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DE1298651B - UEberkritischer heterogener Atomkernreaktor vom Druckkesseltyp - Google Patents

UEberkritischer heterogener Atomkernreaktor vom Druckkesseltyp

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DE1298651B
DE1298651B DES99052A DES0099052A DE1298651B DE 1298651 B DE1298651 B DE 1298651B DE S99052 A DES99052 A DE S99052A DE S0099052 A DES0099052 A DE S0099052A DE 1298651 B DE1298651 B DE 1298651B
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Germany
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pressure vessel
tubes
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fuel rods
fuel
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DES99052A
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English (en)
Inventor
Dipl-Ing Diethelm
Dipl-Ing Franz
Huber Gerald
Knoedler
Winkler
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Siemens Corp
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Siemens Corp
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Description

Gegenstand der Hauptpatentanmeldung ist ein drischer Einbau 15 vorgesehen, der die zentrale Kernheterogener Druckgefäßreaktor, der mit Wasser mo- zone mit den Überhitzerbrennstäben 3 umschließt, deriert und mit Wasser von überkritischem Druck Konzentrisch dazu sind die normalen Brennstäbe 2 und überkritischer Temperatur gekühlt wird. Bei die- angeordnet. Diese sind nur rein schematisch in Gesem ist eine zweite mit einem verstellbaren Ventil 5 stalt einzelner Brennstäbe dargestellt, damit die Überversehene Wasserzuleitung strömungsmäßig mit git- ' sichtlichkeit für den Strömungsweg nicht verlorengeht, terartig und parallel zu den Brennstoffstäben ange- Dieser läßt sich etwa folgendermaßen beschreiben: ordneten Rohren verbunden, die den Kern durch- Durch den Stutzen 11 tritt Wasser mit einer Temsetzen und austrittsseitig fest eingestellte Drossel- peratur von 340° C und überkritischem Druck in den stellen enthalten. io oberen Raum des Reaktordruckgefäßes ein. Als
Aus der deutschen Auslegeschrift 1183 605 ist Moderatorflüssigkeit 21 tritt es dann von oben in den ein heterogener Druckgefäßreaktor, der mit Wasser Zwischenraum zwischen den die Brennstäbe 2 bzw. 3 moderiert und mit Wasser von unterkritischem Druck umgebenden Strömungsmittelleitrohren 4, im folgen- und unterkritischer Temperatur gekühlt wird und den auch kurz Leitrohre genannt, ein und strömt eine einzige durch ein Ventil steuerbare Wasserzu- 15 nach abwärts. Am tiefsten Punkt angelangt, strömt leitung besitzt, bekannt, bei dem Brennstoffstäbe von der bereits aufgeheizte Moderator durch die seitlichen gegenseitig beabstandeten Kühlmittelleitrohren umge- Öffnungen 151 bzw. 141 nach außen in den Zwischenben sind, innerhalb deren das Kühlmittel verdampft raum zwischen dem Traggerüst 14 und dem Drucfc- und bei dem die Zwischenräume zwischen den Kühl- kessel 1. Dort vermischt sich die Moderatorflüssigmittelleitrohren mit Moderator angefüllt sind. 20 keit mit dem über den Stutzen 12 eingeführten Kühl-Ferner ist es aus der deutschen Auslegeschrift mittel 22 und gelangt über die Öffnungen 141 des 1127 506 bekannt, bei derartigen im unterkritischen Traggerüstes in die Leitrohre 4 und umströmt von Bereich arbeitenden und mit einer einzigen Wasser- unten nach oben die Brennstäbe 2. Oberhalb der zuleitung versehenenDruckgefäßreaktorenÜberhitzer- Brennstäbe 2 tritt das inzwischen verdampfte Kühlbrennelemente mit gegenseitig beabstandeten Kühl- 25 mittel in Sammelräume ein und von diesen durch die mittelleitrohren zu umgeben, in deren Inneren Öffnungen 152 des inneren Einbauzylinders 15 in die Wasserdampf überhitzt wird. Doch wird bei den be- Sammelräume der Überhitzerbrennstäbe 3. Dieser kannten Reaktoren in den Zwischenräumen zwischen Dampf strömt entlang dieser Brennstäbe von oben den Kühhnittelleitrohren das Wasser verdampft. nach unten, wird dabei etwa auf 500° C überhitzt
Bei gleichbleibendem Funktionsprinzip soll nun der 30 und verläßt über den Rohrstutzen 13 den Reaktor-Gegenstand der Hauptpatentanmeldung dahingehend druckkessel. Zur Vermeidung größerer Wärmeververbessert werden, daß die Rohre und die Brenn- luste an den in dieser Überhitzerzone in gleicher stäbe zusammen mit Strömungsmittelleitrohren zu Richtung fließenden Moderator sind die Leitrohre 4 einer baulichen Einheit vereinigt werden. zweckmäßigerweise doppelwandig oder sonst irgend-
Erfindungsgemäß sind deshalb die Brennstoffstäbe 35 wie wärmeisoliert ausgeführt.
