DE1291422B

DE1291422B - Steuervorrichtung fuer einen Beschleunigungsschwankungen ausgesetzten Siedewasser-Kernreaktor

Info

Publication number: DE1291422B
Application number: DEI31071A
Authority: DE
Inventors: Petersen Eirik Nicoll
Original assignee: Institutt for Energiteknikk IFE; Studsvik Energiteknik AB
Current assignee: Institutt for Energiteknikk IFE; Studsvik Energiteknik AB
Priority date: 1965-06-17
Filing date: 1966-06-15
Publication date: 1969-03-27
Also published as: US3429775A; GB1139745A; SE321295B; SE375180B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrich- Reaktorkern zu geben. Auf diese Weise wird die getung für einen Beschleunigungsschwankungen ausge- ' samte Bewegungsgröße der Flüssigkeit im Umlauf setzten Siedewasser-Kernreaktor mit einem Flüssig- erhöht, so daß auch eine erhöhte Stabilität des Flüskeitsnaturumlauf innerhalb des Reaktordruckgefäßes, sigkeitsumlaufs bewirkt wird. Gemäß diesem bekannder ein den Reaktorkern enthaltendes Steigrohr und 5 ten Verfahren wird der Flüssigkeitsfluß durch den mindestens ein düsenförmiges Fallrohr aufweist. Kern jedoch nur in einem Bereich stabilisiert, der Bei derartigen Kernreaktoren kommt es oft vor, auf mittlere und höhere Frequenzen unterschieddaß beträchtliche Veränderungen des Eigenvolumens licher Beschleunigungsschwankungen bezogen ist. (spezifisches Volumen) ihres Moderators und/oder Demgegenüber ist es jedoch durch eine geeignete des Kühlmittels auftreten. Es ist deshalb wichtig, den io Wahl der Länge des verjüngten Abschnittes, wie erModerator und/oder die Kühlflüssigkeit so zu stabili- wähnt, innerhalb des Abzugsrohres möglich, einen sieren, daß der Reaktor konstanten Arbeitsbedingun- geschlossenen Reaktorkreislauf so zu stabilisieren, gen unterliegt. daß er über einen beliebigen Frequenzbereich, also In einem stationären Kernreaktor mit siedender auch in unteren Frequenzen, konstant gehalten wer-Kühl- und/oder Moderatorflüssigkeit wird der Um- 15 den kann. Schließlich ist es noch bekannt, eine einlauf in dem Reaktortank durch die Reaktorenergie stellbare Menge einer relativ kälteren Flüssigkeit in und durch die Temperatur der dem Reaktor von dem den Kern des Reaktors von einem äußeren Wärme-Wärmeaustauschkreis zugeführten Flüssigkeit be- austauschkreis in Abhängigkeit von Beschleunigungsstimmt. Bei einem Reaktor, der für Seefahrzeuge Schwankungen einzubringen. Vermittels geeigneter Verwendung findet, verändert sich der Umlauf dar- 20 Ventile kann somit die Verringerung des Dampfüber hinaus mit den Beschleunigungswerten, welche gehaltes innerhalb des Reaktorkerns, wie sie durch von dem natürlichen Seegang bestimmt werden. Der einen erhöhten Umlauf verursacht wird, kompensiert Umlauf beeinflußt seinerseits wiederum die Dichte werden, und zwar mittels der Herabsetzung der zuder Flüssigkeit und somit die Reaktorenergie. Damit geführten Menge von relativ kälterer Flüssigkeit, liegt ein Rückkopplungsystem vor, welches die Re- 25 Man läßt dabei eine verhältnismäßig große Menge aktorenergiequelle, den Umlauf, die Flüssigkeits- der wärmeren Flüssigkeit von dem Abzugsrohr aus dichte und die Reaktorenergie einschließt. Dieses in den Kern fließen, wodurch sich die Gegenwirkung System kann zu sich aufschaukelnden Resonanz- bezüglich der Verringerung des Dampfgehaltes erschwingungen und damit zur Instabilität führen. gibt. Eine Umlaufabnahme ist demgemäß durch eine Selbst dann, wenn der Reaktor für sich stabil arbeitet, 3° Zunahme von zugeführter relativ kälterer Flüssigkeit können die extrem auf diesen einwirkenden Störun- zu dem Kern gekennzeichnet. Eine derart geregelte gen so groß werden, daß die zu erzeugende Reaktor- Einspeisung in dem Kern weist jedoch Nachteile auf, energie herabgesetzt werden muß. die im wesentlichen darin bestehen, daß das Zu-Die Arbeitsweise von Reaktoren für die Schiffahrt führen der relativ kälteren Flüssigkeit in das System muß unter allen auftretenden Bedingungen auch 35 das Wärmegleichgewicht stört, was zu Druckverändeextremster Art stabilisierbar sein, insbesondere rangen im Reaktor führt.

