DE2625543C3

DE2625543C3 - Reaktoranlage

Info

Publication number: DE2625543C3
Application number: DE2625543A
Authority: DE
Inventors: Kaare Västerås Hannerz
Original assignee: ASEA Atom AB
Current assignee: Westinghouse Electric Sweden AB
Priority date: 1975-06-10
Filing date: 1976-06-05
Publication date: 1981-12-10
Also published as: FI761656A; CA1070860A; SE7506606L; FI63128B; SE391058B; FI63128C; DE2625543B2; FR2314559B1; DE2625543A1; FR2314559A1; DK258376A; CH607856A5

Description

Die Erfindung betrifft eine Reaktoranlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruches I. Eine solche Reaktoranlage ist bekannt aus der Druckschrift »The American Nuclear Society Transactions« 1973, Vol. 20, S. 733 f. Es handelt sich dabei um eine Reaktoranlage, die in einem Fernheizwerk verwendet werden kann.

Bei der bekannten Reaktoranlage besteht die Möglichkeit, eine Notkühlung vorzunehmen, bei der das Bassin als Wärmesenke dient. Dies geschieht durch die Betätigung zweier Ventile, wobei das Wasser des Bassins durch eine Einlauföffnung in den Primärkühikreis des Reaktors strömt, während Dampf und warmes Wasser durch eine Ablauföffnung aus dem Primärkühlkreis herausströmen. Diese bekannte Anordnung hat den Nachteil, daß die ordnungsgemäße Funktion der Notkühlung von der Verlagerung und der korrekten Positionierung der Ventilkörper zweier Ventile abhängt

ίο Aus der DE-AS 23 57 893 ist es bei einem Notkühlsystem für einen Reaktor bekannt, boriertes Wasser als Kühlmittel in den Reaktordruckbehälter einzuspeisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die

iä bekannte Reaktoranlage in der Weise weiterzuentwikkeln, daß das Notkühlsystem unmittelbar durch ein Nachlassen der Zirkulation im Primärkreislauf selbsttätig in Gang gesetzt wird.

Diese Aufgabe wird bei der Reaktoranlage nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.

Durch die Erfindung erhält man eine Reaktoranlage, bei der das bloße Nachlassen der Zirkulation im Primärkreislauf da,s Notkühlsystem in Gang setzt, gleichgültig welche Temperaturen tatsächlich im Reaktorkern herrschen. Zu diesem Zweck wird zur Trennung des Bassinwassers vom Wasser des Primärkreislaufes zumindest ein Gaskissen verwendet, welches oberhalb der Abflußkammer des Reaktorkerns vorhanden ist. Ein solches Gaskissen hat zugleich den Vorteil, daß die Funktion der Trennvorrichtung von der Funktionsfähigkeit beweglicher Ventilteile, elektrischer oder hydraulischer Betätigungskreise od. dgl. unabhängig ist. Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung wird die temperatur- und leistungsvermindernde Wirkung des Bassinwassers dadurch wesentlich erhöht, daß diesem in an sich bekannter Weise neuironenabsorbierende Mittel zugesetzt werden.

Anhand eines in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Figur zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung im Vertikalschnitt und die Darstellung des normalen Reaktorbetriebs.

Das gezeigte Ausführungsbeispiel ist besonders gut geeignet für die Wärmeerzeugung zur Heizung von Wohnungen und Arbeitsräumen, da die erzielte Sicherheit so hoch ist, daß die Reaktoranordnungen in der Nähe dichtbewohnter Gebiete errichtet werden können.

In der Figur bezeichnet 30 einen Reaktorkern, der aus mehreren vertikal angeordneten Brennelementenbündein 31 aufgebaut ist. Der Reaktorkern 30 ist von einem die Strömung steuernden Mantel 32 umgeben, der im Reaktorbehälter 44 aufgehängt ist, welcher in einem mit Wasser gefüllten Bassin 33 mit druckdichtem Deckel 33' untergebracht ist. Das Bassin und der Wärmeaustauscher sind in einem wasserdichten Bergraum angeordnet. Der Raum zwischen dem Mantel 32 und dem Reaktorbehälter 44 ist oben unter Bildung einer Einlaßkammer (56) geschlossen und mit einer Zuflußleitung 34 von dem Primarkreis eines an den Reaktorbe-

h5 halter angeschlossenen Wärmeaustauschers 35 verbunden, wobei die Einlaßkammer (56) mit dem Einlaufende 36 des Kerns in Verbindung steht. In der Höhe, in der die Grenzfläche /V' zwischen einem mit Wasser gefüllten

