DE1163991B - Kernreaktoranlage, bei der die Kuehlung des Reaktorkerns durch ein dampffoermiges Arbeitsmittel erfolgt - Google Patents

Description

• Kernreaktoranlage, bei der die Kühlung des Reaktorkerns durch ein dampfförmiges Arbeitsmittel erfolgt Es ist bereits bekannt, die in einem Atomkernreaktor erzeugte Wärme mit Hilfe eines dampfförmigen Mediums, insbesondere Wasserdampf, abzuführen. Dabei wird der im allgemeinen als Sattdampf in den Reaktor eingeleitete Dampf überhitzt und hierauf in zwei Teilmengen aufgeteilt. Die eine Teilmenge wird zur Arbeitsleistung in einer Kondensationsturbine expandiert und das Kondensat einer Verdampfertrommel oder einem Einspritzkühler zugeführt, in den auch die restliche Menge des überhitzten Dampfes eingeleitet wird. Die Verhältnisse müssen dabei so gewählt werden, daß durch die Rückkühlung der gesamten restlichen Menge auf Sattdampftemperatur eine der ersten Teilmenge entsprechende Flüssigkeitsmenge verdampft wird. Hierbei muß also die gesamte, den Reaktor durchsetzende Dampfmenge mittels eines Gebläses umgewälzt werden. Dieses bereits beim Löfflerkessel angewandte Prinzip hat den Nachteil, daß ein Umwälzgebläse mit beträchtlicher Leistung erforderlich ist.
• Die Erfindung bezweckt nun, die für das Umwälzgebläse erforderliche Leistung mindestens um einen Bruchteil zu verringern und zudem den Wirkungsgrad der Anlage zu erhöhen. Sie betrifft eine Kernreaktoranlage, bei der die Kühlung des Reaktorkerns durch ein dampfförmiges Arbeitsmittel erfolgt, wobei der gesamte Dampfstrom in zwei Teilströme aufgeteilt ist, von denen der eine Teilstrom als Nutzdampf eine Arbeitsmaschine antreibt, in der er entspannt und anschließend kondensiert wird, während der zweite Teilstrom mittels eines Gebl'ases umgewälzt und unter Verdampfung des Kondensates im ersten Teilstrom zurückgekühlt wird, indem der genannte zweite Teilstrom als Primärmittel durch einen Oberflächenwärmeaustauscher und anschließend durch das Gebläse strömt und das Turbinenkondensat des ersten Teilstromes nach Durchströmen einer Druckpumpe als Sekundärmittel, durch den Oberflächenwärmeaustauscher strömt, in diesem wenigstens teilweise verdampft und dem zweiten Teilstrom hinter dem Gebläse beigemischt wird.
• Diese Kernreaktoranlage ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle im Reaktorkern strömungsmäßig in zwei Gruppen zusammengefaßt sind, von denen der einen Gruppe die Spaltstoffelemente in einem zentralen und der anderen Gruppe die Spaltstoffelemente in einem peripheren Bereich zugeordnet sind und der Dampf aus den peripheren Kühlkanälen, der als Nutzdampf die Arbeitsmaschine antreibt, mit höherer Temperatur eintritt als .der Dampf aus den zentralen Kühlkanälen.
• Bekanntlich benötigt die Turbine einen kleineren Anteil des im Reaktor überhitzten Dampfes, jedoch aus thermodynamischen Gründen mit möglichst hoher Temperatur. Für die Verdampfung werden hingegen große Mengen von Dampf benötigt, dessen Temperatur geringer sein kann, da hauptsächlich dessen Kondensationswärme benötigt wird. Durch die Maßnahme nach der Erfindung wird in vorteilhafter Weise gleichzeitig dem Bedürfnis der Turbinenanlage wie auch den Gegebenheiten im Reaktor entsprochen. Da nämlich die Wärmeentwicklung im Zentrum des Reaktors am größten ist, . entsteht hier ein größeres Temperaturgefälle als in der Randzone, so daß zur Vermeidung einer Wärmebeschädigung des Reaktors das Kühlmittel hier, mit einer niedrigeren Temperatur austreten muß. ingegen kann in der Randzone das Kühlmittel auf eine höhere Temperatur erhitzt werden, da hier zufolge geringerer Wärmeentwicklung das Temperaturgefälle im Spaltstoff und in dessen Umhüllungen geringer ist.
