DE1224417B - Thermionischer Energiewandler fuer Kernreaktoren - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

G21d

G21h;H02n

Deutsche Kl.: 21g-21/30

Nummer: 1224417

Aktenzeichen: C 33784 VIII c/21 g

Anmeldetag: 2. September 1964

Auslegetag: 8. September 1966

Die Erfindung betrifft einen thermionischen Energiewandler für Kernreaktoren mit Kernbrennstäben, die in einem gemeinsamen zylindrischen, mehrere Anoden enthaltenden Anodenbauteil untergebracht sind und einzeln an diesen Anoden angeschlossen sind, bei dem die Anoden koaxial zu den in axialem Abstand voneinander angeordneten Brennstäben angeordnet sind, der Zwischenraum zwischen den Brennstäben und dem Anodenbauteil von einem Plasma aus gasförmigem Caesium oder einem anderen thermisch leicht ionisierbaren Gas erfüllt ist, die wirksamen Anodenabschnitte, deren Innenfläche jedem der Brennstäbe oder zumindest der mittleren Zone eines jeden Brennstabes gegenübersteht, zylindrisch sind und diese zylindrischen Anodenabschnitte durch Verbindungsringe miteinander verbunden sind, die in axialer Richtung einen Ohmschen Widerstand aufweisen, der größer ist als der Ohmsche Widerstand der zylindrischen Anodenabschnitte in axialer Richtung.

Derartige thermische Energiewandler sind an sich in zahlreichen Ausführungsformen bekannt.

Die Fig. 1 der Zeichnung zeigt die Ansicht eines Längsschnittes durch einen thermionischen Energiewandler bekannter Bauart. Wie man aus der Zeichnung ersieht, bestehen die Elemente aus einzelnen Kernbrennstäben 1, 2 und 3. Jeder Stab kann ein Gehäuse 4 aufweisen und stützt sich gegen einen Ansatz 5 ab, der den elektrischen Strom leitet und elektrisch mit einem Zylinder 6 verbunden ist, der die Anode darstellt, welche die von dem vorgenannten Element emittierten Elektronen sammelt.

Die Wärme, die an der Anode auftritt, wird mit Hilfe eines Kühlmittels fortgeleitet, welches in einem Raum 7 zwischen den Anoden 6 und einer äußeren Hülle 8 vorhanden ist. Die äußere Hülle weist eine Einlaßöffnung 9 und eine Auslaßöffnung 10 auf, die es ermöglichen, den gesamten Zwischenraum in den Kreislauf von entsprechenden Pumpen einzuschalten, die der Art des Kühlmittels angepaßt sein müssen. Die Art des Kühlmittels wird je nach Temperatur der Anode entsprechend ausgewählt; für die Zwecke von Kernreaktoren besteht dieses Kühlmittel aus einem geschmolzenen Metall, wie beispielsweise Lithium, Natrium, Kalium oder Mischungen dieser geschmolzenen Metalle.

Der Zwischenraum 11 zwischen jeder einzelnen Anode und dem nuklearen Brennstab (der wahlweise mit einer Umhüllung versehen sein kann oder auch nicht umschlossen sein kann) ist von Caesiumdampf mit einem Druck zwischen 10~³ und 5 Torr erfüllt. , Dieser Dampf wird von einer Caesiummasse 12 ge-Thermionischer Energiewandler
für Kernreaktoren

Anmelder:

Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. D. Jander und Dr.-Ing. M. Böning,

Patentanwälte, Berlin 33, Hüttenweg 15

Als Erfinder benannt:

Bernard Devin,

Rueil-Malmaison, Seine-et-Oise (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 3. September 1963 (946 397)

liefert, die sich in einem Vorratsbehälter 13 außerhalb der Hülle 8 befindet und mit dem Zwischenraum über ein Rohr 14 in Verbindung steht, welches seinerseits aus der einen oder anderen elektrischen Verbindungsleitung 15 bzw. 16 bestehen kann, die den elektrischen Strom in den Raum außerhalb der Hülle odes Gehäuses 8 leiten, der von den Dioden 1, und 3 erzeugt wird. Diese Durchführungen sind in herkömmlicher Weise von dem äußeren Gehäuse, beispielsweise durch eine keramische Durchführung 17, isoliert.

Durchlässe 18 in den Ansätzen 5 sichern eine Verbindung zwischen den einzelnen Zwischenräumen 11 an den Dioden 1, 2 und 3 und damit die Kontinuität der Atmosphäre, welche diese Zwischenräume erfüllt.

Der einzige auf solche Weise durch die Gesamtheit aller Zwischenräume 11 gebildete abgeschlossene Raum 11 α ist nach außen durch die Anoden 6 sowie durch Isolierringe 19 begrenzt, welche diese Anoden zwischen sich luftdicht miteinander verbinden.

