DE1639238A1

DE1639238A1 - Kernkraftwerk

Info

Publication number: DE1639238A1
Application number: DE19681639238
Authority: DE
Inventors: Bertram Wolfe
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1967-01-11
Filing date: 1968-01-05
Publication date: 1971-01-14
Also published as: SE324018B; FR1552384A; BE709146A; CH470054A; NL6800403A; GB1210686A; US3400049A; ES349107A1; ES350798A1

Description

Die Erfindung "betrifft die Umwandlung von Masse in thermische Energie in einem Kernspaltungareaktor und insbesondere einen dampfgekühlten Kernreaktor, der als Wärmequelle in einem Kraftwerksystem mit überhitztem Dampf verwendet wird, in welchem hochüberhitzter, möglicherweise kontaminierter.Dampf vom Reaktor durch indirekten Wärmetausch mit gereinigtem Sattdampf gekühlt wird, um gereinigten, überhitzten Dampf au erzeugen und durch überhitzten, kontaminierten Dampf moderiert wird, der duroh indirekte Berührung mit Wasser gereinigt wird, um gereinigten Sattdampf zu erzeugen.

Die Freisetzung großer Energiemengen durch Kernspaltungsreaktionen ist bekannt. Allgemein absorbiert ein spaltbares Atom wie 11-233, U-235, Pu-239 oder Pu-241 ein Neutron in seinem Kern und der Kern zerfällt häufig. Dadurch werden im Mittel zwei Spaltfragmente geringeren Atomgewichts und großer kinetischer Energie und gewöhnlich zwei oder drei neutronen ebenso hoher Energie erzeugt. Beispielsweise werden bei der Spaltung v.on U-235 ein leichtes Spaltfragment und ein schweres Spaltfragment mit Maseiensahlen im Bereich zwischen 80 und 110 beziehungsweise zv/lBohon 125 und 155 und im Mittel P. ,3 Neuüronen erzeugt. Die

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"^ ι ν ν W ι— ν **>

Energiefreisetzung liegt im Bereich von 200MeV pro Spaltung, Die kinetische Energie der Spaltprodukte ist schnell im Brennstoff und anderem umgebenden Material in Wärme umgewandelt. Wenn während dieses Spaltungsprozesses im Mittel ein Netto— Neutron übrigbleibt, das eine nachfolgende Spaltung einleitet, wird die Spaltungs reaktion selbst erhalt end und die Wärmeerzeu-» gung erfolgt kontinuierlich. Die Wärme wird durch einen Kühlmittelumlauf abgeführt. Die Reaktion kann solange erfolgen, wie genügend spaltbares Material im System verbleibt, um die Effekte der Spaltprodukte, die während des Betriebs erzeugt werden, zu überdecken.

Nutzbare mechanische oder elektrische Energie kann durch Umwandlung von Wärmeenergie, die in solchen Kernspaltungsreaktionen freigesetzt wird, erzeugt werden. Diese Energieerzeugung bedingt ein Reaktoroore, das Kernbrennstoff enthält, ein" Kühlmittel, das im Wärme tausch durch das Gore ge'führt wird, und eine Steuerung des Kühlmittelstromes und der Betriebsbedingungen des Gores, um entweder direkt oder indirekt ein aufgeheiztes Kühlmittel zu erzeugen. Dieses Kühlmittel wird einer geeigneten Kraftmaschine, das heißt einem Gerät für die Umwandlung thermiajaer Energie entweder in mechanische oder elektrische Energie oder in beide Energiearten, zugeführt, um mechanische oder elektrische Energie zu" erzeugen. Angemessen hohe thermodynamisehe Wirkungsgrade bei der Energieumwandlung werden gefördert, indem die Abgabe des aufgeheizten Kühlmittels vom Reaktorcore zum Kraftmasohineneinlaß bei einer so hohen !Temperatur wie möglich erfolgt. Bei der üblichen industriellen Anwendung, bei der eine Wärmeumwandler-Temperaturdifferenz von ungefähr 38⁰G (100⁰F) Verwendung findet, l)eiapielsweise,liegen die niedrigsten, noch geeigneten Kühlmitteleinlaßtemperaturen am Kraftmaschineneinlaß in den meisten fällen im Bereich von 9O⁰G- 150⁰G (200-3QQ⁰S*),

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aber die Umwandlungswirkungsgrade sind ziemlich gering. Mit Kühlmitteltemperaturen in der Größenordnung von 820⁰G (150O⁰F) werden hohe thermodynamisch^ Wirkungsgrade erreicht. Die Verwendung noch höherer Einlaßtemperaturen, um weitere Steigerungen des Wirkungsgrades zu erreichen, ist primär aufgrund der gesteigerten Wärmeverluste des Systems und der mechanischen und chemischen Eigenschaften der im System verwendeten Strukturmaterialien begrenzt·

Das so erzeugte Hochtemperatur-Kühlmittel kann in verschiedenen Arten von Kraftmaschinen verwendet werden. Darunter befinden sich dampf- und gasgetriebene, hin- und hergehende oder rotierende Maschinen, wie Gas- oder Dampfmaschinen, Gasoder Dampfturbinen oder dergleichen, entweder mit oder ohne eine mechanisch getriebene elektrische Energieerzeugungsanlage, die an die Kraftmaschine als eine Belastung angeschlossen ist, um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Dampf war das hauptsächliche Arbeitsfluid in solchen Kraftmaschinen, und, da thermodynamische Wirkungsgrade mit einem Anstieg der Einlaßtemperatur des Arbeitsfluids ansteigen, wurde lange Dampfüberhitzung in Kraftwerksystemen, die ihre Wärme aus der Verbrennung von Fossil-Feuerungsmaterial ableiten, angewendet. Ferner bewirkt eine Überhitzung neben einem gesteigerten Wirkungsgrad eine Herabsetzung der Kondensation innerhalb der Kraftmaschine und folglich eine Abnahme der Abnutzungsprobleme. Der Kraftmaschinenaufbau wird ebenso beachtlich vereinfacht und ferner i3t ein kleinerer Wärmeumwandler (Turbinen-Kondensator) erforderlich.

