DE1049984B

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Publication number: DE1049984B
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHE S

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT 1 049 ANMELDETAG:

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGES CHRI FT:

AUSGABE DER PATENTSCHRIFT:

KL.21g 21/20

INTERNAT. KL. G 21

2. NOVEMBER 1957

s\ fr /ι-

5. FEBRUAR 1959

3 0. JULI 1959

STIMMT ÜBEREIN MIT AUSLEGESCHRIFT 1 049 984 (S 55742 VIUc/21 ₆)

Bekanntlich ist bei heterogenen Kernreaktoren mit metallischem Uran als Kernbrennstoff die maximale TemperaturderBrennstoffelemente aus metallurgischen Gründen auf etwa 450° C begrenzt. Dieser Umstand macht sich in dem geringen thermodynamischen Wirkungsgrad der zugehörenden Wärmekraftmaschine deutlich bemerkbar. Auch homogene Reaktoren lassen, soweit sie mit wäßrigen Brennstofflösungen arbeiten, keine höher liegenden Temperaturen wegen der begrenzten Druckfestigkeit des Reaktorgefäßes zu.

Man hat nun bereits einen Reaktor gebaut, bei dem eine spaltbare und moderierfähige Salzschmelze niedrigen Dampfdruckes, z. B. eine Schmelze aus UF₄ und BeF₂, zur Erzeugung hoher Arbeitsmitteltemperaturen (etwa 1000° C) dient. Der Reaktorkern besitzt ein aus aufeinandergeschichteten Moderatorziegeln (BeO) bestehendes Gitter mit einer Vielzahl senkrechter Bohrungen, durch die ein durchgehendes mäanderförmig gewundenes Brennstoffrohr geführt ist, das die Salzschmelze enthält. Die durch die frei werdende Kernspaltungsenergie aufgeheizte Salzschmelze wird mit Hilfe einer Pumpe durch das Brennstoffrohr und einen daran angeschlossenen Wärmetauscher umgewälzt. Im Wärmetauscher gibt die Schmelze ihre Wärme an ein Zwischenmedium (Helium) ab, das sie seinerseits über einen weiteren Wärmetauscher an das Arbeitsmittel (Wasser) überträgt.

Obwohl auf diese Weise die gewünschten hohen Arbeitsmitteltemperaturen erzielt werden, weist das Verfahren betriebliche und die Reaktoranlage" konstruktive Nachteile auf. Es wird einmal nicht das thermodynamische Optimum erreicht, und zum anderen wird ein relativ kompliziertes Brennstoffrohr, eine Brennstoffpumpe sowie entsprechendes Zubehör benötigt.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren mit entsprechender Reaktorwärmekraftanlage, bei dem zwar ebenfalls eine spaltbare und moderierfähige Salzschmelze als Kernbrennstoff und ein Zwischenmedium als Mittel zur Wärmeübertragung an das Arbeitsmittel vorgesehen ist, bei dem aber die obengenannten Nachteile nicht bestehen. Das Verfahren besteht darin, daß die Salzschmelze oder mindestens eine ihrer Komponenten unter dem Einfluß der Kernspaltung verdampft wird und ihre Verdampfungswärme an das Zwischenmedium durch Kondensation abgibt. Zur Ausübung dieses Verfahrens ist der die Salzschmelze als Schmelzbad enthaltende Reaktionsraum des Reaktors als Verdampfungskammer ausge- bildet und nach oben durch eine als Wärmetauscherheizfläche dienende Zwischendecke gegen die darüberliegende Verdampferkammer für das Zwischenmedium abgeschlossen.

Kernreaktor - Wärmekraftanlage

Patentiert für:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft, Berlin und Erlangen

Dr. phil. Heinz Grüß, Berlin-Wannsee, ist als Erfinder genannt worden

Durch diese neue Betriebs- und Bauweise, die in mancher Hinsicht mit der einer konventionellen Dampfkesselanlage vergleichbar ist, gelingt es, einen weit über das Bekannte hinausgehenden Wirkungsgrad der Reaktoranlage zu erzielen.

Die Zeichnung veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel der neuen Kernreaktor-Wärmekraftanlage.

