DE2445553B2

DE2445553B2 - Einrichtung zum Abfuhren der Restwärme aus einem Natrium-gekühlten schnellen Brutreaktor

Info

Publication number: DE2445553B2
Application number: DE2445553A
Authority: DE
Inventors: Pierre Charles St.-Germainen-Laye Cachera (Frankreich)
Original assignee: Electricite de France SA
Current assignee: Electricite de France SA
Priority date: 1973-10-02
Filing date: 1974-09-24
Publication date: 1980-04-30
Also published as: FR2246028A1; DE2445553C3; IT1020914B; FR2246028B1; GB1481544A; DE2445553A1; US3968653A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Abführen der Restwärme aus einem Natrium-gekühlten schnellen Brutreaktor mit den Gattungsmerkmalen des Patentanspruchs 1.

eines Kernreaktors sich noch entwickelnden Restwärme sind verschiedene Kühlsysteme bekannt, die aus Sicherheitsgründen in der Regel aus gesonderten Kühlkreisläufen mit eigenen Umwälzeinrichtungen bestehen. Bei einem Notkühlsystem der angegebenen Gattung (DE-AS 11 15 846) ist in den gemeinsamen Wärmetauscher für den primären und den sekundären Kühlkreis ein zusätzlicher Wärmetauscher eines gesonderten Notkühlkreises vorgeschaltet Dieser zusätzliche ίο Wärmetauscher ist am oberen Ende des gemeinsamen Zwischenwärmetauschers der Hauptkühlkreise angeordnet, wodurch sich ein großer Höhenunterschied zv/ischen dem Schwerpunkt des Kernreaktors und dem Schwerpunkt des zusätzlichen Wärmetauschers für einen intensiven natürlichen Kühlmittelumlauf im Primärkreis bei Ausfall der Umwälzpumpen ergibt Der Wärmetauscher des nur zur Notkühlung bei Ausfall der Umwälzpumpen verwendeten Hilfskühlkreises kann als Überhitzer ausgebildet sein, so daß bei wirksam werdender Notkühlung die Möglichkeit einer Hochdruckdampferzeugung besteht.

Bei einem anderen bekannten Notkühlsystem (DE-OS 19 37 627) wird zur Intensivierung des natürlichen Umlaufes von flüssigem Natrium im Reaktor unmittelbar oberhalb des Reaktorkerns ein inertes Gas eingeblasen, das gleichzeitig als Schutzgas dient und aus dem Schutzraum oberhalb des flüssigen Natriums kontinuierlich durch ein Gebläse abgesaugt wird. Die Aufsteigbewegung der Gasbläschen intensiviert die jo Umlaufströmung des flüssigen Natriums im Primärkreis. Durch entsprechende Steuerung der Verdichterleistung kann die Natriumströmung im Primärkreis an unterschiedliche Betriebszustände angepaßt werden.

Ferner ist es bei einer Dampfturbinenanlage mit

einem gasgekühlten Kernreaktor bekannt (GB-PS

10 71 893), das Gebläse des primären Gaskühlkreises direkt durch eine Dampfturbine anzutreiben, die in einem vom Hauptkreis der Anlage gesonderten

Hilfskreis angeordnet ist. Da die Leistungsaufnahme des Gebläses im primären Gaskühikreis wesentlich geringer

als die Leistungsfähigkeit der Anlage ist und dem Hauptdampfkreis keine Leistung zum Antrieb des Gebläses entzogen werden soll, ist der als Verdampfer

und/oder Überhitzer ausgebildete Wärmetauscher des Hilfskreises dem gemeinsamen Wärmetauscher für den primären und den sekundären Kühlkreis nachgeschaltet.

Die Betriebsparameter, Druck unc Temperatur im Hilfskreis, liegen erheblich unter denen im Hauptkreis, so daß auch weniger hochwertige Materialien einge-

setzt werden können. Die Dampfturbine im Hilfskreis ist direkt mit dem Gebläse des Primärkreises gekoppelt

und kann die Umwälzpumpen der beiden sekundären Dampfkreise offensichtlich nicht antreiben. Diese bekannte Anlage ist zur Notkühlung eines Reaktors

■-,5 ungeeignet, da in einem solchen Fall der Hilfskreis zur Abführung der gesamten Restwärme aufgrund seiner Zweckbestimmung nicht ausgelegt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Notkühlung für Natrium-gekühlte schnelle Brutreaktoren zu schaffen,

bo die bei vergleichsweise geringen Gesamtabmessungen eine wirksame Abführung der nach Abschalten des Reaktors verbleibenden und sich weiter entwickelnden Restwärme ermöglicht und deren Leistungsfähigkeit mit den abzuführenden Wärmemengen selbsttätig zu- bzw. abnimmt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Bei größer

Erfindung eine intensivere Erwärmung des gasförmigen Kühlmittels im Hilfskühlkreis, was zu einer entsprechend vergrößerten Leistungsabgabe der Turbine und zu einer entsprechend gesteigerten Verdichterleistung führt Damit wird auch der Gasurnlauf im Hilfskreis intensiviert, was wiederum eine erhöhte Wärmeabfuhr im Wärmetauscher zur Folge hat Da es sich bei der Gasturbine und dem Verdichter um artgleiche Strömungsmaschinen handelt, ist ihre mechanische Koppelung ohne weiteres möglich.

