DE1083446B - Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus der bei Kernspaltungsreaktionen frei werdenden Waerme - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Es ist eine große Zahl von Systemen zur direkten Umwandlung von Hitze oder anderer Formen von Strahlungsenergie in Elektrizität vorgeschlagen worden. Derartige bekannte Anlagen versuchen die Ausnutzung des Seebeck- oder thermoelektrischen Effek- S tes zur Erzeugung von Strom; bekanntlich werden dabei verschiedenartige, an einer Lötstelle vereinigte elektrische Leiter verwendet. Diese Verbindungsstellen werden zum einen Teil auf niedrigeren Temperaturen, zum anderen Teil auf höheren Temperaturen gehalten; dabei verwendet man zweckmäßigeinegroße Anzahl von Segmenten dieser verschiedenartigen Materialien im Zusammenbau zu einer sogenannten Thermosäule, wobei die verschiedenartigen Segmente abwechselnd verbunden werden, derart, daß sich heiße und kalte Verbindungsstellen ergeben. Da die elektrische Leistung einer einzigen thermoelektrischen Verbindung außerordentlich klein ist, benötigt man eine außerordentlich große Zahl von derartigen Verbindungen in einer Thermosäule, um eine beträchtliehe Menge an elektrischer Energie zu gewinnen. Die Zahl der Verbindungen kann nur verringert werden durch hohe Temperaturdifferenzen zwischen den heißen und kalten Verbindungsstellen.

Bisher konnte keine Thermosäule entwickelt werden, die eine beträchtliche Menge an elektrischer Energie erzeugte. Bekannte Anordnungen haben sich als unzulänglich erwiesen im Hinblick auf die Schwierigkeit der Aufrechterhaltung einer angemessenen Temperaturdifferenz zwischen den heißen und kalten Verbindungs- oder Lötstellen der Säule. Die räumliche Anordnung einer derartigen Säule erwies sich als kompliziert, und zwar durch die übermäßig hohe Anzahl von Lot- oder Verbindungsstellen, die zur Erzeugung einer ausnutzbaren Menge an Energie erforderlich wären; es gab bisher keine brauchbaren Einrichtungen zum Trennen der heißen und kalten Verbindungsstellen bzw. zur Versorgung der heißen Verbindungsstellen der Säule mit Wärme und zur Kühlung der kalten Verbindungsstellen. Überdies wurde durch die große Zahl von Leiterpaaren aus verschiedenartigen Materialien und deren Verbindungen der elektrische Widerstand der Säule derart vergrößert, daß die zur Kompensierung des resultierenden Widerstandes erforderliche Vergrößerung der Abmessungen die entsprechende Erhitzung oder Abkühlung der heißen oder kalten Verbindungsstellen praktisch unmöglich machte.

Es ist auch schon bekannt, aus der bei Kernspaltreaktionen frei werdenden Wärme mittels einer Vielzahl von zu einem langgestreckten Gehäuse zusammengesetzten Thermoelementen elektrische Energie zu erzeugen. Bei der bekannten Anordnung sind die Thermoelemente in ein abschirmendes Mauerwerk Einrichtung

zur Erzeugung elektrischer Energie

aus der bei Kernspaltungsreaktionen

frei werdenden Wärme

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. F. Weickmann

und Dr.-Ing. A. Weickmann, Patentanwälte,

München 2, Brunnstr. 8/9

Beanspruchte Priorität;
V. St. ν. Amerika vom 27. September 1957

William E. Shoupp, Pittsburgh, Pa. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

eingebettet, welches einen Kernreaktor mit Abstand umgibt. In dem Mauerwerk sind zwei Kanäle vorgesehen, durch welche heiße bzw. kalte Luft zirkuliert zu dem Zweck, dieLötstellen der Thermoelemente wechselweise auf verschiedenen Temperaturen zu halten. Der Nachteil dieser Ausführung liegt darin, daß nur ein kleiner Teil der entwickelten Wärme zur Erzeugung von thermoelektrischer Energie ausgenutzt werden kann, weil der Raum zwischen dem Kernreaktor und dem Mauerwerk mit einein Moderator- und Kühlmedium gefüllt ist und die in dem Kernreaktor selbst erzeugte Wärme durch ein gesondertes Umlaufsystem abgezogen wird. Außerdem macht es die Wärmeleiteigenschaft des Mauerwerkes schwierig, zwischen den beiden Luftumlaufkanälen eine ausreichende Temperaturdifferenz aufrechtzuerhalten.

Die Erfindung vermeidet diese Mängel dadurch, daß in einem aus einer Vielzahl von Thermoelementen zusammengesetzten langgestreckten Gehäuse eine Masse aus nuklearem, eine Kettenreaktion unterhaltendem Brennstoff enthalten und hermetisch eingeschlossen ist, so daß diese Masse und das Gehäuse ein Brennstoffelement für einen Kernreaktor bilden.

Die Figuren erläutern die Erfindung an Ausführungsbeispielen. Es stellen dar:

Fig. 1 ein Brennstoffelement eines Kernreaktors zur Umwandlung mindestens eines Teiles der durch den

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3 4

Reaktor erzeugten Hitze in Elektrizität im Längs- Gewindeausnehmung 64 versehen, die von einem ringschnitt, förmigen Vorsprung oder Stutzen 66 umgeben ist.

Fig. 2 den Schnitt nach Linie H-II zu Fig. 1, . Dieser Stutzen paßt in eine Ausnehmung 68, die sich

Fig. 3 ein Reaktoraggregat aus BrennstofTelemen- am inneren Ende einer zugehörigen Gewindebohrung

ten gemäß Fig. 1, 5 58 und einer zusätzlichen, gewindelosen Ausnehmung

Fig. 4 eine andere Ausführungsform eines Brenn- 70 befindet.

