 MW elektrisch die im Gefäß des Druckreglers heiß enthaltene Wassermenge etwa 25 m , wovon etwa 20 m³ sofort in den Erimärkreis des Kühlmittels einleitbar sind, um die notwendige Volumenregulierung zu gewährleisten.

Bei einer bekannten Abwandlung dieser Vorrichtung ist der Druckregler unmittelbar im Inneren des Reaktorbehälters oberhalb des Reaktorkerns angeordnet, wobei das Volumen der Kühlflüssigkeit im Reaktorbehälter durch ein Gemisch von Gas und Kühlmitteldampf unter Druck gesetzt wird, das in einem oberhalb des freien Kühlflttssigkeitsspiegels im inneren des Reaktorbehälters selbst gelegenen Ram eingeschlossen ist.

Auf einem anderen Gebiet, nämlich bei Siedewasserkernreaktoren, also einem vom oben erwähnten Druckwasserkernreaktor wesentlich verschiedenen Reaktortyp, sind Vorrichtungen zur Wärmeisolation des Reaktorbehälters bekannt, welche diesen, im allgemeinen aus Beton bestehenden Behälter, im Betrieb bei einer begrenzten Temperatur, z.B. etwa 50⁰C, halten sollen. Zu diesem Zweck ist es bekannt, im Inneren des Reaktorbehälters eine Glocke einzubauen, deren Außenwand mit einem wärmedämmenden Material beschichtet ist, wobei ein entsprechendes Volumen eines unter Druck stehenden ruhenden Gases

4098^1 /071 6

zwischen dem Behälter und der Glocke, die den Reaktorkern und den Frimärkreis des siedenden Kühlmittels umgibt» eingeschlossen ist· Dieses Gas» welches eine Trennfläche mit dem Kühlmittel im unteren Teil der Glocke bildet, ermöglicht so eine Begrenzung des Wärmeflusses in Richtung auf die Reaktorbehälterwand. Außerdem und zum Schutz des Reaktorbehälterboden5 unter dem offenen Bereich der Glocke ist vorteilhafterweise in deren Nähe eine im Kühlmittel untergetauchte Wärmeabschirmung vorgesehen.

Die Erfindung bezweckt nun einen mit einer Kühlflüssigkeit unter Druck arbeitenden Kernreaktor, der eine im Kernreaktorbehälter integrierte Vorrichtung zur Druckregelung des Kühlmittels mit einer Wärmeisolationsglocke kombiniert, welche die Wand des Reaktorbehälters kalt hält.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Kernreaktor, der durch eine unter Druck stehende Kühlflüssigkeit gekühlt ist und gekennzeichnet ist durch einen Reaktorbehälter aus Beton mit senkrechter Achse, eine in ihrem unteren Bereich offene Glocke, die im inneren des Reaktorbehälters gleichachsig angeordnet ist und mit diesem einen Raum begrenzt, der mit einem unter Druck stehenden Gas gefüllt ist und zur Wärmeisolation der Innenwand des Reaktorbehälters dient, und durch einen Druckregler, der die Kühlflüssigkeit in der Glocke unter Druck hält und ein Regelgasvolumen enthält, das mit einer großen freien oberfläche der Kühlflüssigkeit so in Berühriang steht, daß einer geringen Druckveränderung des Regelgases eine erhebliche Volumenveränderung der im Kühlmittelkreis im inneren der Glocke verdrängten Flüssigkeit entspricht.

Je nach dem Fall !können das Regelgas und das wärmeisolierende Gas, voneinander getrennt sein oder nicht getrennt sein und von glei-

409841/0716

eher oder verschiedener Art sein. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Gase identisch, und der Druckregler weist eine an ihrem oberen Ende geschlossene und an ihrem unteren Ende offene Kammer auf, die gleichachsig zur Glocke unter dem Reaktorkern angebracht ist, wobei die obere Decke dieser Kammer oberhalb des Spiegels der Kühlflüssigkeit ein Regelgasvolumen einschließt, das mit dem värmeisolierenden Gas in Verbindung steht, Vorteilhafterveise und unabhängig von der gewählten Ausführungsform sind Einrichtungen vorgesehen, um die kondensierten Anteile der Kühlflüssigkeit im Regelgasvolumen aufzufangen und in den Primärkreis im Inneren der Glocke zurückzuführen.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung, welche die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig,1 im Längsschnitt schematisch einen erfindungsgemäßen Kernreaktor mit Druckflüssigkeitskühlungj

Die Fig. 2 und 3 Teile von Längsschnitten zweier abgewandelter Ausführungsformen des Kernreaktors.