• Es ist eine Kernreaktoranlage mit Wasserdampfkühlung des Reaktors bekannt, bei der das Kondensat in einem Wärmeaustauscher verdampft und in einem Ejektor mit dem umlaufenden, die Verdampfung bewirkenden Wasserdampf vermischt wird. Bei dieser Anlage muß die Umwälzenergie vom Kondensat geliefert werden, jedoch zufolge des Ejektors mit schlechtem Wirkungsgrad. Außerdem ist hier keine Aufteilung der Strömungen im Reaktor, wie sie anmeldungsgemäß vorgesehen ist, vorgesehen.
• Es ist auch bereits bekannt, der verschiedenen Temperaturentwicklung in den einzelnen Zonen eines Reaktorkernes dadurch entgegenzuwirken, daß das Kühlmittel in diese Zonen mit verschiedenen Temperaturen eingeführt wird. Bei der bekannten Ausführungsform tritt das Reaktorkühlmittel auch mit verschiedenen Temperaturen aus den einzelnen Zonen des Reaktorkernes heraus. Die einzelnen Teils4römungen werden nach dem Austritt aus dem Kern bei der bekannten Ausführungsform miteinander vermischt, was aus thermodynamischen Gründen nachteilig ist.
• Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden, an Hand der Zeichnung erläuterten Ausführungsbeispielen.
• Die F i g. 1 bis 8 zeigen schematisch die Schaltung verschiedener Reaktoranlagen nach der Erfindung, wobei entsprechende Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen sind.
• Gemäß der F i g. 1 wird von der aus einem Reaktor austretenden Arbeitsmittelströmung an Abzweigstellen 2 eine Teilströmung abgezweigt und durch eine Rohrleitung 3 einer Dampfturbine 4 zugeführt. In der Dampfturbine 4 erfolgt eine Entspannung des abgezweigten Dampfes, der darauf in einem Kondensator 5 kondensiert wird. Eine Speisepumpe 6 entnimmt das flüssige Kondensat dem Kondensator 5 und fördert es in einen durch einen Oberflächen-Wärmeaustauscher 7 gebildeten Verdampfer. Aus dem Wärmeaustauscher 7 gelangt der Arbeitsmitteldampf in eine Rohrleitung 10, die in eine in den Reaktor 1 führende Rohrleitung 8 mündet.
• Der restliche, aus dem Reaktor 1 austretende Dampf gelangt auf direktem Wege in den Wärmeaustauscher 7, in -dem er die Verdampfung des flüssigen Arbeitsmittels bewirkt. Der abgekühlte Dampf gelangt nach seinem Austritt aus dem Wärmeaustauscher 7 in ein Umwälzgebläse 9 und aus diesem in die Rohrleitung 8, wo er mit dem verdampften Arbeitsmittel aus der Rohrleitung 10 vermischt wird.
• Durch die Verwendung eines Oberlächen-Wärnteaustauschers zur Verdampfung der durch die Turbine geführten Arbeitsmittelntenge ist es möglich, dieselbe erst nach dem Gebläse 9 dem rückgekühlten Dampf beizumischen, so daß die Gebläseleistung zufolge der verringerten Fördermenge kleiner gehalten werden kann. Die Einstellung des Mengenverhältnisses der beiden aus dem Reaktor 1 austretenden Teilmengen, der der Turbine zugeführten und der in den Wärmeaustauscher gelangenden Arbeitsmittelmenge, kann durch an den Abzweigstellen 2 angeordnete Verteilventile von Hand oder durch eine Regelvorrichtung geschehen.
