DE1041175B

DE1041175B - Vorrichtung zur Kuehlung der Brennelemente eines mit Wasser arbeitenden Druckreaktors

Info

Publication number: DE1041175B
Application number: DEC12524A
Authority: DE
Inventors: Charles Beurtheret
Original assignee: Compagnie Francaise Thomson Houston SA
Current assignee: Compagnie Francaise Thomson Houston SA
Priority date: 1955-02-16
Filing date: 1956-02-06
Publication date: 1958-10-16
Also published as: BE545117A; US3034975A; LU39316A1; GB794614A; CH367903A; LU34099A1; FR1126414A; BE596130A; CH339678A; BE626837A; CH333711A

Description

Bekanntlich ist bei einem Kernreaktor von großer Leistung, z. B. zur Speisung von Brennkraftmaschinen, das spaltbare Material in der Form von Stäben vorgesehen, die in eine beim Arbeiten des Reaktors als Verzögerer und außerdem als Kühlmittel dienende Flüssigkeit tauchen, die je nach der Ausbildung des Reaktors und der Natur des spaltbaren Materials schweres oder gewöhnliches Wasser oder sonst eine geeignete Flüssigkeit sein, kann.

Nun ist der Wärmeaustausch zwischen einer Siedeflüssigkeit und einer heißen Fläche, ein nichtlinear verlaufender Vorgang, dessen Wirkungskurve ein deutliches Maximum aufweist, wenn die Temperatur der Fläche die Siedetemperatur der Flüssigkeit um einige zehn Grad Celsius übersteigt. Wird dieser minimalle Unterschied in, einem Punkt überschritten, so geht an diesem der Wärmekontakt zwischen, heißer Fläche und Flüssigkeit endgültig verloren, und es tritt das sogenannte Leidenfrostsche Phänomen auf. Die örtliche Überhitzung dehnt sich dann rasch auf die benachbarten Teile der heißen Fläche aus, und die Temperatur steigt bis zur Zerstörung des Gebildes.

Um diese ungünstige Erscheinung an den stabförmigen Brennelementen eines mit Wasser arbeitenden Druckreaktors zu vermeiden, kann man entweder das Auftreten des Siedevorganges an den Stäben durch beträchtliche Erhöhung des Druckes und der Umlaufgeschwindigkeit der Flüssigkeit verhindern oder das Sieden der Flüssigkeit an den Stäben nur unter Begrenzung des Wärmeflusses in der heißesten Zone auf einen ziemlich weit von dem kritischen Wärmefluß des Leidenfrostschen Phänomens entfernten Wert zulassen.

Für die Kühlung von Elektronenröhren mit außenliegender Anode mit Hilfe einer von dieser in einem umschließenden Mantel beim Betrieb der Röhre zur Verdampfung gebrachten und. dadurch zur Ableitung der erzeugten Wärme veranlaßten Flüssigkeit hat man bereits (vgl. die französischen Patentschriften. 1060761 und 1 082 673) zur Vermeidung des Auftretens des Leidenfrostschen Phänomens mit bestem praktischem Erfolg vorgeschlagen, mit der Anode einen: mit kurzen und dicken Höckern oder Rippen, versehenen W'ärme¹-ableiter zu einem gegenüber der sonst gebräuchlichen Dickenabmessung der Anodenwandung große mittlere Dicke aufweisenden Gesamtkörper zu vereinen und den Flüssigkeitsspiegel in dem die Anode umgebenden Mantel durch geignete Regelmittel auf gleichbleibender Höhe zu halten.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die physikalischen Feststellungen und Erkenntnisse, die zu dieser Ausgestaltung der Siedekühlung von Elektronenröhren mit äußerer Anode geführt haben, für einen das spaltbare Material in Form von Stäben in

Vorrichtung zur Kühlung

der Brennelemente eines mit Wasser

arbeitenden Druckreaktors

Anmelder:

Compagnie Frangaise Thomson-Houston, Paris

Vertreter: Dipl.-Ing. C. elemente, Patentanwalt, Deggendorf, Krankenhausstr. 26

Beanspruchte Priorität: Frankreich vom 16. Februar 1955

Charles Beurtheret, St.-Germain-en-Laye (Frankreich), ist als Erfinder^ genannt worden

einer umgebenden Flüssigkeit aufweisenden Kernreaktor in einer diesem angepaßten Weise zwecks weitgehender Verbesserung seiner Wirkungsweise und zur entsprechenden Erhöhung seiner Leistungsfähigkeit nutzbar zu machen.