Stoffelementes im Längsschnitt, Nach dem Einsetzen in die Ausnehmung oder Ver-

Fig. 5 eine dritte Ausführungsform im Längs- tiefung 68 wird ein Teil der Verschlußstopfen 62

schnitt, gegenüber den Endplatten 26 und 28 durch Einschrau-

Fig. 6 einen Kernreaktor im Schnitt nach Linie io ben der Gewindeteile 46 der Bolzen 44 in die Ver-

VI-VI zu Fig. 7, schlußstopfen gesichert. Gleichzeitig werden die Rohre

Fig. 7 den Schnitt nach Linie VII-VII zu Fig. 6, 30 mit dem Bündel 71 aus Brennstoffstangen 22 und

Fig. 8 ein Wärmeaustauscherrohr gemäß vorliegen- den Endplatten 26 und 28 vereinigt. Die Verschluß-

der Erfindung im Achsschnitt, stopfen der übrigen Brennstoffstangen 22 werden an

Fig. 9 den Schnitt nach Linie IX-IX zu Fig. 8, *5 den Endplatten 26 bzw. 28 durch Kopfschrauben 72

Fig. 10 und 11 weitere Ausführungsformen eines verbunden, welche durch die öffnungen 70 in die VerWärmeaustauschers, schlußstopfen 62 eingreifen. Wahlweise können

Fig. 12 eine Anlage zur Erzeugung von Energie mehrere oder alle der übrigen Verschlußstopfen 62

aus nuklearem Brennstoff und zur direkten Umwand- gewünschtenfalls ersetzt werden durch mit Gewinde

lung derselben in Elektrizität. 20 versehene Stopfen (nicht gezeichnet); in diesem Falle

Gemäß den Fig. 1 bis 3 besteht ein Kernreaktor- sind die gewindelosen Ausnehmungen 70 durch Ge-

Brennstoffaggregat 20 aus einer Vielzahl von lang- windebohrungen zu ersetzen.

gestreckten Brennstoffstangen 22, deren jede aus einer Bei dieser Anordnung werden die Endplatten 26 Vielzahl von würfel- oder stabförmigen Elementen 24 und 28, an denen sämtliche Brennstoffstangen 22 beaus spaltbarem, z.B. Uranoxyd (UO₂ oder U₃O₈) ²5 festigt sind, durch die Rohrstutzen30 getragen, und enthaltendem Stoff zusammengesetzt ist. Die Stangen zwar durch Eingriff der abgesetzten Gewindeteile 46 22 sind an ihren Enden durch ein Paar von Platten der Bolzen 44 in Gewindebohrungen 58 der Montage-26, 28 zusammengefaßt. An der Außenoberfläche je- platten 26 und 28. Die Schultern 73 der Bolzen 44 der dieser Endplatten 26, 28 ist ein Rohr 30 befestigt, dienen dazu, die Endplatten gegeneinander in Steldas einen im wesentlichen zylindrischen Mantel 32 30 lung zu halten. Gemäß Ausführungsbeispiel stehen, und eine Durchgangsöffnung 34 aufweist und durch wie schon erwähnt, die mit Gewinde versehenen abMuttern 38 und zugehörige Schraubenbolzen 44 in gesetzten Enden 46 der Bolzen 44 über die Innenober-Abstand von einer Montageplatte 36 gehalten wird. flächen der Endplatten 26, 28 vor und dienen dort zur Die Montageplatten 36 befinden sich ihrerseits in Halterung einer entsprechenden Zahl von Brennstoffeinem Abstand von den Außenoberflächen der 35 stangen 22 an den Endplatten 26 und 28; im Beispiels-Endplatten 26 und 28 mit Hilfe von Abstand- fall sind es vier Brennstoffstangen. Auf diese Weise haltern 40. sind die Rohrstutzen 30 primär an den Endplatten 26

Durch Bohrungen 42 und 43· in den Abstandhaltern und 28 befestigt, und das Gewicht des Brennstoff-40 und den Montageplatten 36 ist je ein mit zwei Ge- Stangenaggregats 20 ist auf alle Brennstoffstangen 22 winden versehener Schraubenbolzen 44 eingesetzt; der 40 verteilt und nicht nur den erwähnten vier Brennstoffsich nach innen erstreckende Gewindeteil 46 dieser stangen auferlegt.

Bolzen ist abgesetzt. Der andere Gewindeteil 48 eines Durch die beschriebene Anordnung ist die Verwenjeden Bolzens 44 greift in die zugehörige Mutter 38 dung von Spannbolzen zur Sicherung und Abstandein. Jede dieser Abstand haltenden Muttern 38 besitzt haltung der Endplatten 26 und 28 vermieden; sämteinen sich nach außen erstreckenden rohrförmigen An- 45 liehe Brennstoffstangen erstrecken sich einheitlich im satz 50, der in eine Ausnehmung 51 eines Flansches wesentlichen über die Länge des Reaktorherzens, und 52 des Rohres 30 eingreift und durch eine Ring- das Brennstoffstangenaggregat 20 ist so ausgebildet, schweißnaht 54 gesichert ist. daß die einzelne Brennstoffstange ein Minimum an

Jede Montageplatte 36 wird gegenüber den Ab- Biegebeanspruchung erfährt.

standhaltern 40 dadurch gehalten, daß der äußere 5" Aus der nachstehenden Erläuterung wird sich erzylindrische Endteil 55 in eine Ausnehmung 56 an der geben, daß die obenerwähnten Spannbolzen vermieden Innenoberfläche der Montageplatte 36 eingreift, welche werden müssen und daß die Verwendung von Brenn-Ausnehmung die zugehörige öffnung oder Bohrung 43 Stoffstangen einheitlicher Länge notwendig ist. Auf umgibt. Die düsenförmigen Rohre 30 sind an den diese Weise kann in anderen Anwendungsfällen die Endplatten 26 und 28 durch Einschrauben des abge- 55 Mehrzahl der Brennstoffstangen 22 gemäß vorliegensetzten Gewindeteils 46 der Bolzen 44 gesichert, im der Erfindung im Brennstoffstangenaggregat Verwen-Beispielsfall durch vier derartiger Gewindebolzen, die dung finden, wie sie in dem deutschen Patent 1045563 in Gewindebohrungen 58 der Endplatten 26 und 28 vorgeschlagen wurden.