Bei der Anwendung von mehreren verschiedenartigen Kernreaktoren für die Erzeugung von nutzbarer Energie sind ebeneo wünschenswerte Auswirkungen bei einer Überhitzung des Arbeits-

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fluids vorhanden. Bei einem Druckwasserreaktor wird dem Reaktor entnommenes Heißwasser-Kühlmittel normalerweise durch einen Wärmetauscher geführt, um das Wasser, das zum Reaktor zurückgeführt wird, zu kühlen, und ^ampf ^zu erzeugen, der an die Kraftmaschine' abgegeben wird. Bei einem organisch moderierten und gekühlten Reaktor wird das dem Reaktor entnommene heiße, flüssige, ■ organische Kühlmittel gewöhnlich duroh einen Wärmetauscher geführt, um die organische Flüssigkeit, die zum Reaktor zurückgeführt wird, zu kühlen, und Dampf zu erzeugen, der an die Kraftmaschine abgegeben wird. In einem Siedewasserreaktor wird Dampf im Reaktor erzeugt und kann direkt an die Kraftmaschine abgegeben werden. Bei einem mit flüssigem Metall gekühlten Reaktor wird das heiße Primärkühlmittel durch einen Wärmetauscher geführt, um das Primärkühlmittel zu kühlen und ein heißes Sekundärmetallkühlmittel zu erzeugen, das flüssige Sekundärmetall wird durch einen zweiten Wärmetauscher geführt, um Wasser für die Bildung von Dampf zu verdampfen, der an die Kraftmaschine abgegeben werden kann. Es ist ersichtlich, daß in jedem dieser repräsentativen Fälle Dampf das Arbeitsfluid ist, das an die Kraftmaschine abgegeben wird. In jedem dieser Fälle bewirkt die Überhitzung dfeses Dampfes gesteigerte Wirkungsgrade bei der mechanischen oder elektrischen Energieerzeugung«

Die Überhitzung von Dampf in einem Kernreaktor bringt Probleme mit sich, die sich von denen unterscheiden, die mit der Überhitzung von Dampf duroh Verbrennung von Fossil-Feuerungsmaterial zusammenhängen. Das Hauptproblem bringt die mögliche Wanderung von radioaktiven Materialien mit sich, die entweder aus einem Leck aus defektem Brennstoff austreten oder duroh Erosion oder Korrosion von Strukturotoerflachen im Heaktorcore in Berührung mit dem Dampfkühlmittel freigesetzt werden. Solche Materialier

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werden in die Dampfturbine (oder einen anderen Wärmeumwandler) und dacen zugehöriges Rohrleitungssystem getragen und dort abgelagert. Ein solches Vorkommnis erfordert zusätzliche» Abschirmungen und macht eine äußerst schwierige und'kostspielige Anlagen-Dekontamination erforderlich. Ein Weg, dieses Problem zu vermeiden, besteht darin, auf ein indirektes Kreislaufsystem auszuweichen, bei dem ein Pluid als Reaktorkühlmittel in Zusammenhang mit einem zweiten Kühlmittel als lurbinenarbeitsfluid verwendet wird, wobei die beiden Fluide in einen indirekten Wärmetausch miteinander gebracht werden.

Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Kraftwerkeystem zu J

schaffen, das einen dampfgekühlten Reaktor als Wärmequelle verwendet, und in dem eine radioaktive Kontaminierung des Wärmeumwandlers ohne die Nachteile der Verwendung von zwei Kühlmittelfluiden in einem indirekten Kreislauf vermieden wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen; ·· '

Pig.1 ein Sehaltschema"des Kraftwerksystems gemäß der Er-

findung,

Fig.2 eine vertikale Querschnitteansicht eines damage- \ kühlten Kernreaktors und dessen zugehöriger Einrichtung ein- ' ' schließlich des Druckkessels, \

Pig.3 einen horizontalen Querschnitt der in Fig.2 dargestellten EinricÜung, und

Fig.4a und 4b eine vergrößerte Teilansicht des Querschnitts in Fig.3

Wie in Pig.1 gezeigt, sind die wesentlichen Teile des Kraftwerkeysteme gemäß der Erfindung ein Reaktorkessel 10, ein Wärmetauscher 12, ein Direkt-Kontakt-Dampferzeuger 14 (wie ein Iioeffler-Kessel oder Heißdampfkühler), ein Dampfriiokförderer 16,

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eine Turbine 20, ein Generator 22, ein Kondensator 24, eine Kondensat-Speisewasserpumpe 26 und zugeordnete Ventile und ein zugeordnetes Leitungssystem.