Der Zweck dieser Ringe 19 ist ein doppelter:

1. Sie sichern einerseits eine'mechanische Kontinuität zwischen aufeinanderfolgenden Anoden dadurch, daß sie den geschlossenen Raum lla abdichten, und

2. sie isolieren jede einzelne Anode von den benachbarten Anoden derart, daß der beispielsweise von dem Element 2 erzeugte Strom keinen Kurzschlußweg nach dem Pf eil 21 in F i g. 1 vorfindet.

609 659/299

Diese Isolierringe 19, die in der an sich bekannten Vorrichtung nach Fig. 1 und.in größerem Maßstab in Fig. 2 dargestellt sind, werden auf herkömmliche Weise angewendet und bestehen notwendigerweise aus feuerfester Keramik, beispielsweise aus ,Aluminiumoxyd, Thorium, Und ihre Verbindung mit den Anoden wird im¹ Wege der Metallkeramikverschmelzung nach ah sich bekannten Verfahren oder im Wege des mechanischen Einsetzens vorgenommen.

Diese an sich: bekannte Anordnung weist viele Nachteile, aber insbesondere folgende auf:
1. Bei der Temperatur im praktischen Betrieb (500 bis 1000° C) korrodiert die Verschmelzung unter, der Wirkung -der. Caesiumdämpf e, .und die.. Keramik selbst kann durch die kombinierte Wirkung der .nuklearen Strahlung und des in dem Zwischenraum vorhandenen Alkalidampfes eine schwere Beeinträchtigung'erfahren;
..."L·. andererseits ist derStab des nuklearen Reaktors,, der aus einem Anodenrohr besteht, welches aus einer Folge von Anoden und einer Folge von Isolierringen besteht) an sich zerbrechlich, und erfordert besondere Vorsichtsmaßnahmen für seine Handhabung wegen der Art des in dem Anodenrohr vorhandenen Brennstoffs.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe geht die Erfindung von einem an sich bekannten thermionischen Energiewandler der oben beschriebenen Art aus; sein wesentliches Merkmal besteht darin, daß der gesamte Anodenbauteil aus Metall besteht und dieser Bauteil entweder aus einem einzigen Werkstück eines einzigen Materials besteht, der zwischen den Anodenabschnitten ringförmige Abschnitte mit geringerer Wandstärke aufweist, oder aus gasdicht miteinander verbundenen zylindrischen Anodenabschnitten und Verbindungsringen aus unterschiedlichem Material. Vorzugsweise besteht die Anode aus einem der folgenden Metalle oder aus einer Legierung dieser Metalle: Mo, Ni, Pt, Ro, Ru, W, Ti, Zr, V, Nb.

Bei einer bevorzugten Ausfünrungsforrn des Energiewandlers nach der Erfindung ist die Anordnung so getroffen, daß jeder einzelne Verbindungsring von Ringen umgeben ist, die aus einem Metall bestehen, welches bei einer vorgegebenen Temperatur schmilzt, die beträchtlich über der Betriebstemperatur liegt, und daß die Metallringe von einem die beiden benachbarten Anodenabschnitte überbrükkenden elektrischen Isolierring umgeben sind, der mit dem Verbindungsring eine ringförmige Kammer begrenzt, die das geschmolzene Metall aufnimmt.

Weitere Zwecke und Vorteile des Erfindungsgegenstandes werden aus der nun folgenden Beschreibung hervorgehen, in der erneut auf die Zeichnung Bezug genomen wird. In ihr zeigen

F i g. 1 und 2 jeweils die Ansicht eines Längsschnitts durch einen thermoelektronischen Wandler bekannter Bauart, der oben bereits kurz beschrieben worden ist,

F i g. 3 die Ansicht eines Längsschnitts in axialer Richtung analog der Fig. 1;

Fig. 5, 6 und 7 zeigen Schnittansichten in vergrößertem Maßstab durch Teile von Anodenrohren. Bei der Ausführungsform nach den F i g. 3 und 4 besteht der Kernreaktorstab aus drei Dioden 31, 32 und 33, die im Innern einer Anode 34, die sämtlichen Dioden zugeordnet ist, .elektrisch in. Reihe geschaltet sind. Die Elementarstäbe dieser Dioden können beispielsweise einen Durchmesser von 2 cm und eine Länge von 15 cm aufweisen, entsprechend einer Gesämtaußenfläche von 94 cm². Für eine" Emissionsdichte von 16 Ampere/cm².beträgt der von einer Diode erzeugte Gesamtstrom ungefähr 1500 Ampere. Bei einer Spannung zwischen den Dioden von 0,5 Volt ergibt sich also eine Leistung in der Größen-Ordnung von 750 Watt, die in einem äußeren Stromkreis zur Verfügung steht.