Der die Salzschmelze 1 als Schmelzbad enthaltende Reaktionsraum des Reaktors ist als Verdampfungskammer 2 ausgebildet und nach oben durch eine dem Wärmeaustausch dienende und daher als Heizfläche ausgebildete Zwischendecke 3 gegen die darüberliegende Verdampfungskammer 4 für das Zwischenmedium 5 abgeschlossen. In der Verdampfungskammer 4 ist der Dampferzeuger 6 für das Arbeitsmittel angeordnet. Die Salzschmelze 1 wird uirter dem Einfluß der Kernspaltung mindestens teilweise verdampft und gibt ihre Verdampfungswärme an das Zwischenmedium 5 durch Kondensation an der Zwischendecke 3 ab. Das seinerseits verdampfende Zwischenmedium überträgt die Wärme an das im Dampf- , erzeuger 6 befindliche Arbeitsmittel. Zur Regelung des Spaltungsprozesses dient der Regelstab 7.

Die spaltbare und möglichst auch konvertierbare Salzschmelze besteht vorteilhaft aus dem an sich bekannten Gemisch von UF₄- und BeF₂-Salzen. Der Schmelzpunkt dieses Gemisches liegt bei etwa 800° C. Durch Zumischung weiterer Salze, vorzugsweise Fluoriden anderer Metalle, kann der Siedepunkt der Salzschmelze variiert werden. Somit ist ein Wärmekraftbetrieb bei 700 bis 750° C möglich. Sollte jedoch aus irgendeinem Grund diese Betriebstemperatur zu

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hoch liegen, so kann man an Stelle der obigen Fluorverbindungen in bekannter Weise auch Chlorverbindungen benutzen. Ein Gemisch aus dürfte dann bei Atmosphärendruck eine peratur von 450° C besitzen. Man kann somit durch entsprechende Wahl der Salze und durch Variation des Mischungsverhältnisses von Brennstoff- und Moderatorsalz die Betriebstemperaiur beeinflussen.

Sehr nahe an die optimalen Betriebsbedingungen gelangt man mit reinem UCl₄ und Graphit als Moderator. Diesem Fall liegt die Reaktoranlage gemäß der Zeichnung zugrunde.

In der Schmelzbadzone des Reaktionsraumes sind, parallel zueinander gestaffelt, die Graphitplatten 8 angeordnet, die den Reaktionsraum in eine Vielzahl von Kammern unterteilen. Auch die Wände des Reaktionsraumes sind mit Graphit ausgekleidet. Es ist vorgesehen, daß in den Kammern gleichzeitig mit dem Reaktionsprozeß ein Anreicherungsverfahren abläuft. Hierzu sind die Graphitplatten so gegeneinander versetzt, daß jede zweite in Bodennähe eine Durchtrittsöffnung frei läßt. Über den ganzen Reaktionsraum gesehen ergibt sich so ein auf- und abwärts verlaufender Strömungskanal, den die in langsame Fließbewegung (in der Zeichnung von links nach rechts) versetzte Salzschmelze passiert. Am Ende des Kanals befindet sich die Schleuse 9 zum Abziehen der angereicherten Substanzen.

Ehe auf die Betriebsweise der Reaktoranlage näher eingegangen wird, seien zunächst noch die übrigen Anlagenteile beschrieben.

In der Verdampfungskammer 2 befindet sich oberhalb der Salzschmelze 1 das schräg gegen die Zwischendecke 3 angestellte Leitblech 10. Es hat die Aufgabe, die aufsteigenden Salzdämpfe von den Verdampfungskammer her gegen die tauscherheizfläche mit Kühlfingern 11 Zwischendecke3 zu leiten (entsprechend ist ein Zwischenraum zwischen den Verdampfungskammerwänden und dem Leitblech zu belassen) und ferner das herabtropfende Salzkondensat stets an der gleichen Stelle in die Salzschmelze 1 zurückzuführen. Das sich dort (Zeichnung links) anstauende Kondensat übt dann einen Druck auf die in den Kammern befindliche Schmelze aus und bewirkt so die für das Anreicherungsverfahren notwendige Fließbewegung der Schmelze.