• Bei gleichen Temperaturen der Spaltstoffoberfiächen wird die Wärme in den im äußeren Kernbereich gelegenen Kühlkanälen mit im Durchschnitt kleineren Temperaturdifferenzen zwischen Spaltstoffoberfläche und Kühlmittel abgeführt, so daß letzteres mit einerhöheren Temperatur aus dem Reaktorkern austreten kann, als das aus dem zentralen Bereich kommende. Diesem Umstand wird durch die Anordnung der Abzweigstellen 2 in der aus den äußeren Kühlkanälen führenden Arbeitsmittelströmung Rechnung getragen.
• Bei der Ausführungsform nach F i g. 2 wird der Dampf dem Reaktorkern 1 mittels voneinander getrennten Zuleitungen 11 und 12 zugeführt. Es ist damit noch besser wie bei der Ausführungsform nach F i g. 1 möglich, den besonderen Verhältnissen der Wärmeerzeugung in einem Reaktor Rechnung zu tragen. Da zufolge des verschiedenen Neutronenflusses in zentral gelegenen Brennstoffteilen wesentlich mehr Wärme entsteht als in solchen, die in der Nähe der Peripherie des Reaktorkernes liegen, müssen die zentral gelegenen Spaltstoffteile stärker gekühlt werden als die äußeren. Dies ist gemäß F i g. 2 dadurch möglich, daß ein zweistufiges Gebläse 9a, 96 verwendet wird, wobei nach der ersten Stufe der zur Kühlung der im äußeren Bereich liegenden Spaltstoffteile dienende Dampf abgezweigt wird, während der Dampf nach der zweiten Stufe mit entsprechend höherem Druck über die Leitung 12 den Spaltstoffelementen im zentralen Bereich des Reaktorkernes zufließt und dessen Kühlkanäle mit entsprechend höherer Geschwindigkeit durchströmt.
• Die F i g. 3 zeigt eine Anlage, bei der die Aufteilung in die beiden Teilmengen des Dampfes bereits vor dem Eintritt in den Reaktor erfolgt. Um ein vorgeschriebenes Mengenverhältnis zu erreichen, müssen daher jedem der ausgangsseitig voneinander getrennten Leitungszweige eine entsprechende Anzahl von Kühlkanälen zugeordnet werden. Dieses Verhältnis kann natürlich noch durch ein an der Verzweigungsstelle 2 artgeordnetes Verteilventil in gewissen Grenzen geregelt werden.
• Mit der in F i g. 4 gezeigten Ausführungsform ist eine weitere Senkung der für den Antrieb des Umwälzgebläses erforderlichen Leistung möglich. Dies wird dadurch erreicht, daß die der Turbine zuzuführende Teilmenge des Dampfes an der Stelle 2 von der Verbindungsleitung zwischen dem Wärmeaustauscher und dem Gebläse abgezweigt wird.
• Die Anlage gemäß F i g. 5 unterscheidet sich von derjenigen nach F i g. 4 nur dadurch, daß die Nutzmenge vor dem Wärmeaustauscher abgenommen, ohne Rückkühlung nochmals durch den Reaktor geführt und hierauf der Arbeitsmaschine zugeleitet wird. Die Endüberhitzung des Nutzdampfes erfolgt hier wieder in Brennstoffelementen in einem peripheren Bereich des Reaktorkernes, bei denen infolge der geringeren Wärmeerzeugung eine höhere Austrittstemperatur des Dampfes zulässig ist.
• F i g. 6 zeigt eine Anlage mit einer zweistufigen Turbine 4a, 4 b und Zwischenüberhitzung des Arbeitsmittels im Reaktor. Dabei kann, wie bei 16 angedeutet, ein kleiner Teil des Speisewassers eingespritzt werden und so zur regelbaren Rückkühlung des Dampfes vor der Zwischenüberhitzung verwendet werden.
• Bei den Ausführungsformen der F i g. 7 und 8 schließlich wird die gesamte Dampfmenge nach der Vereinigungsstelle 8 in zwei in Serie geschalteten Durchgängen durch den Reaktorkern hindurchgeführt. Dabei kann, wie in F i g. 7 gezeigt, nach dem ersten Durchgang eine Rückkühlung des Dampfes in einem zusätzlichen Wärmeaustauscher 7a erfolgen, oder der Dampf kann gemäß F i g. 8 ohne Rückkühlung in einem zweiten Durchgang durch den Reaktor geführt werden.