Der Reaktorkessel 10 enthält ein Kernspaltungscore 28, das unten mehr im einzelnen als Beispiel in Verbindung mit den Fig.2 und 3 beschrieben wird, duroh das Dampf als Kühlmittel geführt wird. Sattdampf wird duroh die leitung 30 eingeführt, und nachdem er im Wärmetausch mit den Brennelementen durch das Reaktorcore 28 geströmt ist, wird er durch die Leitung 32 in stark überhitztem Zustand entnommen. Typische Dampftemperatüren für ein System, das mit einem Druck von 105,5at (i500psi) arbeitet, sind 320⁰O (60O⁰P) an der Einlaßleitung 30 und 510⁰O (950⁰F) an der Auslaßleitung 32. Dieser Dampf ist möglicherweise mit radioaktiven Materialien, auf die oben Bezug genommen wurde, kontaminiert. Überhitzter Dampf wird durch die Leiuungen 32 und 34 durch den Mantelteil des Wärmetauschers 12, wo der Dampf ein wenig abgekühlt wird, und weiter duroh die Leitungen 36 in den Dampferzeuger 14 vom Iasffler-Kessel-Typ geführt. Der Dampferzeuger hat Sprinkler 38 die unter die Oberfläche eines Wasserkörpers 40 getaucht sind. Überhitzter Dampf aus der Leitung 36 wird durch Sprinkler 38 in eine direkte Berührung mit dem Wasser verteilt, wobei der Dampf abgekühlt und eine Wasaermenge im Be-

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reich von 25-35$ der Menge des den Sprinklern/zugeführten überhitzten Dampfes verdampft wird. Obgleich ein Loeffler-Kessel gezeigt ist, kann der Dampferzeuger 14 aus anderen Typen eines Direkt-Kontakt-Dampferzeugerβ, wie eines Heißdampfkühlers, bestehen. Sattdampf wird dem Kessel 14 durch die Leitung 42 durch einen wahlweise einaohaltbaren Dampfreiniger 90 entnommen und wird in zwei Teile aufgeteilt. Der größere Teil, näherungsweiae 75$ des gesamten Anteils, wird mittels dee Rüokforderers 16 durch

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die Leitung 44 und 30 und durch das Ventil 46 als linlaßdampfkühlmittel zum Reaktorkessel 10 gepumpt. Der übrige, kleinere Teil, näherungsweise 25$ wird durch die leitung 64 und das Ventil 68, durch einen wahlweise einschaltbaren Dampfreiniger 91 und weiter durch den Rohrteil des Wärmetauschers 12 im Gegenstrom-Wärmetausch mit dem stark überhitzten Dampf, der vom Reaktor ausströmt, geführt. Hier wird der kleinere Teil des Sattdampfes vom Dampferzeuger 14 im wesentlichen überhitzt, wobei er eine Temperatur gleich der Temperatur des Rettktorkühlmittelauslasses fast erreicht. Dies erfolgt hauptsächlich aufgrund der Tatsache, daß da» Strömungsverhältnis des aus dem Reaktor austretenden Dampfes zum kleineren Sattdampfteil im Wärmetauscher näherungsweise vier ist. Im Rohrteil des Wärmetauschers 12 erzeugter, überhitzter Dampf siaßmt durch die Leitungen 52 und 54 einschließlich eines wahlweise einschaltbaren Dampfreinigers 18 und in eine Turbine 20, die einen Generator 22, der mit Ausgangsklemmen 56 versehen ist, treibt« Der Abdampf kondensiert im Kondensator 24 und das Kondensat wird mittels der Kondensat-Speisewasserpumpe 26 durch die Leitungen 58 und 60 in den Dampferzeuger 14 gefördert.

In dem oben erläuterten System sind die beiden Beipaß-Leitungen 62 und 48, die jeweils Ventile 66 und 50 haben, geschlossen. Der gesamte Anteil des überhitzten Dampfes, der die

Turbine 20 treibt, wird im Dampferzeuger 14 erzeugt und im ο
ο V/ärmetauscher 12 überhitzt. Er strömt nicht direkt vom Reaktor-

* kessel 10 zur Turbine. Irgendwelche radioaktiven Kontaminations-

-^ anteile, die im ReaktorcOre 28 freigesetzt werden, werden durch ο

^³ den Wärmetauscher 12 und den Dampferzeuger 14 getragen, in ^ω welchem sie im wesentlichen im Wasser zurückgehalten werden, da der Dampf indirekter Berührung mit dem Wasser in den Dampferzeuger 14 eintritt. Im erzeugten oattdampf wurde ein radioaktiver Pegel

festgestellt, der nur in der Größenordnung von 1·1Ο des Pegels liegt, der in dem aus dem Reaktor ausströmenden Kühlmittel bestehen kann. Eine zusätzliche Beseitigung einer Kontamination kann ausgeführt werden, nötigenfalls durch andere Dekontaminationsverfahren in den wahlweise einsehaltbaren Dampfreinigungssystemen 18, 90 und 91» Auf diese V/eise ist der überhitzte Dampf, der die Turbine 20 treibt, frei von radioaktiven Kontaminationsanteilen und hat doch eine Temperatur sehr nahe der Temperaturdas aus dem Reaktor ausströmenden Kühlmittels. Die Beseitigung dieser Kontaminationsanteile aus dem Wasserkörper A im Dampferzeuger 14 wird leicht durch Anwendung der bekannten Filtrations- und Ionenaustauscher-Technologie ausgeführt, die gegenwärtig bei der Behandlung von Hoderator-Kühlmittel in

en

wassergekühlten Kernreaktorsystem/des Druckwasser- und Siedewas— serreaktortyps verwendet wird. In Fig.J ist eine solche Wasserreinigungseinrichtung 70 dargestellt, die mit derRückförderpumpe 72, dem Steuerventil 74 und den Yerbindungsleitungen 76 und 78 arbeitet.