müssen durch äußere Störungen verursachte Schwin- Die bisher bekannten Vorrichtungen und Verdungseinflüsse ausgeschaltet werden. Zusätzlich muß fahren zur Stabilisierung von Siedewasser-Reaktoren bei der Verwendung von Kernreaktoren für die See- sind jedoch besonders bei extremen Störbedingungen, Schiffahrt darauf geachtet werden, daß die Schwin- 40 wie sie beispielsweise durch starken Seegang bedingt gungsamplituden der erzeugten Leistung nicht nur sind, noch nicht befriedigend, innerhalb gewisser Sicherheitsgrenzen liegen, son- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, noch dem daß darüber hinaus der Reaktor mittels geeig- vorhandene Mängel bei der Steuerung der Arbeitsneter Signale so schnell auf Leistungsschwankungen kennlinie eines Beschleunigungsschwankungen ausreagieren kann, daß das Schiff immer eine aus- 45 gesetzten Siedewasser-Reaktors durch zusätzliche reichende Manövrierfähigkeit besitzt. Maßnahme zu vermeiden.

Die vorliegende Vorrichtung für die Steuerung Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß eines Siedewasser-Kernreaktors ist auf Kernreaktoren dadurch erreicht, daß das oder die Fallrohre den anwendbar, die selbst beträchtliche Veränderungen Strömungsquerschnitt in Abhängigkeit von der Ströim Eigenvolumen des Moderators und/oder Kühl- 5° mungsgeschwindigkeit in dem Fallrohr verändernde mittel aufweisen können. Die Anwendung der vor- Einstellanordnungen aufweisen. Es ist in diesem Zuliegenden Steuervorrichtung zeitigt die besten Ergeb- sammenhang von Bedeutung, daß die Einstellanordnisse in Verbindung mit Reaktoren mit natürlichem nung für den Fließquerschnitt eine indirekt auf BeUmlauf, ist jedoch.nicht auf solche Reaktoren be- schleunigungsveränderungen ansprechende Vorrichschränkt, sondern weist auch im Bereich der Reak- 55 rung ist.

toren mit erzwungenem Umlauf erhebliche Vorteile Diese im oberen Teil des Fallrohres vorgesehene

auf. Einstellanordnung bringt eine zusätzliche stabilisie-

Es ist bereits eine Steuervorrichtung für einen rende Wirkung, da die Öffnung des Fallrohres immer

Siedewasser-Kernreaktor bekannt, bei dem der Flüs- dann mehr oder weniger verschlossen wird, wenn die

sigkeitskreislauf im Reaktordruckgefäß durch ein du- ^6o auf dem Reaktor wirkende Beschleunigung erhöht

senförmiges Fallrohr hindurchgeführt wird (vgl. die bzw. vermindert ist.

»Proc. of the 3^rd Int. Conf. on the Peaceful Use of Um die Einstellbarkeit einer konstanten Arbeits-

Atomic Energy«, Vol. 8, 1965, New York, S. 338 kennlinie weiter zu erleichtern, kann der verjüngte

bis 344). Dieser Reaktor wird jedoch zusätzlich zum Kanal vorteilhafterweise aus einer Anzahl schmaler

Flüssigkeitsnaturumlauf im Reaktordruckgefäß mit 65 Kanäle gebildet sein, die in Form eines Ringes um

einer Strahlpumpe betrieben. Es ist auch bekannt, den Reaktorkern herum angeordnet sind,

der Flüssigkeit in dem Abzugsrohr eine erhöhte Ge- Es wird die Kavitation ausgenutzt, um damit

schwindigkeit im Verhältnis zu dem Fluß durch den automatisch die Strömungsgeschwindigkeit in dem