eingreifen. Die abgesetzten Gewindebolzen 46 stehen Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, ist jede der

über die Endplatten 26 und 28 an deren Innenseiten 60 Brennstoffstangen 22 so ausgebildet, daß sie minde-

vor. stens einen Teil der als Folge der Kettenreaktion in

Wie schon erwähnt, ist eine Vielzahl von Brenn- dem Reaktor in den Brennstoffelementen 24 entwikstoffstangen 22 zwischen den Endplatten 26 und 28 kelten Wärme direkt in elektrische Energie umzuwanangeordnet und durch diese getragen. Jede dieser dein gestattet. Zu diesem Zweck sind die Elemente 24 Stangen ist hermetisch in einen Mantel 60 einge- 65 zu einer Thermosäule, d. h. zu einer Reihe von thermoschlossen, in dessen Innerem sich die Brennstoffele- elektrischen Elementen aufgebaut, und diese Säule mente24 befinden. Nach dem Einführen der Brenn- dient zugleich als ein Verunreinigung des Reaktorstoffelemente 24 in das Mantelgehäuse 60 wird dieses kühlmittels verhinderndes Gehäuse. Die Anordnung durch einen Stopfen 62 verschlossen, z. B. durch Ver- ist dabei so getroffen, daß sich die heißen Verbinschweißen. Jeder Verschlußstopfen 62 ist mit einer 70 dungsstellen der Thermosäule im Innern des Ge-

häusemantels 60 befinden und damit nächst den Brennstoffelementen 24. Die kalten Verbindungsstellen der Thermosäule hingegen liegen auf der Außenoberfläche j edes Gehäusemantels 60. Damit ist erreicht, daß die kalten Verbindungsstellen der Thermosäule in Kontakt treten mit dem Reaktorkühlmittel, welches durch die Durchgänge 34 der Rohrstutzen 30 und durch die Zwischenräume 74 zwischen benachbarten Brennstoffstangen 22 des Brennstoffstangenaggregats 20 strömt (Fig. 3). Zur Förderung dieser Durchströmung sind in den Endplatten 26 und 28 zwischen den Verbindungstellen derselben und den einzelnen Brennstoffstangen 22 Durchlaßöffnungen vorgesehen. In jeder der Montageplatten 36 ist eine verhältnismäßig große Durchgangsöffnung 76 angeordnet, um einen ungehemmten Strömungskanal für das Kühlmittel von den Rohrstutzen 32 und durch die Endplatten 26 und 28 zu schaffen.

Eine Ausführungsform einer ein Gehäuse 60 bildenden Thermosäule besteht aus einer Vielzahl von inneren, koaxial und im Abstand voneinander angeordneten, die Brennstoffstange 22 auf ihre ganze Länge umgebenden zylindrischen Körpern 78. Jeder dieser inneren zylindrischen Körper 78 steht z. B. durch Hartlöten, Metallaufdampfen od. dgl. in wärmeleitendem Kontakt mit einetnbenachbartenBrennstoffelement24; die inneren zylindrischen Körper 78 sind an den Enden jeder Stange 22 mit den Verschlußstopfen 62 verschweißt. In ähnlicher Weise ist eine Vielzahl von äußeren zylindrischen Körpern 80 koaxial und in gegenseitigem Abstand über die ganze Länge der Brennstoffstange 22 angeordnet mit der Maßgabe, daß gemäß Ausführungsbeispiel die äußeren zylindrischen Elemente 80 verhältnismäßig kleine Abstände voneinander haben zum Zwecke der Verringerung der Weite der Trennspalte 82 zwischen denselben, wodurch die Turbulenz oder Strömungsreibung des Reaktorkühlmittels, das längs der Außenseite des Mantels 60 strömt, verkleinert wird. Die äußeren zylindrischen Elemente 80 sind so angeordnet, daß sie die Spalte 84 zwischen den inneren zylindrischen Elementen 78 und zusätzlich Teile von Paaren benachbarter innerer zylindrischer Elemente zu beiden Seiten der Spalte 84 überlappen.

Zwischen jedem Paar benachbarter sich überlap- 4-5 pender Teile der inneren und äußeren zylindrischen Elemente 78 und 80 ist ein Paar von zylindrischen Elementen 86 und 88 angeordnet. Diese bestehen aus verschiedenartigen Werkstoffen und bilden paarweise ein thermoelektrisches Element; sie sind mit den überlappenden Teilen der inneren und äußeren zylindrischen Elemente durch Hartlöten oder auf andere Weise dicht verbunden, so daß sie ein flüssigkeitsdichtes Gehäuse für die Brennstoffelemente 24 bilden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen die Zylinder 86 überwiegend aus Eisensulfid (Fe₂S₃), während die Zylinder 88 aus dem thermoelektrisch komplementären Werkstoff Eisensulfür (FeS) gefertigt sind. Die die eigentliche Thermosäule bildenden zylindrischen Elemente 86 und 88 und die äußeren zylindrischen Elemente 80 stehen in dichter elektrisch und Wärme leitender Verbindung mit den benachbarten Gliedern, z. B. durch Ultraschall-Hartlötung oder Weichlötung oder Aufspritzen oder Aufdampfen von Metallen.