Bei einer "Sel^feea Modifikation der Erfindung kann das in

Fig.1 dargestellte Kraftwerksystem mit dem Ventil 68 geschlossen,

50

dem Ventil/in der Beipaßleitung 48 offen .und dem Ventil 66 in der Beipaßleitung 62 ebenso geschlossen betrieben werden. Dies füa?hrt au einem leichten Anstieg des Druckes des dekontaminierten, überhitzten Dampfes, der vom Wärmetauscher 12 durch die Leitungen

und 54 in die Turbine» 20 eingeführt wird, aber es steigert um näherungsweise 25-35$ den Leistungsbedarf für den ..ntrieb des Daiiipfförderers 16. Das hängt mil; der Tatsache zusammen, daß in dieser Modifikation der Dampfstrom durch den Förderer 16 aus dem Dampfstrom, der als Kühlmittel des Reaktorcores 18 durch die Leitungen 4 4 und 30 und das Ventil 46 geführt wird, wie auch

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aus dem Dampf, der durch den Wärmetauscher/zur Turbine 20 geführt wird, "besteht. Bei dieser modifizierten Betriebsweise werden wie bei der vorher erläuterten Betriebsweise jegliche mitgeführten radioaktiven Kontaminationsanteile vom Reaktorcore 28 praktisch vollständig im Wasserkörper 40 im Dampferzeuger oder nötigenfalls in den wahlweise einschaltbaren Dampfreinigungssy'stemen 18, 90 und 91 oder in irgendeinem von diesen angesammelt und werden so daran gehindert, die Turbine 20 zu erreichen.

Bei einer zweiten Modifikation der Erfindung, einer Modifikation, die insbesondere während des Betriebs mit neuem, in das Reaktorcore 28 geladenem Brennstoff, oder wenn im wesentlichen alles von irgendwelchem defekten Brennstoff, der vorher im Gore verwendet wurde, entfernt und durch neuen, fehlerfreien Brennstoff ersetzt worden ist, kann das System in Pig.i mit dem Ventil 50 in der Beipaßleitung 48 und dem Ventil 68 in der Leitung 64 beide geschlossen und dem Ventil 66 in der Beipaßleitung 62 offen betrieben werden. Bei einer solchen Betriebsweise wird kein überhitzter Dampf im Wärmetauscher 12 erzeugt, und hochüberhitzter Dampf strömt direkt vom Reaktorkessel 10 durch die Leitungen 32, 62 und 54 zur.Turbine 20, Eine solche Betriebsweise des Systems ist die gleiche wie die des bekannten Loeffler-Kesaels» Das System gemäß der Erfindung kann in dieser Art

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und V/üiae 30 lange, wie das Reaktoroore/frei von defektem Brennstoff und frei von Erosions- und Korrosionaeracheinungen ist, die weitgehend genug wären, eine unannehmbare radiaktive Kontaminitmirig dea 'Dämpfeβ au verursachen, mit den zugehörigen Vorteilen maxim-'i-Loi' DiU'ipftemperatur am Einlaß der Turbine 20 und maüLmaLor fchermodynumLuoher Wirkun^ngrude b« tr Leben wurden. SobtiLd urianriuhmbartj i^Jf;_t ^:-f!L r -d Loakt iver KonbumiriLs.rung Ln der Dumpfuuu Ln(JLe L

66
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SAD

weise oder vollständig (in Abhängigkeit vom G-rad der Kontami— nierung) geschlossen und das Ventil 68 in der Leitung 64 kann (entsprechend) teilweise oder vollständig geöffnet werden, um nichtkontaminierten, überhitzten Dampf im Wärmetauscher 12 zu erzeugen und so den G-rad der Kontaminierung im Dampfgemisch, das an die !Turbine abgegeben wird, zu reduzieren«, In einer dritten Modifikation der Erfindung kann das gerade

beschriebene Verfahren so geändert werden, daß das Ventil 50 in

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der Beipaßleitung 48 eher als das Ventil/in der Leitung 64 geöffnet wird. Das führt zu Steigerungen beim Turbineneinlaßdruck und der Leistungsanforderung für den Rückförderer, wie in der Beschreibung der ersten Modifikation erläutert wurde»

Im folgenden wird ein spezielles Beispiel der Betriebsweise des Systems, wie es in der Betriebsweise der Fig.1 erläutert wurde, angegeben.

Beispiel 1

Reaktorcore 28 Leistung

Kühlmittelstrom (x10"⁶) fc Eintrittstemperatur

Austrittstemperatur Einströmungsdruck Ausströmimgsdruck Wärmetauscher 12 Wärmeleistung (x10~ ) Rohr be Li

139,0 MWth (mwb) 0,79 kg/h (1.735lb/hr) 320⁰O (608.5⁰P) 510⁰O

1O5,5at (1500 paia) 98,4ab (HOOpsia)

;-5 5k ο al A (139.0 B bu/h r)

MltUert) TomperiitunUCt'ertmz 4^CJ°Ü (120.5⁰P)

Damp fa b rum (κ 1 C)"⁶ ) 0, 79ki;/h ( 1,7 > I

ELnürLLbijtiimporaLuf b 1O⁰CJ (¹Jf)O⁰Jj¹)

AuabrLt. Lubtimporatiiu.' 4 1u°ü ({) JJf⁰F)

(i C) 'M ί : ' :i 7 4 Ί

Binströmungsdruck Ausströmungsdruck

Mantelteil

Mittlere Temperaturdifferenz Dampfstrom (x10 ) Eintrittstemperatur Aus tritt st emperatur Einströmungsdruck Ausströmungsdruck

Dampferzeuger 14

Wärmeleistung (x10 )

Überhitzter Dampf

Strömungsrate (x10"" ) Eintr χ 11 s t emp eratur Einströmungsdruck

Speisewasser

Strömungsrate (xiCf* ) Eintrittstemperatur

Entmineralisierer (70) Wasser

Strömungsrate (x10 ) Sattdampf

Strömungsrate (x10~ ) Dampfanteil (Quality)

Rückförderer 16

Strömungsrate (x10~ ) Kopfteil (Head) Einlaßdruck

Temperatur

Ausl'iMruck

Temperatur

Tür 1,1 Ji e 20

96,3at (i370psia) 94,2at (1340psia)

49°0

0,243kg/h (0. 3O4°C (580⁰F) 482⁰O (90O⁰I¹) 92,4.at (I315psia) 84,4at (i200psia)

93kcal/h (366.0Btu/lir)

0,79 kg/h (1 510⁰O (95O⁰F) 94,2at (1340psia)

0,243kgA (0. 271⁰C (52O⁰F)

12,04 kg/h (26.6IbAr)

1,03 kgA (2.271IbAr)

0,79kgA (1 14,8at (210psia) 91,4at (i300psia) 3O4°C (580⁰F) 106,2at (i510psia) 32O⁰C (608⁰F)

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Strömungsrate (x10~⁶) 0,243 kg/h (0.536 lb/hr)

Eintrittstemperatur 1639238 482⁰O (900⁰P) Einströmungsdruok 82,3 at (i170 psia)

generator 22

leistung 56 MW_el (mwe)

Kondensator 24

Wärmeleistung (x10~⁶) 68,8 koal/h (273 but/hr)

Kühlwasser-Strömungsrate (x10~⁶) 0,14 kg/h (0.31b/hr) In Jig·2 ist eine vertikale Querschnittsansicht des Reaktor-

! _% druckkessels 10 und seines Inhaltes gezeigt» Der Druckkessel hat einen entfernbaren Kopfteil 100, deifuiittels Flanschen 102 und 104 und einer Flanschdichtung 103 befestigt ist, 3 Sattdampfeinlässe 106, die um 120° gegeneinander versetzt sind, 12 Auslässe 108 für überhitzten Dampf, die um 30 gegeneinander versetzt sind, einen Abschirmwassereinlaß 110, einen Abschirmwasserauslaß 112, Druckrückschlagventilverbindungen 114, mehrere Regelelementantriebsverbindungsansatzrohre 116, eine Kesseltrageeinrichtung und eine Schicht 120 aus rostfreiem Stahl ist über die gesamte innere Oberfläche des Druckkessels 10 aus Kohlenstoffstahl ge-

j schweißt oder anders befestigt.
ψ Innerhalb des Druckkeesels 10 und gegen die Innenfläche versetzt befindet sich der innere Druckkessel 120, der mittels eines !Flansches 122 und Tragstutzen 124, die an der Druckkesselwand befestigt sind, getragen wird. Der innere Druckkessel hat eine seitliche lagerführüng 126, die mit Stutzen 128 zusammenwirkt, er hat einen in der Mitte liegenden, entfernbaren (geflanschten) Hülsenteil 130, der drei Einlaßdampfverbindungen 132 in Verbindung mit den drei Dampfeinlässen 106,und. 12 Auslaßdampf-' verbindungen 133 in Verbindung mit den 12 Dampf auslassen 108 hat, er hat einen oberen, entfernbaren (geflanschten) Kopfteil 134|

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der Rückschlagventile 156 hat, er hat eine zylindrische Coreummantelung 138, die innerhalb des inneren Kessels 120 und gegen ihn versetzt mittels radialer Hippen 140 (mehr im einzelnen in Pig.3 gezeigt und einer unteren Goretrageplatte 142, die am Boden der Ummantelung 138 befestigt ist, getragen wird, Die gesamte Innenfläche des Druckkessels 120 und seine Dampfeiniaß- und auslaßverbindungen 132 und 133 sind mit einer Schicht 139 einer thermischen Isolierung in der Art des lameliierten rostfreien Stahls überzogen·

Eine Vielzahl von Abschirmstäben 152 aus rostfreiem Stahl sind in dem ringförmigen Bereich 150, der seitlich das Reaktorcore 28 umgibt, zwischen benachbarten Oberflächen des inneren Druckkessels 120 und des Reaktordruokkessels 10 angebracht und

erstrecken sich näherungsweise zwischen Ebenen gegenüber der unteren öoretrageplatte 142 und der oberen Ooretrageeinriohtung 146. Diese Stäbe sind in einer dreieokförmigen iDeilung angeordnet, um eine Sichtlinien-Durchstrahlung vom Gore 28, die den äußetoen Druckkessel 10 erreichen könnte^, zu verhindern. Diese Rohre sind durch einen Abschirmwasserkörper umgeben, der den gesamten Bereich zwischen dem inneren und äußeren Druckkessel ausfüllt und duroh den Einlaß 110 eingeführt und den Auelaß 112 entnommen wird. Die Absehirmwaseerrate wird gesteuert, um Sieden zu verhindernJ das Abschirmwasaer schirmt wirkspm den äußeren Druckkessel gegen Leckage-Neutronen und Gammastrahlung vom Gore 28 ab. Im ringförmigen Bereich 150 werden sohneile Iieokage-lTeutronen teilweise

zum Gore 28 zurückreflektiert. In den Abschirmstäben freigesetzte Wärme wird im Abschirmwasserstrora abgeführt»

Die nachfolgende Erläuterung des strukturellen Aufbaue dee Reaktorcores 28 enthält Bezugnahmen auf die Fig.3 und 4. In Fig.3 sind der äußere Druckkessel 10, der ringförmige Boreich 150, der

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innere Druckkessel 12G_t die Goreummantelung 138, das Gore 28 -und die Abschirmstäbe 152, die in Zusammenhang mit der Pig. 1 erläutert worden sind, gezeigt. In 5ig,4 ist eine vergrößerte Ansicht des Gores 28 umgeben durch die Ummantelung 138 gezeigt.'

Das Reaktorcore 28, in S*ig.1 allgemein angedeutet und mehr im einzelnen in den J¹Ig. 2-4 gezeigt, hat.eine Vielzahl von Brennstoff enthaltenden Durchflußkanälen 160, die von einer (Prägeplatte 142 getragen werden und an ihren oberen Enden gegen eine seitliche Bewegung durch eine obere Corehalteeinriohtung 146 befestigt sind. Der Reaktor enthält praktisch keinen Moderator und arbeitet mit einem Sohnellen-Neutramen-Energiespektrum.

Das Reaktorcore 28 besteht aus einem zentralen, Brennstoff enthaltenden Bereich 168 und einem umgebenden, radialen Decken-· und Reflektorbereich 171, wie in Fig.3 gezeigt, wobei beide Bereiche aus hexagonalen Durchflußkanälen aufgebaut sind. Jeder Durchflußkanal ist rohrförmig und hat einen in der Mitte liegenden !eil 160 (außejfd.© unten beschrieben in Verbindung mit den Regeielementen des zentralen Bereiches 168 des Gores) mit hexagonal em Querschnitt praktisch übel* seine länge und hat zylindrische End« teile 162 und 164 am oberen beziehungsweise unteren Ende, Jeder

Kanal hat in seinem in der Mitte liegenden Teil ein hexagonales Bündel von Elementen oder Stäben, wie in Jig. 4 gezeigt, die gegeneinander versetzt sind durch bekannte, nicht gezeigte Brennstoff-

etabhalter und Abstandhalter· Jeder Brennstoffstab besteht aus * einem metallgekapselten Rohr, das an beiden Enden versiegelt ist und in aufeinanderfolgend tieferen Ebenen eine obere Gasfüllung oder einen luftleeren Bereioh, einen oberen axialen Deoken- oder Reflektorbereioh, einen Hauptbrennsto'ffbereioh und einen unteren axialen Deoken- oder Reflektorbereioh hat· Die in den Kanälen des radialen Deoken- oder Reflektorbereiches angeordneten Stäbe ent-

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halten über ihre gesamte Länge ein Eeflektormaterial für schnelle Neutronen. Die Zusammensetzung der Materialien, die in diesen verschiedenen Bereichen enthalten sind, und die Abmessungen der Brennstoff- und Reflektorstäbe und der Kanäle werden im Beispiel 2 gegeben.

Mehrere Regelelement-Führungsröhre 170, die ebenso von der Platte 142 getragen werden, sind unter den Kanälen 160 verteilt. Diese Führungsrohre schaffen offene Bereiche axial durch das Core 2% in denen Regelelemente hin und her bewegt werden können.

Im zentralen Corebereich 168 sind die Regelelement-Mhrungsrohre 170a (am besten in Fig.4 gezeigt) rohrförmig und haben einen Y-fÖrmigen Querschnitt mit gleich großen Armen, die um 120° gegeneinander und gegen die Längsachse des Rohresversetzt sind. Um Platz für die Aufnahme der Führungsrohre 170a. zu schaffen, ■: haben die drei angrenzenden Kanäle (160a, 160b und 160c) eine teilweise hexagonale Form, wie gezeigt. In diesem Oorebereioh bestehen die Steuerelemente aus einem länglichen Slement, das aus drei Reihen von parallelen, mit Bohrkarbid gefüllten Rohren 176

aufgebaut ist, wobei die Reihen radial gegeneinander um 120° um die Längsachse des Regelelementes versetzt und so angeordnet sind, daß sie in dem entsprechend geformten Führungsrohr 170a hin und herbewegt werden können.

In dem radialen Deckenbereioh 171 des Gores sind die Regelelement-Führung sr öhre 170b hexagonal und haben im wesentlichen den gleichen Querschnitt wie die Kanäle 160. In diesem Bereich bestehen die Regelelemonte aus einem Bündel von mit Bohrkarbid gefüllten Rohren 178, die dreieckig angeordnet sind, so daß sie in das Führungsrohr 170b gepaßt werden können.