In Pig.1 sind besonders deutlich die wesentlichen Teile eines Kernreaktors gezeigt, der durch eine unter Druck stehende Flüssigkeit, besonders Wasser, gekühlt ist. Dieser Reaktor weist einen äußeren Reaktorbehälter 1 aus vorgespanntem Beton auf, der durch seine Innenwand 2 einen Innenraum begrenzt, der oben durch einen Deckel 3 abgeschlossen ist und in dem die wesentlichen Bauteile des Reaktors angeordnet sind. In diesem Innenraum ist besonders eine Glocke 4 angeordnet, die eine Metallwand 5 aufweist, die außen mit einer Wärmeisolationsschicht 6 versehen ist. Diese Glocke 4 ist im In-

409841/0716

neren des Reaktorbehälters 1 durch nicht gezeigte Einrichtungen in der Weise aufgehängt, daß sich ihr unteres offenes Ende 7 in einem verhältnismäßig geringen Abstand vom Boden des Behälters 1 befindet. Die Glocke 4 begrenzt mit der Innenwand 2 des Behälters 1 einen Ringraum 8, der mit einem unter geeignetem Druck stehenden wärmeisolierenden Gas gefüllt ist, besonders Stickstoff oder Argon, welches im Betrieb die Temperatur der Wand 2 auf etwa 50⁰C hält. Im Inneren der Glocke 4 ist der tragende, im Querschnitt ringförmige Mantelkörper 9 an der Innenwand der Glocke mittels Eckversteifungen 10 aufgehängt. Dieser Mantel 9 weist an seinem unteren Ende einen gelochten Boden 11 mit einer Reihe von Durchlaßöffnungen 12 für die rühlflüssigkeit des Reaktors auf, dessen Kern 13 im Inneren dieses Mantels angebracht und an der Glocke 4 aufgehängt ist» Das Kühlwasser des Kerns 13 gelangt durch eine Zuleitung 14 in den Reaktorbehälter 1 und die Glocke 4, strömt zwischen dem Mantel 9 und der Innenwand 5 der Glocke 4 und gelangt durch die öffnungen 12 des Bodens 11 zur l&iterseite des Kerns 13, durchströmt diesen nach oben und wird dann aus der Glocke 4 und dem Reaktorbehälter 1 durch eine Ableitung 15 abgeführt. Bei normalem Betrieb ist der Druck des wärmeisolierenden Gases imRaum 8 so gewählt, daß das Niveau der Kühlflüssigkeit in diesem Raum eine oberhalb des unteren Endes 7 der Glocke 4 gelegene freie oberfläche 16 aufweist. Schließlich ist zu einer guten Wärmeisolation des Bodens des Reaktorbehälters 1 gegenüber dem offenen Teil der Glokke 4 unter dieser eine Wärmeabschirmung 17 angeordnet, die im Wasser arbeitet und aus abwechselnden waagrechten Platten besteht, welche die Ausbildung der natürlichen Wärmeschichtung des Kühlmittels begünstigen, ohne senkrechte Übergänge zu verhindern. Vor-

•409841/0716

zugsveise befindet sich das untere Ende 7 der Glocke 4 in der Höhe der unteren Platten der Abschirmung 17.

Gemäß der Erfindung gehört zu diesem Druckflüssigkeitskernreaktor ein Druckregler für die Kühlflüssigkeit, der mit dem Kernreaktor zusammenvirkt und im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer offenen Kammer 18 besteht, die eine unter dem Boden 11 des Mantels 9 angeordnete obere vaagrechte Wand 19 und eine ringförmige Seitenwand 20 aufveist. Diese Kammer 18 begrenzt so zwischen ihrer oberen Wand 19 und der freien Oberfläche 21 des Kühlmittels in der Glocke 4 einen Raum 22, in dem ein geeignetes Volumen eines Regelgases eingeschlossen ist· Vorteilhafterveise ist dieses Gas gleich dem, welches das wärmeisolierende Gas in Raum 8 bildet und steht mit diesem durch eine U-Leitung 23 in Verbindung, deren Schenkel 24 und 25 im Raum 22 bzv. im Raum 8 münden. Die Kammer 18 ist unter dem Boden 11 des Mantels 9 mittels einer zylindrischen Manschette 26 aufgehängt, velche Durch— la£-öffnungen 27 aufveist, um den freien Kreislauf des Kühlmittels nicht zu behindern. Schließlich ist die Glocke 4 in ihrem unteren Teil zur Verbesserung der Wärmeisolation vorzugsweise durch eine zylindrische Manschette 28 doppelwandig ausgebildet, so daß ein Zwischenraum 29 gebildet wird, der nit einem geeigneten Volumen eines ruhenden Gases gefüllt ist, dessen Druck so gewählt ist, daß der freie Flüssigkeitsspiegel 30 des Kühlmittels unterhalb der auf gleicher Höhe liegenden Niveaus 16 und 21 liegt. An seinem unteren Teil ist das Verbindungsrohr 23 alt einer Leitung 31 verbunden, vodurch die von der Leitung 23 kondensierten und aufgefangenen Teile des Kühlflüssigkeitsdampfes abgeführt werden können. Diese Leitung 31 ist mit einer Förderpumpe 32 verbunden, velche die kondensierten Anteile durch eine Leitung

