Was ist sieden im Kernreaktor – Definition

sieden in Kernreaktoren

sieden in SWRs

In SWR tritt das sieden des Kühlmittels bei normalem Betrieb auf und es ist ein sehr erwünschtes Phänomen. Typische Fließqualitäten in SWR-Kernen liegen in der Größenordnung von 10 bis 20%. Ein Siedewasserreaktor wird wie ein PWR durch Wasser gekühlt und moderiert , jedoch mit einem niedrigeren Druck (7 MPa), wodurch das Wasser im Druckbehälter sieden kann und der Dampf erzeugt wird, der die Turbinen antreibt . Die Verdampfung erfolgt daher direkt in Kraftstoffkanälen. Daher sind SWRs das beste Beispiel für diesen Bereich, da es im Normalbetrieb zu einer Verdunstung des Kühlmittels kommt und dieses Phänomen sehr erwünscht ist.

In SWR gibt es ein Phänomen, das für die Reaktorsicherheit von höchster Bedeutung ist . Dieses Phänomen wird als „Austrocknen“ bezeichnet und steht in direktem Zusammenhang mit Änderungen des Strömungsmusters während der Verdampfung im Hochqualitätsbereich. Normalerweise wird die Kraftstoffoberfläche durch siedendes Kühlmittel effektiv gekühlt. Wenn der Wärmestrom jedoch einen kritischen Wert überschreitet (CHF – Kritischer Wärmestrom), kann das Strömungsmuster die Austrocknungsbedingungen erreichen (dünner Flüssigkeitsfilm verschwindet). Der Wärmeübergang von der Kraftstoffoberfläche in das Kühlmittel wird beeinträchtigt, was zu einer drastisch erhöhten Kraftstoffoberflächentemperatur führt .

sieden in PWRs

Obwohl die frühesten Kernkonstruktionen davon ausgegangen sind, dass Oberflächensieden in PWRs nicht zulässig ist , wurde diese Annahme bald zurückgewiesen, und die zweiphasige Wärmeübertragung ist nun auch in PWRs einer der normalen Wärmeübertragungsmechanismen. Bei PWRs im Normalbetrieb befindet sich ein komprimiertes flüssiges Wasser im Reaktorkern, in den Kreisläufen und den Dampferzeugern. Der Druck wird bei ungefähr 16 MPa gehalten . Bei diesem Druck Wasser kocht ungefähr bei 350 ° C (662 ° F). Wie im Beispiel berechnet wurde , sorgt die Oberflächentemperatur T _{Zr, 1} = 325 ° C dafür, dass auch unterkühltes sieden nicht auftritt. Beachten Sie, dass unterkühltes sieden T _{Zr, 1} = T _sat erfordert. Da die Eintrittstemperaturen des Wassers normalerweise etwa 290 ° C (554 ° F) betragen , ist es offensichtlich, dass dieses Beispiel dem unteren Teil des Kerns entspricht. In höheren Lagen des Kerns kann die Massentemperatur bis zu 330 ° C betragen. Die Temperaturdifferenz von 29 ° C führt dazu, dass unterkühltes sieden auftreten kann (330 ° C + 29 ° C> 350 ° C). Auf der anderen Seite stört das Blasensieden an der Oberfläche die stagnierende Schicht effektiv, und daher erhöht das Blasensieden die Fähigkeit einer Oberfläche, Wärmeenergie auf das Schüttgut zu übertragen, erheblich . Infolgedessen steigt der konvektive Wärmeübergangskoeffizient signifikant an und daher nimmt die Temperaturdifferenz (T _{Zr, 1} – T _Bulk ) in höheren Lagen signifikant ab.

Im Fall von PWRs wird das kritische Sicherheitsproblem als DNB ( Abweichung vom Blasensieden ) bezeichnet, was zur Bildung einer lokalen Dampfschicht führt und eine dramatische Verringerung der Wärmeübertragungsfähigkeit zur Folge hat. Dieses Phänomen tritt im unterkühlten oder minderwertigen Bereich auf. Das Verhalten der Siedekrise hängt von vielen Strömungsverhältnissen ab (Druck, Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit), die Siedekrise tritt jedoch bei relativ hohen Wärmeströmen auf und scheint mit der Blasenwolke in der Nähe der Oberfläche verbunden zu sein. Diese Blasen oder Dämpfe reduzieren die Menge des einströmenden Wassers. Da dieses Phänomen den Wärmeübergangskoeffizienten verschlechtert und der Wärmefluss erhalten bleibt, sammelt sich Wärme anin dem Brennstab verursacht dramatischen Anstieg von Mantel- und Kraftstofftemperatur .

