DE10133895B4

DE10133895B4 - Wassergekühlter Reaktor mit überkritischem Druck des Kühlmittels und Stromversorgungsanlage

Info

Publication number: DE10133895B4
Application number: DE10133895A
Authority: DE
Inventors: Kazuyoshi Kataoka; Masahiro Ookawa; Eiko Fueki
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-07-14
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2021-07-13
Also published as: DE10133895A1; JP2002031694A; FR2811800A1; US6526115B2; FR2811800B1; CA2352914C; US20030012328A1; CA2352914A1

Abstract

Reaktor (27), gekühlt durch Wasser mit überkritischem Druck, mit:
einer Reaktorkammer (31), umfassend eine Außenhaut (28) zur Aufnahme von Kühlmittel mit unterkritischem Druck, sowie mindestens einem Endteil (29, 30,61, 65) zur Aufnahme von Kühlmittel mit überkritischem Druck, welches getrennt ist von dem Kühlmittel mit unterkritischem Druck in der Reaktorkammer;
mindestens einer Kernhalteplatte (32, 33) mit mehreren Durchgangsöffnungen (34), wobei die Kernhalteplatte in der Reaktorkammer angeordnet und darin befestigt ist, so dass, die Kernhalteplatte den Raum innerhalb der Reaktorkammer in einen Bereich mit überkritischem und einen Bereich mit unterkritischem Druck teilt;
mehreren Brennstoffleitungen (35), deren beide Enden an den Durchgangsöffnungen befestigt sind, wobei die offenen Enden in Verbindung mit dem Bereich mit überkritischem Druck stehen und wobei die Außenseite der Brennstoffleitungen in dem Bereich mit dem unterkritischen Druck angeordnet ist;
mehreren Kernbrennstoff-Anordnungen (36), welche in den Brennstoffleitungen angeordnet sind;
Mitteln (40) zum Einführen von Wasser mit überkritischem Druck in den Bereich mit überkritischem Druck;
Mitteln (41) zum Abziehen von Dampf mit überkritischem Druck, welcher in den Brennstoffleitungen erzeugt worden ist, aus dem Bereich mit überkritischem Druck heraus;
Mitteln (38) zum Einführen von Kühlmittel mit unterkritischem Druck in den Bereich mit unterkritischem Druck;
Mitteln (39) zum Abziehen von Kühlmittel mit unterkritischem Druck aus dem Bereich mit unterkritischem Druck;
mehreren Steuerstangen (43), welche so angeordnet sind, dass die Steuerstangen in den Bereich mit unterkritischen Druck angrenzend an die Brennstoffleitungen eingeführt werden können, und zwar durch die Außenhaut hindurch; und
einem Steuerstangenantrieb (44) zum Antreiben der Steuerstangen von außerhalb der Reaktorkammer.

Description

Diese Erfindung betrifft wassergekühlte (überkritische wassergekühlte Reaktoren) nukleare Reaktoren mit dem kritischen Druck des Kühlmittels sowie elektrische Stromversorgungsanlagen, welche solche nuklearen Reaktoren verwenden.
In der Technik sind nukleare Druckwasser-Reaktoren (PWR) und nukleare Siederwasser-Reaktoren (BWR) wohlbekannt und werden kommerziell betrieben. Ein typisches PWR-Kraftwerk weist Dampferzeuger außerhalb des Reaktors auf, welche eine Art von Wärmetauschern sind, wo Hitze von dem Primärkühlmittel übertragen wird, welches in dem PWR aufgeheizt wurde. Das Sekundärkühlmittel wird in den Dampferzeugern in Dampf umgewandelt. Der Dampf wird verwendet, um Dampfturbinen anzutreiben und so Elektrizität zu erzeugen. Ein typischer Druck in einer PWR-Reaktorkammer beträgt ungefähr 15 MPa, und das Primärkühlmittel hat an dem Auslass des PWR eine Temperatur von ungefähr 320°C. Ein typischer Druck des Sekundärkühlmittels an den Auslässen der Dampferzeuger beträgt ungefähr 7 MPa, und der Wirkungsgrad der typischen elektrischen PWR-Energieerzeugung beträgt ungefähr 35 Prozent.
Ein typisches BWR-Kraftwerk hat dagegen keinen externen Dampferzeuger. Dampf für die Dampfturbinen wird in dem BWR selbst erzeugt, und der Dampf an dem Auslass des BWR hat einen Druck von ungefähr 7 MPa und eine Temperatur von ungefähr 290°C. Der Wirkungsgrad des typischen elektrischen BWR-Kraftwerks beträgt ungefähr 35 Prozent.

Nukleare überkritische Druckwasser-Reaktoren, wie in 1 gezeigt, sind bekannt und entsprechen denen, die in der japanischen Patentanmeldungs-Veröffentlichung (Tokkai-Hei) 8-313664 beschrieben ist, deren Offenbarung hierin durch Bezug aufgenommen wird.

