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Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor vom Druckwassertyp
mit einem Reaktorbehälter, einem Kernbrennstoff enthaltenden Wasserraum im unteren
Teil des Reaktorbehälters, einer Vorrichtung zur Zuführung von unter Druck stehendem
Wasser zu dem durch den Kernbrennstoff zu erhitzenden Wasserraum, einer Vorrichtung
zum Abziehen von erhitztem, unter Druck stehendem Wasser aus dem Wasseraum, einem
durch eine Trennwand vom Wasserraum abgeteilten, teilweise mit Wasser und teilweise
mit Dampf gefüllten Dampfraum im oberen Teil des Reaktorbehälters, einer Vorrichtung
zur Erzeugung von Dampf mit einer Temperatur, die höher liegt als diejenige des
unter Druck stehenden Wassers, sowie zur Zuführung dieses Dampfs zu dem Dampfraum,
wobei die Trennwand als Wärmebarriere zur Verminderung des Wärmeflusses vom Dampfraum
zum Wasserraum dient und unterhalb des normalen Wasserspiegels, jedoch nahe diesem
im Reaktorbehälter angeordnet ist und COffnungen zum freien Durchtritt von Wasser
enthält.
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Ein Kernreaktor dieser Art ist aus dem deutschen Gebrauchsmuster 1827
096 bekanntgeworden.
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Bei plötzlichen Druckstößen geht der Druckausgleich zwischen Dampfraum
und Wasserraum bei Reaktoren der genannten Art im laufenden Betrieb nur langsam
vonstatten, da bei einem Druckstoß kühleres Wasser durch die Öffnungen in der Trennwand
nach oben strömt, sich mit dem oberhalb der Trennwand befindenden Wasser höherer
Temperatur vermischt, also mit dem Dampf im Dampfraum nicht in direkte Berührung
gelangt. Dieser langsam verlaufende Druckausgleich bei heftigen Druckstößen des
Kühlmittels hat umfangreiche und teure Sicherungen für den Reaktorbehälter zur Folge.
Darüber hinaus ist auf Grund der ungenügenden Verminderung des Wärmeflusses dem
Kühlmittel nur ein geringerer Wärmeinhalt erteilbar, was sich dahingehend nachteilig
auswirkt, daß eine größere Kühlmittelmenge zur Abfuhr der im Reaktor entstehenden
Wärme im Umlauf gehalten werden muß. Diese gesteigerte Kühlmittelmenge verteuert
nicht nur die Anlagekosten, sondern bedingt auch größere, höhere Leistungen aufnehmende
Umwälzpumpen, wie auch Wärmeaustauscher mit größeren Abmessungen.
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Aus der deutschen Patentschrift 1027 338 ist bekannt, den bei einem
Druckwasserreaktor erforderlichen Überdruck mit Hilfe einer Pumpe aufrechtzuerhalten.
Dies hat den Nachteil, daß der Reaktorbehälter so gebaut sein muß, daß er hohen
Druckdifferenzen zwischen seinen verschiedenen Teilen standhält.
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Aus der deutschen Patentschrift l055140 ist es bekannt, den erforderlichen
Überdruck dadurch zu erzeugen, daß der Reaktionsbehälter mit einem komprimierten
Gas beaufschlagt wird. Dabei ist nachteilig, daß durch das sich im Wasser lösende
Druckgas beispielsweise in der Pumpe, die das Wasser in dem Kühlmittelsystem zirkulieren
1'äßt, eine Blasenbildung auftritt.
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Aus der französischen Patentschrift 1351253 ist ein Druckwasserreaktor
mit einem einen Dampf- und Wasserraum umschließenden Reaktorbehälter bekannt. Der
Überdruck wird durch den sich im Dampfraum befindenden Dampf auf das Kühlmittel
aufgebracht. Als Mangel wird bei dieser Ausführungsform empfunden, daß keine wirksame
Wärmebarriere zwischen Dampfraum und Wasserraum vorhanden ist. Aufgabe der Erfindung
ist es, einen Kernreaktor der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern,
daß eine wirksamere Wärmebarriere geschaffen wird, die gleichzeitig sicherstellt,
daß bei den durch die Anlagentemperatur bedingten Schwankungen des Wasservolumens
eine der Volumenschwankung entsprechende Druckeinstellung im Pufferraum erfolgt.
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Diese Aufgabe wird beim eingangs genannten Kernreaktor dadurch gelöst,
daß erfindungsgemäß die Trennwand weitere, durch Röhren gebildete öffnungen aufweist,
wobei sich die Röhren bis oberhalb des normalen Wasserspiegels erstrecken.