Als ein typisches Beispiel für die Abmessungen und Zusammensetzungen der in den Fig.2-4 gezeigten Vorrichtung werden die

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folgenden Daten gegeben,die repräsentativ für einen schnellen, dampfgekühlten Reaktor sind, der als eine Wärmequelle für eine Verwendung in dem in Fig. 1 und Beispiel 1 "beschriebenen Kraftwerksystem geeignet ist·

Beispiel 2 Druckkessel 1.0

Innenhöhe

Innendurchmesser Außendurchmesser Wandstärke über alles Auflageschichtdicke

Innere Druckkessel

Innenhöhe

Innendurchmesser Außendurchmesser Wandstärke

Ummantelung 138

Innendurchmesser Dicke

Untere Trageplatte

Dicke

Reaktorcore 28 Zentraler Brennstoffbereioh 168

Anzahl der Kanäle Kanäle 160a,b,c

Anzahl der Regelelement-Führung s r ohr e 170a Radialer Reflektorbereioh Anzahl der Kanäle

Anzahl der Regelelement-Führunßsrohro 1701) 700,5 cm (276inches) 244cm (96inches) 274,5cm (iO8inches) 15,2cm (6inch.es) 0,64cm (0.25inch)

521cm (205inches) 178cm (70inches) 185cm (73inches) 3,81cm (1.50inches)

163cm ( 64inches) 1,27cm (0.5inch)

10,16cm (4 inches)

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Gore 28Abmessungen Höhe über alles

Durchmesser über alles einschließlich Reflektoren

Durchmesser des Zentralbereiches

Höhenmaße

137cm (54 inches) 145cnl (57inches) 100,4cm C39o5inches)

Obere Gasfüllung 20,5cm (ßinches)

oberer axialer Reflektorbereich ⁴⁵»^7cm (^18inciies)

Hauptbrennstoffbereich

unterer axialer Reflektorbereich

Brennetabbündel \jUftr schnitt

Abstand zwischen den Flächen

Kanaldi cke
ii'aterial

Anzahl der Brennstäbe pro Bündel

YoIle Bündel

Teilbündel

Brennstäbe

Außendurchmesοer Au Γ J. age s chi chtma t er ial Auflageschichtdicke Abstand Mitte-Mitte J3r öiine t of f zuaammen ü et zungen (frinoh, Atomprozonte) ZenbraLer Bereich 168 Obortj/Untore axiale RetMekliorbereiohe 45,7cm (I81nches) 45,7cm (18inches)

hexagonal

12,25cm (4o81inches) 0,290cm (o.114inch( 504 S.S.

228 190 O,579om (0.228inch) Ineoloy 800 0,0381cm (0.015inch) O,695om (O.274inch)

99.7^

fj ^ / η BAD ORIGINAL

Hauptbrennstoffbereich

0.225$
74»775$

16_β20$

235 238 PuO₂

242 0.3$

Radialer Reflektorbündelbereioh

Querschnitt

Abstand zwischen den Flächen

Kanaldicke· Anzahl der Stäbe pro Bündel Stabdurchmesser Material Abstand Mitte-Mitte

Regelelemente Zentraler Bereich

Querschnitt

Anzahl der Rohre in jedem Element 170a Auß e ndur chme s s e r Auflageschichtdicke Auflageschichtmaterial Länge über alles hexagonal

12,21cm ( 4.81inchea) 0,290cm (O.IHinch)

19 ■ ' "

2,54om (f.Oinch)

nickel 2,59cm (1.02inches)

dreiarmig

15 0,104cm (0.41 inch) 0,051om (0.020inch)

304 S.S.

50,8cm (20 inches)

Tantal

Regeis babma terial

Rad LaLur Ret'lek bo!'bereich

Quo r ti chni b b hexagonn

Ab f j Land awiaihan den Flächen 12,2 lern (4.81inchen)

Kanu Ld Lcke ■ 0,2 90om (0,114 inoh)

Π η λ r> ν, ι / π 7 h

	19 -	1639238	37	-
Anzahl der Rohre in jedem Element 170"b		1,73cm (0.68inch)	5,08cm (2inches)
Außencturchmesser		0,051cm (0.020inch)	304 S.S.
Auflageschichtdicke		304 S.S.
Auflageschichtmaterial		50,8cm (20inches)
Länge über alles		B₄O
Regelelementmaterial
Stäbe der versetzten Abschirmung 152
Auß endur clime s s er
Material

Die wahlweise eins ehalt bar en Dampfreiniger (18,90 und 91), die bei der Erläuterung der Fig.1 angegeben wurden, haben ein mechanisches Filter, einen Zentrifugalscheider, eine elektrostatische Ausfälleinrichtung oder irgendein anderes Reinigungssystem, das auf besondere, vorhandene Kontaminationsanteile anwendbar ist·