Mit Bezug auf 1 beinhaltet eine nukleare Reaktorkammer 22 einen Kern 23, wo die nukleare Reaktion abläuft. Der Kern 23 erhitzt Wasser mit überkritischem Druck in ein überkritisches Fluid mit einem Druck von ungefähr 25 MPa und einer Temperatur von ungefähr 450°C. Wasser mit einem Druck und einer Temperatur oberhalb der kritischen Punkte von 22,1 MPa und 374°C ist weder flüssig noch Dampf, verhält sich aber wie Dampf. Daher kann diese Art von Fluid im Folgenden als "Dampf" oder als "Dampf mit überkritischem Druck" bezeichnet werden.

Der Dampf mit überkritischem Druck wird dann zu einer Dampfturbine 7 über eine Hauptdampfleitung 24 geschickt. Die Dampfturbine 7 wird durch den Dampf gedreht und treibt einen elektrischen Energieerzeuger 8 an. Der Dampf wird dann in einem Kondensator 9 zu Wasser kondensiert. Das kondensierte Wasser wird dann auf einen überkritischen Punkt hochgepumpt durch eine Speisewasserpumpe 26 und über eine Speisewasserleitung 25 zu der nuklearen Reaktorkammer 22 zurückgeführt.

Der Wirkungsgrad der elektrischen Energieerzeugung in dem überkritischen wassergekühlten Reaktor beträgt ungefähr 40 Prozent und ist somit höher als der von PWRs und BWRs aufgrund des verbesserten Dampfzustands, der zu der Dampfturbine geführt wird. Der Dampfzustand des überkritischen wassergekühlten Reaktors ist jedoch immer noch niedriger als der von Wärmekraftwerken mit überkritischem Druck.

Außerdem sollte die Reaktorkammer des überkritischen wassergekühlten Reaktors dickere Wände haben aufgrund des höheren Drucks im Vergleich zu PWRs und BWRs. Die Wanddicke für einen überkritischen wassergekühlten Reaktor kann 1,5 mal so dick sein wie die eines PWR mit gleichem Durchmesser der Reaktorkammer.

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten überkritischen wassergekühlten Reaktor sowie eine verbesserte elektrische Stromversorgungsanlage zu schaffen, welche einen solchen nuklearen Reaktor verwendet, welche effizienter und ökonomischer arbeiten.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein überkritischer wassergekühlter Reaktor geschaffen, der Folgendes aufweist: eine Reaktorkammer mit: einer Außenhaut zur Aufnahme von Kühlmittel mit unterkritischem Druck, sowie mindestens einem Endteil zur Aufnahme von Kühlmittel mit überkritischem Druck, welches getrennt ist von dem Kühlmittel mit unterkritischem Druck in der Reaktorkammer; mindesten einer Kernhalteplatte mit mehreren Durchgangsöffnungen, wobei die Kernhalteplatte in der Reaktorkammer angeordnet und darin befestigt ist, so dass die Kernhalteplatte den Raum innerhalb der Reaktorkammer in einen Bereich mit überkritischem und einen Bereich mit unterkritischem Druck teilt; mehrere Brennstoffleitungen, deren beide Enden an den Durchgangsöffnungen befestigt sind, wobei die offenen Enden in Verbindung mit dem Bereich mit überkritischem Druck stehen und wobei die Außenseite der Brennstoffleitungen in dem Bereich mit dem unterkritischen Druck angeordnet ist; mehrere Kernbrennstoff-Anordnungen, welche in den Brennstoffleitungen angeordnet sind; Mittel zum Einführen vor Wasser mit überkritischem Druck in den Bereich mit überkritischem Druck; Mittel zum Abziehen von Dampf mit überkritischem Druck, welcher in den Brennstoffleitungen erzeugt worden ist, aus dem Bereich mit überkritischem Druck heraus; Mittel zum Einführen von Kühlmittel mit unterkritischem Druck in den Bereich mit unterkritischem Druck; Mittel zum Abziehen von Kühlmittel mit unterkritischen Druck aus dem Bereich mit unterkritischem Druck; mehrere Steuerstangen, welche so angeordnet sind, dass die Steuerstangen in den Bereich mit unterkritischen Druck angrenzend an die Brennstoffleitungen eingeführt werden können, und zwar durch die Außenhaut hindurch; und ein Steuerstangenantrieb zum Antreiben der Steuerstangen von außerhalb der Reaktorkammer.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Stromversorgungsanlage geschaffen, die Folgendes aufweist: (a) einen überkritischen wassergekühlten Reaktor, der Folgendes aufweist: eine Reaktorkammer mit: einer Außenhaut zur Aufnahme von Kühlmittel mit unterkritischem Druck, sowie mindestens einem Endteil zur Aufnahme von Kühlmittel mit überkritischem Druck, welches getrennt ist von dem Kühlmittel mit unterkritischem Druck in der Reaktorkammer; mindestens einer Kernhalteplatte mit mehreren Durchgangsöffnungen, wobei die Kernhalteplatte in der Reaktorkammer angeordnet und darin befestigt ist, so dass die Kernhalteplatte den Raum innerhalb der Reaktorkammer in einen Bereich mit überkritischem und einen Bereich mit unterkritischem Druck teilt; mehrere Brennstoffleitungen, deren beide Enden an den Durchgangsöffnungen befestigt sind, wobei die offenen Enden in Verbindung mit dem Bereich mit überkritischem Druck stehen und wobei die Außenseite der Brennstoffleitungen in dem Bereich mit dem unterkritischen Druck angeordnet ist; mehrere Kernbrennstoff-Anordnungen, welche in den Brennstoffleitungen angeordnet sind; Mittel zum Einführen von Wasser mit überkritischem Druck in den Bereich mit überkritischem Druck; Mittel zum Abziehen von Dampf mit überkritischem Druck, welcher in den Brennstoffleitungen erzeugt worden ist, aus dem Bereich mit überkritischem Druck heraus; Mittel zum Einführen von Kühlmittel mit unterkritischem Druck in den Bereich mit unterkritischem Druck; Mittel zum Abziehen von Kühlmittel mit unterkritischem Druck aus dem Bereich mit unterkritischem Druck; mehrere Steuerstangen, welche so angeordnet sind, dass die Steuerstangen in den Bereich mit unterkritischen Druck angrenzend an die Brennstoffleitungen eingeführt werden können, und zwar durch die Außenhaut hindurch; und ein Steuerstangenantrieb zum Antreiben der Steuerstangen von außerhalb der Reaktorkammer; (b) einer Hochdruckturbine, welche den Dampf mit überkritischem Druck aufnimmt, welcher aus dem Bereich mit überkritischem Druck des Reaktors abgezogen worden ist; (c) Mittel zum Abziehen eines Teils des Dampfes, der aus der Turbine mit höherem Druck hinausgelangt, um diesen Dampf in den Bereich mit unterkritischem Druck des Reaktors einzuführen; (d) eines Niedrigdruckturbine, welche das Kühlmittel mit unterkritischem Druck aufnimmt, welches aus dem Bereich mit unterkritischem Druck des Reaktors abgezogen worden ist; und (e) einen elektrischen Generator, welcher mittels zumindest einer der beiden Turbinen angetrieben wird.