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Fallrohr zu verringern. Bekannterweise tritt die Roste 4 getragen werden. Es ist ein zylinderförmiges Kavitation immer dann auf, wenn der statische Steigrohr 5 über dem Kern 2 angeordnet. Es wird Flüssigkeitsdruck geringer als der Sättigungsdruck schweres oder leichtes Wasser oder ein Gemisch aus bei gegebener Temperatur ist. Es ist vorteilhaft, den schwerem oder leichtem Wasser als Moderator und Strömungsquerschnitt einiger oder wenigstens eines 5 Kühlmittel angewandt. Die Höhe des Wasserspiegels Fallrohres über die gesamte Länge oder mindestens ist durch das Bezugszeichen 6 angezeigt. Es sind über einen Teilabschnitt so zu wählen, daß die Be- Steuerstäbe 7 für die Steuerung des Reaktors vorschleunigung des Flüssigkeitsflusses gerade einen der- gesehen. In den Zeichnungen sind lediglich zwei artigen Wert aufweist, daß die erreichbare Verringe- derartige Stäbe wiedergegeben, zwecks deutlicherer rung des Flüssigkeitsdruckes innerhalb des Kanals io Darstellung. Die Steuerstäbe 7 sind in herkömmlicher ausreicht, den statischen Flüssigkeitsdruck innerhalb Weise durch Antriebe zwecks Bewegens derselben in eines bestimmten Querschnittes kleiner als den Sätti- und aus dem Kern 2 betätigt. Über dem Wassergungsdruck bei gegebener Temperatur zu machen. spiegel 6 liegt ein Dampf dorn 8, der durch ein Rohr 9 Bei einer geeigneten Auswahl verschiedener Strö- mit einem Wärmeaustauscher 10 oder einer anderen mungsquerschnitte wird die Kavitation bei vorge- 15 Wärmeverwertungsanordnung, wie einer Turbine mit gebener Beschleunigung deshalb immer nur in einem einem Kondensator, in Verbindung steht. Das Konbestimmten Kanal auftreten. Würde man die Strö- densat wird von dem Wärmeaustauscher 10 aus mungsquerschnitte aller Kanäle gleichartig ausbilden, durch die Rohre 11 und 12 zurück zu dem Reaktorso würde dies zu einer periodischen Blockierung des tank vermittels einer Pumpe 11a gepumpt und tritt Flüssigkeitsflusses führen, was vermieden werden 20 bei 13 in den Kühlwassereinlaß des Reaktorkerns ein. muß. Das Rohr 12 kann in eine Anzahl Düsen unterteilt

Auch die erwähnte Verwendung von zusätzlicher werden, die über den gesamten Einlaß des Kerns 2

relativ kälterer Kondensatflüssigkeit aus einem einen verteilt sind.

Wärmeaustauscher enthaltenden äußeren Kreislauf Bei Reaktorbetrieb wird Dampf in dem Kern 2 kann bei Anwendung für die Stabilisierung der 25 erzeugt, und Wasser und Dampf steigen auf Grund Arbeitskennlinie eines Siedewasser-Reaktors vorteil- des natürlichen Umlaufs durch das Steigrohr 5 nach haft sein. Die Flüssigkeit aus dem inneren Natur- oben. Der Dampf wird von dem Wasser getrennt, umlauf wird, nachdem sie durch das Fallrohr hin- und zwar entweder durch natürliche oder erzwungene durchgeführt worden ist, an dem Kühlmitteleinlaß Trennung, und tritt in den Dampfdorn 8 ein, wähdes Kerns mit einer eingestellten Menge der aus 30 rend das Wasser zu dem Kern 2 durch das Abzugseinem äußeren Wärmeaustauscherkreis im Zwangs- rohr 14 zwischen der Tankwand und dem Steigrohr 5 umlauf zurückgeführten Flüssigkeit gemischt, welche zurückgeführt wird. Das zurückgeführte Wasser versieh mit zunehmender Flüssigkeitsgeschwindigkeit in mischt sich mit dem zurückgeführten Kondensat aus dem Fallrohr verringert und mit abnehmender Flüs- dem Rohr 12 bei 13, und das Gemisch tritt an den sigkeitsgeschwindigkeit in dem Fallrohr zunimmt. 35 Brennstoffelementen 3 für ein erneutes Erhitzen vor-Gleichzeitig wird ein Teil der Flüssigkeit aus dem bei. Zwecks Stabilisierens der Kühlmittelströmung äußeren Kreislauf in den Dampf dorn eingespritzt. ist ein düsenförmiges Fallrohr 15 in dem Abzugs-In dieser Weise wird ein praktisch konstanter Druck rohr 14 vorgesehen. Dieses Fallrohr liegt in dem in dem Reaktortank unter sich verändernden Be- eigentlichen Abzugsrohr 14 und erstreckt sich über schleunigungsbedingungen erzielt. 40 etwa eine Hälfte bis zu drei Viertel der Länge des-