Die Lösung dieses Problems gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß durch geeignete Formgebung der Oberflächen der Brennelemente des Druckreaktor= der Entstehung zusammenhängender wärmeisolierender Dampffilme vorgebeugt und somit eine gleichmäßige und intensive Wärmeabfuhr an. die Kühlflüssigkeit hervorgerufen wird. Vorzugsweise wird eine in dieser Art thermisch wirksame Formgebung der Brennelemente des Druckreaktors nach der Erfindung dadurch erhalten, daß die Brennelemente als Stäbe mit massiven Erhöhungen ausgebildet sind, die auch in ihrer kleinsten Abmessung groß gegenüber den Abmessungen der an ihnen entstehenden Dampfblasen, sind und so diese durch örtliche Beschränkung des Auftretens des Leidenfrostschen Phänomens an der Bildung eines zusammenhängenden Dampffilms hindern.

Bei einem erfindungsgemäß geformten Reaktorstab steht jeder Teil seiner Außenfläche in thermischer Verbindung mit den benachbarten Teilen von einer Ausdehnung, die genügend groß ist, um an ihm infolge quer gerichteter Wärmeleitung die Entstehung eines wärmeisolierenden Häutchens durch Zusammenfließen von durch das Leidenfrostsche Phänomen hervorgerufenen Dampfblasen zu vermeiden. In diesem