Die oben genannten und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich aus der nun folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, welche im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen vorgestellt wird, in welchen:
1 ein Flussdiagramm einer elektrischen Stromversorgungsanlage ist, welche einen überkritischen wassergekühlten Reaktor aus dem Stand der Technik beinhaltet;
2A eine vertikale Längsschnittansicht einer ersten Ausführungsform eines überkritischen wassergekühlten Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2B eine teilweise vergrößerte schematische perspektivische Ansicht von einer der Brennstoffleitungen aus 2A ist;
2C eine vergrößerte Ansicht eines Endes von einer der Brennstoffleitungen und der benachbarten Teile aus 2A ist;
3A eine Querschnittsansicht entlang der Linie IIIA-IIIA in 2A ist;
3B eine vergrößerte Querschnittsansicht einer der Steuerstangen und der benachbarten Teile aus 2A ist;
4 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform einer elektrischen Stromversorgungsanlage mit dem überkritischen Wasserkühlreaktor aus 2A–3B ist;
5A eine vertikale Längsschnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines überkritischen wassergekühlten Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
5B eine vergrößerte Ansicht eines Teils A aus 5A ist;
6 eine vertikale Längsschnittansicht einer dritten Ausführungsform eines überkritischen wassergekühlten Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
7 eine vertikale Längsschnittansicht einer vierten Ausführungsform eines überkritischen wassergekühlten Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
In der folgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente, und wiederholte Beschreibungen werden vermieden.
Eine erste Ausführungsform eines überkritischen wassergekühlten Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben mit Bezug auf die 2A bis 3B. Wie in 2A gezeigt, weist der überkritische wassergekühlte Reaktor 27 eine Reaktorkammer 31 auf, welche eine Außenhaut 28 mit einer horizontalen Achse hat, einen Einlassverteiler 29 sowie einen Auslassverteiler 30. Der Einlassverteiler 29 und der Auslassverteiler 30 haben eine semisphärische Gestalt und sind mit gegenüberliegenden Enden der Außenhaut 28 verbunden. In dem Einlassverteiler 29 und dem Auslassverteiler 30 sind Kernhalteplatten 32 bzw. 33 angeordnet, um einen Einlassbereich 70 bzw. einen Auslassbereich 71 innerhalb der Reaktorkammer 31 zu schaffen.
Die Kernhalteplatten 32 und 33 können viele Durchgangsöffnungen 34 haben, und jede Durchgangsöffnung 34 hat in sich ein offenes Ende einer Brennstoffleitung 35 aufgenommen, wie in 2C gezeigt. Die Brennstoffleitungen 35 erstrecken sich horizontal zwischen den zwei Kernhalteplatten 32 und 33 und sind mit den Durchgangsöffnungen 34 der Kernhalteplatten 32 und 33 beispielsweise durch Schweißen verbunden und damit versiegelt. Eine Kernbrennstoffanordnung 36, welche ein Bündel von Brennstoffstangen (nicht dargestellt) aufweist, ist innerhalb jeder Brennstoffleitung 35 angeordnet, wie in 2B und 2C gezeigt. Alternativ kann eine Anzahl von Brennstoffanordnungen in Längsrichtung in jeder Brennstoffleitung 35 angeordnet sein.
Der Einlassverteiler 29 und der Auslassverteiler 30 haben eine Speisewasser-Zuführdüse 40 bzw. eine Hauptdampfauslassdüse 41. Wasser mit überkritischem Druck wird eingeführt in den Einlassbereich 70 durch die Speisewasser-Zuführdüse 40, und dann in die Brennstoffleitungen 35 durch die Durchgangsöffnungen 34 der Kernhalteplatte 32.
Das Wasser mit überkritischem Druck wird dort aufgeheizt in Dampf mit überkritischem Druck durch die Kernreaktion der Kernbrennstoffanordnungen 36 in den Brennstoffleitungen 35. Der Dampf mit überkritischem Druck fließt aus den Brennstoffleitungen 35 über die Durchgangsöffnungen 34 der Kernhalteplatte 33 in den Auslassbereich 71 und dann aus der Reaktorkammer 28 durch die Hauptdampf-Auslassdüse 41 heraus.
Die Temperatur des Wassers mit überkritischem Druck in dem Einlassbereich 70 ist unterhalb des pseudokritischen Punktes, während die Temperatur des Dampfes mit überkritischem Druck in dem Auslassbereich 71 oberhalb des pseudokritischen Punkts liegt.
Die Außenhaut 28 der Reaktorkammer 31 hat Kühlmitteleinlass- bzw. Auslassdüsen 38 und 39 in der Nähe der gegenüberliegenden Enden. Kühlmittel mit unterkritischen Druck wird in die Außenhaut 28 eingeführt außerhalb der Brennstoffleitungen 35 von der Einlassdüse 38. Das Kühlmittel mit unterkritischem Druck kann im Dampfzustand oder im Zweiphasen-Zustand aus Flüssigkeit und Dampf vorliegen. Das Kühlmittel mit unterkritischem Druck wird aufgeheizt mittels der Brennstoffleitungen 35 und fließt über die Auslassdüse 39 aus der Reaktorkammer 31 heraus.
Mehrere obere Stauscheiben 37a und untere Staubscheiben 37b sind abwechselnd und senkrecht zu den Brennstoffleitungen 35 mit im wesentlichen gleichen Abständen dazwischen in der Außenhaut 28 außerhalb der Brennstoffleitungen 35 angeordnet. Die oberen Stauscheiben 37 sind so angeordnet, dass ihre oberen Kanten die innere Fläche der Außenhaut 28 berühren und ihre unteren Kanten von der inneren Fläche der Außenhaut 28 beabstandet sind, während die unteren Stauscheiben 37 so angeordnet sind, dass ihre unteren Kanten die inneren Flächen der Außenhaut 28 berühren und die oberen Kanten von der inneren Fläche der Außenhaut 28 beabstandet sind. Das Kühlmittel mit unterkritischem Druck in der Außenhaut 28 fließt in Zickzack-Richtung aufgrund der Stauscheiben 37a und 37b, was die Ableitung von Hitze außerhalb der Brennstoffleitungen 35 verbessert.
Wie in den 2A, 3A und 3B gezeigt, durchdringen mehrere Steuerstangen 43 vertikal die Außenhaut 28 und werden angetrieben durch einen Steuerstangenantrieb 44, welcher oberhalb der Steuerstangen 43 angeordnet ist, um die Kernreaktion zu steuern. Die Steuerstangen 43 sind in Steuerstangenführungsröhren 42 angeordnet, welche die Außenhaut 28 durchdringen, wie in 3B gezeigt. Die Steuerstangen 43 und die Steuerstangenführungsröhren 42 sind zwischen den Brennstoffanordnungen angeordnet, welche jeweils in einer der Brennstoffröhren 35 angeordnet sind (wie in 2B gezeigt).
Die Brennstoffanordnungen 36 beinhalten neun innere Brennstoffanordnungen 36a, die als durchgehende Kreise in 3A dargestellt sind, 16 außere Brennstoffanordnungen 36b, welche als hohle Kreise in 3A dargestellt, sind und die Brennstoffanordnungen 36a unmittelbar umgeben, sowie 20 Reflektorbrennstoffanordnungen 36c, welche durch Kreise mit "x" in 3A dargestellt sind und die außeren Brennstoffanordnungen 36b umgeben. Die Anzahl der Brennstoffanordnungen jeder Art kann abhängig von der Ausgestaltung verändert werden.
In dieser Ausführungsform des überkritischen wassergekühlten Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung sind der Einlassverteiler 29 und der Auslassverteiler 30 sowie das Innere der Brennstoffleitungen 35 dem überkritischen Druck ausgesetzt, während die Außenhaut und die Steuerstangenführungsröhren dem unterkritischen Druck ausgesetzt sind. Die mechanischen Anforderungen für die Ausgestaltung der Wände der Außenhaut 28 und der Steuerstangenführungsröhren 42 sind weniger streng, verglichen mit den entsprechenden Teilen des überkritischen wassergekühlten Reaktors im Stand der Technik. Herstellungskosten für den überkritischen wassergekühlten Reaktor 27 können daher gesenkt werden.
Außerdem ist in dieser Ausführungsform des überkritischen wassergekühlten Reaktors 27 gemäß der vorliegenden Erfindung die Reaktorkammer 31 mit ihrer horizontalen Längsachse so angeordnet, dass der Schwerpunkt abgesenkt und die Widerstandskraft gegen Erdbeben verbessert ist. Außerdem können die Steuerstangen 43 leichter in den Kern unter Einwirkung der Schwerkraft eingeführt werden.
4 zeigt eine Ausführungsform einer elektrischen Stromversorgungsanlage, welche den überkritischen wassergekühlten Reaktor 27 nach 2A bis 3B verwendet. Die Hauptdampf-Auslassdüse 41 ist mit einer Hauptdampfleitung 47 verbunden, welche wiederum mit einem Einlass einer Hochdruck-Dampfturbine verbunden ist.
Der Auslass der Hochdruck-Dampfturbine 46 ist mit einer Rückkehr-Wiederaufheizungsleitung 59 verbunden, welche mit der Kühlmittel-Einlassdüse 38 verbunden ist. Ein Teil des Dampfes in der Hochdruck-Dampfturbine 46 wird an dem Auslass oder auf einer Zwischenstufe für Hochdruck-Speisewasserheizer 58 abgezogen, um Speisewasser aufzuheizen, wie später genauer beschrieben werden wird.
Die Kühlmittel-Auslassdüse 39 ist mit einer Leitung 50 für wiederaufgeheizten Dampf verbunden, welche ihrerseits mit einem Einlass einer Zwischendruckturbine 49 verbunden ist.