Wie schon ausgeführt, besteht jedes der Brennstoffelemente 24 aus Uranoxyd, das einen Betrieb bei höherer Temperatur gestattet insofern, als Üranoxyd viele Eigenschaften von keramischem Material besitzt. Überdies macht Uranoxyd infolge seiner elektrisch isolierenden Eigenschaft die Verwendung von Isoliermuffen (nicht gezeigt) oder anderer Isolierung zwischen den Brennstoffelemeten 24 und den inneren Elementen 78 entbehrlich; diese Isolierung wäre anderenfalls erforderlich, um elektrischen Kurzschluß der inneren Zylinderelemente 78, in welchen sich die Brennstoffelemente 24 dicht aneinander befinden, zu vermeiden. Bei der so aufgebauten Thermosäule verbinden die inneren Zylinder 78 die heißen Lötstellen der die thermoelektrischen Elemente bildenden Zylinder 86 und 88 über die ganze Länge der Säule, ebenso die äußeren Zylinderelemente 80 die kalten Lötstellen der thermoelektrischen Elemente; die aus verschiedenartigem thermoelektrischem Werkstoff bestehenden Zylinder 86 und 88 sind über die ganze Länge der Brennstoffstange22 elektrisch inReihe geschaltet. Um den elektrischen Kontaktbereich zwischen den Zylindern 86 oder 88 und den inneren und äußeren Zylindern 78 und 80 zu vergrößern, erstrecken sich die Zylinder 86 und 88 in der Achsrichtung im wesentlichen über die ganze Länge zwischen benachbarten inneren und äußeren Spalten 84 und 82.

Die zylindrischen Elemente 86 α und 88 α an den Enden der Brennstoffstange 22 und die benachbarten äußeren zylindrischen Elemente 80 a sind abgeschrägt, wie bei 90 angedeutet, um einen sanften Übergang zu dem Kühlmitteldurchgang 74 zwischen benachbarten Brennstoff stangen 22 (Fig. 3) zu schaffen und somit die Strömungsreibung in dem Kühlmittel zu verringern.

Maßnahmen zur weiteren Verringerung des Strömungswiderstandes des Kühlmittels sind in Fig. 4 gezeigt. Gemäß dieser Figur stützt sich jeder den einen Teil eines thermoelektrischen Elementes bildende Zylinder 88' gegen den benachbarten, den anderen Teil dieses Elementes bildenden Zylinder 86 ab und ist mit einem nach außen gerichteten Flansch 140 versehen. Diese Flansche bestehen vorzugsweise aus einem Stück mit den Zylindern 88' und füllen genau die äußeren Spalte 82 zwischen den äußeren Zylindern 80. Die Außenkanten der Flansche 140 fluchten mit der Außenoberfläche des anschließenden Zylinderelementes 80, so daß eine glatte Oberfläche für den Kühlmittelstrom im Bereich der Durchgänge 74 des Brennstoffstangenaggregats 20 und über die ganze Länge der Brennstoffstange 22' entsteht.

Gemäß der abgewandelten Ausführungsform der Fig. 5 sind die inneren und äußeren Zylinderelemente und die dazwischenliegenden thermoelektrisch wirkenden Zylinderelemente einerBrennstoffstange91 so angeordnet, daß ein Paar äußerer zylindrischer Elemente 80' (von denen in Fig. 5 nur eines gezeigt ist) das Ende eines Gehäusemantels 92 bilden. In jeden dieser Endzylinder 80' ist ein Verschlußstopfen 93 eingesetzt. Diese Verschlußstopfen 93 sind mit einer Gewindebohrung 94 zur Aufnahme der obenerwähnten Kopfschrauben 72 versehen und mit einem die Gewindebohrung 94 umschließenden Vorsprung oder Stutzen 95. Letzterer besitzt die gleiche Gestalt wie der Vorsprung oder Stutzen 66 des Verschlußstopfens 62 der Fig. 1 und dient zum Einsetzen in die Ausnehmungen 68 an der inneren Oberfläche der Endplatten 26 und 28.

Durch Vereinigung der Ausführungsform der Fig. 5 mit jener der Fig. 4 kann eine Brennstoffstange mit im wesentlichen glatter zylindrischer Oberfläche und frei von Spalten oder Kerben geschaffen werden. Die zylindrischen Teile 78, 80, 86 und 88' ebenso wie die entsprechenden Teile 78 a, 80 a, 80', 86 a und 88' der abgewandelten Ausführungsformen können auch an-

dere Querschnitte erhalten, ζ. B. ovalen oder rechteckigen Querschnitt, je nachdem, welchen Querschnitt man für die Brennstoffstangen 22, 22' oder 91 wünscht. »Querschnitt« in diesem Zusammenhang bedeutet einen Schnitt senkrecht zur Längsachse der Brennstoffstange oder des Gehäuses der Thermosäule.

Um Kurzschlüsse der verhältnismäßig dicht aneinanderliegenden äußeren Zylinder 80 zu vermeiden, ist es notwendig, ein elektrisch isolierendes Reaktorkühlmittel zu verwenden, das den hohen Reaktortemperaturen standhält, jedoch die inneren Oberflächen des Reaktors nicht korrodiert. Kühlmittel, welche diesen Bedingungen genügen, sind z. B. Phenyl, Diphenyl, Terphenyl und Kohlendioxyd (Kohlensäure).

Wie schon hervorgehoben, bestehen die zylindrisehen Elemente 86 und 88 aus verschiedenartigem thermoelektrischem Werkstoff, z. B. Eisensulfür und Eisensulfid, die verhältnismäßig schlechte elektrische und thermische Leiter sind. Darum sind diese Werkstoffe in ausreichender Stärke vorzusehen, um den elektrischen Widerstand auf eine brauchbare Größe zu verringern, hauptsächlich aber, um den gewünschten durchschnittlichen Temperaturunterschied zwischen den heißen und kalten Verbindungs- oder Lötstellen der Brennstoffstangen 22, 22' oder 91 zu gewährleisten, d. h. die nötige Temperaturdifferenz zwischen den Brennstoffelementen 24 und dem Reaktorkühlmittel, welches die Durchgänge 74 des Brennstoffstangenaggregats durchströmt (Fig. 3). Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzen die Brennstoffelemente 24 einen Durchmesser von etwa 7,6 mm; die inneren und äußeren zylindrischen Elemente 78 und 80 bestehen aus rostfreiem Stahl oder anderem korrosionsfestem, elektrisch leitendem Werkstoff einer Dicke in der Größenordnung von 0,25 bis 0,38 mm. Im Hinblick auf die verhältnismäßig schlechte elektrische Leitfähigkeit und auf die Notwendigkeit, eine entsprechende Temperaturdifferenz zwischen den heißen und kalten Lot- oder Verbindungsstellen der Thermosäule zu erhalten, werden die die Thermoelemente bildenden Zylinder 86 und 88 in einer Stärke in der Größenordnung von 0,65 bis 0,9 mm ausgeführt.