in den Rohren angeordnet und mit Abstand von Der nähere Aufbau der den Reaktorkern bildenden gegenseitig beabstandeten Strömungsmittelleitrohren Brennelemente ist aus der Fig. 2 zu ersehen. Jedes umgeben. Das Wasser aus der zweiten Zuleitung Brennelement stellt ein im wesentlichen geschlossenes durchströmt dabei zunächst die Zwischenräume zwi- rohrförmiges Gebilde mit vorzugsweise quadratischem sehen den Strömungsmittelleitrohren, vermischt sich 40 Querschnitt dar, das an seinen beiden Enden mit mit dem Wasser aus der ersten Zuleitung und durch- Rohrstutzen 67 und 65 versehen ist, die in entspreströmt gemeinsam mit diesem die Strömungsmittel- chende Öffnungen einer oberen bzw. unteren Gitterleitrohre, platte 9 bzw. 91 passen. Im Inneren jedes Rohres 8
Alle den Reaktorkern durchsetzenden Rohre mit befinden sich die Brennstäbe 2 in einer vorzugsweise
den von diesen umschlossenen Brennstoffstäben sind 45 rechtwinkligen Gitteranordnung. Sie sind mit Abstand
gleich aufgebaut. Lediglich die in der Zentralzone umgeben von Strömungsmittelleitrohren 4, die in eine
des Reaktorkerns eingesetzten Rohre enthalten obere Rohrplatte 6 eingeschweißt bzw. eingewalzt
wärmeisolierte Strömungsmittelleitrohre, in denen sind. Mit ihrem anderen Ende sind sie in der unteren
Überhitzerbrennstoffstäbe angeordnet sind. Rohrplatte 63 befestigt. Die obere Rohrplatte 6 ist
Diese Grundprinzipien sowie weitere konstruktive 50 mit dem Rohr 8 fest verbunden, die untere dagegen
Einzelheiten sind in den F i g. 1 bis 3 dargestellt. ist frei verschieblich gelagert, um die Wärmedehnun-
F i g. 1 zeigt eine schematische Darstellung des gen der Leitrohre 4 aufnehmen zu können, sie bildet
Strömungsverlaufs im Reaktor; einen »schwimmenden Kopf«. Die Verbindung der
F i g. 2 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel für unteren Rohrplatte mit dem Anschlußstutzen 65 ist
ein Rohr 8, weiterhin auch als Brennelement bezeich- 55 hier elastisch, z. B. mit Hufe eines Faltenbalges 64,
net, und durchgeführt, wobei der Rohrstutzen 65 wiederum
Fig.3 zeigt einen ausschnittweisen Querschnitt mit dem Rohr 8 fest verbunden ist. Prinzipiell sind
durch ein Brennelement in Höhe der Abstandshalter. auch andere Ausführungen eines »schwimmenden
Nach F i g. 1 ist der Reaktorkessel mit 1 bezeichnet, Kopfes«, z.B. mit Kolbenringen, möglich. Die Strö-
mit 11 und 12 die Zuführungsstutzen für das als 60 mungsmittelleitrohre 4 haben in ihrem untersten Teil
Moderator bzw. Kühlmittel dienende Wasser und mit eine Querschnittsverengung 41 und durchsetzen mit
13 der Austritt für den überhitzten Dampf. Dieser hat Abstand als Drosselstelle eine Zwischenrohrplatte 61,
etwa eine Temperatur von 500° C, während die Ein- die ebenfalls vorzugsweise mit dem Rohr 8 fest ver~
trittstemperatur des Kühlmittels und des Moderators bunden ist oder durch die Regelstabführungsrohre 43
etwa 340° C beträgt. Der eigentliche Reaktorkern ist 65 gehalten wird. Der Raum zwischen der Zwischen-
innerhalb des Traggerüstes 14 untergebracht, das rohrplatte 61 und der unteren Rohrplatte 63 dient als
außerdem zur Strömungsführung für das Kühlmittel Sammelraum für den Moderator, der aus den Zwi-
22 dient. Innerhalb des Traggerüstes 14 ist ein zylin- schenräumen zwischen den Leitrohren 4 durch die
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Ringspalte in der Zwischenrohrplatte 61 eindringt. Das Rohr 8 ist in der Höhe dieses Raumes mit Durchtrittsöffnungen 82 versehen, so daß alle derartigen Räume der Brennelemente im eingesetzten Zustand miteinander in Verbindung stehen. Zur Halterung der Brennstäbe 2 innerhalb der Leitrohre sind die Einsätze 44 und 45 vorgesehen, die dafür sorgen, daß durch eine mögliche Längsverschiebung der Brennstäbe keine Beengung des Strömungsquerschnitts für das Kühlmittel vorkommen kann.
