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Die Erfindung betrifft eine Injektorpumpenanordnung für die Kühlmittelumwälzung
in nuklearen Dampferzeugern, insbesondere mit Siedewasserreaktoren mit im Reaktorfallraum
zwischen Kern und Druckgefäßwand angeordneten Zyklondampfabscheidern, die nach unten
Wasseraustrittsöffnungen besitzen und mit Injektorpumpen, die aus Treibdüse und
Fangdüse bestehen.
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Bei nuklearen Dampferzeugern, insbesondere bei Siedewasserreaktoren
für größere Leistungen, besteht das Problem, den erzeugten Dampf innerhalb des Reaktordruckgefäßes
aus dem siedenden Kühl- und Moderatorwasser abzuscheiden, ohne dabei einerseits
das sehr kostspielige, Druckgefäß für Dampfabscheidereinbauten zu vergrößern, und
ohne andererseits den Wirkungsgrad der Anlage durch große Druckverluste zu verschlechtern.
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Es sind nukleare `Dämpferzeuger bekannt, bei denen die Abscheidung
des Dampfes aus dem siedenden Kühl- und Moderatorwasser in Zyklonen erfolgt. Dabei
wird das Reaktorkühlmittel von außerhalb des Reaktordruckgefäßes angeordneten Zwangsumlaufpumpen
durch den Reaktorkern gepumpt. In den Zvklonen, durch die das Dampf-Wasser-Gemisch
gefördert wird, scheidet sich der Dampf durch die Fliehkraft ab.
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Da bei dem Betrieb eines Leistungsreaktors große Mengen des Kühlmittels
umgewälzt werden müssen, sind Umwälzpumpen, Rohrleitungen und Armaturen großer Abmessungen
außerhalb des eigentlichen Reaktordruckgefäßes erforderlich. Diese müssen im Reaktor-Umschließungsgebäude,
dem sogenannten Sicherheitsbehälter, untergebracht sein, da sie mit Reaktordruck
belastet., sind. Dadurch wird der zu umbauende Raum des Sicherheitsbehälters größer,
was Mehrkosten verursacht, und durch die großen mit Reaktordruck belasteten Teile
außerhalb des Reaktordruckgefäßes ist ein Unfallrisiko größer.
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Es ist bekannt, den Nachteil großer externer Umwälzschleifen dadurch
zu umgehen, daß man nur einen Teilstrom der umzuwälzenden Wassermengen in einem
äußeren Kreislauf umwälzt, und diesen Teilstrom als Treibstrom für im Reaktor angeordnete
Injektorpumpen verwendet.
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In der deutschen Patentschrift 897 201 wird die Verwendung von Injektorpumpen
in Dampferzeugern beschrieben, bei denen Kesselwasser als Treibmittel für die Pumpen
dient.
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Nun haben jedoch Injektorpumpen einen Nachteil, sie habe einen geringeren
Wirkungsgrad als Pumpen mit mechanisch bewegten Teilen. Aus Sicherheitsgründen,
nämlich um die umzuwälzenden Wassermengen wesentlich zu verringern, und dadurch
kleinere mit Reaktordruck belastete externe Umwälzschleifen zu bekommen, verwendet
man trotz des schlechteren Wirkungsgrades Injektorpumpen.
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Man bekommt somit als Wirkungsgrad verschlechternde Einflüsse die
Summe der Druckabfälle im gesamten Dampferzeugungskreislauf, die aus den Druckabfällen
am Reaktorkern, den Druckabfällen an den Zyklonen und den Druckabfällen an den Strahlpumpen
besteht.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, bei einem nuklearen Dampferzeuger,
der Injektorpumpen und Zyklondampfabscheider aufweist, die hohen Druckabfälle im
dampferzeugenden Kreislauf zu senken. Dieses geschieht erfindungsgemäß dadurch,
daß die Wasseraustrittsöffnungen jedes Zyklondampfabscheiders über einen Hohlschaufelkranz
mit der Injektorpumpe derart verbunden sind, daß an den Oberflächen der Hohlschaufeln
die im Zyklondampfabscheider rotierende Flüssigkeit in Richtung der Pumpenachse
umgelenkt wird, während die Treibdüse der Injektorpumpe durch die Hohlschaufeln
hindurch gespeist wird.
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Die Injektorpumpen sind in vorteilhafter Weise mit den Dampfabscheidern
so zu einer konstruktiven Einheit zusammengefußt, daß die rotatorische Energie des
Reaktorwassers in den Zyklonen umgelenkt wird in translatorische Bewegungsenergie
als Anfangsgeschwindigkeit für das in die Strahlpumpe eintretende zu treibende Wasser.