Die Anode 34 besteht aus einem Zylinder, der an seinen Enden koaxial zu den Elementarstäben verläuft; der radiale Abstand zwischen der Anode und den Stäben ist sehr klein und beträgt größenordnungsmäßig beispielsweise 200 Mikron; in der Zeichnung ist dieser Abstand im Interesse einer.deutlicheren Darstellung erheblich größer gezeichnet.
Die Anode besteht ganz und gar aus ein und dem-

ao selben Metall, beispielsweise aus Niob, und hat beispielsweise eine Dicke von 3 mm. An den Stellen, die den Zwischenräumen zwischen den Elementarstäben gegenüberstehen, verbinden dünnere Teile 34 a, die im folgenden als »Rillen« bezeichnet werden sollen und beispielsweise nur eine Dicke von 0,13 mm haben, die Teile 34 & normaler Stärke, die den größeren Teil der zylindrischen Oberfläche der entsprechenden Stäbe umgeben. Die äußersten Enden dieser dünneren Teile 34 a stehen den Endbereichen der Stäbe gegenüber, wie man dies besonders deutlich aus F i g. 3 ersieht, damit an diesen Stellen den sehr viel höheren Temperaturen entsprochen werden kann, als sie an den dickeren Stellen, beispielsweise 34 b des Anodenrohres, herrschen.

Bei dem nachfolgenden Beispiel betrug der Widerstand, der für die »Rillen« entsprechend dem relativen Temperaturanstieg von 300 Grad errechnet wurde, 3,3 Milliohm, ein Wert, der einem Kurzschlußstrom von ein Zehntel des Gesamtstromes entspricht.

Man erhält also auf diese Weise eine röhrenförmige Anode, die ganz aus Metall besteht und durchgehend aus Metall hergestellt ist, und zwar ohne Verschweißungsstellen, woraus sich eine bemerkenswerte Betriebssicherheit ergibt.

Die drei aufeinanderfolgenden Dioden bilden einen Stab von 55 cm Länge, dessen spezifische elektrische Leistung 2 Kilowatt beträgt. Der Einbau dieser Stäbe in einen Reaktor geschieht auf herkömmliche Weise und bildet keinen Teil der vorliegenden Erfindung.

Um die Stärke des elektrischen Stromes zu reduzieren, welcher durch die elektrischen Nebenschlüsse aus den Teilen mit kleinerer Wandstärke fließt, kann man für den Anodenaufbau bestimmte andere Metalle verwenden, die einen hohen elektrischen Widerstand, aber sehr gute nukleare Eigenschaften haben, also beispielsweise Mo, Ni, Pt, Ro, Ru, W, Ti, Zr, Nb, V usw. sowie ihre Legierungen und bestimmte Verbindungen dieser Metalle. Auf diese Weise kann man einen spezifischen elektrischen Widerstand in der Größenordnung von 500 Mikroohm/cm² bei 1000° K erzielen, der es erlaubt, ein Anodenrohr zu verwenden, dessen dünnere Teile eine Wandstärke von 1 mm haben. Man kann natürlich auch die Länge dieser in ihrer Stärke verringerten elektrisch schlecht leitenden Teile entsprechend herabsetzen.

Andererseits ist es auch möglich, die dicken Teile und die dünnen Teile aus zwei verschiedenen Me-

tallen herzustellen; das Anodenrohr ist dann natürlich nicht mehr homogen, aber, da es ausschließlich aus Metallteilen besteht, bleibt seine mechanische Festigkeit immer noch der mechanischen Festigkeit der Stäbe überlegen, die aus Metallzylindern zusammengesetzt sind, die jeweils durch zwei Isolatoren aus Keramik voneinander getrennt sind. Tatsächlich ergeben die Verbindungsstellen der metallischen Stücke miteinander, die durch Elektronenbombardement miteinander verschweißt sind, hinsichtlich der Dichtheit und der mechanischen Festigkeit in jeder Hinsicht befriedigende Ergebnisse.

Die schlecht leitenden Stellen 34 a des Rohres 34 kann man auch durch eine örtliche metallurgische Behandlung des betreffenden Rohres herstellen, beispielsweise kann dies durch Nitrieren oder Karboniereh geschehen.