unteren und einem mit Gas gefüllten oberen Teil des Reaktorbehälters liegt, ist dieser Reaktorbehälter mit einem querschnittsengen Hals 37 versehen. Eine Abflußleitung 38 zu dem Primärkreis des Wärmeaustauschers 35 ist an eine Abflußkammer 57 angeschlossen, die zwischen dem Auslaufende 39 des Kerns und dem Niveau N' liegt. Die Abflußleitung 38 hat eine Verengung 55, vorzugsweise in Form eines Venturirohres. Eine Zirkulationspumpe 40 treibt Wasser durch den Reaktorkern und den Primärkreis des Wärmeaustauschers. Die Pumpe 40 wird von einem nicht dargestellten Wechselstrommotor angetrieben, dessen Drehzahl im wesentlichen von der Frequenz des Wechselstromnetzes bestimmt wird, wie beispielsweise bei einem Synchronmotor.

Oberhalb des Halses 37 besteht der Reaktorbehälter 44 aus einem gasgefüllten zylindrischen Abschnitt 41, dessen Volumen ungefähr gleich dem Volumen der in dem Reaktorbehälter eingeschlossenen Wassermenge entspricht Der obere Teil des Reaktorbehälters besteht aus einem langen Rohr 42, welches mit Gas gefüllt ist und einen lichten Querschnitt hat, der etwas größer als der des Halses 37 ist. Das Rohr 42 ist am oberen Ende offen und derart von einer Kappe 43 umgeben, daß sich ein Gasschloß bildet, bei dem die Grenzfläche zwischen Gas und Wasser mit N" bezeichnet ist Der Niveauunterschied N"— N' ist mit H bezeichnet. Das in die Behälterteile 37, 41, 42, 43 eingeschlossene Gas bildet ein oberes Gaskissen 45. Am unteren Ende des Reaktorbehälters 44 befindet sich ein unteres Gaskissen 46 in einem unteren Gasschloß, zu dem ein am Bassinboden befestigter Hohlzylinder 47 gehört Die Höhe des unteren Gaskissens ist im Verhältnis zu der des oberen vernachlässigbar. Das Verhältnis dieser Höhen beträgt weniger als V20. Die Aufgabe des unteren Gasschlosses besteht allein darin zu verhindern, daß sich das Bassinwasser bei normalem Betrieb mit dem Reaktorwasser vermischt. Man kann die Verbindung zwischen dem Bassinwasser und dem unteren Ende des Reaktorbehälters auch ohne Gaskissen in Form mehrerer relativ dünner Rohre ausführen.

Der Druck am Kernauslauf ist niedriger als der des umgebenden Bassinwassers, während der Druck am Kerneinlauf derselbe ist wie der des umgebenden Bassinwassers. Bei Inbetriebnahme werden die Pumpen gestartet, und dem oberen Gaskissen 45 wird gleichzeitig Gas zugeführt. Das Wasserniveau des Reaktorbehälters über dem Kern sinkt danach auf das Betriebsniveau N' und hält sich dort im allgemeinen unabhängig von den Temperaturverhältnissen im Zirkulationssystem. Der Reaktor wird danach kritisch gemacht, und durch den Zusatz von reinem Wasser zu dem mit Bor versehenen Wasser im Zirkulationskreis wird seine Leistung dann erhöht. Eine entsprechende Menge mit Bor versehenen Wassers wird einem Vorratsbehälter zugeführt. Das Bassin 33 hat eine bei normalem Betrieb geschlossene Transportschleuse 54 für Brennelementbündel. Das in den Reaktorbehälter 44 und den Wärmeaustauscher eingeschlossene Wasser hat eine relativ niedrige Konzentration eines neutronenabsorbierenden Stoffes, r. B= Borsäure, während das im Bassin 33 befindliche Wasser 48 eine um viele Male größere Konzentration desselben Stoffes hat. Die Konzentration des Bassinwassers muß wenigstens so hoch sein, daß ein vollständiges Ersetzen des Wassers im Primärsystem des Reaktors mit Wasser aus dem Bassin bei normalem Betrieb zur Folge hat, daß die Leistung des Reaktors um 25¹Vd herabgesetzt wird. Wird eine große Sicherheit gefordert, so wird die Konzentration so hoch gewählt, daß das Ersetzen nur eines Bruchteils, beispielsweise weniger als ¹A, der normalen Wassermenge des Primärsystems mit Bassinwasser genügt, um die Reaktorleistung auf Null zu reduzieren.