Auf der Zwischendecke 3 des Reaktionsraumes breitet sich das Zwischenmedium 5, vorzugsweise eine Cadmiumlegierung mit einem Siedepunkt bei etwa 600° C, aus. Cadmium absorbiert begierig Neutronen, so daß im vorliegenden Falle die Verdampfungskammer 4 für das Zwischenmedium mindestens gegen vagabundierende Neutronen und den Großteil der übrigen Kernstrahlung geschützt ist. Da der Schmelzpunkt der Cadmiumlegierung etwa bei 300° C liegt, muß auch die Arbeitsmitteltemperatur über der Schmelztemperatur liegen. Bei Verwendung von Wasser als Arbeitsmittel bedeutet dies, daß der Arbeitsdampferzeuger 6 mindestens für einen Druck

UCl₄ und BeCl₂ Schmelztem-

Wänden der als Wärmeausgestaltete Ferner ist in die Verdampfungskammer 4 konzentrisch zwischen die Heizflächensysteme 6a und 6 b die Zwischenwand 17 mit Trichter 18 eingebaut. Sie sorgt (gemäß den eingezeichneten Pfeilen) für eine Naturumlaufströmung des verdampfenden Zwischenmediums. Die Ausflußöffnung des Trichters 18 mündet in die spiralige Rohrschlange 19, die als Vorwärmer für das Zwischenmedium dient und ausgangsseitig in dieses eintaucht.

ίο Die Wirkungsweise der neuen Reaktoranlage ist folgende:

Das in der Verdampfungskammer befindliche Salzgemisch wird zunächst entweder mit Hilfe einer fremden Wärmequelle zum Schmelzen gebracht oder in bereits eingeschmolzenem Zustand in die Schmelzbadzone eingeführt. Dabei sind die Regelstäbe voll in den Reaktor eingefahren; es ist der Einfachhi-i halber nur der Regelstab 7 dargestellt. Sollte ein Salzgemisch verwendet werden, dessen Dichteänderung beim Übergang von der festen in die flüssige Phase klein ist, so kann bei entsprechend vergrößerter Uberschußreaktivität der festen Phase das Salzgemisch auch durch die bei der Kernspaltung frei werdende Wärme selbst eingeschmolzen werden.

In allen Fällen möge die Schmelztemperatur bei etwa 620° C liegen. Durch entsprechende Regulierung der Regelstäbe wird die Schmelze, gegebenenfalls auch nur eine ihrer Komponenten, sodann bei einem Druck bis zu etwa 2 ata zur Verdampfung gebracht.

Während bei Reaktoren mit ummantelten Brennstoffelementen Wärmeübergangsverluste in den Trennwänden zum Kühlmittel stören können, wird durch die hier vorgesehene reine Verdampfungskühlung ein besserer, und zwar der maximal mögliche Wärmeübergang vom Brennstoff an ein Übertragungsmedium erzielt. Die aufsteigenden Salzdämpfe geben die mitgeführte Verdampfungswärme bei der Kondensation an das auf der Zwischendecke 3 ausgebreitete Zwischenmedium ab. Das herabtropfende Salzkondensat sammelt sich auf dem Leitblech-10 und rinnt in die linke Randzone des Schmelzbades zurück und löst dort die weiter obenerwähnte Flteßbewegung aus.

Findet die Verdampfung bei Atmosphärendruck statt, so destilliert gleichzeitig das bei der Kernspaltung entstehende radioaktive Xenon 135 aus der Schmelze heraus und sammelt sich in den zwischen den Kühlfingern 11 ergebenden Höhlungen der Zwischendecke 3. Dort kann es in seine Folgeprodukte zerfallen und von Zeit zu Zeit abgezogen werden. Dadurch wird der Reaktor bereits weitgehend entgiftet. Die durch Kondensationskühlung an das Zwischenmedium übertragene Verdampfungswärme bringt in der Dampferzeugungskammer 4 das Zwischenmedium bei einer Temperatur von etwa 600° C und einem Druck von etwa 1 Atmosphäre zum Sieden. Der entsprechende Dampf berührt bei seinem Aufsteigen zunächst die Vorwärmerohrschlange 10 des Zwischenmediums und sodann den Überhitzer 6b und kondensiert bei der Abwärtsbewegung am Verdampfer 6a. Dabei wird das unter einem Druck von etwa 170 at

von 170 at ausgelegt sein muß. An Stelle von Wasser kann auch Quecksilber oder perfluoriertes Diphenyl als Arbeitsmittel verwendet werden.

