DE1219597B - Konverter-Brennelement fuer Kernreaktoren - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES SM7WW& PATENTAMT IntCL:

G21d

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche KL: 21g-21/30

Nummer: 1219 597

Aktenzeichen: S 94320 VIII c/21 g

Anmeldetag: 25. November 1964

Auslegetag: 23. Juni 1966

Der heutigen bereits üblichen Gewinnung elektrischer Energie aus Atomkernreaktoren haftet noch immer der Nachteil an, daß dabei ein Umweg über einen Dampfprozeß notwendig ist. Es ist daher bereits bekannt, eine direkte Umwandlung der Wärmeenergie in elektrische Energie mit Hilfe sogenannter thermionischer Wandler durchzuführen. Da auch die zwischen Emitter- und Kollektorelektrode dieser Wandler entstehende Spannung nur sehr gering ist, hat man eine Mehrzahl solcher Wandler zu einer Reihenschaltung elektrisch wie auch konstruktiv zusammengefaßt. Für die direkte Energiekonversion der in Kernreaktoren erzeugten Wärme bieten sich nun zwei Wege an. Der eine ist der, mit Hilfe eines geeigneten Kühlmittels die im Kernreaktor erzeugte Wärme an die außerhalb des Reaktors angeordneten Emitterflächen der thermionischen Dioden heranzubringen. Der andere Weg besteht darin, ohne einen Wärmeträger auszukommen und die Wärme des Kernbrennstoffes direkt auf dem Wege der Wärmeleitung an die Emitter der thermionischen Dioden zu übertragen.

Zu diesem Zweck ist weiterhin bekannt, den zylindrischen Hohlraum innerhalb der ringförmigen Emitterelektrode mit spaltbarem Material auszufüllen und die ganze Reihenschaltung von thermionischen Dioden sozusagen als ein Konverter-Brennelement aufzubauen und in den Reaktorkern direkt einzusetzen.

Es ist nun bekannt, daß bei den sehr hohen Betriebstemperaturen derartiger Konverterelemente zwischen 1000 und 2000° C ein Schwellen der Emitterelektrode, eine ungleichmäßige Aufdampfung von Emittermaterial auf der Kollektorelektrode sowie ein Verziehen der Zelle nicht vollständig vermieden werden können. Andererseits besteht aber auch die Forderung nach einem möglichst engen Spalt bzw. Abstand zwischen Emitter und Kollektor, damit der Wirkungsgrad einer derartigen Konverterzelle oder Diode möglichst hoch wird. In Anbetracht der erstgenannten Erscheinungen läßt sich jedoch diese Forderung nur sehr schlecht erfüllen, oder die Lebensdauer eines derartigen Konverter-Brennelementes ist nur sehr kurz, da es frühzeitig zu Kurzschlußerscheinungen zwischen Emitter und Kollektor kommen wird.

Die vorliegende Erfindung vermeidet diese Nachteile weitgehend und bezieht sich auf ein Konverter-Brennelement für Kernreaktoren, mit einer Reihenschaltung einer Vielzahl thermionischer Dioden und mit konische Oberflächen aufweisenden Emitter- und Kollektorelektroden, bei denen der Kernbrennstoff

Konverter-Brennelement für Kernreaktoren

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Phys. Dietrich Dudnick,
Dipl.-Phys. Karl Janner, Erlangen

in den Emitterelektroden eingelagert ist. Erfindungsgemäß sind die Elektroden in ihrer Gesamtheit zur Veränderung des Elektrodenabstandes in axialer Richtung relativ zueinander verschiebbar.

ao In dem durch die Emitterelektrode gebildeten Hohlraum ist außerdem eine Säule aus miteinander verbundenen bzw. aufeinandergepreßten und die Emitter an ihrem einen Ende zentrierenden hochtemperaturfesten Körpern, z. B. aus Keramik, angebracht. Die Zentrierung der Emitterelektroden erfolgt an ihrem anderen Ende über die elektrisch leitenden Brücken zu den benachbarten Kollektoren, wodurch auch die Reihenschaltung nebeneinanderliegender thermionischer Dioden bewirkt wird. Mit Hilfe dieser zentralen Säule können nun die Emitterelektroden seitlich in axialer Richtung verschoben werden, wobei wegen der konischen Gestalt der Emitteroberflächen der Abstand zur Kollektoroberfläche vergrößert oder verkleinert wird. Je nach Zugänglichkeit dieser Reaktorkonverter-Brennelemente kann diese axiale Verschiebung z. B. mit Hilfe einer Spindel oder mit Hilfe eines Elektromotors durchgeführt werden. Dabei kann diese Steuerung in Abhängigkeit von den elektrischen Eigenschaften, z. B. Strom, Spannung, Innenwiderstand, Kapazität oder über direkte oder indirekte Messung erfolgen.