Eine weitere Rückkopplung der Leistungsaufnahme des Hilfskreises und damit eine weiter intensivierte Wärmeabfuhr durch die Einrichtung gemäß der Erfindung kann durch Vorsehen eines Lüfters erreicht werden, der den als Luftkühler ausgebildeten Wärmetauscher im Hilfskreis mit einem Kühlluftstrom beaufschlagt Der Luftkühler kann jedoch auch durch einen natürlichen Luftstrom oder durch e^;ne Flüssigkeit gekühlt werden (Unteranspruch 2 bzw. 3).

Eine weiter verbesserte Selbstregelung der Einrichtung wird durch die Maßnahmen des Unteranspruchs 4 erreicht, nämlich durch die mechanische Koppelung der Gasturbine mit einem Generator, der in ein gesondertes Netz zum Antrieb der verschiedenen elektrischen Aggregate in den einzelnen Kühlkreisen einspeist.

Das Gas des sekundären Hilfskreises ist vorzugsweise von inertem Schutzgas im Reaktor verschied cn, damit das Auffinden von Leckagen erleichtert wird. Bei der Verwendung von Argon als Reaktorschutzgas wird z. B. Helium im Hilfskreis eingesetzt, das gegenüber Natrium, Luft und Wasser chemisch inert ist und die Brandgefahr im Reaktorraum vermindert.

Eine weitere Möglichkeit zur Leistungssteuerung des Hilfskühlkreises besteht darin, bei Bedarf zusätzliches hochgespanntes Gas in den Hilfskreis einzuspeisen, was einen Druckanstieg und damit auch eine gesteigerte Wärmeaufnahmefähigkeit des Gases bewirkt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben.

Flüssiges Natrium umströmt den in einem Druckbehälter 4 angeordneten Reaktorkern in einem Primärkreis und fließt in Richtung der Pfeile I über einen Zwischenwärmetauscher 8 und eine Umwälzpumpe 10 in den Druckbehälter 4 zurück. In der Praxis werden mehrere parallele Kreislaufsysteme vorgesehen, von denen in der Zeichnung nur eines dargestellt ist. Die Primärkreisläufo können bei sog. Topfreaktoren vollständig innerhalb des Druckbehälters 4 angeordnet sein.

Im Zwischenwärmetauscher 8 sind Wärmetauscherrohre 12 angeordnet, die zusammen mit einem Dampferzeuger 16, einer Umwälzpumpe 18 und entsprechenden Verbindungsleitungen einen sekundären Natriumkühlkreis Il bilden. In diesen Seki'ndärkühlkreis strömt das flüssige Natrium in der durch die Pfeile angegebenen Richtung. Der Dampferzeuger 16 weist Rohrschlangen einer normalen Dampfkraftanlage auf. Zur Abführung der Restwärme dient ein geschlossener Hilfskreis 22 mit einem inerten Gas als Kühlmedium. Im Zwischenwärmetauscher 8 sind stromauf der Wärmetauscherrohre 12 des sekundären Natriumkreises Il weitere Wärmetauscherrohre 24 des Hilfskreises 22 angeordnet, die über eine Leitung 28 mit einer Gasturbine 26 verbunden sind. Der Niederdruckseite der Gasturbine 26 ist ein Luftkühler 30 mit Kühlrohren 29 nachgeschaltet, dessen Gehäuse 32 in einen Kamin 34 mündet und der vom Kühlluftstrom eines Gebläses 36 beaufschlagt wird. Aus dem Luftkühler strömt das entspannte und gekühlte Inertgas in einen Kompressor 38, der von einer Welle 40 der Turbine 26 angetrieben wird und dessen Hochdruckseite über eine Leitung 42 mit dem Einlaß der Wärmetauscherrohre 24 verbunden ist Die Turbine 26 treibt einen Generator 44 an, der ein

ίο gesondertes Netz sowie den Gebläsemotor über Verbindungsleitungen 46 speist Der Endwärmetauscher des Hilfskreises 22; III kann auch ein Luftkühler mit natürlicher Belüftung sein. Statt Luft als Kühlmittel kann ferner ein beliebiges Fluid verwendet werden, z. B.

Fiußwasser, Meerwasser oder das luftgekühlte Wasser geschlossener Kühlkreise.

Die Turbine 26 kann auch das Gebläse 36 unmittelbar über ihre Turbinenwelle 40 und ein nicht dargestelltes Getriebe antreiben und darüber hinaus mechanisch oder elektrisch auch die Umwälzpumpen 10, 18 der beiden Hauptkühlkreise und die Pumpe für die Haupt- und Hilfswasserversorgung des Dampferzeugers 16 antreiben.
Das Kühlmittel im Hilfskreis 22; III ist ein insbesondere gegenüber flüssigem Natrium inertes Gas, wie z. B. Helium, Argon, Stickstoff usw. Vorzugsweise ist dieses Kühlgas gegenüber dem Schutzgas des Reaktors verschieden.