409841/0716

~⁷~ 241342 A

33 unter der Wärmeabschirmung 17 in den Realetorbehälter 1 zurückführt. Schließlich gehört zur Ausrüstung des Kernreaktors noch eine Leitung 34» die mit dem zwischen'der Glocke 4 und der innenwand 2 des Behälters 1 ausgebildeten Raum 8 verbunden und durch eine Kompressions-Entspannungsvorrichtung 35 mit einem Lagerbehälter 36 oder vorzugsweise einer Reihe von Lagerbehältern dieser Art verbunden ist, die zweckmäßigerweise. innerhalb der VJand des Reaktorbehälters 1 angeordnet und eingebettet sind.

Beim Betrieb des so ausgebildeten Kernreaktors ermöglichen die vorgesehenen Vorrichtungen sowohl eine geeignete Wärmeisolation des Betonbehälters durch das zwischen der Glocke und dem Behälter vorhandene Gas als auch eine automatische Regelung des !Drucks der Kühlflüssigkeit infolge einer, sofortigen Veränderung des Drucks des Regelgases im Raum 22, die zu einer begrenzten Veränderung der freien Niveaus 21 und 16 führt. Bei jeder Veränderung der Last, die eine Veränderung der Temperatur und infolgedessen der spezifischen Masse des Kühlmittels im Kreis bewirkt, spricht die Druckregelvorrichtung sofort an durch Einleitung eines entsprechenden Fltissigkeüfevolumens in den Kreis oder Ableitung eines entsprechenden Flüssigkeit svolumens aus dem Kreis, sodaß der Druck des Kühlmittels stets oberhalb des Dampfdrucks bei der betrachteten Temperatur gehalten wird. Die Zuführung des notwendigen Gases in den Raum 22 kann entweder durch Entspannung des wärmeisolierenden Gases erfolgen, venn das Volumen des Raums 8 ausreicht, oder durch eine Zuführung von außen, besonders aus den Vorratsbehältern 36 durch die Leitung 34.

Bei der in Fig. 2 gezeigten abgewandelten Ausführungsform sind ähnliche Bauteile mit den gleichen Bezugszahlen wie im Beispiel der Fig.1 versehen. Hier ist die Kammer 18 des Druckreglers durch ihre

409841/0716

-*■■ 2413A24

obere Wand 19 mit einer hohlen Säule 37 fest verbunden, die mit ihrem unteren Teil 38 im Betonboden des Behälters 1 verankert ist und Bohrungen 39 aufveist, um einen freien Kreislauf der Kühlflüssigkeit zu ermöglichen. An ihrem oberen Teil ist diese Säule durch eine Sicherheitsvorrichtung 40 verlängert, die unter dem Boden 11 des den Kern 13 umgebenden Mantels 9 angeordnet ist und diesen bei einem schweren imfall auffangen kann, um sein Herabfallen in den unteren Teil des Behälters 1 zu vermeiden. Bei dieser Abwandlung ist die Kammer 18 von der Glocke 4 völlig unabhängig, was deren Herausziehen für Inspektionszwecke ermöglicht. Besonders ist zu bemerken, daß die Temperatur im Inneren der Kammer 18 des Druckreglers wesentlich geringer als die des unter dem Kern 13 in dem Innenraum des Mantels 9 gelangenden Wassers sein kann und man deshalb vorteilhaft ervei se auch Rohre 41 vorsieht, um einen ZweigWej des Kühlmittels herzustellen und die Temperaturen auszugleichen, ohne das Arbeiten des Druckreglers selbst zu beeinflussen.

Bei den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Abwandlungen befindet sich das am Boden der Glocke eintretende Kühlmittel bei einer verhältnismäßig tiefen Temperatur, ist jedoch mit dem Kühlmittel des Hauptkreislaufs, der durch die Zu- und Ableitungen 14 und 15 begrenzt ist, durch die durchlässige Wärmeabschirmung 17 in Verbindung. Bei der Inbetriebnahme des Druckreglers sorgt daher diese Wärmeabschirmung dafür, daß ein verhältnismäßig lauwarmes und nicht kaltes Wasser in den Kreislauf gelangt. Wenn im Hinblick auf den Betrieb des Kernreaktors ein Eintritt von kaltem Wasser zulässig ist, kann man die praktische Ausführungsform der Gesamtanordnung in der in Fig. 3 gezeigten Weise vereinfachen, indem man den entsprechenden Querschnitt des unteren Teils der Glocke 4 opti-