Die Reaktivitätskontrolle des Reaktors wird durch in der Figur nicht gezeigte Ventile erreicht, indem man den Primärkreis des Wärmeaustauschers 35 entweder an eine Speiseleitung für reines Wasser oder an eine Speiseleitung für mit Bor versehenes Wasser anschließt, wenn eine Reaktivitätsveränderung gewünscht wird.

Der dem normalen Reaktorbetrieb entsprechende, in der Figur dargestellte Zustand kann nur aufrechterhalten werden, wenn die Pumpe 40 in Betrieb ist und der durch den Reaktorkern 30 gepumpte Wasserstrom eine solche Größe hat, daß der Druckabfall über dem Reaktorkern, ausgedrückt in Meter Wassersäule, mit dem Niveauunterschied N"—N' übereinstimmt. Wenn der von der Pumpe 40 getriebene Wasserstrom aus irgendeinem Grunde aufhört, so hat dies zur Folge, daß die in den oberen Teilen 37,41,42 ■ ^:,»;s Reaktorbehälters 44 vorhandene Gasmenge 45 in den Baisinraum gepreßt wird, während ein entsprechendes Volumen an Bassinwasser mit einer relativ hohen Borsäurekonzentration gleichzeitig dem Reaktorbehälter 44 über dessen untere Öffnung zugeführt wird und das Gas in dem unteren Gaskissen 46 verschwindet Bei der Borsäurekonzentration, die normalerweise verwendet wird, ist ein Abschalten des Reaktors die Folge. Dadurch, daß der Kern mit dem Bassin sowohl oben wie unten über große Strömungsquerschnitte verbunden ist, ist die Nachleistungskühlung für lange Zeit sichergestellt Das Bassinwasser hat nämlich eine relativ niedrige Temperatur, da der Reaktorbehälter 44 und die Rohre 34 und 38 mit in der Zeichnung nicht gezeigten wärmeisolierenden Schichten versehen sind.

Auch eine verhältnismäßig kleine Verringerung des Pumpenflusses z. B. eine Verringerung um 20%, kann ein Abschalten des Reaktors auslösen, wenn die Borsäurekonzentration hoch genug ist oder zumindest eine im Hinblick auf die Sicherheit ausreichende Leistungsherabsetzung ergibt. Auf der anderen Seite ist es vorteilhaft, wenn kleine Pendelungen im Pumpenfluß stattfinden können, ohne daß dem Zirkulationskreis vom Bassin Borsäure zugeführt wird. Dies wird dadurch erreich'., daß der Reaktorbehälter 44 beim Niveau N' mit einem verhältnismäßig kleinen Querschnitt ausgeführt wird. Der Reaktor soll bei normalem Betrieb so arbeiten, daß kein Sieden stattfindet und im Bassinraum vorzugsweise Oberdruck herrscht, weshalb das vom Reaktorbehälter ausgehende Wasser zweckmäßigerweise eine Temperatur von 90—200° C hat

Wie bereits erwähnt, ist die gezeigte Reaktoranlage oh"c das Eingreifen äußerer Sicherheitssysteme bei Ausfall des Stromnetzes, beim Versagen der Pumpen und allen Arten von Rohrbrüchen im P/imärkühlkreis des Reaktorkernes dadurch geschützt, daß eine Verringerung des durch den Zirkulationskreis strömenden Wasserfle.sses ein Abstellen der Kettenreaktion oder eine stark«. Reduzierung der Reaktorleistung zur Folge hat Um eine weitere Erhöhung der Sicherheit zu erreichen, ist die Reaktoranlage außerdem mit einer Schutzanordnung versehen, die ohne das Eingreifen äußerer Sicherheitssysteme anspricht, wenn die Temperatur im Reaktorkern aus irgendeinem Grunde, wie z. B. durch Betätigung des Reaktivitätssystems in Sabotageabsicht, zu hoch werden sollte.

Einen solchen Schutz erhält man dadurch, daß die

Zufuhrleitung 38 für den Wärmeaustauscher mit einer Verengung 55 in Form eines Venturirohres versehen ist. Bei normalem Betrieb befindet sich das Kühlwasser — trotz des in der Verengung herrschenden niedrigeren Druckes — nur in flüssiger Phase. Eine Druckerhöhung erfolgt in der Rückgewinnungsstrecke des Venturirohres. Der resultierende Druckverlust wird daher unbedeutend.

