DE1229202B - Siedefluessigkeits-Kernreaktor - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G21d

Deutsche Kl.: 21g-21/24

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

H45213Vnic/21g
21. März 1962
24. November 1966

Die Erfindung betrifft einen Siedeflüssigkeits-Kernreaktor mit einem langgestreckte Brennelemente aufweisenden Kern, dessen zylindrische Kühlkanäle von den konkaven Außenflächen einander nächstbenachbarter Brennelemente gebildet werden und bei 5 dem innerhalb der Kühlkanäle Vorrichtungen zum Trennen von Flüssigkeit und Dampf angeordnet sind, die je Kühlkanal aus je einer Leitfläche bestehen, welche schraubenförmig um ein in Längsrichtung eines jeden Kühlkanals verlaufendes Rohr angeordnet ist, dessen Wandung Dampfeinlaßöffnungen aufweist.

Die Erfindung bezieht sich demnach auf einen Reaktortyp, bei dem langgestreckte Brennelemente in eine Flüssigkeit, beispielsweise gewöhnliches oder auch schweres Wasser, getaucht sind, die durch die bei dem Kernumwandlungsprozeß entstehende Wärme zum Verdampfen gebracht wird, so daß sich Naßdampf entwickelt.

Der Kernreaktor der eingangs genannten Art ist aus der französischen Patentschrift 1189 249 bekannt, dient jedoch lediglich zur Naßdampferzeugung. Vorrichtungen zum Überhitzen des erzeugten Naßdampfes sind nicht vorgesehen.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1039147 ist ein Kernreaktor zur Erzeugung und Überhitzung von Dampf bekannt. Im Druckkessel dieses Kernreaktors sind eine Kernkammer mit Kernbrennstoff und eine davon getrennte, Brütmaterial enthaltende Schirmkammer vorgesehen, die die Kernkammer auf ihrem Mantel umgibt. Die Siedeflüssigkeit durchströmt die Kernkammer, und das dabei gebildete Dampf-Wasser-Gemisch gelangt in eine sogenannte Gemischkammer und verläßt diese Kammer über Dampfabscheider. Der abgeschiedene Dampf gelangt in einen Dampfsammelraum und wird über besondere Leitungen aus dem Dampfsammeiraum der Schirmkammer zugeführt, in der er durch die bei dem Kernumwandlungsprozeß entstehende Wärme überhitzt wird. Weil der Reaktor in einen Verdampfer-und einen Überhitzerteil aufgeteilt ist und außerdem infolge dieser Aufteilung eine besondere Dampf-Wasser-Gemisch-Kammer, ein Dampfsammeiraum sowie eine Vielzahl von den Dampfsammeiraum mit der Schirmkammer verbindenden Dampfleitungen vorgesehen sind, ist die gesamte Anordnung konstruktiv aufwendig, kompliziert, entsprechend störungsanfällig und benötigt sehr viel Raum.

Aus der französischen Patentschrift 1141064 ist ebenfalls ein Kernreaktor zur Erhitzung und Überhitzung von Dampf bekannt. Dieser Kernreaktor besteht ebenfalls aus einem Verdampferteil und aus einem Überhitzerteil, der außen um den Verdampfer-* Siedeflüssigkeits-Kernreaktor

Anmelder:

Andre Huet, Paris

Vertreter:

Dr. W. Schalk, Dipl.-Ing. P. Wirth,

Dipl.-Ing. G. E. M. Dannenberg

und Dr. V. Schmied-Kowarzik, Patentanwälte,

Frankfurt/M., Große Eschenheimer Str. 39

Als Erfinder benannt:
Andre Huet, Paris

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 22. März 1961 (856 382)

teil herum angeordnet ist. Der in dem Innen- bzw. Verdampferteil gebildete Naßdampf gelangt über Dampfabscheider in einen besonderen Dampfsammelraum, aus dem er den Brennelementen des Uberhitzerteils zugeführt wird. Die Aufteilung des Reaktors in einen Verdampfer- und einen Überhitzerteil bedingt ebenfalls einen entsprechend konstruktiv aufwendigen und viel Raum erfordernden Aufbau.