Eine derartige Stabilisation kann z. B. vermittels selben, wie sie von dem oberen Ende des Steigeines auf Beschleunigungsveränderungen ansprechen- rohres 5 bis zu dem Boden des Reaktorkerns 2 beden Ventils erreicht werden, das sich in der Flüssig- rechnet ist. An dem Auslaß des düsenförmigen keitszuführung von dem Wärmeaustauschkreis zu- Fallrohres 15 befindet sich ein Diffusor 16. Das Fallrück zu dem Reaktortank befindet und ebenfalls mit 45 rohr kann in unterschiedlicher Weise ausgebildet der Dampfphase des Reaktortanks in Verbindung sein. In der F i g. 2 ist eine Ausführungsform erläusteht. tert, bei der das Fallrohr 15 in Form eines ringförmi-

Die halbe Flüssigkeit aus dem äußeren Wärme- gen Raums vorliegt, der den Kern 2 umgibt. Die

austauscherkreislauf kann auch vorteilhafterweise geometrische Konfiguration des Kanals hängt von der

an dem oberen Ende des Steigrohres eingeführt wer- 50 Form des Umfangs des Reaktorkerns ab, der natür-

den, wo der Moderator und/oder das Kühlmittel in lieh nicht kreisförmig zu sein braucht. Die Breite

Richtung auf den Dampfraum strömt. In dieser des ringförmigen Raums kann unterschiedlich sein,

Weise wird ein konstanter Dampfdruck erhalten, um so den Querschnitten unterschiedliche Abmes-

indem die Dampfkondensation in den Dampfblasen sungen zu verleihen. Es ist wesentlich, daß das FaIl-

an Stelle in dem Dampfraum eingestellt wird. 55 rohr im unteren Teil des Abzugsrohres 14 angeord-

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise net ist. Das Fallrohr 15 ist eine wirksame Stabilisie-

unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert: rungsanordnung in einem Siedewasser-Reaktor, je-

Fig. 1 ist ein senkrechter Schnitt eines Siede- doch kann der stabilisierende Effekt durch Vorsehen

wasser-Kernreaktors mit einer Steuervorrichtung; einer Anordnung erhöht werden, durch die der

F i g. 2 bis 4 sind waagerechte Schnitte längs der 60 Strömungsquerschnitt des Fallrohres 15 verändert

Linie a-a der F i g. 1 von verschiedenen Ausfüh- wird,

rungsformen, und F i g. 1 stellt beispielsweise ein durch eine Feder

F i g. 5 ist ein senkrechter Schnitt, ähnlich dem- 21 betätigtes Ventil 20 dar, das in vertikaler Rich-

jenigen nach der Fig. 1, zeigt jedoch eine weitere tung vor dem Einlaß des Fallrohres 15 in Abhängig-

Ausführungsform der Steuervorrichtung. 65 keit von der Strömungsgeschwindigkeit des Kühl-

In der F i g. 1 ist ein Kernreaktortank 1 gezeigt, mittels in dem Abzugsrohr bewegt wird. In dem

der einen Kern 2, bestehend aus BrennstoS- Fall, daß eine Beschleunigungserhöhung zu einem

elementen 3, umschließt, die durch ein oder mehrere unzweckmäßigen Erhöhen des Umlaufs in dem

inneren Kreislauf führt,_r wird der erhöhte Kühlmittel·- fluß die Feder 21 nach unten drücken und bedingen, daß sich eine Verengung des Strömungsquerschnittes des, Einlasses zu dem. Fallrohr 15 ergibt, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit verringert wird. Eine weitere Anordnung der düsenförmigen· Fallrohre 15 ist in:der Fig. 3 gezeigt. In diesem Fall ist eine Anzahl düsenförmiger Fallrohre 15 vorgesehen, die um den Kern 2 herum; verteilt sind. BeL einer derartigen Anordnung wird das Einstellen des io. Strömungsquerschnittes erleichtert. Eine dritte Ausführungsform der düsenförmigen Fallrohre 15 ist in der. Fig. 4 gezeigt In diesem Fall, sind eine Anzahl von Fallrohren unterschiedlicher Querschnitte: vorgesehen, die um den. Kern 2 herum angeordnet sind. In dieser Weise können Schwankungen· des Kühlmittelflusses besser verändert werden.

Zusätzlich zu dem düsenförmigen Fallrohr 15 wird eine weitere Stabilisierungsanordnung vorgesehen.

In der Fig. ί ist das Röhr 11 an einem Ventil22 ao in; ein Rohr 23 undr das weiter oben bereits erwähnte Rohr 12 verzweigt. Durch das. Rohr 23 wird Kondensat dem Dampfdorn 8 in einer Menge zugeführt,, die. von der Menge des Kondensates abhängt, die dem Einlaß des, Reaktorkerns 2 durch das Rohr 12 as zugeführt wird. Diese dem. Kern 2 zugeführte Kondensatmenge hängt von der Strömungsgeschwindigkeit durch das Abzugsrohr ab, Die Einstellung wird vermittels des Ventils 22 bewirkt, das durch einen Motor 24 betätigt wird, der elektrisch vermittels des Geschwindigkeitsmessers 25 in dem Abzugsrohr 14 gesteuert wird.

Die F ig.· 5 erläutert das Arbeitsprinzip eines, Siedewasser-Kemreaktors mit 60 Megawatt Wärme^- leistung, der mit Wasser als Moderator und/oder Kühlmittel bei einem Druck von 50 Atmosphären; arbeitet Die- Kühlmittelströmungen des- Reaktors, werden im wesentlichen vermittels einer Anordnung stabilisiert, wie sie weiter oben unter Bezugnahme auf die Fig^l bis 4 erläutert worden ist,- jedoch kann auch eine wahlweise Stabilisierungsanordnung vorgesehen werden, wie es sich an Hand der folgenden Beschreibung, ergiht.

Der Reaktortank 1 weist einen Außendurchmesser D von 2,6 m und eine Höhe von 6,4 m auf. Die Gesamtlänge des Abzugsrohres 14 beträgt 3,42 m_} wobei sich die Länge l„ des düsenförmigen Fallrohres, 15 auf 1 m und die Länge l_d des Diffusors 11 auf 0,84 m beläuft. Die HöhejH_c des Reaktorkerns 2 beläuft sich auf 1,32 m und die HöheÄ_r des Steig- rohresS auf 1,58 m. Der Wasserspiegel 6 befindet sich · gewöhnlich in einer Entfernung h von 0,77 m, über der oberen Seite des Steigrohres 31. Die Querschnittsfläche ^4r des Steigrohres 5 beträgt 1,5Im²J während sich die Querschnittsfläche Ac des eigentliehen Kerns auf 1,115 m² beläuft. Die Querschnittsfläche Ad des oberen Teils des Abzugsrohres 14 beträgt 3,7 m²·, während sich die Fläche^/? des. unteren, Teils des Abzugsrohres, d. b.. des verjüngten Kanals. 28, sich auf 0,4 m² beläuft. 6»