Im einzelnen besteht der Arbeitsdampferzeuger aus dem Verdampfer6ü und dem Überhitzer6 b. An diesen ist der Turbosatz 12, 13 mit Kondensator 14 angeschlossen. Zur Rückführung des Kondensats in den Verdampfer 6a dient die Kondensatpumpe 15. Zwischen ihr und dem Wiedereintritt in den Arbeitsdampferzeuger ist der Vorwärmer 16 eingeschaltet.

und mit einer Temperatur von etwas mehr als 300° C in den Verdampfer 60 eintretende Speisewasser verdampft und im Überhitzer 6b auf etwa 600° C überhitzt. Da die Speisewassereintrittstemperatur etwas über dem Schmelzpunkt der Cadmiumlegierung liegt, kann das im Trichter 18 zusammenfließende Kondensat des Zwischenmediums nicht durch die Berührung mit den kühleren Verdam₁ ferheizflächen erstarren. Auch im Trichter 18 liegt ..her die Temperatur des Kondensats noch oberhalb des Schmelzpunktes der

Claims

Cadmiumlegierung. Aus dem Trichter 18 tritt das ί Zvvischenmedium in die Vorwärmerrohrschlange 19 ein, in der es nochmals aufgeheizt wird und aus der es wieder in die unter Siedetemperatur stehende Cadmiumlegierungsschmelze eintritt. Mit dem überhitzten Hochdruckdampf wird in bekannter Weise der Turbosatz 12, 13 eingespeist. Zur Beheizuing des Speisewasservorwärmers 16 wird man zweckmäßig Abfallwärme benutzen. Als Wärmeübertragungsmittel kann Quecksilber dienen. Statt dessen kann aber der Vorwärmer auch ganz oder teilweise im Verdampfungsraum 3 selbst untergebracht werden. Arbeitet ferner der Turbosatz mit Zwischenüberhitzung, so wird man auch die Zwischenüberhitzerheizflächen in den Verdampfungsraum legen. Im übrigen sollte der gesamte Wärmeteil der Reaktoranlage an den eines modernen Hochleistungskessels, etwa eines Bensonkessels, angepaßt werden. Wie bereits zu Anfang erwähnt, läuft mit der Energiegewinnung zugleich im Reaktor ein Anreicherungsverfahren ab, durch das weitere Spaltprodukte, insbesondere Samarium und dessen Folgeprodukte, ausgeschieden werden und ferner unter Umständen das Uranisotop U235 an bestimmten Stellen der Schmelze angereichtert wird. Um eine nennenswerte Anreicherung von U235 in der Schmelze zu erzielen, muß der Trennkanal, d. h. die Summe der durch die Graphitwände 8 gebildeten Einzelkanäle, eine Länge von mindestens 300 bis 500 m besitzen. Vorteilhaft für das Verfahren ist die große Abbranddauer von Kernbrennstoffen, die bei der vorliegenden Brennstofform zwangläufig einen lang andauernden und außerordentlich intensiven Destilliervorgang zur Folge hat, mit einer nach Millionen zählenden Anzahl von Verdampfungen. Ferner ist zu berücksichtigen, daß Einrichtung und Betrieb des Trennverfahrens keine zusätzlichen Kosten verursacht. Aus diesem Grunde kann man auch einen größeren Ausbrand des Kernbrennstoffes als bisher üblich zulassen. Gegebenenfalls kann der Reaktor sogar mit erschöpftem Uran aus herkömmlichen Reaktoren beschickt werden. Es ergeben sich also für die neue Reaktor-Wärmekraftanlage eine Reihe von Vorteilen, die im folgenden nochmals kurz zusammengestellt seien:

1. Gegenüber Reaktoren mit ummantelten Brennstoffelementen liefert die bei der vorliegenden Reakcorbetriebsweise stattfindende Wärmeübertragung durch Verdampfung und Rekondensation den optimalen Wärmeübergang. Das gleiche gilt für das Zwischenmedium.