809 658/344

Claims

Sinne wirkt auch die Wirbelbewegung, die zwischen den massiven Erhöhungen des Reaktorstabes auftritt. Die Form der massiven Erhöhungen der Reaktorstäbe kann im einzelnen in weiten Grenzen verschieden gewählt werden. Einfache Formen, z. B. breite Längs- oder Querrippen, sind bereits sehr wirkungsvoll, wenn auch zusammengesetzte und verwickeitere Formen mit Vorteil Anwendung finden können. Die in jedem Fall zu wählende Form der Erhöhungen hängt naturgemäß von der baulichen Ausführung des Reaktors, d. h. von der Lage der Stäbe im Reaktor und von der Ausbildung der Flüssigkeitsführung an den Stäben ab. Vorteilhafterweise können die massiven Erhöhungen als dreieckförmige Längsgrate, als Quereinschnürungen mit kugeligen. Vorsprüngen: der Staboberfläche oder auch als schraubenförmig um den Stab herumlaufende Rippen von Halbkreisquerschnitt ausgebildet sein. Ferner kann der Reaktorstab auch die Form einer mit dicken, weit voneinander entfernten Windungen versehenen Schraubenfeder oder einer dicht gewundenen Säule erhalten, oder er kann an seiner Oberfläche halbkugel ige Höcker oder pyramidenstumpfförmige, durch zwei sich kreuzende Reihen von schraubenlinigen Nuten begrenzte Zähne aufweisen. Die hierdurch erzielbare hohe Steigerung der durch Flüssigkeitsverdampfung an den Stäben bewirkten Wärmeableitung ermöglicht die Ausführung von Kernreaktoren großer Leistung, ohne daß der sonst bei Reaktoren mit Siedewirkung zu befürchtende Übelstand auftritt, der in der Überflutung des wirksamen Teiles des Reaktors durch eine außerordentlich große Dampfmenge besteht, die ganz erheblich das einwandfreie Arbeiten des Reaktors beeinträchtigt. In seinem Äußeren gleicht der Reaktor mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung einem mit Wasser unter Druck arbeitenden Reaktor, und er ist wie dieser ohne weiteres zur Speisung eines Wärmeaustausches in an sich bekannter Wärmeübertragungsschaltung verwendbar, kann aber auch unmittelbar als Siedereaktor benutzt werden. Die Zeichnung veranschaulicht den Kernreaktorstab nach der Erfindung in mehreren beispielsweisen Ausführungsformen. Aus Fig. la, Ib, 2a bis 2f sind einige Formen der an den Stäben aus spaltbarem Material erfindungsgemäß vorzusehenden Erhöhungen ersichtlich. Fig. 3 und 4 lassen zwei praktische Ausführungen einer vollständigen, einen Reaktor mit Stäben nach der Erfindung enthaltenden thermischen Energieerzeugungsanlage erkennen. Bei Fig. 3 wird der Druck, der zur sofortigen Kondensation, des entstehenden Dampfes im flüssigen Inneren der in Berührung mit den Stäben gebildeten Dampfbläschen notwendig ist, mit Hilfe einer Flüssigkeitssäule und bei Fig. 4 mittels einer inerten Gasmasse erzielt. Fig. 1 a und Ib zeigen je einen Reaktorstab aus spaltbarem Material, der mit einfachen Erhöhungen in der Form von in senkrechten Ebenen, verlaufenden massiven Rippen versehen ist, die nach Fig. 1 a parallel zur Längsachse des Stabes und nach Fig. 1 b quer zur waagerechten Stabachse gerichtet sind. In beiden Fällen sind die Rippen volle Körper. Aus Fig. 2a bis 2f sind mehrere geometrisch verwickelte Formen für die massiven Erhöhungen der Reaktorstäbe ersichtlich. Gemäß Fig. 2 a ist der Stab mit Einschnürungen versehen, welche quer zu. seiner Achse liegen und praktisch kugelige Buckel aus ihm herausarbeiten. Nach Fig. 2b weist der Stab eine Rippe von halbkreisförmigem Querschnitt auf, welche schraubenförmig zur Längsachse des Stabes verläuft. Fig. 2 c zeigt einen schra,ubenlinig gewundenen Stab, welcher das Aussehen einer Schraubenfeder mit dicken, weit voneinander entfernten Windungen hat. Fig. 2 d veranschaulicht einen Stab in der Form einer dicht gewundenen Säule. Fig. 2e läßt die Anordnung von halbkugeligem Höckern auf der Oberfläche eines zylindrischen Stabes erkennen. Fig. 2 f zeigt einen zylindrischen Stab, welcher mit zwei Reihen von schraubenlinigen und sich praktisch im rechten Winkel kreuzenden Nuten versehen ist, die zwischen sich Zähne in der Form von Pyramidenstumpfen mit abgerundetem Winkel bilden. Fig. 3 zeigt schematisch eine Wärmeerzeugungsanla.ge, die einen mit Siedewirkung arbeitenden Reaktor 1 nach der Erfindung enthält, der in unmittelbarer Verbindung mit einem Ausdehnungsgefäß 2 steht, in welchem das Wasser mit einer mittleren freien Oberfläche 3 kocht. Der Dampf strömt durch eine Rohrleitung 4 einem die thermische Energie ausnutzenden, z. B. aus einer Dampfturbine oder einem kondensierenden Wärmeaustauscher bestehenden Verbraucher 5 zu, von dem dann das Kondensat durch eine Rohrleitung 6, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme einer in dieser vorgesehenen. Pumpe 7, einer Rohrleitung 8 zugeführt wird. Durch diese Rohrleitung 8 wird die abgekühlte Flüssigkeit von einer Umlaufpumpe 9 in den Reaktor 1 zurückbefördert. Wenn P1 der Dampfdruck im oberen Raum des Ausdehnungsgefäßes 2 und P2 der am. Ausgangsende des Reaktors 1 herrschende Druck sowie O1 und Θ2 die Siedetemperaturen bei den. Drücken Px und P2 sind, so ist bei der Wärmeerzeugungsanlage nach Fig. 3 der Druckunterschied F2 — P1 im wesentlichen durch den Höhenabstand H des Reaktors 1 von dem Ausdehnungsgefäß 2 bedingt, aus dem in der Nähe der freien Oberfläche die Flüssigkeit durch die Leitung 8 bei einer dem Wert T1 nahe kommenden Temperatur entnommen wird, mit der sie der Eingangsseite des Reaktors zugeführt wird, aus dem sie mit der Temperatur T2 austritt. Wenn W die Leistung des Reaktors in Kalorien und Q die im Reaktor 1 durch die Leitung 8 wieder eingeführte Flüssigkeitsmenge mit der spezifischen Wärme C ist, arbeitet die Anlage nach Fig. 3 erfindungsgemäß, falls die Flüssigkeftsnienge Q genügend groß ist, um zu gewährleisten, daß die Erhitzung T2—T1 — ■=—- die Temperaturdiifferenz Θ2—O1 um den Mindestbeitrag unterschreitet, der notwendig ist, um in der Wassermenge die sofortige Kondensation des in Berührung mit den Stäben erzeugten Dampfes zu erreichen. Die aus Fig. 4 ersichtliche Wärmeerzeugungsanlage unterscheidet sich von der Anordnung nach Fig. 3 dadurch, daß der Reaktor 1 an seinem Ausgangsende mit einem geschlossenen, ein inertes Gas enthaltenden Gefäß 10 in Verbindung steht, von dem aus die Flüssigkeit über einen Entspanner 11 einem Scheider 12 zugeleitet wird, wo sie teilweise verdampft und aus dem der Dampf und das Wasser ähnlich wie bei der Anlage nach Fig. 3 durch die Rohrleitungen 4 und 8 entnommen und dem Verbraucher 5 bzw. dem Reaktor 1 zugeführt werden. Patent α ν s ρ R 0 cn 1;:

1. Vorrichtung zur Kühlung der Brennelemente eines mit Wasser arbeitendem Druckreaktors, dadurch gekennzeichnet, daß durch geeignete Formgebung der Oberflächen dieser Elemente die Entstehung zusammenhängender wärmeisolierender

Dampffilme verhindert und somit eine gleichmäßige und intensive Wärmeabfuhr an die Kühlflüssigkeit bewirkt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelemente als Stäbe mit massiven Erhöhungen ausgebildet sind, die auch in ihrer kleinsten Abmessung groß gegenüber den Abmessungen der an. ihnen entstehenden Dampfblasen sind und so diese durch örtliche Beschränkung des Auftretens des Leidenfrostschen Phänomens an der Bildung· eines zusammenhängenden Dampffilms hindern.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhungen an den Reaktorstäben als dreieckförmige Längsgrate ausgebildet sind (Fig. la und Ib).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhungen an den Reaktorstäben durch Quereinschmirungen der Staboberfläche erzeugt sind., die an dieser praktisch kugelige, massive Vorsprünge bilden (Fig. 2 a).

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhungen an, den Reaktorstäben als Rippen von halbkreisförmigem Querschnitt ausgebildet sind, die schraubenförmig zur Längsachse des Stabes verlaufen, (Fig. 2 b).

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktorstäbe in der Form einer Schraubenfeder mit dicken,, weit voneinander abstehenden Windungen ausgeführt sind (Fig. 2 c).

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktorstäbe die Form einer dicht gewundenen Säule aufweisen (Fig. 2 d).

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktorstäbe mit halbkugeligen Höckern an ihrer Oberfläche versehen sind (Fig. 2 e).

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktorstäbe, an. ihrer Oberfläche mit Zähnen in der Form von Pyramidenstümpfen mit Winkelabrundung versehen sind, die durch zwei sich kreuzende Reihen
schraubenlinigen Nuten begrenzt sind (Fig. 2 f).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen