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Atomkernreaktoranlage mit heterogenem Reaktor mit Druckrohren Die
Erfindung bezieht sich auf eine Atomkernreaktoranlage mit heterogenem Reaktor, dessen
Reaktorkern mit Druckrohren versehen ist, durch die ein dampfförmiges Arbeitsmittel
zum Zwecke der überhitzung hindurchströmt, und dessen überhitztes Arbeitsmittel
teilweise zur Verdampfung flüssigen Arbeitsmittels außerhalb des Reaktors dient
und teilweise zur mechanischen Arbeitsleistung in einer Kraftanlage dient.
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Es ist bei derartigen Reaktoranlagen bekannt, ein im Bereich der Temperaturen
und der Drücke der Anlage verdampfbares Mittel als Arbeitsmittel zu verwenden, dieses
außerhalb des Reaktors durch aus dem Reaktor austretenden überhitzten Dampf zu verdampfen
und in Dampfform in den Reaktor einzuführen. Diese bekannten Anlagen haben den Nachteil,
daß die Temperaturen des austretenden Dampfes mit Rücksicht auf die Temperatur der
Spaltstoffelemente bzw. deren Umhüllungen verhältnismäßig niedrig gehalten werden
müssen und infolgedessen nur mäßige thermodynamische Wirkungsgrade erzielt werden.
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Reaktoren, bei welchen die Verdampfung im eigentlichen Reaktorkern
stattfindet, haben andererseits den Nachteil, daß wegen des großen Neutronen-Einfangquerschnittes
von leichtem Wasser entweder schweres Wasser oder angereicherter Brennstoff verwendet
werden muß. Beide Maßnahmen bedingen, daß ein derartiger Reaktor unwirtschaftlich
arbeitet.
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Um eine bedeutende Erhöhung der Temperatur des aus dem Reaktor austretenden
Arbeitsmitteldampfes und so eine Erhöhung des thermodynamischen Wirkungsgrades der
Anlage zu erzielen, werden erfindungsgemäß die Druckrohre in zwei Gruppen unterteilt,
von denen die erste Gruppe in der zentralen Zone des Reaktors angeordnet ist und
zur überhitzung des aus dem Verdampfer hereinströmenden Dampfes dient, und die zweite
Gruppe in der Randzone des Reaktors sich befindet und zur weiteren überhitzung des
Teiles des aus der Zentralzone ausströmenden Dampfes dient, der der Kraftanlage
zuzuführen ist.
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Die Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei einem bekannten
Reaktor mit Verdampfung des Arbeitsmittels außerhalb des Reaktorkernes durch den
zur Verdampfung des flüssigen Arbeitsmittels dienenden Dampf eine große Wärmemenge
in Kalorien zugeführt werden muß, wobei an die Temperatur dieses Teiles des Dampfes
keine hohen Anforderungen gestellt werden. Andererseits wird zur Arbeitsleistung
in der Turbine nur ein kleiner Anteil des im Reaktor überhitzten Dampfes herangezogen,
wobei jedoch dieser Anteil aus Gründen des Wirkungsgrades eine höchstmögliche Temperatur
aufweisen sollte. Weiter wird noch die Erkenntnis ausgenutzt, daß in einer Zentralzone
eines Reaktors eine große Wärmeentwicklung herrscht, wobei wegen des damit verbundenen
Temperaturgefälles das Kühlmittel relativ kühler bleiben muß als in einer Randzone,
wo die Wärmeentwicklung geringer ist.
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Die Erfindung wird an Hand einiger in. der Zeichnung schematisch dargestellter
Ausführungsbeispiele erläutert.
