DE1147331B

DE1147331B - Nuclear reactor plant with heterogeneous reactor with pressure pipes

Info

Publication number: DE1147331B
Application number: DES68636A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Jakob Kaegi
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1960-05-17
Filing date: 1960-05-23
Publication date: 1963-04-18

Description

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.Nuclear reactor plant with heterogeneous reactor with pressure pipes Die The invention relates to an atomic nuclear reactor plant with a heterogeneous reactor, its The reactor core is provided with pressure pipes through which a vaporous working medium flows through it for the purpose of overheating, and its overheated working fluid partly used to evaporate liquid working medium outside the reactor and is partly used for mechanical work in a power plant.

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.It is known in such reactor systems, one in the range of temperatures and the pressures of the system to use vaporizable medium as a working medium, this to evaporate outside the reactor by superheated steam emerging from the reactor and to be introduced into the reactor in vapor form. These known systems have the disadvantage that the temperatures of the exiting steam with regard to the temperature of the Fissile material elements or their sheaths are kept relatively low must and consequently only moderate thermodynamic efficiencies can be achieved.

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.Reactors in which the evaporation takes place in the actual reactor core takes place, on the other hand, have the disadvantage that because of the large neutron capture cross-section of light water uses either heavy water or enriched fuel must become. Both measures mean that such a reactor is uneconomical is working.

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.To a significant increase in the temperature of the exiting the reactor Working fluid vapor and thus an increase in the thermodynamic efficiency of the To achieve system, the pressure pipes are divided into two groups according to the invention, the first group of which is located in the central zone of the reactor and serves to superheat the steam flowing in from the evaporator, and the second Group is located in the edge zone of the reactor and for further overheating of the Part of the steam flowing out of the central zone is used by the power plant is to be supplied.

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.The invention is based on the knowledge that in a known reactor with evaporation of the working medium outside the reactor core, a large amount of heat in calories must be supplied by the steam used to evaporate the liquid working medium, the temperature of this part of the steam not being subject to high requirements . On the other hand, only a small proportion of the steam superheated in the reactor is used for the work in the turbine, but this proportion should have the highest possible temperature for reasons of efficiency. The knowledge is also used that in a central zone of a reactor there is a great deal of heat development, and because of the associated temperature gradient, the coolant must remain relatively cooler than in an edge zone where the heat development is lower.

Die Erfindung wird an Hand einiger in. der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert.The invention is illustrated schematically with reference to some in. The drawing Embodiments explained.

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.In Fig. 1, a reactor 1 is provided with pressure pipes 2, in which not shown fissile material elements are arranged. The pressure pipes are combined into groups a, b and are used by the evaporated working fluid, e.g. B. water vapor flows through. The water vapor is fed into the pressure pipes of group a by a circulating fan 3 and a pipe 4 and removed from these through a pipe 5. From the pipe 5, part of the superheated steam passes through a pipe 6 into the pressure pipes of group b and further through a pipe 7 to the turbine B. The working medium passes from the turbine into a condenser 9, where it is condensed and in a liquid state a condensate pump 10 is conveyed into a working medium container 12 via a preheater 11. The liquid working medium is withdrawn from the working medium container 12 by a feed pump 13 and fed through a pipe 14 to an injection point 15. Part of the steam emerging from the pressure pipes of group a is led from the pipe 5 into a pipe 16 in which the injection point 15, a liquid separator 17 and the circulating fan 3 are located. A pipeline 18 with a throttle element 19 connects the part of the pipeline 16 located in front of the injection point 15 with the part of this pipeline located behind the liquid separator 17 and bypasses the injection point and the liquid separator 17. The liquid part of the liquid separator is provided with a pipeline 20, which in the connecting line between the liquid container 12 and the feed pump 13 opens. In the pipeline 20 a throttle element 21 is arranged, which is actuated by a regulator 22 depending on the height of the liquid level in the liquid separator 17, in such a way that the throttle element 21 is opened more as the height of the liquid level increases and vice versa. The regulator 22 simultaneously actuates a throttle element 23 arranged in the pipeline 14.

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.Part of the superheated exiting from the pressure pipes of group a Steam gets into the pipe 6, through this into the pressure pipes of group b, is further overheated and is fed through the pipe 7 to the turbine 8, where he does mechanical work. After its relaxation in the turbine 8 is the steam condenses in the condenser and conveyed into the container 12. The rest of the superheated steam from the pressure pipe group a is passed through the pipe 16 the injection point 15 is fed, where it is supplied with the by the feed pump 13 liquid working medium is mixed. The resulting saturated steam can pass through superheated steam from the pipe 18 can be superheated. The steam is then through the pipe 16, the circulation fan 3 and the pipe 4 the pressure pipes of the Group a supplied, where it is further overheated. The evaporated part of the liquid Working medium is separated in the liquid separator 17 and through the pipeline 20 fed to the feed pump. The discharge of the liquid working medium from the Liquid separator 17 is controlled by the controller 23 and the throttle element 21 adjusted by the height of the liquid level. The controller 22 operates simultaneously the throttle member 23 in the sense that with an increased discharge from the liquid separator 17 the supply of liquid working medium through the pipeline 14 is reduced will and vice versa.