2. Durch Wahl der Komponenten der Salzschmelze und deren Mischungsverhältnis kann jede gewünschte Betriebstemperatur vorgegeben werden.

3. Die Arbeitsmitteltemperatur ist nicht mehr von der Spaltstoffseite her begrenzt.

4. Die Verdampfungskammern für die Salzschmelze und das Zwischenmedium stehen praktisch nur unter Atmosphärendruck.

5. Das Zwischenmedium schirmt den kesselseitigen Dampferzeugungsteil gegen den Großteil der Kernstrahlung im Reaktionsraum ab.

6. der eigentliche Reaktor benötigt für den Spaltstoff- und Kühlmittelkreislauf keine Pumpen oder zu Leckverlusten neigende Dichtungen und Armatüren.

7. Im Reaktorraum laufen ohne zusätzlichen Aufwand ein Isotopenanreicherungevorgang sowie ein Trennvorgang hinsichtlich der flüchtigen und nichtflüchtigen Uranspaltprodukte ab.

Auch bei Verwendung von perfluoriertem Diphenyl oder Quecksilber als Arbeitsmittel und Cadmium als Zwischenmedium besteht bei Unfällen, etwa bei Rohrreißern, keine Explosionsgefahr.

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Energieerzeugung durch Kernspaltung, bei welcher eine spaltbare und moderierfähige Salzschmelze als Kernbrennstoff und ein Zwischenmedium als Mittel zur Wärmeübertragung an das Arbeitsmittel vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Salzschmelze oder mindestens eine ihrer Komponenten unter dem Einfluß der Kernspaltungsreaktion verdampft wird und ihre Verdampfungswärme an das Zwischenmedium durch Kondensation abgibt.

2. Reaktorwärmekraftanlage zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Salzschmelze (1) als Schmelzbad enthaltende Reaktionsraum des Reaktors als Verdampfungskammer (2) ausgebildet und nach oben durch eine als Wärmetauscherheizfläche dienende Zwischendecke (3) gegen die darüberliegende Verdampfungskammer (4) für das Zwischenmedium (5) abgeschlossen ist.

3. Reaktorwärmekraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Arbeitsdampferzeuger (6) in der Verdampfungskammer (4) des Zwischenmediums (5) angeordnet ist.

4. Reaktorwärmekraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischendecke (3) des Reaktionsraumes an der Oberseite vom Zwischenmedium (5) bedeckt ist.

5. Reaktorwärmekraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbrennstoff aus einheitlichen oder gemischten spaltbaren und möglichst konvertierbaren Salzen mit niedrigem Dampfdruck bei Betriebstemperatur des Reaktors, insbesondere aus Fluoriden, Oxyfluoriden, Chloriden und Fluochloriden des vier- und sechswertigen Urans besteht.

6. Reaktorwärmekraftanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß den Kernbrennstoffsalzen Moderatorsalze, insbesondere Berylliumfluordid bzw. -chlorid, beigemischt sind.

7. Reaktorwärmekraftanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schmelzbadzone an Stelle von oder zusätzlich zu den Moderatorsalzen Graphiteinbauten, vorzugsweise aus parallel zueinander gestaffelten Platten (8) bestehend, vorgesehen sind.

8. Reaktorwärmekraftanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Graphitplatten (8) eine Vielzahl nebeneinanderliegender, oben offener Trennkammern mit Durchtrittsöffnungen in Bodennähe bilden, derart, daß ein mäanderförmiger Durchflußkanal entsteht, durch den die zu Anreicherungszwecken in eine gerichtete Fließbewegung versetzte Salzschmelze hindurchwandert.

9. Reaktorwärmekraftanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verdampfungskammer (2) oberhalb der Schmelze ein Leitblech (10) schräg gegen die von den Salzdämpfen beheizte Zwischendecke (3) der Verdampfungskammer geführt ist, welches das im stationären Betrieb von der Zwischenwand herabtropfende Salzkondensat auffängt und einer bestimmten Stelle, vorzugsweise der Randzone des Schmelzbades, zur Erzeugung der Fließbewegung zuführt.