Der Auslass der Zwischendruck-Dampfturbine 49 ist mit einem Einlass einer Niederdruck-Dampfturbine 51 verbunden. Ein Teil des Dampfes in der Zwischendruckturbine 49 wird abgezogen an einem Auslass oder an einer Zwischenstufe für Niederdruck-Speisewasserheizer 55 oder für die Hochdruck-Speisewasserheizer 58, wo das Speisewasser aufgeheizt wird.
Der Auslass der Niederdruck-Dampfturbine 51 ist mit einem Kondensator 53 verbunden. Das in dem Kondensator 53 kondensierte Wasser wird nach oben gepumpt mittels einer Kondensat-Wasserpumpe 54 wird dann aufgeheizt in den Niederdruck-Speisewasserheizern 55, welche aufgeheizt werden durch einen Teil des Dampfes, welcher von der Niederdruck-Dampfturbine 51 abgezogen wird, und durch den Dampf, welcher von der Zwischendruck-Dampfturbine 49 abgezogen wird.
Das kondensierte Wasser wird dann hochgepumpt auf einen überkritischen Druck mittels einer Speisewasserpumpe 56, welche durch eine Speisewasser-Pumpenantriebsturbine 57 angetrieben wird, welche durch den Dampf gedreht wird, welcher durch die Zwischendruckturbine 49 zugeführt wird. Das Wasser, welches durch die Speisewasserpumpe 56 hochgepumpt wird, welches Speisewasser genannt wird, wird weiter aufgeheizt durch die Hochdruck-Speisewasserheizer 58 und dann zu der Reaktorkammer 27 durch eine Speisewasserleitung 45 und die Speisewasser-Einlassdüse 40 zurückgeführt.
Die Rotorwellen der Hochdruck-, Zwischendruck- und Niederdruckturbinen 46, 49 bzw. 51 sind miteinander verbunden und mit einem elektrischen Stromgenerator 52. Der elektrische Stromgenerator 52 wird angetrieben durch die Dampfturbinen 46, 49 und 51.
In der in 4 dargestellten Ausführungsform wird der ausgeblasene Dampf von der Hochdruckturbine 46 wiederaufgeheizt in überheizten Dampf in der Außenhaut 28 der Reaktorkammer 27 und wird dann zu der Zwischendruckturbine geführt, um einen wiederaufgeheizten Zyklus zu bilden, welches die thermische Effizienz des Turbinensystems verbessert. Die Feuchtigkeit des Dampfes in den Turbinen wird außerdem gesenkt, und die Erosion der Turbinenschaufeln wird minimiert. Außerdem kann ein kompaktes Turbinensystem ausgestaltet werden aufgrund der hohen Dampftemperatur oder hohen spezifischen Energie.
In der in 4 gezeigten Ausführungsform sind fünf Niederdruck-Speisewasserheizer 55 und drei Hochdruck-Speisewasserheizer 58 in Serie entlang der Speisewasserleitung 45 angeordnet, aber die Anzahl der Speisewasserheizer kann sich ändern abhängig von der Ausgestaltung der Anlage.
Eine zweite Ausführungsform eines überkritischen wassergekühlten Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben mit Bezug auf die 5A und 5B. Diese Ausführungsform gleicht der ersten Ausführungsform in den 2A bis 3B, außer dass Adapter 60 zwischen den Brennstoffleitungen 35 und den Durchgangsöffnungen 34 der Kernhalteplatten 32 und 33 angeordnet sind.
Die Adapter 60 sind Schalenröhren und sind eingesetzt und verschweißt oder verschraubt in den Durchgangsöffnungen 34. Die Adapter 60 haben geneigte Abschnitte 72 mit vergrößerten Enden an den Einlass- oder Auslassbereichen 70 bzw. 71. Die Brennstoffleitungen 35 sind in die Adapter 60 eingesetzt. Die Adapter 60 sind aus geeignetem Material, welches weicher ist und einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als die Brennstoffleitungen 35.
In der in 5A und 5B gezeigten Ausführungsform ist es einfach, die Brennstoffleitungen 35 in die Adapter 60 einzuführen, und zwar aufgrund der vergrößerten geneigten Abschnitte 72. Außerdem ist es einfach, alle oder einige Brennstoffleitungen 35 aus den Adaptern 60 zu entfernen und sie gegen neue auszutauschen, wenn die Brennstoffleitungen 35 beschädigt sind. Es ist einfach, die Brennstoffanordnungen 36 zu ersetzen, weil sie zusammen mit den sie enthaltenden Brennstoffleitungen 35 ausgetauscht werden können.
Eine dritte Ausführungsform eines überkritischen wassergekühlten Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben mit Bezug auf 6. Diese Ausführungsform gleicht der zweiten Ausführungsform in 5A und 58 mit Ausnahme der folgenden Merkmale:
Die Reaktorkammer 80 hat einen Einlass-Auslass-Verteiler 61 und einen Zwischenverteiler 65 anstatt eines Einlassverteilers 29 und eines Auslassverteilers 30 ( 5A) .
Der Raum, der von dem Einlass-Auslass-Verteiler 61 und der Kernhalteplatte 32 umgeben ist, ist in einer Einlass- und einer Auslasskammer 63 bzw., 64 durch eine Trennplatte 62 geteilt. Die Speisewasser-Einlassdüse 40 und die Hauptdampf-Auslassdüse 41 sind mit der Einlasskammer 63 bzw. der Auslasskammer 64 verbunden.
