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Überhitzerreaktor
Die Erfindung betrifft einen Überhitzerreaktor, bei dem das Kühlmittel im Reaktor verdampft und anschliessend überhitzt wird. Es sind eine Reihe von Vorschlägen bekannt, mit Hilfe von Kernreaktoren überhitzten Wasserdampf zu erzeugen. So ist es beispielsweise bekannt, mehrere Reaktoren hintereinan- der anzuordnen, so dass für verschiedene Dampfzustände verschiedene Reaktoren verwendet werden kön- nen. Es ist auch bereits bekannt, Siedewasserreaktoren als Überhitzerreaktoren in einer Einheit auszubilden. Bei diesen Vorschlägen erfolgt ein mehrfacher Durchlauf des Kühlmittels durch den Reaktorkern, u. zw. in verschiedenen Richtungen.
Der bisher bekannte Typ des Siedewasserreaktors ist bezüglich des konstruktiven Aufbaues relativ einfach, und er eignet sich besonders gut zur Erzeugung von Sattdampf. Jedoch ergeben sich auf Grund des siedenden Moderators neutronenphysikalische Schwierigkeiten, da wegen der Dampfblasen die Homogenität des Moderators in relativ unübersichtlicher Weise gestört wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die aufgezeigten Nachteile der bekannten Anordnungen zu vermeiden. Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass bei einem Überhitzerreaktor, bei dem das Kühlmittel im Reaktor verdampft und anschliessend überhitzt wird, der in den Kühlkanälen der Brennstoffelemente, welche vom Moderatorraum thermisch isoliert sind, durch einen einmaligen in einer Richtung erfolgenden Durchlauf entstehende überhitzte Dampf einem Heissdampfdom zugeführt wird, der gegen den Moderatorraum abgedichtet ist und welcher von einem Kühl-und/oder Moderatormittel umgeben ist.
Nach der Erfindung ist somit der Verdampfungsraum von dem Moderatorraum getrennt, so dass der Moderator auf einer relativ niedrigen Temperatur gehalten wird. Hiedurch ergibt sich der weitere Vorteil, dass der erzeugte Sattdampf anschliessend an den Verdampferraum mit Hilfe der gleichen Brennstoffelemente überhitzt wird. Bei dem einmaligen Durchlauf des Kühlmittels durch die Kühlkanäle des Reaktorkerns in einer Richtung erfolgt eine Vorwärmung, Verdampfung und Überhitzung.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung ist in Fig. l ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Überhitzerreaktors schematisch dargestellt, während in Fig. 2 ein Teilquerschnitt durch den Reaktorkern und in Fig. 3 ein vertikaler Schnitt eines Brennstoffelementes wiedergegeben ist.
In Fig. 1 ist das Reaktorgefäss 1 ein stehender zylindrischer Druckbehälter, der oben mit einem abschraubbaren Deckel versehen ist. Der Reaktorkern 2 besteht aus einer grossen Zahl von Brennstoffkanälen 3, deren U. mhlillungsrohre oben in der Reaktorplatte 4 befestigt und abgedichtet sind. Unten sind die Brennstoffkanäle offen. Sie werden dort nur von einem Führungsgitter seitlich gehalten, so dass sie sich wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung individuell frei nach unten bewegen können. In den Brennstoffkanälen 3 befinden sich die mit hitzebeständigem rostfreiem Stahl umgebenen Brennstoffstäbe (21 Fig. 2 und 3).
Die Brennstoffstäbe sind bei diesem Beispiel von einem etwa 1 mm breiten Ringspalt 22 als Kühlkanal umgeben, der aussen durch eine wasser-und temperaturbeständige keramische Masse 23 (z. B. Al, 0) begrenzt wird. In dem Riagspalt 22 fliesst von unten nach oben das Kühlmedium. Die keramische Masse dient gleichzeitig auch als thermische Isolierung des Kühlmediums gegenüber dem kälteren Moderatorwasser, von dem die in Fig. 2 und 3 dargestellten Brennstoffelemente umgeben sind.