Das im Zwischenwärmetauscher 8 hochgespannte

jo Heizgas aus den Wärmetauscherrohren 24 wird in der Turbine 26 zumindest teilweise entspannt, beim Durchströmen der Wärmetauscherrohre 29 im Luftkühler 30 heruntergekühlt und anschließend im Kompressor 38 verdichtet, bevor es wieder in die Wärmetau-

J5 scherrohre 24 in Richtung der dargestellten Pfeile zurückgeführt wird.

In der Zeichnung bedeuten die Punkte Gt bis Gs jeweils die Schwerpunkte der Wärmetauscher 12,19,24 und 29 und der Punkt G\ den Schwerpunkt des Reaktorkerns 2. Durch entsprechende Anordnung haben die Punkte Gu C2, Gj jeweils zunehmende Höhen, um einen natürlichen Umlauf in den Hauptkühlkreisen zu erhalten. Auch die Wärmetauscherrohre 24 und 29 sind so angeordnet, daß die Schwerpunkte Gi, Ga und G5 auf zunehmenden Höhen liegen, damit auch im Hilfskühlkreis ein natürlicher Umlauf erhalten wird. Wichtig ist, daß der Schwerpunkt G4 der Wärmetauscherrohre 24 im Zwischenwärmetauscher 8 erheblich über dem Schwerpunkt G| liegt, damit der Naturumlauf des Natriums im Primärkreis unter allen Umständen gewährleistet bleibt. Bei Verwendung eines Wasserkühlers als Endwärmetauscher im Hilfskühlkreis kann sein Schwerpunkt Gs wegen der unabhängigen Wirkung der Gasturbine niedriger gelegt werden.

Die vorstehend beschriebene Einrichtung ermöglicht eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrades der Reaktoranlage, wobei auch bei voller Leistung der Anlage die sekundären Hilfskreise mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand ständig in Betrieb genalten werden können, was insbesondere durch das vom Generator gespeiste Stromnetz und den jederzeit möglichen unabhängigen Antrieb der einzelnen Aggregate des Hilfskreises sowie der beiden Hauptkühlkreise erreicht wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Abführen der Restwärme aus einem mit flüssigem Natrium gekühlten Kernreaktor mit schnellen Neutronen, bei dem von mehreren Kühlkreisreihen jede einen primären Natriumkühi kreis umfaßt, dessen Natrium als Kühlmedium die Wärme an das Natrium eines sekundären Natriumkreises über einen Zwischenwärmetauscher überträgt wobei dieser sekundäre Natriumkreis seine Wärme an einen tertiären Wasser-Dampf-Kreis abgibt, in den mindestens eine Dampfturbine eingeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kühlkreisreihe zusätzlich einen Hilfskreis (1!I) enthält, daß in dem Hilfskreis (III) in an sich bekannter Weise ein chemisch inertes Gas zirkuliert und daä der Hilfskreis (HI) im Zwischenwärmetauscher (8) dem Natrium des Primärkreises (I) Wärme entzieht, wobei dieser zusätzliche Hilfskreis (III) mindestens eine mit dem inerten Gas beaufschlagte Turbine (26; 38), deren Ausgangsleistung die Mittel zur Regelung der Kühlleistung steuert, sowie einen Endwärmetauscher (29,30) aufweist

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder sekundäre Hilfskreis (III) ein Bündel Wärmetauscherrohre (24) enthält, die in dem primären Natriumumlauf (1) vor dem Rohrbündel (12) für das Natrium des sekundären Kreises (II) angeordnet sind.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundäre Hilfskreis (III) hinter dem Auslaß seines Wärmetauscher-Rohrbündels (24) in Serie zumindest eine Gasturbine (26), einen End-Wärmetauscher (30) und einen von der Turbine angetriebenen Kompressor (38) enthält.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der End-Wärmetauscher (29, 30) des sekundären Hilfskreises (IiI) ein mit Luft unter natürlichem Zug gekühlter Kühler ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der End-Wärmetauscher (29, 30) des sekundären Hilfskreises (III) ein luftgekühlter Kühler (30) mit Zwangsbelüftung (Lüfter 36) ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der End-Wärmetauscher (29, 30) ein mit Wasser gekühlter Kühler ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbine (26) auch einen elektrischen Generator (44) antreibt, der in einem besonderen Netz (4Ci) den Lüfter (36) des zwangsbelüfteten Kühlers (30) oder die Wasserpumpe des mit Wasser gekühlten Kühlers speist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbine (26) auch zumindest eine der Pumpen (10) tür das Primärkreis-Natrium, zumindest eine der Pumpen (18) für das Sekundär-Natrium und auch eine der den Dampferzeuger des Reaktors speisenden Hauptoder Hilfs-Wasserpumpen antreibt.