Bei keinem der beiden bekannten Siedeflüssigkeits-Kernreaktoren ist eine Möglichkeit für eine mehrfache oder stufenweise Überhitzung, wie sie je nach den Betriebsbedingungen und den Anforderungen der nachgeschalteten Energieumwandlungsanlage erforderlich sein kann, vorgesehen.

Der Erfindung hegt demnach die Aufgabe zugrunde, einen Siedeflüssigkeits-Kernreaktor zu schaffen, dessen Verdampfer- und Überhitzerelemente sich durch eine besonders raumsparende und gedrängte Bauweise auszeichnen und dennoch eine einwandfreie Überhitzung gestatten, so daß überhitzter Dampf gleichmäßiger Qualität erzeugt wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Zweck der Dampfüberhitzung das Rohr am oberen Ende mit Dampfumlenkeinrichtungen versehen ist, die die Strömungsrichtung des aufsteigenden Dampfes um 180° umkehren, und innerhalb des Rohres in Abstand von diesem koaxial zur Achse des Kühlkanals unterhalb der Umlenkeinrichtungen ein unten verschlossenes Dampfleitrohr angeordnet ist, in dem sich koaxial zur Kühlkanalachse mindestens ein Brennelementrohr befindet,- welches in Abstand

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vom verschlossenen Ende des Dampfleitrohres angeordnet ist und oben an die Dampfumlenkeinrichtungen ,anschließt.

Die Erfindung schafft also in vorteilhafter Weise einen besonders raumsparend und gedrängt aufgebauten Siedeflüssigkeits-Kernreaktor, bei dem je ein Verdampferelement und je ein Überhitzerelement eine geschlossene Einheit bilden. Diese Anordnung gestattet es darüber hinaus, überhitzten Dampf gleichmäßiger Qualität zu erzeugen und ermöglicht nicht nur eine einstufige, sondern eine den jeweiligen Betriebserfordernissen anpaßbare mehrstufige Überhitzung. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Brennelementrohr in seinem Innern schraubenförmige Leiteinrichtungen für den überhitzten Dampf aufweist, die den Dampf zur Verbesserung des Wärmeübergangs gegen die Wandung des Brennelementrohres leiten.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist die Innenwandung des Dampfleitrohres mit vorzugsweise asymmetrischen Wellungen versehen, die zur Verbesserung der Wärmeübergangsverhältnisse eine Grenzschichtablösung bewirken.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind im Innern des Dampfleitrohres zwei Brennelementrohre aus Brennstoff verschiedener Aktivität unter Freilassung eines schmalen Ringraumes koaxial zueinander angeordnet. Dabei kann das äußere Brennelementrohr aus einem einfachen Brennstoff, beispielsweise aus natürlichem Uran, und das innere Brennelementrohr bzw., sofern mehrere innere Brennelementrohre vorgesehen sind, die inneren Brennelementrohre aus angereichertem Brennstoff, beispielsweise aus verschieden stark angereichertem Uran, bestehen. Diese Anordnung gestattet eine mehrmalige stufenweise Überhitzung, die den Betriebserfordernissen der Energieumwandlungsanlage oder den sonstigen Verwendungszwecken des überhitzten Dampfes angepaßt ist und praktisch nur durch die kritischen bzw. Grenztemperaturen, z. B. der verwendeten Werkstoffe, begrenzt ist.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert, und zwar zeigt

Fig. 1 einen lotrechten Längsschnitt durch eine Vorrichtung zum Trennen von Flüssigkeit und Dampf und eine Überhitzereinrichtung, die sich zwischen vier Brennstoffstäben befinden,

F i g. 2 einen Querschnitt des in F i g. 1 dargestellten Elementes,

Fig. 3 einen lotrechten Teilschnitt, der eine andere Ausführungsform darstellt.

Der Kernreaktor besteht aus Brennstoffstäben, die in der üblichen Weise verteilt sind, und von denen vier Stäbe α in Fig. 2 dargestellt wurden (wobei der links oben gezeichnete Stab ganz dargestellt ist).

Wie aus dieser Figur ersichtüch, hat der Querschnitt dieser Stäbe die Form eines Vierkantes mit gekrümmten Seitenflächen. Diese Stäbe können, wie bei b, hohl sein, derart, daß die durchschnittliche Wandstärke des Stabes etwa konstant ist. Vier Teile der Stäbe α sind derart angeordnet, daß sie einen zylindrischen Raum c von kreisförmigem Querschnitt umschließen, in dem eine Vorrichtung zum Trennen des Wassers vom Dampf angebracht ist. An den Stoßsteilen der Brennstoffstäbe α sind neutronendurchlässige Lamellen d angeordnet, die die zwischen zwei benachbarten Kanten der Stäbe α frei bleibenden Zwischenräume schließen. Die Brennstoffstäbe α können symmetrisch zueinander in geringem Abstand voneinander oder nahe beieinander angeordnet sein, wobei dennoch der Raum c zylindrisch und mit schlitzförmigen Öffnungen versehen bleibt. Im Inneren jedes Raumes c von kreisförmigem Querschnitt ist ein Rohr e vorgesehen, und zwischen dem Rohr e und der Wandung des Raumes c ist eine schraubenförmig ansteigende Leitfläche / (Fig. 1) angebracht.

ίο Schlitzförmige Seitenöffnungen g sind über die ganze Länge des Rohres e zwischen den Schraubenwindungen der Leitfläche / vorgesehen, wie .aus F i g. 1 und 2 ersichtlich.
Das Gemisch aus Wasser und Dampf steigt in dem Raum c, der zwischen dem Rohr e und den Uranstäben liegt, über die schraubenlinienförmige Leitfläche / in Richtung der PfeileA auf (Fig. 1 und 2). Die Zentrifugalkraft schleudert das Wasser nach außen, während der leichtere Dampf gegen die Achse der Vorrichtung hin strömt, wobei er durch die Öffnungen g hindurchgeht, deren flügelartig abgewinkelte Teile h z. B. gegen die Umlauf richtung der Kreiselströmung des Mediums (Fig. 2) so gerichtet sind, daß sie den gebildeten Dampf abfangen und seine Abströmung zur Achse der Vorrichtung hin erleichtern.

In der Achse dieser schraubenförmigen Vorrichtung zum Trennen des Wassers vom Dampf ist ein wärmeisolierendes Rohr i angebracht, dessen Unter-

teil mittels eines halbkugelförmigen Bodens 7 (Fig. 1) geschlossen ist. Seine zylindrische Wandung ζ ist zum Teil neutronendurchlässig und wirkt gegebenenfalls, z. B. durch die Beifügung von Graphit, bremsend. Im Inneren dieses Gehäuserohres i ist ein Rohr k aus Uran oder einem anderen spaltbaren Material angeordnet.

Daher steigt der Dampf nach Durchtritt durch die Öffnungen g des ersten Zylinders e in dem zwischen dem Zylinder e und dem Rohr i befindlichen Raum auf. Im oberen Teil wird er in Richtung der Pfeile B (F i g. 1) durch eine halbtorusförmige Kappe I abgelenkt, die den Ringraum zwischen dem Zylinder e und dem Uranstab k schließt; der Dampf strömt dann in umgekehrter Richtung von oben nach unten zwischen dem Uranstab k und der wärmeisolierenden Wandung z. Die Innenseite der Wärmeisolation i kann vorzugsweise z. B. asymmetrisch gewellt sein, um ein Pulsieren der Dampfströmung herbeizuführen. Der Dampf gelangt so an das untere Ende des Uran-Stabes k und fließt in Richtung der Pfeile C (Fig. 1) in das Innere des Stabes. In diesem kann eine schraubenförmige Vorrichtung m vorgesehen sein, die dem Dampf im Inneren des Brennstoffstabes eine Kreiselbewegung vermittelt, was vollends ein Ubererhitzen des Dampfes erzeugt, der dann gänzlich trocken und übererhitzt den oberen Teil der Vorrichtung in Pfeilrichtung D verläßt.

Bei der abgeänderten Ausführungsform nach F i g. 3 ist die Anordnung im großen und ganzen die gleiche; jedoch ist der innere Uranstab k in zwei oder mehrere rohrförmige koaxiale Stäbe k¹, k² unterteilt, deren Eigenschaften voneinander verschieden sein können: Der äußere Stab k² kann z. B. aus natürlichem oder wenig verändertem Uran bestehen, während der innere Stab /c¹ an Uran angereichert sein kann; auf diese Weise ist die entlang dem Stab k¹ erzeugte Temperatur höher als die an dem Stab k² entwickelte Temperatur, und der entlang dem Stab k¹

übererhitzte Dampf entweicht bei seiner höchsten Temperatur. Ein geringer Zwischenraum kann zwischen den Stäben k¹, k² vorhanden sein, wie in Fig. 3 dargestellt, so daß durch Temperaturunterschiede bedingte Ausdehnungen sich ausgleichen können. Der durch diesen Zwischenraum strömende Dampf entweicht in den oberen Teil.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Siedeflüssigkeits-Kernreaktor mit einem langgestreckte Brennelemente aufweisenden Kern, dessen zylindrische Kühlkanäle von den konkaven Außenflächen einander nächstbenachbarter Brennelemente gebildet werden und bei dem innerhalb der Kühlkanäle Vorrichtungen zum Trennen von Flüssigkeit und Dampf angeordnet sind, die je Kühlkanal aus je einer Leitfläche bestehen, welche schraubenförmig um ein in Längsrichtung eines jeden Kühlkanals verlaufendes Rohr angeordnet ist, dessen Wandung Dampfeinlaßöffnungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck der Dampfüberhitzung das Rohr (e) am oberen Ende mit Dampfumlenkeinrichtungen (Z) versehen ist, die die Strömungsrichtung des aufsteigenden Dampfes um 180° umkehren, und innerhalb des Rohres (e) in Abstand von diesem koaxial zur Achse des Kühlkanals (c) unterhalb der Umlenkeinrichtungen ein unten (bei 7) verschlossenes Dampfleitrohr (i) angeordnet ist, in dem sich koaxial zur Kühlkanalachse mindestens ein Brennelementrohr (k) befindet, welches in Abstand vom verschlossenen Ende (7) des Dampfleitrohres (1) angeordnet ist und oben an die Dampfumlenkeinrichtungen (I) anschließt.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennelementrohr (k) in seinem Innern schraubenförmige Leiteinrichtu" gen (m) für den überhitzten Dampf aufweist.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gf kennzeichnet, daß das Dampfleitrohr (/) ai« wärmeisolierendem Material besteht und minde stens teilweise neutronendurchlässig ist und/ode eine Bremssubstanz, beispielsweise Graphit, enthält.

4. Kernreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung des Dampfleitrohres (i) mit vorzugsweise asymmetrischen Wellungen versehen ist.

5. Kernreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern des Dampfleitrohres (z) zwei Brennelementrohre (Jc¹, k²) aus Brennstoff verschiedener Aktivität unter Freilassung eines schmalen Ringraumes koaxial zueinander angeordnet sind.

6. Kernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Brennelementrohr (k²) aus einem einfachen Brennstoff, beispielsweise aus natürlichem Uran, und das innere Brennelementrohr (Zc¹) bzw. die inneren Brennelementrohre aus angereichertem Brennstoff, z. B. aus verschieden stark angereichertem Uran, besteht bzw. bestehen.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1039 147; französische Patentschriften Nr. 1141064, 249.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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