Eine abgeänderte Ausführungsform des Anodenbäuteils ist in F i g. 5 dargestellt. Bei dieser werden die Ränder einer jeden Rille mit einer Legierung, beispielsweise unter Verwendung von Gold und Nickel, versehen, die etwa bei 1300° K schmilzt. Diese Legierung wird in Form von Ringen 51 eingelegt, welche die dünne Stelle 34 α umgeben. Die Einschnürung oder Rille wird dann mit einer Manschette 52 aus Keramik bedeckt, die keinen anderen Zweck hat, als eine Kammer 53 entstehen zu lassen, die im Hinblick auf ein eventuelles Schmelzen oder Herunterfallen der Ringe 51 von Bedeutung ist. Wird nämlich eine der Dioden des Stabes in der Anordnung nach F i g. 3 aus irgendeinem Grunde defekt (infolge Bruchs des Brenners, durch vorzeitige Vergiftung od. dgl.) und hört sie infolgedessen auf, den Nennstrom zu erzeugen, für den sie ausgelegt ist, dann wird die Ausgangsspannung aller in Reihe geschalteter Stäbe von denen, die den Reaktor bilden, auf die Klemmen der »Rille« übertragen, die zu der defekten Diode gehört. Daraus ergibt sich eine anormale Erwärmung der verdünnten Stelle, die ein Schmelzen des betreffenden Ringes 51 zur Folge hat, so daß sich der Schmelzfluß in die »Rille« ergießt und diese kurzschließt; es bildet sich also ein Nebenschlußpfad geringer Impedanz, "der es dem elektrischen Strom ermöglicht, die defekte Diode zu umfließen. Hieraus ergibt sich also ein Selbstschutz für den Wandlerstab.

Dieser schmelzbare Vorrat kann auch die Form eines ringförmigen Bandes 61 (F i g. 6) annehmen, das je nach Lage des Falles an der Diode in der dargestellten Weise innen, aber auch außen angebracht werden kann; dieses Band befindet sich vorzugsweise in der Nähe einer rinnenförmigen Vertiefung 62, die im Fall des Schmelzens durch Kapillarwirkung gefüllt wird, wobei die Vorrichtung selbst unter diesen Bedingungen als Verstärkungseinlage dienen kann. Die äußere Lippe 63 dieser Rinne besteht aus einem gut leitenden Metall und ist von dem geschmolzenen Stoff 61 getrennt, der beim Schmelzen einen elektrischen Kontakt zwischen dieser äußeren Lippe und dem Rohr 34 & herstellt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Thermionischer Energiewandler für Kernreaktoren mit Kernbrennstäben, die in einem ge-

60 meinsamen zylindrischen, mehrere Anoden enthaltenden Anodenbauteil untergebracht sind und einzeln an diese Anoden angeschlossen sind, bei dem die Anoden koaxial zu den in axialem Abstand voneinander angeordneten Brennstäben angeordnet sind, der Zwischenraum zwischen den Brennstäben und dem Anodenbauteil von einem Plasma aus gasförmigen Caesium oder einem anderen thermisch leicht ionisierbaren Gas erfüllt ist, die wirksamen Anodenabschnitte, deren Innenfläche jedem der Brennstäbe oder zumindest der mittleren Zone eines jeden Brennstabes gegenübersteht, zylindrisch sind und diese zylindrischen Anodenabschnitte durch Verbindungsringe miteinander verbunden sind, die in axialer Richtung einen Ohmschen Widerstand aufweisen, der größer ist als der Ohmsche Widerstand der zylindrischen Anodenabschnitte in axialer Richtung, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Anodenbauteil aus Metall besteht und dieser Bauteil entweder aus einem einzigen Werkstück eines einzigen Materials besteht, der zwischen den Anodenabschnitten ringförmige Abschnitte mit geringerer Wandstärke aufweist, oder aus gasdicht miteinander verbundenen zylindrischen Anodenabschnitten und Verbindungsringen aus unterschiedlichem Material.

2. Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (34) aus einem der folgenden Metalle oder aus einer Legierung dieser Metalle besteht: Mo, Ni, Pt, Ro, Ru, W, Ti, Zr, V, Nb.

3. Energiewandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder einzelne Verbindungsring (34 a) von Ringen (51) umgeben ist, die aus einem Metall bestehen, welches bei einer vorgegebenen Temperatur schmilzt, die beträchtlich über der Betriebstemperatur liegt, und daß die Metallringe (51) von einem die beiden benachbarten Anodenabschnitte überbrückenden elektrischen Isolierring (52) umgeben sind, der mit dem Verbindungsring eine ringförmige Kammer (53) begrenzt, die das geschmolzene Metall aufnimmt.

4. Energiewandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verbindungsring in radialem Abstand von einem Ring aus einem elektrisch leitenden Material umgeben ist, der mit dem einen der beiden Anodenabschnitte dicht abschließt und von dem anderen Anodenabschnitt beabstandet ist, und daß in den so gebildeten Spalt zwischen dem umgebenden Ring und dem einen Anodenabschnitt ein ringförmiges Band (61) eingelegt ist, welches bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur schmilzt und den Spalt ausfüllt.

5. Verfahren zur Herstellung eines Energiewandlers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsringe (34 a), die aus dem gleichen Metall bestehen wie die Anode (34), einer metallurgischen Bearbeitung oder einer solchen chemischen Behandlung unterworfen werden, welche ihren elektrischen Widerstand ändert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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