Als Folge der verhältnismäßig vergrößerten Gesamtwandstärke des Gehäuses 60 ergibt sich, daß die Masse an nuklearem Brennstoff in den Stangen 22, 22' oder 91 nicht auf einem so gedrängten Raum untergebracht werden kann wie in Reaktoren, die nicht unter Ausnutzung des thermoelektrischen Effektes arbeiten. Andererseits kann die größere Rauminanspruchnahme der Brennstoffstangen 22 leicht kornpensiert werden durch Vergrößerung des Uranbestandes in dem Reaktor oder durch Verwendung von leicht angereichertem Brennstoff, z. B. Uran mit einem höheren Prozentsatz an U²⁸⁵. Zu berücksichtigen ist indessen, daß die Brennstoffelemente des Reaktors durch den bekannten Peltier- oder umgekehrten thermoelektrischen Effekt teilweise gekühlt werden, während ein Teil der entwickelten Hitze unmittelbar in Elektrizität umgewandelt wird. Dies hat zur Folge, daß ein vergleichweise geringes Volumen an Reaktorkühlmittel benötigt wird zum Durchströmen des Durchgangs 74 eines jeden Brennstoffstangenaggregats20 (Fig. 3). Weil daher der Strömungsdurchgang nicht so groß sein muß wie bei den üblichen Kernreaktoren, können die Oberflächen der Brennstoffstangen 22, 22' oder 91 6g näher zusammengerückt werden, wodurch die größere Stärke der Gehäusewandungen mindestens teilweise ausgeglichen wird.

Bei einer Ausfuhrungsform der Erfindung wurde gefunden, daß eine mittlere Temperaturdifferenz von 100° C zwischen den heißen und kalten Verbindungsoder Lötstellen jedes Brennstoffelementes eine elektrische Spannung von ungefähr 0,05 Volt liefert. Versieht man jedes Brennstoffelement, das eine Länge in der Größenordnung von 2,5 m besitzt, mit einer entsprechenden Vielzahl von Löt- oder Verbindungsstellen, beispielsweise siebzig, dann erhält man eine elektrische Spannung von ungefähr 3,5 Volt pro Element, wenn die Löt- oder Verbindungsstellen in Form einer Säule in Reihe geschaltet werden. In Anwendungsfällen, bei denen Starkstrom verlangt wird, beispielsweise bei der Aluminiumerzeugung, ist beabsichtigt, sämtliche Brennstoff stangen 22 jedes Aggregats 20 parallel zu schalten, indem man die Endplatten 26 und 28 und die Durchlaufrohre 30 aus elektrisch leitendem, gewünschtenfalls korrosionsfestem Material, z. B. rostfreiem Stahl, herstellt. Es werden dann die entsprechenden Enden jeder Brennstoffstange 22 parallel an die Endplatten 26 und 28 gelegt und gleichzeitig mechanisch mit diesen Endplatten verbunden (durch die Kopfschrauben 72 oder Schraubenbolzen 44). Bei Parallelschaltung ergeben sich dann ungefähr 3,5 Volt pro Brennstoffstangenaggregat 20.

In einem verhältnismäßig großen Reaktor finden etwa 25000 Brennstoffstangen Verwendung. Diese werden in einer Mehrzahl von Aggregaten 20, etwa in hundert solchen Aggregaten angeordnet, die dann in dem Kernreaktor elektrisch in Reihe geschaltet werden. Auf diese Weise kann man einige 100 Volt durch direkte Umwandlung von Wärme in Elektrizität erhalten.

Die Endplatten 26 und 28 des Aggregats 20 können auch aus Isoliermaterial, ζ. B. Aluminiumoxyd oder anderem keramischem Werkstoff, gefertigt und die einzelnen Brennstoff stangen 22,22' oder 91 des Aggregats 20 in Reihe oder gruppenweise reihenparallel geschaltet werden, um die Spannungsergiebigkeit des Reaktors zu erhöhen.

In ähnlicher Weise kann man außerdem bei einer Ausführungsform, wie sie in dem obengenannten deutschen Patent 1 045 563 beschrieben wird, diese Brennstoffelemente elektrisch in Reihe, parallel oder reihenparallel anordnen. Verbindet man entsprechend der Lehre dieses deutschen Patents die Brennstoffelemente seitlich unter Verwendung eines elektrisch leitenden Eisenringes, dann sind die Elemente durch diesen Ring parallel geschaltet. Bei einer derartigen Schaltung ergibt sich während des Betriebes des Reaktors keine Potentialdifferenz an diesen Ringen. Alternativ können die Brennstoffelemente elektrisch in Reihe oder reihenparallel geschaltet werden durch Verwendung von Ringen aus Aluminiumoxyd oder anderem hitzebeständigem, elektrisch isolierendem Werkstoff zur seitlichen Halterung der in Reihe geschalteten Brennstoffelemente des Aggregats, um Kurzschlüsse dieser Elemente zu vermeiden. Bei dieser letzteren Ausführung werden die Enden der Brennstoff stangen 22, 22' oder 91 durch elektrisch leitende Bügel oder Streifen in Reihe oder reihenparallel geschaltet.

Gemäß den Fig. 6 und 7 ist eine Mehrzahl von Brennstoffstangenaggregaten 20 in einem in diesen Figuren teilweise dargestellten Kernreaktor 96 angeordnet, der eine obere Trägerplatte 97 und eine untere Trägerplatte 98 aufweist. Diese Platten bilden mit einem Mantel 99 ein zylindrisches Gehäuse. Der Reaktor 96 befindet sich in einem geschlossenen Reaktorkessel 100.

Die Trägerplatten 97 und 98 sind mit einer Vielzahl von Ausnehmungen 101,102 versehen, in deren jede

eine mit einem Flansch ausgerüstete Isolierbüchse 104 eingepaßt ist. Beispielsweise bestehen diese Büchsen aus dem obenerwähnten keramischen Werkstoff. Die Brennstoff Stangenaggregate 20 sind in gegenseitigen Abständen in dem Reaktorherz aufgehängt durch Einsetzen der Rohrstutzen 32 derselben in Ausnehmungen 101 und 102., wobei diese Aggregate 20 durch Anschlag von Schultern 106 der Rohrstutzen an den inneren Stirnflächen 107 der Isolierbüchsen 104 in Stellung gehalten werden. Zwischen ausgewählten Gruppen von Brennstoffstangenaggregaten 20 sind Kontrollstangen 108, gewünschtenfalls in Kreuzanordnung, eingeführt, und zwar durch öffnungen 109 (Fig. 6) in der oberen Trägerplatte 97; dies zum Zwecke der Kontrolle der in dem Reaktorherz 96 aufrechterhaltenen Kettenreaktion.

Jedes der Brennstoffstangenaggregate ist auf diese Weise gegen die obere und untere Trägerplatte 97 und 98 und gegen die übrigen Aggregate durch die Büchsen 104 isoliert. Die Brennstoffstangenaggregate können elektrisch in Reihe geschaltet werden durch obere und untere leitende Bügel oder Bänder 110 und 111, wie in Fig. 6 für den linken oberen Quadranten eines derartigen Reaktors gezeigt. Die elektrische Leistung wird durch Leitungen 112 und 113 abgenommen; diese Leitungen sind durch zylindrische Isolierbüchsen 114 dicht nach außen geführt; die Büchsen 114 sind in Bohrungen 116 der Wandung des Reaktorkessels hermetisch eingepaßt.

Die Thermosäule der erfindungsgemäßen Ausführung kann — was nicht Gegenstand der Erfindung ist — unter Weglassung des in ihr erfindungsgemäß enthaltenen Kernbrennstoffs auch als rohrförmiger Wärmeaustauscher ausgeführt sein zur Übertragung von Wärme zwischen organischen oder sonstigen elektrisch nichtleitenden, durch die Rohre bzw. um dieselben fließenden Medien. Gemäß den Fig. 8 und 9 besteht ein derartiger Wärmeaustauscher aus einem Gehäuse 120 in Form eines langgestreckten Rohres mit einem Durchgang 122 zur Führung entweder des heißen oder des kalten Mediums des Wärmeaustauschsystems. Das Gehäuse 120 ist in ähnlicher Weise ausgebildet wie das Gehäuse 60 der Brennstoffstange 22 mit der Maßgabe, daß die inneren und äußeren Spalte 124 und 126 des Gehäuses so eng wie möglich sind, ohne elektrischen Kontakt zwischen benachbarten Paaren von äußeren und inneren Zylindern 128 bzw. 130 herzustellen. Hierdurch wird dem Strom der durch Pfeile 132 und 134 angedeuteten Wärmeaustauschmedien ein vergleichsweise geringer Widerstand geboten.

Wie im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 erläutert, sind die äußeren und inneren Zylinderelemente 128 und 130 im Abstand und sich gegenseitig überlappend angeordnet; zwischen diesen äußeren und inneren Zylinderelementen 128. und 130 befinden sich in wechselnder Folge Zylinderelemente 136 und 138 aus verschiedenartigen thermoelektrischen Werkstoffen, und zwar so dicht wie möglich nächst den Spalten 124 und 126, um den elektrischen Kontakt zwischen jedem der thermoelektrischen Zylinderelemente 136 und 138 und den zugehörigen Außen- und Innenzylindern 128 und 130 zu vergrößern.

Die zylindrischen Elemente 136 und 138 können sich, wie Fig. 10 für die Elemente 136' und 138' zeigt, gegeneinander abstützen; dabei wird die Biegefestigkeit des Gehäuses 120' durch teilweise Füllung' der Spalte 124' und 126' dieses Gehäuses erhöht. Zusätzlich werden durch diese Maßgabe Erosion und Korrosion der Zwischenzylinder 136' und 138' verringert, weil die den Wärmeaustauschmedien ausgesetzten Flächenelemente verkleinert sind. Die im Vergleich zu den inneren und äußeren Zylinderelementen 128' und 130' geringe elektrische Leitfähigkeit dieser thermoelektrischen Elemente macht den lokalen elektrischen Kurzschluß an den Stellen der mechanischen Verbindung zwischen den Zylindern 136' und 138' vernachlässigbar.

Fig. 11 zeigt eine Anordnung, bei welcher der den strömenden Medien durch die Spalte zwischen äußeren und inneren Zylinderelementen 141 und 142 gebotene Widerstand völlig beseitigt ist. Bei dieser Ausführung ist jedes der thermoelektrischen Zylinderelemente 143 und 144 mit Ausnahme eines solchen Elementes 146 am Ende der Säule mit einem den Spalt füllenden Flansch 148 bzw. 150 versehen. Die Flansche 148 der Zylinderelemente 143 erstrecken sich nach innen und füllen genau die Spalte zwischen benachbarten Paaren von inneren Zylinderelementen 142. Die Flansche 150 der Zwischenzylinder 144 erstrecken sich nach außen und füllen in gleicher Weise die Spalte zwischen den äußeren Zylinderelementen 141. Wahlweise können beide Flansche 148 und 150 nur an einem der Zwischenzylinderelemente 142 oder 143 vorgesehen sein. Bei dieser Ausführungsart eines rohrförmigen Wärmeaustauschers wird der Strömung durch die inneren oder äußeren Spalte 154 bzw. 156 praktisch kein Widerstand geboten. Wie schon oben angedeutet, kann dank der relativ geringen elektrischen Leitfähigkeit der thermoelektrischen Zwischenzylinderelemente 143 und 144 der lokale, durch die Flansche 148 und 150 verursachte Kurzschluß vernachlässigt werden.