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In Fig. 1 ist ein Reaktor 1 mit Druckrohren 2 versehen, in welchen
nicht dargestellte Spaltstoffelemente angeordnet sind. Die Druckrohre sind zu Gruppen
a, b
zusammengefaßt und werden vom verdampften Arbeitsmittel, z. B. Wasserdampf,
durchströmt. Der Wasserdampf wird in die Druckrohre der Gruppe a durch ein Umwälzgebläse
3 und eine Rohrleitung 4 zugeführt und aus diesen durch ein Rohr 5 entnommen. Aus
dem Rohr 5 gelangt ein Teil des überhitzten Dampfes durch eine Rohrleitung 6 in
die Druckrohre der Gruppe b und weiter durch eine Rohrleitung 7 zur Turbine B. Aus
der Turbine gelangt das Arbeitsmittel in einen Kondensator 9, wird in diesem kondensiert
und in flüssigem Zustand durch eine Kondensatpumpe 10 über einen Vorwärmer 11 in
einen Arbeitsmittelbehälter 12 gefördert. Aus dem Arbeitsmittelbehälter
12
wird das flüssige Arbeitsmittel durch eine Speisepumpe 13 entnommen und durch eine
Rohrleitung 14 einer Einspritzstelle 15 zugeführt. EinTeil des aus den Druckrohren
der Gruppe a austretenden Dampfes wird von der Rohrleitung 5 in eine Rohrleitung
16 geführt, in welcher sich die Einspritzstelle 15, ein Flüssigkeitsabscheider 17
und das Umwälzgebläse 3 befinden. Eine Rohrleitung 18 mit einem Drosselorgan 19
verbindet den vor der Einspritzstelle 15 befindlichen Teil der Rohrleitung 16 mit
dem hinter dem Flüssigkeitsabscheider 17 befindlichen Teil dieser Rohrleitung und
umgeht die Einspritzstelle und den Flüssigkeitsabscheider 17. Der Flüssigkeitsteil
des Flüssigkeitsabscheiders ist mit einer Rohrleitung 20 versehen, welche in der
Verbindungsleitung zwischen dem Flüssigkeitsbehälter 12 und der Speisepumpe 13 mündet.
In der Rohrleitung 20 ist ein Drosselorgan 21 angeordnet, welches durch einen Regler
22 in Abhängigkeit von der Höhe des Flüssigkeitsspiegels im Flüssigkeitsabscheider
17 betätigt wird, und zwar derart, daß bei sich vergrößernder Höhe des Flüssigkeitsspiegels
das Drosselorgan 21 mehr geöffnet wird und umgekehrt. Der Regler 22 betätigt gleichzeitig
ein in der Rohrleitung 14 angeordnetes Drosselorgan 23.
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Ein Teil des aus den Druckrohren der Gruppe a austretenden überhitzten
Dampfes gelangt in die Rohrleitung 6, durch diese in die Druckrohre der Gruppe b,
wird noch weiter überhitzt und wird durch die Rohrleitung 7 der Turbine 8 zugeführt,
wo er mechanische Arbeit leistet. Nach seiner Entspannung in der Turbine 8 wird
der Dampf im Kondensator kondensiert und in den Behälter 12 gefördert. Der Rest
des überhitzten Dampfes aus der Druckrohrgruppe a wird durch die Rohrleitung 16
der Einspritzstelle 15 zugeleitet, wo er mit dem durch die Speisepumpe 13 zugeführten
flüssigen Arbeitsmittel vermischt wird. Der dabei entstandene Sattdampf kann durch
überhitzten Dampf aus der Rohrleitung 18 überhitzt werden. Der Dampf wird dann durch
die Rohrleitung 16, das Umlaufgebläse 3 und die Rohrleitung 4 den Druckrohren der
Gruppe a zugeführt, wo er weiter überhitzt wird. Der umverdampfte Teil des flüssigen
Arbeitsmittels wird im Flüssigkeitsabscheider 17 abgeschieden und durch die Rohrleitung
20 der Speisepumpe zugeführt. Die Ableitung des flüssigen Arbeitsmittels aus dem
Flüssigkeitsabscheider 17 wird durch den Regler 23 und das Drosselorgan 21 in Abhängigkeit
von der Höhe des Flüssigkeitsspiegels eingestellt. Der Regler 22 betätigt gleichzeitig
das Drosselorgan 23 in dem Sinne, daß bei einer erhöhten Ableitung aus dem Flüssigkeitsabscheider
17 die Zuführung von flüssigem Arbeitsmittel durch die Rohrleitung 14 verkleinert
wird und umgekehrt.