Derartige Einrichtungen mögen bei erdgebundenen Anlagen noch die erforderliche Sicherheit bieten. Bei Verwendung von Konverter-Brennelementen zur Stromversorgung von Raumfahrzeugen ist diese Sicherheit jedoch infolge der dort herrschenden Druck- und Temperaturverhältnisse sowie der absoluten Unzugänglichkeit dieser Anlagen nicht mehr gegeben und erfordert eine Lösung, bei der aufeinandergleitende Teile vermieden werden.

In den F i g. 1 bis 4 ist nun ein derartiges Konverter-Brennelement dargestellt, das sich inbesondere

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für den Einsatz in Stromversorgungs-Kernreaktoren baut, sie besitzen zwei Paare von konzentrischen

von Raumfahrzeugen eignet. . Keramikkörpern 14 und 16, die mit geringem Spiel

F i g. 1 zeigt ein derartiges Konverter-Brennele- ineinanderstecken und durch eine Hülse 15 auf Ab-

ment im Längsschnitt; stand gehalten werden. Innerhalb dieser Hülse be-

Fig. 2 zeigt einen Schnitt desselben entlang der 5 findet sich ein Ausdehnungsstab 13, der mit den

Linie I-I; Bauteilen 16 starr verbunden ist. Dieser Ausdeh-

F i g. 3 zeigt eine abgeänderte Gestaltung der kord- nungsstab 13 besitzt weiterhin eine elektrische Heiz-

schen Formgebung von Emitter- und Kollektorelek- wicklung, durch die er in seiner Länge genau einge-

troden, um kürzere Schubwege bei gleicher Ab- stellt werden kann. Die Bauteilpaare 14/16 haben auf

Standsänderung der Elektroden zu erzielen. io ihren einander zugekehrten Seiten einen eingeschlif-

Das gleiche Ziel wird durch die in F i g. 4 darge- fenen Gewindegang 171, in den ein Heizleiter 17, von

stellte gewindemäßige Formgebung der Konverter- einer Lotschicht 172 umgeben, eingebettet ist. Der

elektroden erreicht. Abschluß der Konverter-Diodensäule gegenüber

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß sich diesen Verstelleinrichtungen wird durch eine dichte

diese_o Einrichtungen selbstverständlich auf alle Sy- 15 Menbranel2 gewährleistet.

sterne von thermionischen Dioden, also auch solche Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist nun

mit und ohne Caesiumdampffüllung anwenden las- folgende:

sen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind a) Der Abstand der Elektroden soll verkleinert daher diesbezügliche Bauelemente als an sich be- werden, d. h., die Emitter müssen sich etwas nach kannt weggelassen. 20 links bewegen: Zu diesem Zweck werden beide Lot-Die thermionischen Dioden 2 bestehen aus den verbindungen 172 der linken Verstelleinrichtung Emitterelektroden 3 und den Kollektorelektroden 4. elektrisch bis zum Schmelzen des Lotes erwärmt. So-In die Emitterelektroden 3 ist der Spaltstoff 31 ein- dann wird die Heizung der rechten Verstelleinrichgebettet und vollständig von diesen umschlossen. tung 130 so lange eingeschaltet, bis der rechte Aus-Der Spalt zwischen Kollektor 4 und Emitter 3, der 25 dehnungsstab 13, der z. B. aus Beryllium, Stahl oder variiert werden soll, ist mit,6 bezeichnet. Im Inneren anderen auch nichtmetallischen Stoffen bestehen der thermionischen Diode befindet sich eine Säule kann, die gewünschte Verlängerung und damit auch aus keramischen Bauelementen 10, mit denen die der Elektrodenabstand 6 die gewünschte Verkleine-Emitterelektroden über ihren inneren Vorsprung 32 rung erreicht hat. Sodann werden sämtliche Heizverbunden sind. Anden übrigen Bereichen der Emit- 30 wicklungen 17 abgeschaltet, so daß das Lot 172 erterelektroden liegt dieser Keramikkern 10 nicht an, starrt und damit die Lage der Emitterelektroden nach so daß eine eventuelle Deformation desselben keinen beiden Seiten hin fixiert wird. Anschließend wird die mechanischen Druck auf die Emitterelektroden 3 äußere Heizung der rechten Verstelleinrichtung 17 ausüben kann. " ." betätigt, so daß dort die Lotverbindung gelöst wird