409841/0716

miert. Zu diesem Zweck weist diese Glocke in ihrem unteren Teil eine Verjüngung 42 auf, die in einem die Wärmeabschirmung 17 umgebenden Stutzen 43 endet, wobei die Verjüngung im unteren Teil des Raumes 8 ein freies Niveau 44 der Kühlflüssigkeit begrenzt, das eine genügende Abmessung hat, damit die Druckveränderungen des Gases im Raum 8 die Druckregelung des Kühlflüssigkeitskreises selbst gewährleisten. In allen Fällen können Druckbegrenzungsventile am Behälter 1 in Verbindung mit dem wärmeisolierenden Gas oder an den den Druckregler mit der Umgebung des Behälters verbindenden Leitungen vorgesehen sein.

409841/0716

Claims

Patentansprüche

/ 1.kernreaktor mit Druckflüssigkeitskühlung, gekennzeichnet durch einen Reaktorbehälter (1) aus Beton mit senkrechter Achse, eine an ihrem unteren Teil offene Glocke (4), die gleichachsig im Inneren des Behälters angeordnet ist und mit diesem einen Raum (8) begrenzt, der mit einem unter Druck stehenden, die Innenwand (2) des Behälters (1) wärmeisolierenden Gas gefüllt ist, und durch eine Druckregelvorrichtung zum Unterdrucksetzen des Kühlmittels in der Glocke, vobei diese Vorrichtung ein Regelgasvolumen aufweist, das mit einer großen freien Oberfläche des Kühlmittels in der Weise in Berührung steht, daß einer geringen Veränderung des Drucks des Regelgases eine erhebliche Veränderung des Volumens der Flüssigkeit entspricht, die im Kühlmittelkreis im Inneren der Glocke verdrängt vird.
2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckregelvorrichtung eine an ihrem oberen Ende geschlossene und an ihrem unteren Ende offene Kammer (18) aufweist, die unter dem Reaktorkern (13) gleichachsig zur Glocke (4) angeordnet ist und deren oberer Abschluß (19) oberhalb des Niveaus der Kühlflüssigkeit ein Volumen des Regelgases einschließt, das mit dem wärmeisolierenden Gas im Raum (8) in Verbindung steht.
3· Kernreaktor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, um die kondensierten Fraktionen der Kühlflüssigkeit im Regelgasvolumen aufzufangen und sie in den Primärkreis im Inneren der Glocke (4) zurückzuführen.
4· Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß senkrechte Tauchrohre (41) das oberhalb und außerhalb der Kammer der

409841/0716

Druckregelvorrichtung befindliche Kühlmittel mit dem in der Kammer (1-8) unter dem Regelgasvolumen enthaltenen Kühlmittel verbinden, um die Temperaturen auszugleichen, .·
5. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die offene Kammer >(18) der Druckregelvorrichtung unter einem Innenmantel (9) aufgehängt ist, der den Reaktorkern (13) enthält und dessen Boden (·! 1) mit öffnungen (.12) für den Durchgang des Kühlmittels versehen ist, das den Reaktorkern (13) von unten nach oben durchströmt ·
6. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die offene Kammer (18) der Druckregelvorrichtung von einer mit Bohrungen versehenen hohlen Mittelsäule (37) getragen ist, die mit ihrem unteren Ende (38) im Boden des Betonbehälters (1) verankert ist und oberhalb des oberen AbschlU-ßwairider Kammer (18) durch eine Sicherheitskonstruktion verlängert ist, welche den den Reaktorkern (13) enthaltenden Mantel (9) im Fall des Herabfallens desselben auffängt.
7. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die offene Kammer (18) der Druckregelvorrichtung mit mindestens einem Vorratsbehälter (36) für das Einleiten und Auffangen des Regelgases in Verbindung steht·
8· Kernreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter (36) in der Wand des Behalters eingebettet ist.
9. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die umgekehrte Glocke (4) an ihrem offenen Ende einen konzentrischen Mantel (28) aufweist, der mit der Glocke (4) ein mit ruhendem Gas gefülltes Ringvolumen bildet, das zwischen dem Wärmeisolationsraum (8) und der Druekregelvorrichtung angeordnet ist.

409841/0716
10. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die umgekehrte Glocke (4) an ihrem offenen Ende eine Einschnürung (42) aufweist, die zvischen dem unteren Teil der Glocke und dem Behälter (1) einen Raum von erheblicher Breite für das Niveau der Kühlflüssigkeit begrenzt, und daß das Regelgas unmittelbar das Wärmeisolationsgas bildet.

409841/0716

Leerseite