Im Betrieb des Kernreaktors der Fig. 6 und 7 wird ein organisches oder sonstiges nichtleitendes, flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel durch das Reaktorherz 96 geleitet, um die durch die Kettenreaktion entwickelte Wärme abzuführen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher jede der Brennstoffstangen 22 mit thermoelektrischen Elementen aus Eisensulfür bzw. Eisensulfid ausgerüstet ist (wie an Hand der Fig. 1 und 2 beschrieben), wird eine durchschnittliche Temperaturdifferenz von ungefähr 100° C zwischen dem Kühlmedium und den Brennstoffelementen 24 aufrechterhalten. Bei dieser Anordnung kann, wenn Terphenyl oder Kohlendioxyd od. dgl. als Kühlmittel Verwendung findet, dieses auf eine Temperatur erhitzt werden, die zur Erzeugung von Dampf angemessenen thermodynamischen Wirkungsgrades ausreicht, selbst wenn ein Teil der Reaktorwärme durch direkte Umwandlung in elektrische Energie abgeführt worden war.

Eine abgewandelte Ausführungsform zur Ausnutzung von Kernenergie gemäß vorliegender Erfindung ist in einer Anlage verwirklicht, wie in Fig. 12 schematisch gezeigt. Bei dieser findet ein Kernreaktor 160 mit einer Vielzahl von Brennstoffstangenaggregaten 20 gemäß den Fig. 6 und 7 Verwendung, um eine Kernreaktion einzuleiten und aufrechtzuerhalten. Geeignete Pumpeneinrichtungen 162 halten einen durch Leitungen 164 angedeuteten Strom eines primären Kühlmittels durch den Reaktor 160 aufrecht. Aus diesem Reaktorkühlmittel wird über einen Wärmeaustauscher 166 Wärme abgezogen; dieser Wärmeaustauscher besteht aus einer Vielzahl von Austauscher rohren, wie sie an Hand der Fig. 9 bis 12 beschrieben und dort mit 120,120' oder 152 bezeichnet sind; diese Rohre befinden sich in einem Austauscher 166 in üblicher Anordnung. In dem Wärmeaustauscher 166 wird die Wärme des primären Kühlmittels, das den durch die Leitungen 164 angedeuteten

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Weg nimmt, auf ein zweites Kühlmedium übertragen, das durch Leitungen 168 mittels einer Pumpe 170 zirkuliert. Die auf das primäre und sekundäre Kühlmittel sukzessiv übertragene Menge an Wärme ist bestimmt durch Faktoren wie Typ und Stärke der in dem Reaktor 160 und in dem Austauscher 166 verwendeten thermoelektrischen Elemente, die Größe des Reaktors 160 und des Wärmeaustauschers 166 und die Betriebstemperatur der Brennstoffstangen 22. Wenn in dem sekundären Kühlmittel noch eine entsprechende Wärmemenge zurückbleibt, läßt man das sekundäre Kühlmittel durch einen zweiten Wärmeaustauscher 172 zirkulieren, der in ähnlicher Weise ausgebildet ist wie der primäre Wärmeaustauscher 166. Die durch den Reaktor erzeugte verfügbare Wärme, die zurückbleibt, nachdem ein Teil dieser Wärme durch den zweiten Wärmeaustauscher 172 direkt in elektrische Energie umgesetzt worden war, wird auf ein drittes Kühlmittel übertragen. Der Strom dieses Kühlmittels durch Leitungen 174 wird durch eine Pumpe 176 erzeugt, und die so übertragene Wärme kann zur Raumheizung oder zu irgendwelchen Arbeitsvorgängen ausgenutzt oder aber auch durch geeignete Kühleinrichtungen 178 gekühlt werden. Die Pumpen 162,170 und 176 können gemeinsam angetrieben werden mit der Maßgabe, daß durch die Pumpen 170 und 176 geringere Mengen an Kühlmitteln gefördert werden müssen als durch die Pumpe 162. Dies rührt her von der direkten Umwandlung eines Teiles der durch das erste und zweite Kühlmittel geführten Wärme in elektrische Energie. Aus dem gleichen Grund ist es in manchen Fällen erwünscht, das sekundäre oder tertiäre Kühlmittel im Innern der Rohre in dem Wärmeaustauscher 166 oder 172 strömen zu lassen, weil ein kleineres Volumen des verhältnismäßig kühleren, Wärme übertragenden Mediums zur Anwendung kommen muß.

Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung werden die verschiedenartigen thermoelektrischen Werkstoffe zweckmäßig, jedoch nicht notwendigerweise ausgewählt aus einer Gruppe von Mischungen anorganischer Verbindungen, wie solche bereits an anderer Stelle vorgeschlagen sind. Diese Verbindungen haben die allgemeine Formel Li_n, Tj_1-,^ X, worin T mindestens ein Übergangsmetall aus der Gruppe Mangan, Eisen, Nickel, Kobalt, Kupfer und Zink, X ein Chalcogenid aus der Gruppe Sauerstoff, Schwefel, Selen und Tellur bedeutet und m ein Wert ist, der 0,1 nicht übersteigt und nicht kleiner ist als 0,001. Ein homogener fester Körper dieser allgemeinen Verbindung kann verwendet werden als positives Element des Paares von thermoelektrischen Materialien 86 und 88,136 und 138 oder 143 und 144.

Als geeignetes negatives Element zum Zusammenwirken mit diesem positiven Element dient ein homogener fester Körper, wie er ebenfalls bereits anderweitig vorgeschlagen wurde und der die Formel AL_nT₍₁_„)X hat, wobei T ein oder mehrere Übergangsmetalle bedeutet, X die vorstehend angegebene Bedeutung hat und η einen Wert von 0,1 bis 0,001 besitzt.

Andere geeignete positive und negative thermoelektrische Komponenten umfassen Verbindungen der Formel MZ_{(1 ±a}„ wobei M ein Element aus der Gruppe Chrom, Eisen, Nickel, Kupfer, Kobalt und Mangan, Z ein Element aus der Gruppe Schwefel, Selen, Tellur, Arsen, Antimon und Wismut bedeutet und α einen positiven Wert kleiner als 0,1 hat.