Die Reaktorplatte 4 trägt das gesamte Kerngewicht, bestehend aus Brennstoffstäben, keramischer Füllmasse und den Rohren. Sie ist an seitlichen Zargen innerhalb des Druckgefässes gelagert und so be-
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messen, dass sie nach Entfernung der Rohranschlüsse des Dampfdomes 5 aus dem Reaktorgefäss gehoben werden kann. Auf der Reaktorplatte ist der Heissdampfdom 5, der einen abnehmbaren Deckel besitzt, aufgeschraubt. Zwischen Heissdampfdom 5 und der inneren Reaktorkesselwand befindet sich ein Zwischen- raum 6 von beispielsweise 200 mm. Die Reaktorplatte ist am Rande mit Durchbrachen versehen, so dass der Zwischenraum 6 mit dem Rilckströmraum 7 in Verbindung steht. DerModeratorraum 8 ist von dem Ruckstromraum 7 durch das weit heruntergezogene Leitblech 9 getrennt.
Die Regelstäbe 10 werden durch den unteren Reaktorboden eingeführt und durch das Führungsgitter 11 seitlich gehalten.
Das Speisewasser wird in diesem Beispiel mit etwa 2000 C durch die Speiseleitung 12 über den Ver- teilerring 13 dem Reaktor zugeführt. Es vermischt sich im Rückströmraum 7 mit dem umlaufenden Mo- deratorwasser und erwärmt sich dabei je nach Umlaufverhältnissen und Wärmeverlusten der Kühlkanäle an das Moderatorwasser etwa auf 2500 C. Der Umlauf des Moderators ist so einzustellen, dass auch bei
Teillast ein Sieden des Moderators mit Sicherheit vermieden wird. Diese Anordnung besitzt auch den
Vorteil, dass durch den Naturumlauf des Moderators und durch die Vermischung mit dem (als Moderator dienenden) Kühlmittel ein Moderatortank und eine gesonderte Kühlung des Moderators nicht erforderlich sind. In andern Fällen kann es jedoch zweckmässig sein, einen Moderatortank vorzusehen, der z.
B. wegen des Neutronenhaushalts mit schwerem Wasser als Moderator gefüllt ist.
Die gleiche Wassermenge, die durch die Leitung 12 zugespeist wird, fliesst unten in die Brennstoff- kanäle 3, wird dort auf Siedetemperatur erwärmt, vorteilhafterweise im Gebiet der höchsten Heizflä- chenbelastung verdampft und im oberen Teil überhitzt. Der überhitzte Dampf wird oberhalb der Reaktorplatte 4 in dem Heissdampfdom 5 gesammelt und durch eine SpezialdurchfUhrung, die verhindert, dass der überhitzte Dampf mit der Reaktorwand in Berührung kommt, aus dem Reaktorgefäss durch die Leitung 14 der Turbine zugeführt. Die Druckgefässwand ist nur mit Sattdampf in Berührung und braucht deshalb auch nur für Sattdampftemperatur ausgelegt zu werden. Der Druckverlust in dem Brennstoffkanal liegt im Beispiel bei etwa 5 at bei Vollast.
Das notwendige Druckgefälle für die Strömung durch die Brennstoffkanäle wird vorteilhaft durch das Sattdampfpolster 15 oberhalb des Dampfdomes erzeugt. Das Reaktorgefäss ist bis über den Heissdampfdom 5 mit Wasser gefüllt ; über dem freien Wasserspiegel befindet sich das Sattdampfpölster von etwa 80 ata. Dieses wird dadurch erzeugt, dass die Isolierung des Heissdampfdomes so gewählt wird, dass das aussen umgebende Wasser bei allen Betriebszuständen und unter Berücksichtigung aller Wärmeverluste durch die Druckgefässisolierung im Siedezustand bei 80 ata gehalten werden kann. Durch den Druckregler P wird ein konstanter Druck des Sattdampfpolsters eingestellt. überschüssiger Dampf wird über das von P gesteuerte Regelventil 16 durch die Leitung 17 in d : e Heissdampfleitung 14 gegeben.
Diese Menge beträgt grössenordnungsmässig 10/00 der gesamten erzeugten Dampfmenge. Die Speisewasserzufuhr wird durch den Wasserstandsregler w über das Regelventil 18 so geregelt, dass die Höhe des freien Wasserspiegels unter dem Sattdampfpolster konstant gehalten wird.
Durch die Höhe des Druckes im Sattdampfpolster wird der Druck im System festgelegt. Die Durchsatzmenge stellt sich automatisch auf Grund der Druckdifferenz zwischen Sattdampfpolster und Druck vor dem Turbinenregelventil ein. Bei verminderter Leistungsaufnahme der Turbine muss das Turbinenventil gedrosselt werden, deshalb steigt der Druck vor dem Turbinenventil und im Heissdampfdom des Reaktors an. Da das Sattdampfpolster als treibendes Druckgefälle konstant gehalten werden soll, ist die treibende Druckhöhe für die Durchströmung der Kühlkanäle geringer geworden. und somit wird der Durchsatz gedrosselt, ohne dass andere Regelarmaturen betätigt werden müssen.
Bei gleicher Stellung der Regelstäbe wird jetzt dem Reaktor mehr Energie zugeführt als es dem neuen reduzierten Lastzustand entspricht, was sich durch eine Erhöhung der Heissdampftemperatur bemerkbar macht. Die Heissdampftemperatur wird deshalb als Steuerimpuls t für die Regelstabstellung benutzt.
Die Regelstäbe werden nach Leistungsreduzierung so weit eingefahren, bis die Ausgangstemperatur beispielsweise von 5000 C wieder erreicht ist. Da diese Regelung mit einigen Sekunden Verzögerung arbeitet, müssen die Regelstäbe direkt von der Turbine, dem Generator oder dem Netz bei Laständernngen vorgesteuert werden, und die Temper atuireglung dient nur zur Feinjustierung.
Da das Speisewasser in den Brennstoffkanälen restlos verdampft, werden auch bei reinstem Speisewasser bei den grossen Durchsatzmengen die im Wasser gelösten Salze zum Teil an den Heizflächen abgeschieden, zum grössten Teil aber im Dampf als Staub mitgerissen werden. Die an den Heizflächen eventuell abgeschiedenen Salze werden von einer gewissen Dicke ab den Wärmeübergang verschlechtern, so dass bei der hohenHeizflächenbelastung die Wandtemperatur unzulässig ansteigen würde. Deshalb müssen in gewissen Zeitabständen diese Ablagerungsprodukte entfernt werden. Da sie wasserlöslich sind-die wasserunlöslichen können durch mechanische und Absorptionsfilter vor Eintritt in den Reaktor aus dem Speisewasser entfernt werden-ist es die einfachste Methode, die Brennstoffkanäle mit reinstem Wasser
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zu spülen.
Hiezu wird die Leistung des Reaktors heruntergenommen und die Brennstoffkanäle geflutet, bis das Wasser die Höhe des Spulstutzens 19 erreicht hat. Im Beispiel sind die Kühlkanäle so eng ausgelegt, dass das Fluten ohne die Gefahr einer unzulässigen Reaktivitätserhöhung erfolgen kann. Das Wasser siedet noch leicht. Der Sattdampf wird in den Hauptkondensator geleitet (mit dem Dampfablassventil wird der
Druck im Reaktor geregelt) und das Spülwasser über den Stutzen 19 in eine Reinigungsanlage gegeben.
Wenn das Spülwasser die nötige Reinheit hat, wird das Ventil 20 geschlossen und das geflutete Spalwas- ser langsam verdampft, bis der Dampf mit Druck und Temperatur wieder den Arbeitszustand erreicht hat.
Das Anfahren des Reaktors aus dem kalten Zustand geschieht in analoger Weise. wie das Anfahren nach dem Reinigen.
Die grösstmögliche Reinheit des Speisewassers ist für den Durchlaufreaktor eine unbedingte Voraus- setzung. Durch die Verwendung von rostfreien Stählen, sorgfältigster Speisewasseraufbereitung, besonde- rer konstruktiver Massnahmen beim Turbinenkondensator (doppelte Rohrböden) und Verzicht auf die kon- ventionellen Röhrenvorwärmer lässt sich dies technisch erreichen. Auch bei Verwendung von korrosions- beständigen Materialien stammen etwa die Hälfte der Korrosionsprodukte, die mit dem Speisewasser in den Reaktor gelangen, aus dem konventionellen Röhrenvorwärmer. Deshalb ist es erforderlich, dass diese durch Mischvorwärmer ersetzt werden. Fullt man den Mischvorwärmer noch mit Korrosionbprodukten ab- sorbierenden Füllkörpern, so dürfte das Speisewasser den gewünschten Reinheitsgrad haben.
Der enge Spalt im Kühlkanal bietet noch die Möglichkeit, eine kontinuierliche Messmethode für den
Reinheitsgrad der Elementoberfläche zu schaffen. Die Dicke der Korrosionsproduktschicht verringert den
Strömungsquerschnitt und somit die durchgesetzte Menge. Das bedeutet, dass bei gleicher Leistung des Brennstoffelementes die Austrittstemperatur des Dampfes hoher ist als normal. Misst man nun die Dampf- austrittstemperatur in gewissen Zeitabständen, so ist die Temperaturerhöhung ein Mass für die Ve schmut- zung.
An die Brennstoffelemente und den Kühlkanal mUssen spezielle Forderungen gestellt werden, weil diese Bauelemente die Funktion von drei Reaktortypen in sich vereinen, u. zw. die des Druckwasser- (in der Vorwärmzone), des Siedewasser- und des Überhitzerreaktors. Die Auslegung muss die neutronenphysikalischen, die wärmetechnischen und die korrosionstechnischen Belange berücksichtigen. Die Neutro- nenphysik schreibt hauptsächlich das Material und dessen Verteilung vor. Die Wärmetechnik muss sich nach dem schlechtesten Aggregatzustand, dem überhitzten Dampf richten und schreibt die Anordnung der Kühlkanäle vor. Die Korrosionstechnik hat wieder entscheidenden Einfluss auf die Materialauswahl.
Die
Summe aller dieser Forderungen ist ein Kompromiss und soll ein Optimum an Wirtschaftlichkeit, Einfachheit und Betriebssicherheit gewährleisten.
Fig. 2 und 3 veranschaulichen den Aufbau eines Brennstoffelementes entsprechend dem Ausführungbeispiel in Fig. l. Fig. 2 zeigt einen horizontalen Schnitt durch mehrere Brennstoffelemente in einer bevorzugten Gitteranordnung.
Fig. 3 zeigt einen vertikalen Schnitt durch ein Brennstoffelement. Sieben Brennstoffstäbe sind zu einem Bündel zusammengefasst. Der Brennstoffstab 21 (angereichertes UO,) hat einschliesslich Hulle aus korrosions-und zunderbeständigem Stahl beispielsweise 10 mm äusseren Durchmesser. Zur Erzielung eines guten Wärmeüberganges bei geringem Druckverlust muss das Kühlmedium durch einen gleichmässigen Ringspalt 22 in der Grössenordnung von 1 mm Breite strömen. Dieser wird durch einen temperatur- und wasserbeständigen sowie wenig Neutronen absorbierenden Füllkörper 23 (z. B. Al. 0) nach aussl n begrenzt.
