DE2215758A1 - Kernreaktor - Google Patents

Description

2 9 MRZ 197? SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, den ^{α 3}^

Berlin und München Werner-von-Siemens-Str.

YPA 72/9422 Sm/Hgr

Kernreaktor

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor, insbesondere Druckwasserreaktor, mit einem Reaktordruckbehälter und einem darin enthaltenen Reaktorkern, der längs einer Achse von einem Kühlmittel durchströmt wird.

Ziel der Erfindung ist eine Verbesserung des Wärmeüberganges, wobei es darauf ankommt, eine gleichmäßige Kühlung des Reaktors zu erhalten, um örtliche Überhitzungen zu vermeiden, die die Leistungsausbeute ganz wesentlich beschränken können.

Die Erfindung besteht darin, daß das Kühlmittel um die Achse rotiert, bevor es in den Kern eintritt. Durch die Rotation kann, wie gefunden wurde, die Geschwindigkeit des in den Reaktorkern eintretenden Kühlmittels vergleichmäßigt werden. Dies bedeutet, daß alle Bereiche des Reaktorkernes gleichmäßig ihre Wärme an das Kühlmittel abgeben können, da der Wärmeübergang von der durchströmenden Kühlmittelmenge abhängt. Die Rotation braucht nur weniger als eine Umdrehung zu betragen, so daß die Kühlmittelströmung nur eine geringe tangentiale Komponente aufweist.

Es ist zwar bereits bekannt (vergl. deutsche Offenlegungsschriften 1 439 362 und 1 564 697), im Inneren des Reaktorkernes für eine Ablenkung der Kühlmittelströmung zu sorgen, um eine Verwirbelung zu erreichen, die den Wärmeübergang von den Brennelementen des Reaktorkernes auf das Kühlmittel verbessern soll. Dies ist aber nicht mit der Erfindung zu vergleichen, bei der der Reaktorkern von vornherein gleichmässig beschickt wird, um eine möglichst gleichmäßige Kühlung zu erhalten. Mit den.bekannten Anordnungen mag eine gewisse Vergleichmäßigung zu erreichen PSip^ «ι^ψ^{1 das} Kühlmittel eine

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längere Strecke durch den Reaktorkern geströmt ist. Die Verwirbelung kann aber auch die Strömungsverluste vergrößern, und für den Bereich des Kühlmitteleintritts ist im Gegensatz zur Erfindung keine gleichmäßige Beaufschlagung möglich.

Die Erfindung hat auch nichts mit einer aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 118 708 bekannten Vorrichtung zur wirbelfreien Umlenkung der Kühlmittelströmung bei Eintritt in den Druckbehälter eines Kernreaktors zu tun. Mit den dort vorhandenen Leitschaufeln will man gerade Wirbel, also Rotationen, des Kühlmittels unterdrücken. Die Erfindung benutzt dagegen eine Rotation zur gleichmäßigen Verteilung des im Druckbehälter strömenden, in den Reaktorkern eintretenden Kühlmittels.

Pur übliche Kernreaktoren, bei denen das Kühlmittel in der einen Richtung in einem den Reaktorkern umschließenden Ringraum parallel zur Achse geführt wird, empfiehlt es sich, die Erfindung so zu verwirklichen, daß in dem genannten Ringraum Leitflächen angeordnet sind, die gegenüber die Achse einschließenden Ebenen geneigt sind. Die Größe der Neigung bestimmt für eine gegebene Kühlmittelgeschwindigkeit die Stärke der Rotation. Die Neigung kann relativ klein sein, sie braucht nur 5°bis 10° zu betragen. Bewährt hat sich insbesondere ein Winkel von 8°.

Besonders günstige Ergebnisse hat die Erfindung für Kernreaktoren gezeigt, bei denen an einem im wesentlichen zylindrischen Reaktordruckbehälter ein Kugelboden zur Umlenkung des rotierenden Kühlmittels dient. Die Leitflächen sind dann zweckmäßig an der Stoßstelle zwischen Zylinder und Kugelboden angeordnet, weil sie dort erst wirksam werden, wenn eine definierte Rotation zur gleichmäßigen Verteilung des Kühlmittels benötigt wird. Die Erfindung kommt aber auch für andere Formen von Reaktordruckbehältern in Präge. Dabei kann es unter Umständen zweckmäßig sein, zusätzliche kugelähnliche Leitschaufeln zur Umlenkung vorzusehen, um die mit der Erfindung

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an sich mögliche optimale Verteilung auf Grund der Rotation des Kühlmittels zu erhalten.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Dabei zeigt die Pig. 1 ein schematisch vereinfachtes Ausführungsbeispiel eines Kernreaktors und die Mg. in einer Kurve die Geschwindigkeitsverteilung über den Durchmesser des Reaktorkerns.

In Pig. 1 ist mit 1 als Ganzes der Druckbehälter eines Druckwasserreaktors bezeichnet. Er besteht, soweit das in der Figur sichtbar ist, aus einem zylindrischen Mantel 2 und einem Kugelboden 3. Die Kühlmittelstutzen zur Zu- und Abführung des als Kühlmittel verwendeten Iieichtwassers liegen in bekannter Weise im oberen Teil des Druckbehälters 1, so daß sie in der Mgur nicht zu sehen sind.