Oberhalb der oberen Rohrplatte 6 befindet sich ■eine Rohrabschlußplatte 62, die ebenfalls mit dem Rohr 8 fest verbunden ist. Diese beiden Rohrplatten 62 und 6 sowie der durch sie eingeschlossene Raum wird durch eine große Anzahl von Moderatorzuführungsrohren 66 durchsetzt. Sie verbinden den Raum oberhalb der Rohrabschlußplatte 62 mit dem Raum zwischen den einzelnen Strömungsmittelleitrohren im eigentlichen aktiven Teil der Brennstoffelements. Das Rohr 8 ist in der Höhe der Moderatorzuführungsrohre mit Durchbrechungen 81 versehen. Dadurch ist ähnlich wie mit denDurchtrittsöffnungen82 unterhalb der Brennstäbe bei den dicht an dicht im Reaktorkern angeordneten Brennelementen ein gemeinsamer Ausgleichraum oberhalb der eigentlichen aktiven Zone für das verdampfte Kühlmittel geschaffen.
An einigen Brennstabpositionen der Brennstabgitter innerhalb der Rohre 8 sind etwas kürzere Regelstabführungsrohre 43 eingesetzt, die mit ihrem unteren Ende in der Zwischenrohrplatte 61 gelagert sind. Diese dienen der Aufnahme von Fingerregelstäben?, die in an sich bekannter Weise der Regelung des Reaktors dienen und innerhalb dieser Führungsrohre hin- und herbewegt werden können.
Da eine sehr große Anzahl von Brennstäben innerhalb eines Rohres 8 angeordnet werden muß, es werden normalerweise weit über hundert sein, ist es notwendig, deren gegenseitige Abstände genau zu fixieren. Dies geschieht gemäß F i g. 3 mit Hilfe eines Abstandshalterrasters aus hochkant angeordneten Rippenblechen 5 aus Strukturmaterial. Diese Rippenbleche sind mit Vorsprüngen 51 versehen, die federnd an den Leitrohren 4 anliegen. Die Brennstäbe 2 sind innerhalb dieser Leitrohre durch Abstandshalter 42 zentriert, die die Gestalt von gewellten Ringen haben können und die Brennstäbe nur punkt- oder linienförmig berühren.
Bei den normalen Verdampferbrennelementen, die vorzugsweise außerhalb der Zentralzone des Reaktorkerns angeordnet sind, strömt das Wasser, zunächst als Moderator fungierend, durch den Rohrstutzen 67 ein und gelangt durch die Moderatorzuführungsrohre 66 in die Zwischenräume zwischen den Leitrohren 4. Durch die Durchtrittsöffnungen 82 des Brennelements gelangt der aufgeheizte Moderator seitlich nach außen und gemäß F i g. 1 in den eigentlichen Kühlmittelstrom 22. Dieser tritt durch den Rohrstutzen 65 in das Brennelement ein und strömt innerhalb der Leitrohre 4 von unten nach oben und tritt oberhalb des aktiven Teiles des Brennelements wieder durch die Durchbrechungen 81 des Brennelements nach den Seiten aus und vereinigt sich mit den Kühlmittelströmen der benachbarten Brennelemente. Infolge des überkritischen Drucks und der Aufheizung auf überkritische Temperaturen auf diesem Strömungsweg hat das Kühlmittel nunmehr dampfförmigen Charakter und gelangt gemäß F i g. 1 nunmehr in die in der Zentralzone angeordneten Überhitzerbrennelemente und strömt in denselben von oben nach unten. Diese Überhitzerbrennelemente unterscheiden sich von den vorbeschriebenen Verdampferelementen nur dadurch, daß die Strömungsmittelleitrohre 4 wärmeisoliert, S also z. B. doppelwandig ausgebildet sind. In diesen wird der Dampf nunmehr bis etwa auf 5000C weiter erhitzt. Die Strömungsrichtung des Moderators bleibt die gleiche, so daß also dampfförmiges Kühlmittel und flüssiger Moderator gleichsinnig von oben nach
ίο unten die Überhitzerbrennelemente durchströmen.