So können mit befriedigendem Ergebnis Thermoelemente hergestellt werden durch Vereinigung eines Elementes, erzeugt aus Metall der Gruppe Kupfer, Silber, Legierungen auf Kupferbasis, Legierungen auf Silberbasis und Molybdän, und irgendeinem der obengenannten positiven oder negativen Elemente.

Gemäß Obigem wird eine Vielzahl von Stoffpaaren, von denen je eines der vorgenannten positiven und eines der vorgenannten negativen thermoelektrischen Stoffe oder andere geeignete Werkstoffe dieser Art zu einer thermoelektrischen Brennstoffstange 22, 22' oder 91 (Fig. 1, 4 und 5) vereinigt und derart elektrisch verbunden sind, daß die kalten Lot- oder Verbindungsstellen außerhalb der Oberfläche der Stange, die heißen Verbindungs- oder Lötstellen innerhalb des Gehäuses 60, 60' oder 92 liegen. Die heißen Lot- oder Verbindungsstellen sind so angeordnet, daß sie durch die Brennstoffelemente 24 einer jeden Brennstoffstange erhitzt werden, während die kalten Lot- oder Verbindungsstellen der Kühlung durch ein strömendes Medium unterliegen, das die Durchgänge 32 und die Zwischenräume 74 der Brennstoff stangen eines Brennstoffstangenaggregats 20 durchfließt.

In ähnlicher Weise kann positiver und negativer thermoelektrischer Werkstoff Verwendung finden in Verbindung mit Wärmeaustauschrohren 120,120' und 152 (Fig. 8, 10 und 11) in solcher Anordnung, daß die heißen Lot- oder Verbindungsstellen durch ein relativ heißes durchströmendes Medium erwärmt werden, während die kalten Verbindungs- oder Lötstellen der Einwirkung eines äußeren Kühlmittelstromes unterliegen, oder umgekehrt.

Bei Verwendung eines thermoelektrischen Materials der im vorstehenden angegebenen Art kann pro ¹AoI)⁰ C eine thermoelektrische Kraft der Größenordnung von 500 bis 1000 Mikrovolt an jeder Lot- oder Verbindungsstelle zwischen den verschiedenartigen Materialien gewonnen werden. Diese haben den weiteren Vorteil, daß sowohl der Ohmsche Widerstand wie auch die Wärmeleitfähigkeit außerordentlich niedrig sind. Bei gewissen Gattungen dieser Materialien ist der spezifische Widerstand in der Größenordnung von 10—² Ohm ■ cm, während die Wärmeleitfähigkeit in der Größenordnung von nur 0,02 Watt/cm/Vioo° C beträgt. Daraus folgt, daß eine verhältnismäßig hohe Temperaturdifferenz, d. h. eine solche in der Größenordnung von durchschnittlich 500° C, zwischen den heißen und kalten Verbindungsstellen einer Thermosäule aus diesen Werkstoffen in der oben angegebenen Stärke aufrechterhalten werden kann und daß eine verhältnismäßig große Zahl von Thermoelementen ohne übermäßige Erhöhung des Ohmschen Widerstandes der Säule verwendet werden kann. In dem Reaktorkühlmittel zurückbleibende ausnutzbare Wärme kann abgezogen und gewünschtenfalls direkt in elektrische Energie umgewandelt werden mit Hilfe eines äußeren thermoelektrischen Wärmeaustauschers 166 oder 172, wie in Fig. 12 beschrieben.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus der bei Kernspaltungsreaktionen frei werdenden Wärme durch eine Vielzahl von Thermoelementen, die zu einem langgestreckten Gehäuse zusammengesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß in diesem Gehäuse eine Masse aus nuklearem, eine Kettenreaktion unterhaltendem Brennstoff enthalten und hermetisch eingeschlossen ist, so daß diese Masse und das Gehäuse ein Brennstoffelement für einen Kernreaktor bilden,

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (60) aus einer

Vielzahl von elektrisch leitenden, in der Längsrichtung in Abständen zueinander angeordneten inneren Gehäuseteilen (78., 130), einer Vielzahl von elektrisch leitenden, in der Längsrichtung in Abständen voneinander angeordneten äußeren Gehäuseteilen (80,, 128) besteht, wobei die äußeren Gehäuseteile mit den inneren einen Ringraum einschließen und relativ zu diesem versetzt sind, und daß zwischen diesen Gehäuseteilen und in wärmeleitender Verbindung mit denselben eine Vielzahl von Körpern verschiedenartigen thermoelektrischen Materials (86, 88; 136, 138) angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoelektrischen Körper und die Gehäuseteile derart dicht miteinander verbunden sind, daß das Gehäuse einen undurchlässigen Mantel um diese Körper bildet.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse rohrförmig ist und daß die inneren und äußeren Teile koaxial angeordnete Zylinderteile sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß den thermoelektrischen Körpern radial nach außen oder innen gerichtete Flansche (140, 148, 150) aus gleichem Material zum Füllen der Spalte oder Zwischenräume zwischen den Gehäuseteilen zugeordnet sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als nuklearer

Brennstoff ein elektrisch verhältnismäßig schlecht leitender Stoff dient.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Brennstoffstangen (22) zwischen einem Paar von im Abstand zueinander angeordneten Endplatten (26, 28) zu einem Brennstoffstangenaggregat vereinigt ist, daß diese Endplatten Montageglieder (30, 40) zum Einbauen dieses Brennstoffstangenaggregats in den Kernreaktor tragen und daß die Montageglieder und die Endplatten mit Durchgängen (34) für einen die Außenseiten der Gehäuse (60) bestreichenden Kühlmittelstrom ausgerüstet sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Montageglieder und die Kühlmitteldurchgänge aus einem Paar von Strömungsdüsen oder -rohren (30) bestehen.

9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Brennstoffstangenaggregaten gegenseitig isoliert in einem Kernreaktor angeordnet ist und daß Leitungen (110 bis 113) zur Reihenschaltung dieser Aggregate und zur Abführung der in den Gehäusen (60) erzeugten elektrischen Energie aus dem Reaktor vorgesehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2671 817.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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