Ein Ende jeder der mehreren Brennstoffleitungen 35a und 35b ist an der Kernhalteplatte 33 an dem Zwischenverteiler 65 befestigt und verbunden mit einem Zwischenbereich 81, welcher der semisphärische Bereich ist, welcher von dem Zwischenverteiler 65 gebildet wird. Andererseits ist an den anderen Enden der Brennstoffleitungen 35a und 35b, welche an der Kernhalteplatte 33 an dem Einlass-Auslass-Verteiler 61 angebracht sind, die obere Hälfte der Brennstoffleitungen 35a mit der Einlasskammer 63 und die untere Hälfte der Brennstoffleitungen 35b mit der Auslasskammer 64 verbunden.
Während des Betriebs wird Wasser mit überkritischem Druck in die Einlasskammer 63 durch die Speisewasser-Einlassdüse 40 eingeführt, und dann in die obere Hälfte der Brennstoffleitungen 35A über die Durchgangsöffnungen des oberen Teils der Kernhalteplatte 32. Das Wasser mit überkritischem Druck wird aufgezeigt in den Brennstoffleitungen 35A und fließt in den Zwischenbereich 81 über die Durchgangsöffnungen des oberen Teils der Kernhalteplatte 33. Das Wasser mit überkritischem Druck in dem Zwischenbereich 81 dreht sich dann herum und fließt in die untere Hälfte der Brennstoffleitungen 35b. Das Wasser mit überkritischem Druck wird weiter aufgeheizt in den Brennstoffleitungen 35b und fließt in die Auslasskammer 64 und fließt dann heraus aus der Reaktorkammer 80 durch die Hauptdampf-Auslassdüse 41.
Gemäß dieser Ausführungsform ist die effektive Länge der Brennstoffleitungen 35a und 35b die doppelte für eine gleiche Länge der Außenhaut 28, oder eine Ausgestaltung mit einer verkürzten Außenhaut 28 wird möglich.
Eine vierte Ausführungsform eines überkritischen wassergekühlten Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben mit Bezug auf 7. Diese Ausführungsform gleicht der dritten Ausführungsform in 6 mit der Ausnahme der folgenden Merkmale:
Jedes Paar der geraden Brennstoffleitungen 35a und 35b, welche mit der Einlasskammer 63 und der Auslasskammer 64 verbunden sind, sind wechselseitig mit einer halbkreisartig gebogenen Röhre 66 verbunden, um eine U-förmige Brennstoffleitung auszubilden. Alternativ können U-förmige Brennstoffleitungen durch Biegen von langen geraden Röhren hergestellt werden.
Der Zwischenverteiler 91 hat keine Kernhalteplatte und ist dem Kühlmittel unter unterkritischem Druck anstelle des Fluids mit dem überkritischen Druck ausgesetzt. Daher kann die Kühlmittel-Auslassdüse 39 an dem Zwischenverteiler 91 angeordnet sein, wie in 7 gezeigt. Die Brennstoffanordnungen und Steuerstangen sind in der Außenhaut 28 angeordnet oder in und um die geraden Brennstoffröhren 35a und 35b herum.
Während des Betriebs wird Wasser mit überkritischem Druck in die Einlasskammer 63 durch die Speisewasser-Einlassdüse 40 eingeführt und dann in die Brennstoffleitungen 35a. Dann fließt das Wasser mit überkritischem Druck durch die geraden Brennstoffleitungen 35a, die halbkreisartig gebogenen Röhren 66 und die geraden Brennstoffleitungen 35b. Das Wasser mit überkritischem Druck wird aufgeheizt in den geraden Bereichen der Brennstoffleitungen 35a und 35b. Dann fließt das Wasser mit überkritischem Druck in die Auslasskammer 64 und heraus aus der Reaktorkammer 90 durch die Hauptdampf-Auslassdüse 41.
Gemäß dieser Ausführungsform ist die effektive Länge der Brennstoffleitungen 35a und 35b doppelt für die gleiche Länge der Außenhaut 28, oder eine Ausgestaltung mit einer verkürzten Außenhaut 28 wird möglich, wie in der Ausführungsform nach 6. Gemäß dieser Ausführungsform kann außerdem die halbkreisförmig gebogene Röhre 66 die thermische Ausdehnung Brennstoffleitungen 35a, 66 und 35b absorbieren, so dass die mechanische Ausgestaltung leicht wird. Da außerdem der Zwischenverteiler 91 dem Kühlmittel unter unterkritischem Druck anstelle des Fluids mit überkritischem Druck ausgesetzt ist, kann die Wanddicke des Zwischenverteilers 91 reduziert werden im Vergleich mit der des Zwischenverteilers 65 in 6.
Verschiedene Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung sind möglich im Hinblick auf die oben genannten Ausführungen. Es ist daher selbstverständlich, dass innerhalb des Bereichs der nachfolgenden Ansprüche die Erfindung auch anders als hier genau beschrieben ausgeführt werden kann. Beispielsweise kann die Reaktorkammer sich in jeder Orientierung befinden, auch in einer aufrechten Orientierung, wo die Brennstoffleitungen im Wesentlichen vertikal verlaufen.