Um eine weitere Vorstellung von der Größe und den geometrischen Verhältnisssen eines derartigen Reaktors zu geben, seien kurz folgende Daten genannt, die jedoch lediglich ein mögliches Beispiel darstellen:
Der Reaktorkern für ein Kernkraftwerk mit einer Leistung von 300MWeI. besteht beispielsweise aus etwa 90 Brennelementen, von denen 52 als Verdampferelemente und 38 als Überhitzerelemente in
ao der Zentralzone des Kernes ausgebildet sind. Die Eingangstemperatur ist, wie bereits erwähnt, etwa 340° C, während die Austrittstemperatur des überhitzten Dampfes etwa 500° C beträgt. Die Austrittstemperatur des Dampfes an den Verdampfungsele-
a5 menten beträgt dabei etwa 400° C. Der Kühlmitteldurchsatz durch die Verdampferelemente wird mittels einer vor dem Kühlkanaleintritt angeordneten und nicht näher dargestellten Drosselplatte der Leistung der einzelnen Brennelemente so angepaßt, daß die Austrittstemperaturen annähernd gleich sind. Der Brennstoff besteht beispielsweise aus angereicherten Urandioxydtabletten. Die Hüllrohre für den Brennstoff haben während des Betriebs etwa Temperaturen von 600 bis 650° C. Sie bestehen z. B. aus einer hochtemperaturbeständigen, korrosionsfesten Nickel-Chrom-Legierung. Die Abstandshalter selbst bestehen aus federndem Material, wie z. B. rostfreiem Stahl.
Zur Regelung des Reaktors können nicht nur die Fingerregelstäbe Verwendung finden, vielmehr kann auch eine Änderung der Moderatortemperatur zu diesem Zweck herangezogen werden. Dies ist in der Hauptpatentanmeldung dargestellt und geschieht über entsprechende Drosselventile in den Zuleitungen für das als Moderator und das als Kühlmittel dienende Wasser.

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Heterogener Druckgefäßreaktor nach Patentanmeldung P 12 81 049.0-33 (deutsche Auslegeschrift 1 281 049), bei dem eine zweite mit einem verstellbaren Ventil versehene Wasserzuleitung strömungsmäßig mit gitterartig und parallel zu den Brennstoffstäben angeordneten Rohren verbunden ist, die den Kern durchsetzen und austrittsseitig fest eingestellte Drosselstellen enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffstäbe (2) in den Rohren (8) angeordnet und mit Abstand von gegenseitig beabstandeten Strömungsmittelleitrohren (4) umgeben sind, das Wasser aus der zweiten Zuleitung zunächst die Zwischenräume zwischen den Strömungsmittelleitrohren (4) durchströmt, sich mit dem Wasser
aus der ersten Zuleitung vermischt und gemeinsam mit diesem die Strömungsmittelleitrohre (4) durchströmt.
2. Heterogener Druckgefäßreaktor nach
Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (8) oberhalb und unterhalb der Brennstoffstäbe (2) mit Sammelkarnmern für das verdampfte Kühlmittel bzw. das bis dahin als Moderator verwendete Kühlmittel versehen sind und die Rohre (8) für den Austritt den Kühlmittelströmung an diesen Stellen Durchbrechungen (81 bzw. 82) enthalten.
3. Heterogener Druckgefäßreaktor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (8) an ihren beiden Enden mit axialen Stutzen (67 bzw. 65) versehen sind, die in entsprechende Öffnungen einer oberen (9) und unteren (91) Gitterplatte eines Traggerüstes für den Reaktorkern passen.
4. Heterogener Druckgefäßreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmittelleitrohre (4) mit ihrem oberen Ende mit einer mit dem Rohr (8) fest verbundenen oberen Rohrplatte (6) verbunden sind und mit ihrem unteren Ende zur Ermöglichung eines Wärmedehnungsausgleiches in eine gegenüber dem Rohr (8) verschieblich angeordnete untere Rohrplatte (63) einmünden.
5. Heterogener Druckgefäßreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmittelleitrohre (4) durch Abstandshalter in Gestalt eines Stegrasters mit Vorsprüngen in den einzelnen Maschen desselben in Sollage gehalten und die einzelnen Brennstoff stäbe (2) durch innere Abstandshalter (42) in den Leitrohren (4) zentriert sind.
6. Heterogener Druckgefäßreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Zentralzone des Reaktorkerns angeordneten Rohre (8) im Inneren mit nach an sich bekannten Verfahren wärmeisoh'erten Strömungsmittelleitrohren(4) versehen sind, die Überhitzerbrennstoff stäbe (3) enthalten.
7. Heterogener Druckgefäßreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Regelung des Reaktors wegen ihres geringen Durchmessers »Fingerregelstäbe« (7) genannte absorbierende Stäbe vorgesehen sind, die in Regelstabführungsrohre (43) einfahrbar und in diesen bewegbar sind und die an vorbestimmten Brennstabpositionen an Stelle eines Strömungsmittelleitrohres (4) angeordnet sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
DES99052A 1964-08-08 1965-08-26 UEberkritischer heterogener Atomkernreaktor vom Druckkesseltyp Pending DE1298651B (de)

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