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Durch die mit Röhren versehene Trennwand ist ein Wärmefluß von dem
sich oberhalb der Trennwand befindenden Kühlmittel zu dem unterhalb der Trennwand
auf ein unbedeutendes Maß herabgesetzt. Dadurch kann dem Kühlmittel ein höherer
Wärmeinhalt erteilt werden, wodurch die vorangehend genannten Nachteile vermieden
sind. Durch die Wärmebarriere nach der Erfindung wird nicht nur der Wärmefluß auf
einem erträglichen Wert gehalten, sondern die Röhren gemäß der Erfindung stellen
sicher, daß das Kühlwasser bei 'einer Volumenänderung frei vom Wasserraum zum Dampfraum
überwechseln kann, ohne sich vorher mit dem sich oberhalb der Trennwand befindenden
Wasser zu vermischen. Bei einem plötzlichen Druckanstieg des Wassers im Wasserraum
strömt Wasser bzw. Kühlmittel durch die Röhren der Trennwand in den Dampfraum und
gelangt in direkte Berührung mit dem Dampf, wodurch dieser kondensiert. Diese Kondensation
geht unter gleichzeitigem Druckabfall auf Grund der Temperaturdifferenz zwischen
dem Dampf und dem aufsteigenden Kühlmittel, wie auch des Massenverhältnisses zwischen
beiden sehr schnell vor sich. Dadurch ist sichergestellt, daß bei einem heftigen,
temperaturbedingten Anstieg des Kühlmittelvolumens und damit auftretender Druckstoß
keine Überbelastung des Reaktorgehäuses eintreten kann. Weiterhin ist durch die
erfindungsgemäße Ausführungsform sichergestellt, daß bei allen Betriebsbedingungen
des Reaktors das Sieden des Kühlmittels wirksam unterbunden ist, denn bei Ansteigen
des Wasservolumens tritt ein rascher Druckabfall im Dampfraum auf, und bei Abfall
des Wasservolumens ist für das sich oberhalb der Wärmebarriere befindende Wasser
ausreichend Zeit gegeben, zu verdampfen, um den Druck den Betriebsbedingungen entsprechend
einzustellen.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Trennwand
in an sich bekannter Weise horizontal mehrfach unterteilt, um eine gute Wärmeisolation
zu erhalten.
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Die Erfindung kann weiterhin dahingehend vorteilhaft ausgestaltet
werden, daß die Röhren Trennwände enthalten, welche die Röhren zur Verminderung
der Wasserzirkulation in den Röhren in eine Mehrzahl paralleler Kanäle trennen.
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Zweckmäßigerweise wird die Erfindung weiterhin derart ausgebildet,
daß die Trennwände einer Röhre gleitbar in der Röhre gelagert sind und als Neutronen
absorbierende Kontrolleinrichtung ausgebildet sind, wobei die Röhre eine Führung
für diese Kontrolleinrichtung ist.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben;
es stellt dar F i g. 1 einen Kernreaktor und F i g. 2 in vergrößertem Maßstab eine
Wärmebarriere zwischen Dampfraum und Wasserraum.
Der Reaktor umfaßt
einen Reaktorbehälter 1, der einen Kern 2 mit dem Kernbrennstoff enthält.
Der Kern enthält mehrere Brennstoffelemente 3, durch die Wasser in der angezeigten
Richtung hindurchströmt; der Klarheit halber ist lediglich ein einziges Brennstoffelement
dargestellt. Das erhitzte Wasser verläßt den Reaktor durch eine Leitung
4, gibt seine Wärme in einem Wärmeaustauscher 5 ab und wird durch eine Leitung
6 zu dem Reaktor zurückgepumpt.
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Der Reaktorbehälter 1 enthält eine horizontale Trennwand 7, die den
Behälter in einen oberen, als Dampfraum 8 bezeichneten Abschnitt und einen unteren,
als Wasserraum 9 bezeichneten Abschnitt aufteilt, der die Brennstoffelemente 3 enthält.