Dadurch, daß die Umlenkung durch Hohlschaufeln geschieht, in denen gleichzeitig
das Treibwasser für die Treibdüse der Pumpe zugeleitet wird, bekommt man eine sehr
kompakte Bauweise. An Hand dreier Figuren sei ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt einen Teil eines. Siedewasserreaktors mit der erfindungsgemäßen
Anordnung; F i g. 2 zeigt einen Schnitt durch F i g. 1 in Höhe der Linie
CD;
F i g. 3 die Abwicklung der Linie AB aus F i g. 2. Aus dem Raum
1(F i g. 1) wird ein Teil der Treibflüssigkeit abgezogen und vor der Umwälzpumpe
mit dem durch Leitung 2 zufließenden, unterkühlten Speisewasser vermischt. In der
Pumpe 3 erfährt das als Treibflüssigkeit dienende unterkühlte Wasser eine Druckerhöhung
und wird dann- in einen Ringraum 4 um den Reaktorkern 5 eingespeist. In diesem Ring
raum sind die Zyklone 6 angeordnet, wie auch aus F i g. 2 zu entnehmen ist. Am unteren
Ende der Zyklone befinden sich in einem hohlzylindrischen Gehäuse Hohlschaufeln
7, so daßdie Treibflüssigkeit von dem Ringraum 4 nur durch die Hohlschaufeln zur
Treibdüse der Injektorpumpe strömen kann. Entlang der Außenflächen der Hohlschaufeln
strömt in axialer Richtung die zu befördernde Flüssigkeit.
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F i g. 2 stellt einen Horizontalschnitt CD durch die Zyklonaustrittsöffnungen
dar, F i g. 3 zeigt die Abwicklung der Hohlschaufeln entlang der Schnittlinie
AB. Es sind hier die aus der Vektoralgebra gebräuchlichen Zeichen für die
Strömungsrichtungen eingetragen. Aus F i g. 3 ist zu ersehen, daß die Hohlschaufeln
7 nach oben eine schräg zur Zyklonachse liegende schaufelartige Fortsetzung 9 aufweisen.
Diese Umlenkbleche, die genau in Richtung des im Zyklon umlaufenden Flüssigkeitsmantels
liegen, dienen in Verbindung mit den anschließenden Schaufeln zur stoßfreien Umlenkung
der im Zyklon rotierenden Flüssigkeit in axialer Richtung. Wie auch in F i g. 3
zu erkennen ist, ändert sich der Querschnitt zwischen den Hohlschaufeln entlang
des Strömungsverlaufes der Zyklonflüssigkeit nur unwesentlich. Durch die Verengung
der Hohlschaufeln nach unten hin zu den Ansaugzwischenräumen 11 ergibt sich zwar
zunächst eine Querschnittserweiterung in Umfangsrichtung, die jedoch infolge radialer
Verjüngung der Ansaugzwischenräume in Richtung Treibdüsenmündung ausgeglichen wird.
Somit ändert sich auch die Geschwindigkeit des in den Zyklonen rotierenden Wassers
nicht, und dessen Energie kann voll in der Injektorpumpe nutzbar gemacht werden,
indem das dort eintretende Wasser bereits eine Anfangsgeschwindigkeit hat. Die aus
der Treibdüse 8 austretende Treibflüssigkeit saugt in der Fangdüse 10 das
in den Ansaugzwischenräumen 11 nach unten strömende Zyklonwasser an
und
drückt das gesamte Umlaufwasser infolge der Druckerhöhung im Diffusor 12 durch den
Kern 5. Bei erneutem Eintritt des im Kern erzeugten Dampf-Wasser-Gemisches in die
Zyklone wird dasselbe durch Drallkörper 13 am oberen Ende der Zyklone in Rotation
versetzt. Der Abscheidevorgang des Dampfes im Zyklon erfolgt an der Oberfläche eines
aus Flüssigkeit gebildeten Rotationsparaboloides. Der Dampf wird durch Entnahmerohre
14 in den Dampfraum abgeführt.
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In konstruktiv günstiger Weise ist die Treibdüse der Injektorpumpe
nach oben durch einen oben verschlossenen Hohlzylinder verlängert, an dem die Hohlschaufeln
derart befestigt sind, daß die Treibflüssigkeit durch die Schaufeln in den Zylinder
gelangt. Dabei wird das Treibwasser den Injektorpumpen über einen Ringraum 4 zugeführt,
der gegenüber dem übrigen Reaktorfallraum abgetrennt ist. In diesem Raum herrscht
der erhöhte Druck des Treibmittels für die Injektorpumpen. Alle Injektorpumen werden
gemeinsam aus diesem Ringraum mit Treibflüssigkeit versorgt. Falls das Kondensat
des Reaktordampfes, das bei 2 der Pumpe 3 zugeführt wird, mengenmäßig nicht ausreicht,
alle Injektorpumpen zu speisen, kann aus dem Raum 1 oberhalb des Reaktorkernes zusätzlich
Reaktorwasser abgezogen werden und mit dem Kondensat vor der Pumpe vermischt werden.