Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7429
Design of a Supercritical Water - Cooled Reactor – Pressure
Vessel and Internals
Kai Fischer
Abstract
The High Performance Light Water Reactor (HPLWR) is a light
water reactor with supercritical steam conditions which has been investigated
within the 5th Framework Program of the European Commission. Due to the
supercritical pressure of 25 MPa, water, used as moderator and as coolant, flows
as a single phase through the core and can be directly fed to the turbine.
Using the technology of coal fired power plants with supercritical steam
conditions, the heat-up in the core is done in several steps to achieve the
targeted high steam outlet temperature of 500 °C without exceeding available
cladding material limits.
Based on a first design of a fuel assembly cluster for a
HPLWR with a single pass core, the surrounding internals and the reactor
pressure vessel (RPV) are dimensioned for the first time, following the safety
standards of the nuclear safety standards commission in Germany. Furthermore,
this design is extended to the incorporation of core arrangements with two and
three passes. The design of the internals and the RPV are verified using
mechanical or, in the case of large thermal deformations, combined mechanical
and thermal stress analyses.
Additionally, a passive safety component for the feedwater
inlet of the RPV of the HPLWR is designed. Its purpose is the reduction of the
mass flow rate in case of a LOCA for a feedwater line break until further steps
are executed. Starting with a simple vortex diode, several steps are executed
to enhance the performance of the diode and adapt it to this application. Then,
this first design is further optimized using combined 1D and 3D flow analyses.
Parametric studies determine the performance and characteristic for changing mass flow rates for this backflow
limiter.
Auslegung eines
Reaktors mit überkritischem Wasser als Kühlmittel – Reaktordruckbehälter
und Kerneinbauten
Zusammenfassung
Innerhalb des 5.
Rahmenprogramms der Europäischen Kommission wurde ein Leichtwasserreaktor mit überkritischen
Dampfzuständen mit dem Namen High Performance Light Water Reactor (HPLWR) vorgestellt.
Aufgrund des überkritischen Betriebsdruckes von 25 MPa strömt das Kühlmedium Wasser,
welches auch als Moderator verwendet wird, einphasig durch den Kern und wird in
einem Direktkreislauf der Turbine zugeführt. In Analogie zu Kohlekraftwerken mit
überkritischen Dampfzuständen soll die Aufheizung im Kern in mehreren Stufen
erfolgen, um fur die angestrebte hohe Austrittstemperatur des Dampfes von 500 °C
die maximal zulässigen Hüllrohrtemperaturen nicht zu überschreiten.
Ausgehend von einem
Kernkonzept mit einer einmaligen Aufheizung im Kern werden Modifikationen für
das Brennelement sowie den Kern vorgestellt, welche eine Aufheizung in 3 Stufen
erlaubt. Das Design der Einbauten und des Reaktordruckbehälters (RDB) für einen
solchen Reaktor wird erörtert, wobei die einzelnen Komponenten wie Kernbehälter
und Steuerstabführungen anhand des Regelwerkes des Kerntechnischen Ausschusses entwickelt
und ausgelegt wurden. Zur Verifizierung des Designs mit den gegebenen Randbedingungen
für den Normalbetrieb wurde eine gekoppelte thermomechanische FEM-Analyse für
kritische Bereiche der einzelnen Komponenten durchgeführt. Des Weiteren wird
die strömungsmechanische Auslegung und Optimierung der sicherheitstechnisch relevanten
Komponente Rückströmungsbegrenzer mithilfe von CFD Methoden (STAR-CD)
vorgestellt. Diese Komponente befindet sich in den Einlässen des RDB und stellt
im Falle des Bruchs der Frischdampfleitung sicher, dass genügend Wasser für die
Kühlung des Kerns im RDB verbleibt, bis weiterführende Maßnahmen (z.B. Hochdruckeinspeisung)
eingeleitet werden können.
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