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Bei der beschriebenen Anlage erfolgt das überhitzen des Arbeitsmitteldampfes
im Reaktor in zwei aufeinanderfolgenden Stufen. Dabei ist die Austrittstemperatur
aus der ersten Stufe a verhältnismäßig gering, und erst bei der zweiten überhitzung
wird die im Reaktor höchstzulässige Temperatur erreicht. Das hat den Vorteil, daß
in den Spaltstoffelementen, welche in den Druckrohren der Gruppe a angeordnet sind,
eine große Temperaturdifferenz zwischen dem Spaltstoff und dem die Kühlung bewirkenden
Arbeitsmittel herrrscht, was die Wärmeströmung begünstigt. Die Druckrohre der Gruppe
a sind im Zentrum des Reaktors angeordnet, wo infolge der größeren Strahlungsdichte
eine größere Wärmeentwicklung herrscht. Gleichzeitig können die in den Druckrohren
der Gruppe a angeordneten, intensiv gekühlten Spaltstoffelemente mit verhältnismäßig
wärmeempfindlichen, für den Neutronenhaushalt günstigeren Umhüllungen z. B. aus
Aluminium oder Magnesium versehen sein. Die Druckrohre der Gruppe b, welche hingegen
nur eine Nachüberhitzung eines Teiles des Arbeitsmitteldampfes auf die Höchsttemperatur
bewirken, sind in einer Randzone des Reaktors, wo eine geringere Wärmeentwicklung
herrscht und daher höhere Temperaturen des Arbeitsmittels zulässig sind, angeordnet.
In den Randzonen des Reaktors ist nämlich zur Ableitung der durch die geringere
Strahlungsdichte bedingten kleineren Wärmeentwicklung ein kleineres Temperaturgefälle
zwischen Kühlmittel und Spaltstoff erforderlich, so daß das Kühlmittel eine höhere
Temperatur annehmen kann, ohne Gefahr zu laufen, daß die Spaltstoffelemente durch
überhitzung beschädigt werden. Da es sich nur um eine geringere Anzahl von Elementen
handelt, können die in den Druckrohren der Gruppe b angeordneten Spaltstoffelemente
mit wärmebeständigeren Umhüllungen z. B. aus austenitischen Stahl oder Zirkonium
versehen sein. Diese Umhüllungen sind für den Neutronenhaushalt des Reaktors zwar
nachteiliger, die Erhöhung des thermodynamischen Wirkungsgrades, welche dadurch
ermöglicht wird, rechtfertigt jedoch diese Maßnahme.
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Bei der vorliegenden Reaktoranlage wird also gleichzeitig eine intensive
Wärmeableitung aus dem mehr Wärme produzierenden Teil des Reaktors bei gleichzeitiger
Erzielung von Höchsttemperaturen des Arbeitsmittels erreicht.
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In Fig. 2 ist eine andere Ausführung der Reaktoranlage dargestellt.
Bei dieser Ausführung ist in der Rohrleitung 16 ein Verdampfer 30 angeordnet, in
welchen das flüssige Arbeitsmittel durch die Speisepumpe 13 eingespeist und durch
überhitzten Dampf aus der Rohrleitung 16 verdampft wird. Der dabei entstehende Saftdampf
kann wie im vorigen Falle durch Dampf aus der Rohrleitung 18 überhitzt werden und
wird dem Umwälzgebläse 3 zugeführt.
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Bei der Ausführung nach Fig. 3 wird das in den Reaktor einzuspeisende
Arbeitsmittel durch die Speisepumpe 13 über einen Vorwärmer 40 und ein Drosselorgan
41 einer Einspritzstelle 42 in der Rohrleitung 16 zugeführt. In der
Rohrleitung 16 ist hinter der Einspritzstelle 42 ein Temperaturmeßorgan 43 angeordnet,
dessen Meßsignal einem Regler 44 zugeführt wird, welcher das Drosselorgan
41 betätigt. Auf diese Weise wird eine gewünschte Temperatur des dem Reaktor zugeführten,
leicht überhitzten Dampfes eingehalten, indem durch den Regler 44 die zugeführte
Arbeitsmittelmenge in entsprechender Weise eingestellt wird.
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Obwohl bei den gezeigten Beispielen als Arbeitsmittel Wasser dient,
welches gleichzeitig als Kühlmittel im Reaktor wirkt und in einer Turbine mechanische
Arbeit leistet, kann das den Reaktor durchlaufende Mittel auch, wie es an sich bekannt
ist, in einem Wärmeüberträger seine Wärme an ein anderes Mittel abgeben, das diese
dem Verbraucher, welcher nicht eine Turbine zu sein braucht, zuführt. Als Druckrohre
sind die Rohre bzw. Teile des Reaktors gemeint, welche das Arbeitsmittel im Reaktor
führen. Diese sind normalerweise einem überdruck durch das Arbeitsmittel ausgesetzt,
was
aber nicht Bedingung ist. Die Spaltstoffelemente werden dabei
üblicherweise innerhalb der Druckrohre angeordnet, sie können sich jedoch auch außerhalb,
z. B. um die Druckrohre herum, befinden.