Claims

Reaktor (27), gekühlt durch Wasser mit überkritischem Druck, mit: einer Reaktorkammer (31), umfassend eine Außenhaut (28) zur Aufnahme von Kühlmittel mit unterkritischem Druck, sowie mindestens einem Endteil (29, 30, 61, 65) zur Aufnahme von Kühlmittel mit überkritischem Druck, welches getrennt ist von dem Kühlmittel mit unterkritischem Druck in der Reaktorkammer; mindestens einer Kernhalteplatte (32, 33) mit mehreren Durchgangsöffnungen (34), wobei die Kernhalteplatte in der Reaktorkammer angeordnet und darin befestigt ist, so dass, die Kernhalteplatte den Raum innerhalb der Reaktorkammer in einen Bereich mit überkritischem und einen Bereich mit unterkritischem Druck teilt; mehreren Brennstoffleitungen (35), deren beide Enden an den Durchgangsöffnungen befestigt sind, wobei die offenen Enden in Verbindung mit dem Bereich mit überkritischem Druck stehen und wobei die Außenseite der Brennstoffleitungen in dem Bereich mit dem unterkritischen Druck angeordnet ist; mehreren Kernbrennstoff-Anordnungen (36), welche in den Brennstoffleitungen angeordnet sind; Mitteln (40) zum Einführen von Wasser mit überkritischem Druck in den Bereich mit überkritischem Druck; Mitteln (41) zum Abziehen von Dampf mit überkritischem Druck, welcher in den Brennstoffleitungen erzeugt worden ist, aus dem Bereich mit überkritischem Druck heraus; Mitteln (38) zum Einführen von Kühlmittel mit unterkritischem Druck in den Bereich mit unterkritischem Druck; Mitteln (39) zum Abziehen von Kühlmittel mit unterkritischem Druck aus dem Bereich mit unterkritischem Druck; mehreren Steuerstangen (43), welche so angeordnet sind, dass die Steuerstangen in den Bereich mit unterkritischen Druck angrenzend an die Brennstoffleitungen eingeführt werden können, und zwar durch die Außenhaut hindurch; und einem Steuerstangenantrieb (44) zum Antreiben der Steuerstangen von außerhalb der Reaktorkammer.
Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorkammer eine Außenhaut (28), einen Einlassverteiler (29) an einem Ende der Außenhaut sowie einen Auslassverteiler (30) an dem anderen Ende der Außenhaut aufweist; zwei Kernhalteplatten (32, 33) mit mehreren Durchgangsöffnungen (34) vorgesehen sind, wobei eine der Kernhalteplatten (32) an dem Einlassverteiler und die andere an dem Auslassverteiler befestigt ist, so dass der Einlassverteilerbereich, der Auslassverteilerbereich und der Außenhautbereich dazwischen in der Reaktorkammer ausgebildet sind; und die mehreren Brennstoffleitungen (35) mit beiden offenen Enden an den Durchgangsöffnungen der Kernhalteplatten befestigt sind, um abgedichtete Kanäle von dem Einlassverteilerbereich zu dem Auslassverteilerbereich durch die Brennstoffleitungen zu formen.
Reaktor nach Anspruch 1, wobei die Reaktorkammer so angeordnet ist, dass die Brennstoffleitungen horizontal und die Steuerstangenführungsröhren im Wesentlichen vertikal angeordnet sind.
Reaktor nach Anspruch 1, wobei die Enden der Brennstoffleitungen die Durchgangsöffnungen durchdringen und daran befestigt sind, wobei Adapter (60) zwischen den Brennstoffleitungen und den Durchgangsöffnungen vorgesehen sind.
Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorkammer eine Außenhaut (28), einen Einlass-Auslass-Verteiler (61) an einem Ende der Außenhaut und einen Zwischenverteiler (65) an dem anderen Ende der Außenhaut aufweist; zwei Kernhalteplatten (32, 33) mit mehreren Durchgangsöffnungen vorgesehen sind, wobei eine der Kernhalteplatten (32) an dem Einlass-Auslass-Verteiler und die andere (33) an dem Zwischenverteiler befestigt ist, so dass ein Einlass-Auslass-Verteilerbereich, ein Zwischenverteilerbereich und ein Außenhautbereich dazwischen in der Reaktorkammer ausgebildet sind; eine Trennplatte (62) zum Trennen des Einlass-Auslass-Verteilerbereichs in eine Einlass- (63) und eine Auslasskammer (64) vorgesehen ist; und mehrere Brennstoffleitungen (35) vorgesehen sind, deren beide offene Enden an den Durchgangsöffnungen der Kernhalteplatten befestigt sind zum Ausbilden von abgedichteten Kanälen von der Einlasskammer zu dem Zwischenverteilerbereich und von dem Zwischenverteilerbereich zu der Auslasskammer über die Brennstoffleitungen.
Reaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Reaktorkammer (31) mit einer Außenhaut (28) und einem Einlass-Auslass-Verteiler (61) an einem Ende der Außenhaut; eine Kernhalteplatte (32) mit mehreren Durchgangsöffnungen, welche an dem Einlass-Auslass-Verteiler angebracht ist, so dass ein Einlass-Auslass-Verteilerbereich und ein Außenhautbereich in der Reaktorkammer ausgebildet werden; eine Trennplatte (62) zum Teilen des Einlass-Auslass-Verteilerbereichs in eine Einlasskammer (63) und eine Auslasskammer (64); und mehrere gekrümmte Brennstoffleitungen (66), deren beide offene Enden an den Durchgangsöffnungen der Kernhalteplatte befestigt sind, um abgedichtete Kanäle von der Einlasskammer zu der Auslasskammer über die Brennstoffkanäle auszuformen.
Elektrische Stromversorgungsanlage mit: (a) einem Reaktor, gekühlt durch Wasser mit überkritischem Druck, mit: einer Reaktorkammer (31), umfassend eine Außenhaut (28) zur Aufnahme von Kühlmittel mit unterkritischem Druck, sowie mindestens einem Endteil (29, 30, 61, 65) zur Aufnahme von Kühlmittel mit überkritischem Druck, welches getrennt ist von dem Kühlmittel mit unterkritischem Druck in der Reaktorkammer; mindestens einer Kernhalteplatte (32, 33) mit mehreren Durchgangsöffnungen (34), wobei die Kernhalteplatte in der Reaktorkammer angeordnet und darin befestigt ist, so dass die Kernhalteplatte den Raum innerhalb der Reaktorkammer in einen Bereich mit überkritischem und einen Bereich mit unterkritischem Druck teilt; mehreren Brennstoffleitungen (35), deren beide Enden an den Durchgangsöffnungen befestigt sind, wobei die offenen Enden in Verbindung mit dem Bereich mit überkritischem Druck stehen und wobei die Außenseite der Brennstoffleitungen in dem Bereich mit dem unterkritischen Druck angeordnet ist; mehreren Kernbrennstoff-Anordnungen (36), welche in den Brennstoffleitungen angeordnet sind; Mitteln (40) zum Einführen von Wasser mit überkritischem Druck in den Bereich mit überkritischem Druck; Mitteln (41) zum Abziehen von Dampf mit überkritischem Druck, welcher in den Brennstoffleitungen erzeugt worden ist, aus dem Bereich mit überkritischem Druck heraus; Mitteln (38) zum Einführen von Kühlmittel mit unterkritischem Druck in den Bereich mit unterkritischem Druck; Mitteln (39) zum Abziehen von Kühlmittel mit unterkritischem Druck aus dem Bereich mit unterkritischem Druck; mehreren Steuerstangen (43), welche so angeordnet sind, dass die Steuerstangen in den Bereich mit unterkritischen Druck angrenzend an die Brennstoffleitungen eingeführt werden können, und zwar durch die Außenhaut hindurch; und einem Steuerstangenantrieb (44) zum Antreiben der Steuerstangen von außerhalb der Reaktorkammer, (b) einer Hochdruckturbine (46), die den Dampf mit überkritischem Druck, der aus dem Bereich mit überkritischem Druck des Reaktors abgezogen worden ist, aufnimmt; (c) Mitteln (59) zum Abziehen eines Teils des Dampfes, der aus der Hochdruckturbine hinausgelangt, um diesen Dampf in den Bereich mit unterkritischem Druck des Reaktors einzuführen; (d) einer Niedrigdruckturbine (51), die das Kühlmittel mit unterkritischem Druck, das aus dem Bereich mit unterkritischem Druck des Reaktors abgezogen worden ist, aufnimmt; und (e) einem elektrischen Generator (52), welcher mittels zumindest einer der beiden Turbinen angetrieben wird.