Die Trennwand 7 ist zweiteilig ausgebildet. Sie weist mehrere senkrechte Röhren
10 auf, die sich über die Trennwand 7 hinaus erstrecken. Diese senkrechten Röhren
10 enthalten Trennwände 11 bzw. 12 mit kreuzförmigem Querschnitt,
die jede Röhre in vier enge senkrechte Kanäle teilen. Eine der kreuzförmigen Trennwände,
die mit 12 bezeichnet ist, erstreckt sich über die Röhren 10 hinaus und ist
in einer der Röhren 10
gleitend angeordnet. Diese kreuzförmige Trennwand 12
ist eine der Neutronen absorbierenden Kontrolleinrichtungen des Reaktors und an
dem oberen Ende eine Antriebsstabs 13 befestigt, der sich durch einen senkrechten
Kanal 16 in dem Reaktorkern erstreckt; der Klarheit halber ist lediglich
ein Antriebsstab 13
dargestellt, der durch einen Mechanismus 14 betätigt und
in der die kreuzförmige Trennwand 12 umgebenden Röhre 10 geführt wird.
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Der Dampfraum 8 des Reaktorbehälters 1 ist durch eine Leitung
17 mit einem elektrischen Boiler 18 verbunden. Der Boiler 18 wird
durch eine Leitung 19, die ein Seitenarm der Leitung 6 ist, mit Wasser bebeschickt.
Leitung 19 ist über eine Verbindungsleitung 20 mit einer Sprühdüse
21 verbunden, die oben im Reaktorbehälter 1 angebracht ist.
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Die doppelte Trennwand 7 ist in dem Reaktorbehälter etwas unterhalb
des normalen Wasserspiegels 23 befestigt. Folglich wird der Dampfraum
8 bei normalem Betrieb eine Wassermenge 24 enthalten. Die Röhren
10 sollen sich etwas über den normalen Wasserspiegel 23 hinaus erstrecken.
Zusätzlich zu den Röhren 10 weist die Trennwand 7 Atemöffnungen
15
auf.
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Die bisher beschriebenen Druckmittel arbeiten wie folgt. Der Boiler
18 erzeugt gesättigten Dampf mit einer beachtlich höheren Temperatur als
jene des Wassers im Wasserraum 9 und liefert diesen Dampf an den Dampfraum
B. Andererseits wird verhältnismäßig kaltes Wasser in den Dampfraum
8 durch die Sprühdüse 21, die durch ein Ventil 25 in der Leitung
20 reguliert wird, eingesprüht. Die Temperatur in dem Dampfraum 8 sowie die
Temperatur der Wassermasse 24 werden auf diese Weise auf einen höheren Wert
gehalten als jene im Wasserraum 9. Daher ist der Druck in dem Reaktorbehälter 1
höher als der Druck des gesättigten Wasserdampfs bei der Temperatur im Wasserraum
9. Somit kann im Wasserraum 9 bzw. in dem gesamten Kühlsystem kein Sieden auftreten.
Die doppelte Trennwand 7 mit der in ihr ruhenden Wassermasse gestattet lediglich
einen geringen und erträglichen Wärmeübergang von der Wassermenge 24 auf
die Wassermenge im Wasserraum 9.
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Der Wassermenge 24 wird fortgesetzt aus der Kondensation des Dampfes
und aus der Sprühdüse 11.
stammendes Frischwasser zugeführt. Bei gleichmäßigern
Betrieb fließt Wasser aus der Wassermenge 24
zum Wasserraum 9 durch
die Atemöffnungen 15.
Diese Atemöffnungen genügen jedoch nicht, um den Durchtritt
einer so großen Wassermenge zu gestatten, wie sie bei einem Druckstoß im Kühlsystem
in den Wasserraum eindringt. Wenn solch eine Welle entsteht, fließt das Wasser im
wesentlichen durch die Röhren 10. Wenn beispielsweise die Wassermenge abnimmt,
so wird das Wasser in den senkrechten Röhren 10 in den Wasserraum 9 abgezogen, und
der Wasserspiegel kann sich zeitweilig unterhalb der doppelten Trennwand 7 senken.
Diese temporäre Absenkung des Wasserspiegels hat ein Abströmen des Wassers der Wassermenge
24 zur Folge, das sich auf Siedetemperatur befindet. Die zusätzlich zu den
Röhren 10
in der Trennwand 7 vorgesehenen Atemöffnungen 15 dienen derartiger
Wasserabfuhr.
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In Fällen normaler Arbeitsweise des Reaktors kann es erwünscht sein,
den Druck im Reaktorbehälter 1
rasch zu ändern. Ein schneller Druckanstieg
wird durch Verschließen des Ventils 25 erreicht, während ein öffnen dieses Ventils
auf volle Kapazität zu einem raschen Druckabfall führt. Die durch die Sprühdüse
austretende, die Kondensation des Dampfes und damit den Druck im Dampfraum einstellende
Wassermenge wird durch die Atemöffnungen 15 aus dem Dampfraum wieder abgeführt.