Patentansprüche

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Claims

5,1o1968 EIl/Zü > Meine Akte: 2054

Pat entanspräche

Verfahren für die Erzeugung nutzbarer,, thermischer Energie aus einer Kernspaltungs-Kettenreaktion,, "bei dem eine Kernspaltungs-Kettenreaktion unterhalten wird, um thermische Energie freizusetzen bei dem die thermische Energie von einem Dampfkühlmittel aufgenommen wird, um überhitzten Dampf zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß der überhitzte Dampf durch eine indirekte Wärme taue eher einrichtung (12) geführt wird, daß danach * der überhitzte Dampf durch Entfernen der radioaktiven Materialien, die in dem Dampf enthalten sind, dekontamdniert wird, daß ein Teil des dekontaminierten Dampfes als das Bampfkühlmittel verwendet wird, daß der übrige Teil des dekontaminieren Dampfes durch die indirekte Wärmetauschereinrichtung geführt wird, um überhitzten Dampf zu erzeugen, der praktisch frei von radioaktiver Kontamination ist, uttcl daß der von Kontaminationsanteilen freie, überhitzte Dampf für die Erzeugung der nutzbaren Energie verwendet wird« 2« Verfahren nach Anspruch 1, da-durch gekennzeichnet, daß das Verfahren fortgesetzt wird, bis der Pegel radioaktiver Kontaminationsanteile in dem ersten. Teil des überhitzten Dampfes einen vorbestimmten Wert erreicht, daß danach der Strom dee ersten Teiles verringert wird und dadurch der Strom des zweiten Teiles des überhitzten Dampfes vergrößert wird, daß weiterhin sin erster Teil des Sattdampfee als Sattdampfkühlmittel verwendet wird, daß ein zweiter Teil des Sattdampfes in einem indirekten Wärmetausch mit dem zweiten ^eil des überhitzten Dampfen geführt wird, tun überhitzten Dampf en erzeugen, der praktisoh frei von radioaktiven Kontaminationsanteilen ist, und daß der von Kontaminationsanteilen freie, auf diese Weise erzeugte, überhitzte Dampf mit dem ereten Teil des überhitzten Dampfes vermischt wird, um den Pegel an Kontaminationsanteilem des (femisohes herabzusetzen.

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5· Verfahren nach Anspruch 2„d adurch gekennzei chn e t, daß das Siedewassergemisch, das aus der Vermischung des Wassers mit dem zweiten Teil des überhitzten Dampfes resultiert, behandelt wird, um die in diesem Gemisch während des Betriebs angesammelten Kontaminationsanteile zu entfernen.

4«, Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom des ersten Teiles des überhitzten Dampfes aufeinanderfolgend während des Betriebs verringert wird, und daß der btrom des Sattdampfes, der in einem indirektem Wärmetausch mit dem zweiten Teil des überhitzten Dampfes geführt wird, aufeinanderfolgend vergrößert wird, um den Gehalt an radioaktiven Konta- ::iina ti ons anteil en des überhitzten Dampf gemisches auf einem annehmbaren Pe^eI zu halten.

5. Kernkraftwerk zur Durchführung des Verfahren nach den Ansprüchen 1-4 mit einem Direkt-Kontakt-Dampferzeuger, mit einer dampfgetrie-

De;-ie_n Kraftmaschine, die mit einem Verbraucher und einem Abdampf-Ktnaensator verbunden ist, mit einer Einrichtung für die Einführung des Kondensats vom Kondensator als Speisewasser in den Dampferzeuger, mit einer ersten Einrichtung für die Führung des 5attdampfes vom Dampferzeuger ala Kühlmittel in die Wärmequelle und mit einer Einrichtung für die Führung des überhitzten Dampfes, der durch die Aufnahme der in der Wärmequelle freigesetzten ther-' mischen Baergie erzeugt wird, zur Kraftmaschine, gekennzeichnet durch einen indirekten Wärmetauscher (12)> durch eine Einrichtung (30,32,34»12,36) für die Führung dee überhitzten Dampfes von der Wärmequelle (28) duroh den Wärmetauscher (12) und in den Dampferzeuger (14)» und duroh eine zweite Einrichtung (42,90,64,68,91) für die Führung tee Sattdampfea vom Bfoapferzeuger durch den Värsataueoher, wobei dia Sinribhtune für die Führung de«? üb ^rMt 3 son Dampfes in &i® Kraftmaealiin® .ftir ®&*i«

009883/0743 BAD ORsGiNAL "

Dampf auf nähme mit dem Wärmetauscher verbunden Ib t, . 6» Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung direkt an den Dampferzeuger für die Aufnahme von Sattdampf angeschlossen ist«,

7* Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzei chn e t, daß die zweite Einrichtung äÄrekt für die Aufnahme von Sattdampf an die erste Einrichtung angeschlossen ist.

8, Vorrichtung nach Anspruch 5, g e k e κ η ζ e i c h η e t d u r ch eine Einrichtung (76,74,78) für die Entfernung von Ir/asser aus dem Dampferzeuger, durch eine Einrichtung (70) für die Behandlung P des Wassers, um vom überhitzten Dampf", der von der Värmequelle eingeführt wird, mitgeführte Kontaminationsanteile zu entfernen, und durch eine Einrichtung (72), für die fiückführung aes dekontaminierten Wassers zum Dampferzeuger*

9· Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzei chn e t, daß die Einrichtung für die Behandlung des Wassers ein Ionenaustauscherharz enthält,,

10# Vorrichtung nach Anspruch 5» gekennzeichnet durch

eine Heinigungseinrichtung (18) für überhitzten Daa^f, die für fc eine Dampfatogahe mit der Kraftmaschine (20) verbund^:, ist, 11· Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Reinigungseinrichtung (90) für Sattd: uof, die für eine Dampfaufnahme mit dem Dampferzeuger verbunden ϊίΰ.

12» Vorrichtung nach Anspruch 51 g β k β η η ζ e i j Ii ι. -n t i 5 r ch eine Einrichtung (68), die in uie zweite Einrißwiur^ -ingesohaltet iet_f um den Strom des Sattdampfas von den --Kessel ^H) -^;. WärmetaUsaher (12) zu steuern, und durch eine Binri.^ ί Lug (-.. die ein Absperrorgan für di· Führung von überaus ve:. _: pf . voft dtr WSnneriuelle zur Kraftmasaiilnö (20) hat#

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