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.In the system described, the working fluid vapor is overheated in the reactor in two successive stages. Where is the outlet temperature from the first stage a relatively low, and only overheating during the second the maximum permissible temperature in the reactor is reached. This has the advantage that in the fissile material elements, which are arranged in the pressure pipes of group a, a large temperature difference between the fissile material and the one causing the cooling Work equipment prevails, which favors the flow of heat. The pressure pipes of the group a are placed in the center of the reactor, where due to the greater radiation density there is greater heat development. At the same time, those in the pressure pipes the group a arranged, intensely cooled fissile material elements with relatively heat-sensitive, for the neutron budget more favorable coverings z. B. off Aluminum or magnesium. The pressure pipes of group b, which, however only a post-overheating of part of the working fluid vapor to the maximum temperature cause are in a peripheral zone of the reactor, where less heat is generated prevails and therefore higher temperatures of the work medium are permissible, arranged. In the edge zones of the reactor there is namely to discharge the through the lower Radiation density caused smaller heat generation and a smaller temperature gradient required between coolant and fissile material, so that the coolant has a higher Can assume temperature without running the risk of the fissile material elements through overheating. Because it's just a smaller number of items acts, the elements arranged in the pressure pipes of group b can with more heat-resistant covers z. B. austenitic steel or zirconium be provided. These envelopes are for the neutron budget of the reactor disadvantageous, the increase in the thermodynamic efficiency, which thereby is made possible, but justifies this measure.

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.In the case of the present reactor system, an intensive one is at the same time Heat dissipation from the more heat producing part of the reactor at the same time Achievement of maximum temperatures of the work medium reached.

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.In Fig. 2, another embodiment of the reactor system is shown. In this embodiment, an evaporator 30 is arranged in the pipe 16, in which the liquid working medium is fed in through the feed pump 13 and through superheated steam from the pipe 16 is evaporated. The resulting juice vapor can, as in the previous case, be overheated by steam from the pipe 18 and is fed to the circulating fan 3.

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.In the embodiment according to FIG. 3, the working medium to be fed into the reactor is fed by the feed pump 13 via a preheater 40 and a throttle element 41 to an injection point 42 in the pipeline 16. In the pipeline 16 behind the injection point 42, a temperature measuring element 43 is arranged, the measuring signal of which is fed to a controller 44 which actuates the throttle element 41. In this way, a desired temperature of the slightly superheated steam supplied to the reactor is maintained in that the amount of working medium supplied is set in a corresponding manner by the regulator 44.

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.Although water is used as the working medium in the examples shown, which at the same time acts as a coolant in the reactor and mechanically in a turbine Does work, the means passing through the reactor can also, as it is known per se is to give off its heat in a heat exchanger to another means, which this to the consumer, which does not need to be a turbine. As pressure pipes the pipes or parts of the reactor are meant that contain the working fluid in the reactor to lead. These are normally exposed to overpressure from the work equipment, What but is not a requirement. The fissile material elements are thereby usually arranged inside the pressure pipes, but they can also be outside, z. B. around the pressure pipes are located.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Atomic nuclear reactor plant with heterogeneous reactor, whose reactor core is provided with pressure pipes through which a vaporous working medium flows through it for the purpose of overheating, and its overheated working fluid partly used to evaporate liquid working medium outside the reactor and serves partly for mechanical work performance in a power plant, thereby characterized in that the pressure pipes are divided into two groups, of which the first group is located in the central zone of the reactor and designed for superheating of the steam flowing in from the evaporator and the second group in the Edge zone of the reactor is located and for further overheating of part of the Steam flowing out of the central zone serves to be fed to the power plant is.

2. Atomic core reactor according to claim 1, characterized in that the in the pressure pipes of the second group with more heat-resistant elements Wrappings are provided than those in the first group.

3. Nuclear reactor facility according to claim 1, characterized in that the pressure pipes in the second Group arranged fissile material elements contain enriched fissile material.

4. Nuclear reactor facility according to claim 1, characterized in that the part of the pressure pipes from the first group of escaping steam, which is used to evaporate liquid working medium serving working fluid vapor, an injection point (15) and a separator (17) for liquid working medium flows through.

5. Atomic nuclear reactor plant according to claim 1, characterized in that the part of the pressure pipes of the first group escaping vapor, which is used to evaporate liquid working medium, one behind the other an injection point for liquid working medium and a temperature measuring element (43), which via a regulator (44) is a feed line for liquid working medium to the injection point (42) arranged throttle member (41) actuated, flows through. In Considered publications: Atomkernenergie, Vol. 3, 1958, pp. 133 to 136; Nuclear Science and Engineering, Vol. 1, 1956, pp. 167-173.