Sättigung im Druckbeaufschlagungsgerät

Ein  Druckbeaufschlagter  ist eine Komponente eines  Druckwasserreaktors . Der Druck im Primärkreislauf  von PWRs wird durch einen Druckbeaufschlagungsapparat aufrechterhalten  , ein separates Gefäß, das mit dem Primärkreislauf (heißer Zweig) verbunden und teilweise mit Wasser gefüllt ist, das  durch Eintauchen in Elektrizität auf die Sättigungstemperatur (Siedepunkt) für den gewünschten Druck  erhitzt wird  Heizungen. Die Temperatur im Druckbeaufschlagungsgerät kann bei 350 ° C (662 ° F) gehalten werden, was einen Unterkühlungsspielraum (die Differenz zwischen der Druckbeaufschlagertemperatur und der höchsten Temperatur im Reaktorkern) von 30 ° C ergibt. Die Unterkühlungsspanne ist ein sehr wichtiger Sicherheitsparameter von PWRs, da das sieden im Reaktorkern ausgeschlossen werden muss. Die Grundkonstruktion des  Druckwasserreaktors  beinhaltet eine solche Anforderung, dass das Kühlmittel (Wasser) im Reaktorkühlsystem nicht sieden darf. Um dies zu erreichen, wird das Kühlmittel im Reaktorkühlmittelsystem auf einem Druck gehalten, der so hoch ist, dass bei den Kühlmitteltemperaturen, die während des Betriebs der Anlage oder in einem analysierten Übergang auftreten, kein sieden auftritt.

Funktionen

Der Druck  im Druckbeauftragten wird durch Variieren der Temperatur des Kühlmittels im Druckbeaufschlagungsgerät gesteuert. Zu diesem Zweck werden zwei Systeme installiert. Wassersprühsystem  und  elektrisches Heizsystem . Das Volumen des Druckbeaufschlagers (mehrere zehn Kubikmeter) wird mit Wasser bei Sättigungsparametern und Dampf gefüllt. Das Wassersprühsystem (relativ kaltes Wasser – vom kalten Bein) kann den Druck im Gefäß verringern, indem  der Dampf auf im Gefäß gesprühten Wassertropfen kondensiert  . Andererseits sind die untergetauchten elektrischen Heizungen so ausgelegt, dass sie den Druck durch Verdampfen des Wassers  im Gefäß erhöhen  . Der Wasserdruck in einem geschlossenen System verfolgt die Wassertemperatur direkt. Wenn die Temperatur steigt, steigt der Druck.

sieden im Dampferzeuger

Dampferzeuger sind  Wärmetauscher  , mit denen Speisewasser  aus Wärme, die in einem Kern eines  Kernreaktors erzeugt wird,  in Dampf umgewandelt wird . Der erzeugte Dampf treibt die Turbine an. Sie werden in den meisten Kernkraftwerken eingesetzt, es gibt jedoch je nach Reaktortyp viele Typen .

Das heiße Primärkühlmittel ( Wasser 330 ° C; 62 MP °; 16 MPa ) wird durch den Primäreinlass in den Dampferzeuger  gepumpt  . Ein hoher Druck des Primärkühlmittels wird verwendet, um das Wasser im flüssigen Zustand zu halten. Das Primärkühlmittel darf nicht sieden.  Das flüssige Wasser fließt durch Hunderte oder Tausende von Rohren (normalerweise 1,9 cm Durchmesser) im Inneren des Dampferzeugers. Das Speisewasser (Sekundärkreislauf) wird von  ~ 260 ° C  bis zum Siedepunkt dieser Flüssigkeit  (280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) erwärmt . Wärme wird durch die Wände dieser Rohre auf das Sekundärkühlmittel mit niedrigerem Druck übertragen, das sich auf der Sekundärseite des Wärmetauschers befindet, wo das Kühlmittel zu Druckdampf verdampft (gesättigter Dampf 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) . Der unter Druck stehende Dampf verlässt den Dampferzeuger durch einen Dampfauslass und gelangt zur Dampfturbine. Die Wärmeübertragung erfolgt ohne Vermischen der beiden Flüssigkeiten, um zu verhindern, dass das Sekundärkühlmittel radioaktiv wird. Das Primärkühlmittel verlässt  (Wasser 295 ° C; 56 MP ° F; 16 MPa)  den Dampferzeuger durch den Primärauslass und gelangt über einen kalten Zweig zu  einer Reaktorkühlmittelpumpe  und dann in den Reaktor.