So wie in der F i g. 1 gezeigte Reaktor wird der Reaktor nach, der Fig. 5 vermittels Steuerstäben 7 gesteuert* und ein. Dampf dorn. 8· steht mit einer Turbine 34 mit Kondensator 34ö: über· ein Rohr 35 in Verbindung. Das; Kondensat wird dem Reaktortank 26. vermittels einer Pumpe 36 α durch ein, Rohr 36 zurückgeführt, das an, einem einstellbaren Ventil 37 jrt ein Rohr 38 und ein Rohr 39' verzweigt ist Bei der hier gezeigten: Ausführungsform, wird das Rohr

38 außerhalb des Tanks 1 dem Einlaß des. Kerns. 2 zugeführt, kann jedoch ebenfalls in der in der. Fig, I gezeigten Weise angeordnet sein. Bei einer weiteren· wahlweisen Ausführungsform kann das Rohr 38 mit einer Anzahl Einspritzvorrichtungen 40 zwecks Verstärkens des natürlichen Umlaufs in dem Tank 26 versehen, sein. Wie bekannt, führt ein. derartiges Einführen des Kondensates zu einem Stabilisierungseffekt auf. die Kühlmittelströmung. Nach einem, dritten wahlweisen Ausführungsbeispiel erstreckt sich, das zweite verzweigte. Rohr 39 nach unten in die Flüssigkeit an dem Auslaß des Kerns-2 (s., das Bezugszeichen 41). In der gezeigten Weise kann das sich, nach unten erstreckende Rohr 41 in eine Anzahl, Rohre 42 verzweigt sein, so· daß das durch, das Rohr

39 fließende Kondensat nicht nur dem Auslaß des Kerns, durch das Rohr 41, sondern ebenfalls der. oberen Seite, des Abzugsrohres 14 durch, die Rohre 42. zugeführt wird. Das Ventil; 37 kann entweder durch Beschleunigungskräfte betätigt oder mit einem. Motor 43 angetrieben werden,, der elektrisch von einem Geschwindigkeitsmesser 44 gesteuert wird.. Das durch Einwirkung, von Beschleunigungskräften betätigte Ventil 37 kann ebenfalls-elektrische Signale einem, weiteren Motor 45 zuführen,, der über eine mechanische Verbindung Klappen 46- einstellen· kann, die sich in einem, oder, mehreren der düsenförmigen Fallrohre befinden,, die unter Bezugnahme auf die F i g. 3 und 4 beschrieben sind. Die Klappe 46 kamt auch vermittels eines von dem.Geschwindigr keitsmesser 44, kommenden. Signals, eingestellt werden.

Claims

Patentansprüche:

1„ Steuervorrichtung für einen Beschleunigungsschwankungen, ausgesetzten Siedewasser-Kernreaktor mit einem Flüssigkeitsnaturumlauf innerhalb· des Reaktordruckgefäßes, der ein den Reaktorkern enthaltendes Steigrohr und mindestens ein düsenföimiges Fallrohr aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Fallrohre (15) den Strömungsquerschnitt in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit in dem Fallrohr (15) verändernde Einstellanordnungen aufweisen..

2., Steuervorrichtung, nach Anspruch I_x dadurch, gekennzeichnet,; daß; die Einstellanordnung auf Besehleunigungsänderungen. anspricht.

3., Steuervorrichtung nach Anspruch 2,. dadurch gekennzeichnet, daß, die Fallrohre (15): unterschiedliche Innendurchmesser haben.

4. Steuervorrichtung, nach Anspruch. 2_% dadurch gekennzeichnet,, daß: mehrere; vertikale Fallrohre ringförmig, um den Reaktorkern (2) angeordnet sind.

5. Steuervorrichtung nach einem oder mehreren; der Ansprüche 1 bis. 4„ dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellanordnungen Klappen. (20) sind.

61. Steuervorrichtung nach, einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 für, einen Siedewasser-Kernreaktor mit einem äußeren KüfüV mittehimlauf_T, der von einem Dampfdom, zu einem außerhalb des, Reaktordruckgefäßes angeordneten. Wärmeaustauscher und von dort zu.

einer Verzweigung führt, dadurch gekennzeichnet, daß sich von der Verzweigung (22) aus Leitungen (12, 23) sowohl zum Dampfauslaß des Steigrohres (5) als auch zum Kühlwassereinlaß des Kerns (2) hin erstrecken.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

909513/1664