Claims (7)

1. Patentansprüche: 1. Kernreaktoranlage, bei der die Kühlung des Reaktorkerns durch ein dampfförmiges Arbeitsmittel erfolgt, wobei der gesamte Dampfstrom in zwei Teilströme aufgeteilt ist, von denen der eine Teilstrom als Nutzdampf eine Arbeitsmaschine antreibt, in der er entspannt und anschließend kondensiert wird, während der zweite Teilstrom mittels eines Gebläses umgewälzt und unter Verdampfung des Kondensats im ersten Teilstrom zurückgekühlt wird, indem der genannte zweite Teilstrom als Primärmittel durch einen Oberflächen-Wärmeaustauscher und anschließend durch das Gebläse strömt und das Turbinenkondensat des ersten Teilstromes nach Durchströmen einer Druckpumpe als Sekundärmittel durch den Oberflächen-Wärmeaustauscher strömt, in diesem wenigstens teilweise verdampft und dem zweiten Teilstrom hinter dem Gebläse beigemischt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle im Reaktorkern strömungsmäßig in zwei Gruppen zusammengefaßt sind, von denen der einen Gruppe die Spaltstoffelemente in einem zentralen und der anderen Gruppe die Spaltstoffelemente in einem peripheren Bereich des Kerns zugeordnet sind, und der Dampf aus den peripheren Kühlkanälen, der als Nutzdampf die Arbeitsmaschine antreibt, mit höherer Temperatur austritt als der Dampf aus den zentralen Kühlkanälen.
2. 2. Kernreaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse mindestens zwei Stufen aufweist, die Beinuschung des zweiten Teilstromes nach der letzten Stufe erfolgt und nach der ersten Stufe eine bestimmte Dampfmenge entnommen und getrennt dem Reaktorkern zuzuführen ist.
3. 3. Kernreaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung des Dampfes in zwei Teilströme vor dem Eintritt des Dampfes in den Kernreaktor erfolgt und die für die Arbeitsmaschine bestimmte Nutzdampfmenge über die Kühlkanäle mit der höheren Austrittstemperatur direkt der Arbeitsmaschine zuströmt.
4. 4. Kernreaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung des Dampfes in zwei Teilströme in der Verbindungsleitung des zweiten Teilstromes zwischen dem Oberfiächenwärmeaustauscher und dem Gebläse erfolgt, und der Nutzdampf über die Kühlkanäle mit der höheren Austrittstemperatur direkt der Arbeitsmaschine zuströmt.
5. 5. Kernreaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nach dem Gebläse durch Mischung erzeugte Dampf durch den zentralen Kernbereich strömt und am Reaktoraustritt in zwei Teilströme aufgeteilt wird, von denen der eine zur weiteren Erhitzung durch die Kühlkanäle in den peripheren Bereich des Kerns strömt und danach der Arbeitsmaschine zugeführt wird.
6. 6. Kernreaktoranlage nach Anspruch 1, mit einer zweistufigen Arbeitsmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des aus dem zentralen Kernbereich austretenden Dampfes als Nutzdampf durch die erste Stufe strömt und danach zur Überhitzung durch die peripheren Bereiche des Reaktorkerns und anschließend durch die zweite Stufe strömt.
7. 7. Kernreaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der Mischstelle der beiden Teilströme hinter dem Gebläse die Gesamtdampfmenge in mindestens zwei in Serie geschalteten Durchgängen durch den Reaktorkern strömt und nach dem letzten Durchgang die Aufteilung in die beiden Teilströme erfolgt. B. Kernreaktoranlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf nach jedem der Durchgänge in einem besonderen Oberflächen-Wärmeaustauscher rückgekühlt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 792171; »Nuclear Engineering«, Bd. 4, 1959, H. 39, S. 246.