Der Druckbehälter 1 enthält den eigentlichen Reaktorkern 4, der in bekannter Weise aus Brennelementen 5 zusammengesetzt ist. Die Brennelemente bestehen aus einzelnen Brennstäben, die parallel zur Achse des Zylinders 2 verlaufen und mit Hilfe von nicht gezeichneten Abstandstücken so angeordnet sind, daß das Kühlmittel in Richtung der Zylinderachse durch den Kern 4 hindurchströmen kann. Die Brennelemente sind in einem sogenannten Kernbehälter 6 zusammengefaßt.

Der Kernbehälter 6 hat einen kleineren Durchmesser als der Mantel 2 und begrenzt einen Ringraum 8, in dem das Kühlmittel, wie durch Pfeile 9 angedeutet ist, von oben nach unten strömt. Das Kühlmittel im Ringraum 8 ist kaltes Kühlmittel, das von einem nicht dargestellten Wärmetauscher in den Kernreaktor zurückfließt. Innerhalb des Reaktorkernes 4 fließt das Kühlmittel in Richtung der Pfeile 10 parallel zur Achse 11 des Reaktordruckbehälters 1 nach oben, wobei es erwärmt wird.

Am unteren Ende 12 des Kernbehälters 6 sind im Ringraum 8

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mehrere, z.B. zwölf oder sechzehn, Leitflächen 14 angeordnet. Die Leitflächen 14 sind einfache ebene Bleche, die am Übergang vom zylindrischen Mantel 2 zum Kugelboden 3 in bezug auf die Achse 11 des Kernreaktors strahlenförmig angeordnet sind. Gegenüber den die Achse 11 einschließenden Ebenen sind sie jedoch geneigt, und zwar beträgt der Neigungswinkel 8°. Deshalb wird das im Ringraum 8 parallel zur Achse 11 herabströmende Kühlmittel durch die Leitflächen 14 in Rotation versetzt, wie durch den Pfeil 15 angedeutet ist. Diese Rotation, die von der Gleichmäßigkeit der Strömung im Ringspalt 8,vom Umlenkungsradius am Kugelboden 3, von der Breite des Ringspaltes 8 am unteren Rand, von Einbauten usw. abhängt und unter Umständen nur 1/2 Umdrehung auf dem Weg vom Austritt aus dem Ringspalt bis zum Eintritt in den Kern 4 zu betragen braucht, bewirkt, daß das im Kugelboden 3 umgelenkte Kühlmittel sich praktisch gleichmäßig über den gesamten Kernquerschnitt verteilt, während es sonst den mittleren Teil des Reaktorkernes 4 stärker beaufschlägt als die Randzonen, wo eine stärkere Umlenkung erforderlich ist. Die Strömung ist durch die Pfeilbündel 16 und angedeutet.

In der Figur 1 ist strichpunktiert angedeutet, daß die Leitflächen auch γόη Konsolen 14a gebildet werden können, die den Kernbehälter 6 im sogenannten Gaufall abstützen sollen. Bei dieser baulichen Zusammenfassung kann es im Hinblick auf den geringen zusätzlichen Aufwand vorteilhaft sein, anstelle der einfachen ebenen Leitflächen 14 kompliziertere, z.B. gewölbte Formen zu wählen.

Die vorteilhafte Wirkung der Erfindung erkennt man am besten aus der Fig. 2, in der auf der Ordinate die relative Kühlmittelgeschwindigkeit, ausgedrückt im Verhältnis der örtlichen zur mittleren Kühlmittelgeschwindigkeit, aufgetragen ist, und zwar über einem Kerndurchmesser. Ohne Drall erhält man die ausgezogene Kurve 20, bei der die relativen Geschwindigkeiten zwischen 0,85 und 1,3 liegen. Durch die nach der Erfindung vorgesehenen Leitflächen 14, die eine Rotation vor dem Ein-

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tritt des Kühlmittels in den Kern 4 "bewirken, verringert sich der Bereich der vorkommenden relativen Geschwindigkeiten auf Werte zwischen 0,9 und 1,1, wie die. gestrichelt gezeichnete Kurve 21 zeigt. Daraus ergibt sich eine erheblich gleichmässigere Kühlung des Kernes, was zu einer Leistungssteigerung ohne Steigerung der die Leistungsausbeute begrenzenden örtlichen Höchsttemperatur ausgenutzt werden kann.

7 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims (7)

1. - 6 - VPA 72/9422 Patentansprüche;

   fl.^Kernreaktor, insbesondere Druckwasserreaktor, mit einem Reaktordruckbehälter und einem darin enthaltenen Reaktorkern, der längs einer Achse von einem Kühlmittel durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel um die Achse (11) rotiert, bevor es in den Kern (4) eintritt.
2. 2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation weniger als eine Umdrehung beträgt.
3. 3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kühlmittel

   in der einen Richtung in einem den Reaktorkern umschließenden Ringraum parallel zur Achse geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Ringraum (8) in bezug auf die Achse (11) strahlenförmig verlaufende Leitflächen (14) angeordnet sind, die gegenüber die Achse (11) einschliessenden Ebenen geneigt sind.
4. 4. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung 5° bis 10°, vorzugsweise 8° beträgt.
5. 5. Kernreaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß an einem im wesentlichen zylindrischen Reaktordruckbehälter (1) ein Kugelboden (3) zur Umlenkung des rotierenden Kühlmittels dient.
6. 6. Kernreaktor nach den Ansprüchen 3 oder 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitflächen (14) an der Stoßstelle zwischen Zylinder (2) und Kugelboden (3) angeordnet sind.
7. 7. Kernreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitflächen von Konsolen (14a) gebildet werden, die den Kernbehälter (6) im Gaufall tragen.

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