Zur Distanzierung der Brennstoffelemente in dem Ringspalt 22 sind an der inneren Füllkörperwand drei Halterungen 24 in Abständen von etwa 200 mm in Längsrichtung angebaut. Diese können entweder aus dem Material des Füllkörpers sein oder, wenn die Gefahr der örtlichen Überhitzung der Brennstoffhülle an der Berührungsstelle besteht, aus dünnen Blechen. Die keramische Füllkörpermasse lässt sich nicht in gro- ssen Längen mit der erforderlichen Masshaltigkeit herstellen. Deshalb muss der Körper aus Einzelstücken aufgebaut werden, die durch die Löcher 25 mittels Längsbolzen zusammengehalten werden, die vorteilhaft eine kleinere thermische Ausdehnung besitzen als die Füllkörpermasse, damit die Einzelteile im Betrieb fest zusammengepresst werden.
Das Brennstoffelement wird aussen von einem beispielsweise gleichseitigen Sechseck begrenzt, dessen Seiten nach innen eingedrückt sind, um so das vom neutronenphysikalischen Standpunkt aus gesehene unnötige Füllmaterial zu reduzieren. Die Brennstoffstäbe sind mit den Füllkörpern zu einer Baueinheit verbunden und besitzen ein Umhüllungsrohr 26. Die keramische Füllmasse ist aussen mit niedrigen Rippen versehen, so dass zwischen der Füllmasse 23 und dem Umhüllungsrohr 26 ein kleiner Zwischenraum verbleibt. In diesen Zwischenraum kann das Kühlmittel von unten her eintreten. Am oberen Ende des Brennstoffelementes ist dieser Zwischenraum jedoch verschlossen.
Durch den stagnierenden Wasserdampf in
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diesem Zwischenraum wird die thermische Isolierung der Füllmasse vorteilhaft verstärkt. Das Umhüllungrohr 26, das z. B. aus Zirkon besteht, dient ferner zum Schutz der keramischen Füllmasse und zur mechanischen Halterung der Einzelstücke der Füllkörper, in denen die Brennstoffstäbe zweckmässigerweise ohne Unterteilung untergebracht sind. Beim Brennstoffwechsel werden die Brennstoffelemente mit dem
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Nach der Erläuterung dieses Ausführungsbeispiels sollen einige der besonderen Vorteile zusammenge- fasst werden, die durch diese Erfindung erzielt werden.
Es ergeben sich sehr gute Wärmeübergangsverhältnisse bei geringem Druckverlust durch den defi- nierten Ringspalt (Kuhlkanal).
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Verwendung von korrosions-und temperaturbestän- digem Füllmaterial, das wenig Neutronen absorbiert, vorgeschlagen.
Es erfolgt eine gute thermische Isolierung des überhitzten Dampfes durch die Füllkörpermasse gegen den kälteren Moderator.
Die Erfindung gestattet die Konstruktion einfach aufgebauter Ausführungsformen.
Die engen Kühlkanäle besitzen ein insgesamt geringes freies Volumen, so dass die Dichteänderung des Kühlmediums während des Durchfliessens des Brennstoffbündels im Verhältnis zum Moderatorgewicht kaum ins Gewicht fällt. Neutronenphysikalische Schwierigkeiten mfolge der Dampfblasen treten im Ge- gensatz zum Siedewasserreaktor nicht auf, da der Moderator nicht zum Sieden kommt. Beim Fluten des Kühlkanals treten wegen des geringen Volumens keine unzulässigen Reaktivitätserhöhungen auf.
Es können glatte durchgehende Brennstoffstäbe verwendet werden, deren Hülle zweckmässigerweise poliert ist, so dass die Korrosionsgefahr erheblich vermindert wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Überhitzerreaktor, bei dem das Kühlmittel im Reaktor verdampft und anschliessend überhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der in den Kühlkanälen (3) der Brennstoffelemente, welche vom Moderatorraum (8) thermisch isoliert sind, durch einen einmaligen in einer Richtung erfolgenden Durchlauf entstehende überhitzte Dampf einem Heissdampfdom (5) zugeführt wird, der gegen den Moderatorraum (8) abgedichtet ist und welcher von einem Kühl-und/oder Moderatormittel umgeben ist.