Wenn die Leistung des Reaktors auf einen unzulässigen Wert erhöht wird, steigt die Temperatur des abgehenden Kühlwassers ständig an. Schließlich kommt es zur Dampfbildung im Hochgeschwindigkeitsabschnitt des Venturirohres. wodurch der Druckverlust hier vervielfacht wird. Gleichzeitig wird ein wirksamer Druckaufbau im Rückgewinnungsabschnitt verhindert. Der Druckverlust im Zirkulationskreis nimmt daher kräftig zu, und man erhält eine von der Pumpen-Kennlinie abhangige FiuBverminuerung, die auf die uueii beschriebene Weise zu einem Abschalten des Reaktors oder zu einer starken Leistungsreduktion führt.

Statt die Leitung 38 mit der Verengung 55 zu versehen, kann man die Leitung mit einem Abschnitt versehen, dessen höchster Punkt mindestens zwei, am besten mehr als zehn Meter über dem höchsten Punkt des Wärmeaustauschers liegt. Sollte die Wassertemperatur zu stark steigen, so wird ein Sieden zuerst in dem ■■> am höchsten liegenden Punkt stattfinden, was einen verringerten WasserfluB durch die Pumpe zur Folge hat. Da bei der Reaktoranlage nach der Erfindung die Reaktivitätskompensation durch Borsäure erfolgt, sind Steuerstäbe im üblichen Sinne grundsätzlich nicht

i» erforderlich. Für eine längerfristige Abschaltung des Reaktors können daher andere geeignete Vorrichtungen vorgesehen werden.

Das Gas in dem oberen Gaskissen 45 kann zweckmäßigerweise Wasserdampf sein, der kontinuier-

Π lieh von einer vorzugsweise elektrisch arbeitenden Siedeeinrichtung zugeführt wird, die in dem Reaktorbehälter, beispielsweise in dem Mantel 32, angeordnet sein kanu. L/<rt" DdiVtpi ΚαΓιΠ 3l/C" SüCh VG" SüwCPi U₁^Cr C!HC besondere Dampfleitung zugeführt werden.
Statt der Kombination von Zirkulationspumpe 40 und Verengung 55 kann eine Strahlpumpe verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Reaktoranlage mit einem in einem Reaktorbehälter eingeschlossenen leichtwassergekühlten Reaktorkern, der an eine Einlaßkammer und eine Abflußkammer für Kühlwasser angeschlossen ist, mit einem Wärmeaustauscher, mit einem wassergefüllten Bassin, mit einer die Abflußkammer und den Wärmeaustauscher verbindenden Abflußleitung, mit einer die Einlaßkammer und den Wärmeaustauscher verbindenden Zuflußleitung und mit einer Zirkulationspumpe für den Primärkreis, wobei der Reaktorbehälter in dem Bassin angeordnet ist, die Einlaßkammer eine Eintrittsöffnung für Bassinwasser in der Wand des Reaktorbehälters hat und das Kühlwasser in der Abflußkammer bei normalem Betrieb mittels einer mit aufhebbarer Trennwirkung ausgeführten Trennvorrichtung vom Bassinwasser getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genaüTiie Trennvorrichtung ein am oberen Ende des Reaktorbehäiters an das Bassinwasser grenzendes Gaskissen (45) enthält.

Z Reaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung (58) der Einlaßkammer (56) mit einem durch ein Gaskissen (46) gebildetes Schloß versehen ist.

3. Reaktoranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Gaskissens (45) bei normalem Betrieb größer ist als ein Viertel des Wasservolumens des Reaktorbelialters.

4. Reaktoranlage iv.ch einm der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorbehälter mit einem qaerschnittsengen Hals (37) an der Grenzfläche (N') zwischen dem Reaktorwasser und dem Gaskissen (45) ausgeführt ist.

5. Reaktoranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abflußleitung (38) zwischen Abflußkammer (57) und Wärmeaustauscher (35) mit einer Verengung (55), vorzugsweise in Form eines Venturirohres, versehen ist.

6. Reaktoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der höchste Punkt der Abflußleitung (38) mindestens zwei Meter höher als der höchste Punkt des Wärmeaustauschers (33) liegt.

7. Reaktoranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in dem oberen Gaskissen (45) Wasserdampf von einer hierfür vorgesehenen Siedeeinrichtung ist.

8. Reaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Primarkreis (40) eine Strahlpumpe ist.