Die anderen Enden der Emitterelektroden sind 35 und anschließend die Heizung des rechten Ausdehüber die lamellierten Brücken 9·zentriert und mit den nungsstabes 130 abgeschaltet. Nach Schrumpfung benachbarten Kollektorelektroden zur Erzielung der dieses Stabes bis zur Erreichung der normalen Umelektrischen Reihenschaltung verbunden·. Diese gebungstemperatur wird auch die Heizung der lamellierten Brücken 9 sind federnde Bauteile und äußeren rechten Lötstelle abgeschaltet, so daß diese haben in diesem Beispiel eine flach-konische Gestalt. 40 erkaltet und keine Temperaturspannungen von Seiten Die Kollektorelektroden sind unter Zwischenlage des Ausdehnungsstabes 13 aufnehmen muß. Das Lot einer Isolierschicht? in das Hüllrohr20 eingebaut. ist dabei so gewählt und zusammengesetzt, daß sein Dazu wird zweckmäßigerweise auf der Isolierschicht Schmelzpunkt um etwa 100 bis 200° C über der norein Lotüberzug vorgesehen, der während der Dauer malen Betriebstemperatur der Lötstelle liegt. Wegen des. Einbauvorganges zur Vermeidung von Span- 45 der kleinen aufzuheizenden Lotmenge und der relativ nungen in der Isolierschicht auf .Schmelztemperatur guten Wärmeisolation der Keramikteile ist die gehalten wird. Wärmekapazität klein, es wird deshalb zu diesem

Zur Verhinderung eines unerwünschten Strom- Zweck nur eine relativ kleine elektrische Leistung

durchganges zwischen den heißen Bereichen benach- benötigt.

barter Emitterelektroden sind Schirme 5 vorgesehen. 50 b) Die Verschiebung der Emitterelektroden nach

Diese bestehen beispielsweise aus einem dünnen rechts und damit Vergrößerung des Abstandes zwi-

Metallgerüst, das beiderseitig mit Keramik besprüht sehen Emitter und Kollektor. Für diesen Fall werden

ist. Sie können auf engstem Raum untergebracht zunächst die beiden Lötstellen auf der rechten Seite

werden und schützen außerdem noch die Isolierstrek- des Konverter-Brennelementes über den Heizleiter

ken der keramischen Körper 10 vor dem Bedampfen 55 17 gelöst und gleichzeitig auch die innere Lötstelle

mit metallischen Stoffen. Gleichzeitig dienen sie auf der linken Verstelleinrichtung. Sodann wird der

außerdem noch als Abschirmung gegen Wärme- linke Ausdehnungsstab 15 geheizt, der sich verlängert

strahlung. An einem Ende des Konverter-Brenn- und damit die Emitterelektroden nach rechts schiebt,

elementes ist die Kollektorelektrode auf der anderen Anschließend werden die Heizungen der Heizleiter

Seite die Emitterelektrode mit je einem Stromzufüh- 60 17 abgeschaltet, so daß die Keramiksäule in dieser

rungsrohr 11 verbunden. Jedes dieser Rohre trägt an Lage festgehalten wird. Nach Lösung der linken Löt-

seinen Enden Schraubbolzen zur Anbringung der stelle des linken Verstellmechanismus wird auch die

Stromverbindungen und enthält in seinem Inneren Heizung des Ausdehnungsstabes 15 abgeschaltet, so

den Verschiebemechänismus für die Emitterelektro- daß nach Erkalten desselben auch die linke Lötstelle

den zur Einstellung und Justierung des Elektroden- 65 wieder abgeschaltet werden kann und erkaltet. Es

abstandes 6. handelt sich bei diesem Verstellmechanismus dem-

Diese Verstell- und Haltevorrichtungen an beiden nach um eine Art Schrittheberprinzip mit Hilfe der

Enden des Brennelementes sind gleichartig aufge- Wärmedehnung besonderer Bauelemente, wobei die

notwendigen Haltekräfte durch lösbare Lötstellen erzeugt werden. An Stelle der Wärmedehnung könnten natürlich auch andere Kräfte, wie z. B. die durch den reziproken piezoelektrischen Effekt verursachte mechanische Veränderung bestimmter Kristalle oder keramischer Stoffe verwendet werden.

Die Verstelleinrichtung auf der einen Seite kann selbstverständlich auch durch eine Feder ersetzt werden, die als Rückstellkraft wirkt, wenn die Bewegung nach der anderen Seite erfolgen soll. Zum besseren Verständnis dieser ganzen Einrichtung seien noch einige Daten genannt: Der Spalt 6 zwischen den Emitter- und Kollektorelektroden hat eine Dicke in der Größenordnung von 0,1 bis 1 mm. Die maximale Schrittgröße beträgt etwa 0,1 mm in axialer Richtung und ruft dabei eine Spaltdickenänderung von etwa 0,01 mm hervor. Der Gesamthub ist durch die zentrierenden und federnden lameliierten Brücken 9 begrenzt und liegt in diesem Beispiel etwa in der Größenordnung von 1 mm. Dies entspricht einer Spaltbreitenänderung von 0,1 mm. Die maximale Hubhöhe der Verstelleinrichtung ist durch die Breite der eingeschliffenen Gewindegänge 171 (Lötfuge) gegeben und kann durch entsprechende Formgebung derselben ohne weiteres auf das gewünschte Maß gebracht werden.

Die Abhängigkeit zwischen Hubbewegung und Änderung der Spaltbreite ist gegeben durch die Konizität der Emitter- und Kollektoroberflächen. Je flacher dieser Konus sein wird, desto kleiner wird die Abstandsänderung, je steiler der Konus sein wird, desto größer wird diese bei gleichem Hub sein. Eine Erhöhung der Steigung ist möglich, wenn die einander zugekehrten Oberflächen von Emitter und Kollektor stufenförmig entsprechend von F i g. 3 ausgebildet sind. Jedes Bauteil kann dann, wie dargestellt, aus einzelnen Ringen zusammengesetzt sein.

Es ist jedoch auch möglich, zur Erzielung desselben Effektes gemäß F i g. 4 die Emitter- und Kollektorbauteile gewindeartig ineinander eingreifen zu lassen. In beiden Fällen ist selbstverständlich eine entsprechende Lose zwischen den ineinandergreifenden Stufen notwendig, um die erfindungsgemäße Längsverschiebung wirksam werden zu lassen.

Die beschriebene Anordnung von zwei Verstellmechanismen an Stelle eines einzigen und einer Rückholfeder ermöglicht bei gleichzeitiger Heizung der Ausdehnungsstäbe einen willkürlich veränderbaren Druck auf die Keramikstabsäule, womit etwaige unerwünschte Wachstumserscheinungen an diesen keramischen Stäben 10 rückgängig gemacht werden können. Wegen des plastischen Verhaltens der Stäbe bei den vorliegenden hohen Temperaturen werden derartige Kräfte während des Betriebes langsam abgebaut. Wie bereits erwähnt, kann als Regelgröße der in den Konvertern erzeugte elektrische Strom verwendet werden, der dann gleichzeitig auch zur Beheizung der Verstellmechanismen verwendet werden kann. Es sind also keine fremden Energiequellen erforderlich. Verstellmechanismus, Stromzuführungsrohr und Kühlmittelleitungen sind bezüglich Form und Materialauswahl, z. B. Beryllium, so aufgebaut, daß sie einen Teil des Reflektors für den Kernreaktor bilden. Meß- und Steuerteil braucht nur einmal vorhanden sein. Von diesem kann jedes Element in beliebigem Turnus angewählt und geprüft werden und die nach Dauer und Stärke geeigneten Stromstöße empfangen.

Wie bei anderen Konverterbrennelementen auch, ist bei diesem eine Kühlung der Kollektorelektroden vorgesehen, jedoch der Übersichtlichkeit halber in der F i g. 1 nicht dargestellt. Nach F i g. 2 (Quer-Schnittszeichnung) fließt das Kühlmittel 21 an der Oberfläche der Außenhaut des Kollektorbrennelementes 20 in einem Spalt, der durch das weitere Rohr 22 begrenzt ist. Außerhalb desselben kann sich z. B. ein Moderator 23 befinden, der durch das sechseckige Hüllrohr 24 mit der Außenisolation 25 eingeschlossen ist. Durch diese Sechsform kann, ähnlich wie auch bei normalen Kernreaktorbrennelementen, ein lückenloser Aufbau eines Reaktorkernes aus Konverter-Brennelementen durchgeführt werden.

Dieser Aufbau würde für einen thermischen Reaktor gelten. Selbstverständlich ist die Anwendung der Konverterbrennelemente nicht auf den Reaktortyp beschränkt, so daß z. B. auch schnelle Reaktoren mit ähnlichen Konverterbrennelementen, in diesen Fällen

ao dann natürlich ohne Moderator, aufgebaut werden können. Auch kann die Beheizung derartiger Konverterelemente natürlich auch durch andere Energiequellen, z. B. Sonnenenergie, erfolgen, was aber keine Abkehr von den dargelegten Einrichtungen bedingt.

Abschließend seien die besonderen Vorteile des Erfindungsgegenstandes kurz zusammengefaßt.

1. Der Wirkungsgrad thermionischer Konverter wird erhöht, was gleichbedeutend ist mit einer Erhöhung der Leistungsdichte. So tritt z. B. bei einem Caesium-Hochdruckkonverter und einem Übergang der Spaltbreite von 1 auf 0,1 mm eine Leistungsdichteerhöhung von etwa 5 auf 15 W/cm² ein, was einer Wirkungsgraderhöhung von etwa 10 auf 20% entspricht.

2. Erhöhung der Lebensdauer gegenüber Anordnungen mit nicht regelbaren Abständen zwischen Emitter und Kollektor.

3. Regelbarkeit der elektrischen Ausgangsleistung. 4. Längere Lebensdauer des gesamten Reaktors, wegen des nach Punkt 3 ermöglichten kleineren Abbrandes des Spaltstofies.

5. Sicherheit des Bewegungsmechanismus auch unter Weltraumbedingungen, da keine gleitenden, direkt miteinander in Berührung stehenden festen Teile vorhanden sind.

Es ist denkbar, den Verstellmechanimus selbst bei anderen Bauelementen, vorzugsweise in Raumfahrzeugen, zu verwenden, so z. B. für die Verstellung von Reflektorschilden außerhalb des eigentlichen Kernreaktors.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Konverter-Brennelement für Kernreaktoren mit einer Reihenschaltung einer Vielzahl von thermionischen Dioden mit konische Oberflächen aufweisenden Emitter- und Kollektorelektroden, bei denen der Kernbrennstoff in den Emitterelektroden eingelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden in ihrer Gesamtheit zur Veränderung des Elektrodenabstandes in axialer Richtung relativ zueinander verschiebbar sind.

2. Konverter-Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich innerhalb der

Emitterelektroden eine Säule miteinander fest verbundener, die Emitter an ihrem einen Ende zentrierender, sonst diese jedoch nicht berühren-

der, hochtemperaturfester Körper aus Keramik befindet.

3. Konverter-Brennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Säule auf der einen Seite an einer Druckfeder oder einem anderen elastischen Glied anliegt und auf der anderen Seite mit einem Verschiebemechanismus in Verbindung steht.

4. Konverter-Brennelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschiebemechanismus aus einem langgestreckten, elektrisch beheizbaren Wärmedehnungselement und aus den beiden Enden desselben angeordneten, gegenüber dem starren Außengehäuse getrennt betätigbaren Feststelleinrichtungen besteht.

5. Konverter-Brennelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststelleinrichtung aus einer durch eine steuerbare Beheizung lösbaren Lötverbindung besteht.

6. Konverter-Brennelement nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide Enden der Säule mit einer gleichartigen Feststelleinrichtung versehen sind.

7. Konverter-Brennelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur elektrischen Reihenschaltung sowie zur Zentrierung der thermionischen Dioden federnde Bauelemente vorgesehen sind.

8. Konverter-Brennelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die federnden Bauelemente flache oder konische, gegenüber den benachbarten Elektroden abgeschirmte, lameliierte Federn sind.

9. Konverter-Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Diodenstrecke zur Verkürzung des Verschiebeweges einen im Längsschnitt durch das Brennelement sägezahnförmigen Spalt hat.

10. Konverter-Brennelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufung des Spalts gewindeartig fortlaufend mit entsprechendem axialem Spiel ausgebildet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1130 873.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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