DE1439788A1 - Reaktor mit umlaufendem Spaltstoff - Google Patents

Description

Patentanwalt

DR-ING. WALTER ABITZ : . Mönchen

17. Hai 1962 P-241

UaIfBB SSAfES ATOMIC SSSRGT COMMISSIOK Garmentown, Maryland, T.St.Ä·

Reaktor "it umlaufendem Spaltatoff

DIa Krfindun$ betrifft im allgemeinen homogene Kernreaktoren und inabeaondere eine Verbesserung der Brennstoff« eleaente yob raflektorooderierten Kreialaufreektoren, so~ wie ein Verfahren sum Betrieb dieβer Reaktoren.

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Bs worden bereits «ablreiohe reflektormoderierte Freialaufreektoren, bei denen der Spaltstoff in einen Plüasigkeitakreialaof oder Qaakreialauf umgewälzt wird, beeohrieben. Zoa Beispiel sind einige dieser Reaktoren in "Proceedings of the International Conference on the Peaceful uses of Itoralο Energy", Genf 1955« beschrieben.

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Unter diesen ist zum Beispiel der Aqueoua Homogeneoua Power Reactor beschrieben auf den Seiten 17J5 - 185, Iiiquid Metal Fuel Reactor, Seiten 125 - 133 und der Molten Fluoride Power Reactor, Seiten 180 - 187 in Band 3« Bin anderer Reaktor dieser Art ist in der US-Patentschrift 2 945 794 beschrieben« Einzelheiten von reflektormoderierten Kreislaufreaktoren sind in de? US»Patentanmeldung Serial Ho. 699 428 aufgeführt.

In Reaktoren der oben bezeichneten Art sind die Brennstoff kanäle in dem Reaktorkern häufig so ausgebildet ₉ dass ein Brennstoffelement mit einer längagestreckten zylindrischen Form in der Reaktioriszone des Kernes gebildet wirdο Versuche, alt denen dar Wärmeaustausch und die Strömungseigenschaften der Kanäle diesel· Reaktorart untere sieht wurden, haben die fundamentalen Grenzen aufgezeigt» Um dan optimalen, thermodynamisch®!! Wirkungsgrad zu erhalten« Qa der Neutronenfluss in der äusaeren Grenzschicht des Brennstoffkanals ein Maximum beträgt, ist die KernZerfallsgeschwindigkeit und damit die Wärmeerzeugung in diesem Bereich ebenfalls maximal* Die Neutronendichte nimmt zunehmend gegen die'Achse des Brennstoffkanais zu, was mit einer entsprechenden Abnahme dar erzeugten Wärmemenge in den inneren-Flüssigkeitszonen Hand in Hand geht· Hierdurch ergibt sieh eine unRleiehneüssige f emperaturverteilung in

9-üWJe/OIOe

BAD ORtGtNÄtf

den Brennstoffkanal, pie minimalste Lärmeerseugung findet in der Mitte des Kanals statt· Wenn der StrSmungsveriauf in axialer Älobtung nicht beeinflusst ..ird, beträgt der Durobaatt im ioestren Bereich ein Minimum and im Mittelbereich ein Hsidimam. Deshalb wird die ungleichförmige Seape~ raturvertellung, die durch den unglelohftauigen neutronen· floss, erhalten wird, nooh vergröeeert. Als Ergebnis hler« -von entstehen an den Kernwendungen, sehr hohe Temperaturen und es !diesen Hesseenmen getroffen werden _f um diese Wandungen «α kühlen. Darüber hinaus können sich an den Kernwandungen Überbitete Stellen and neohteili^e Temperatursohwankttn^en ialibilden, die su Beanspruchungen Infolge tfceraisgit* d|9Üt führen oder andere unerwansohte Bffelcte sar Fölise h«|ett» Der stelle teepereturgradient in dem Brennetof^ileieeat drOokt die eittlere Temperatur des Spalt« stoffe, die naeh Teraieohung Iw Auslass des Kerns erhalten wird» tlMliehen Bit der eaxleal möglichen Kernwandunfsteepejwitttr_t herab, ibenso sind gewöhnlich welter· Binriöhtutiftee erferderlioh, uc die gasförmigen Bpaltprodukte

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von de« apiitatKiff absutrennen.

Bs wurde öttoSefttfiiliiii dass, winn erflndungsgemass der Strosittne eine »Äneehtiale Geeabwindi^keitakoraponente auf» gesirangen wird, eieh die Tempereturvertailung in dem spalt« stoff element elnei solchen Kernreaktors wirksam verändern'

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lässt» so dass die oben aufgeführten Schwierigkeiten eliminiert und bisher nicht für möglich gehaltene Vorteile erhalten werdenο Die erforderliche Strömungscharakteristik wird mittels eines Leitsystems oder ©iner äquivalenten Einrichtung erhalten, die der Strömung ©inen Drall verleiht, so dass das Gesohwindigkeitsprofil, das heiesfc die radiale Verteilung der axialen Geschwindigkeitskoiaponente entsprechend modifiziert wird» Zum Beispiel kenn unter bestimmten Strömungsbsdingungen, wenn kein Wärmeübergang an der Wandung des Spaltstoffelements stattfindet, ein© gleichmäßige» radiale Teraperaturverteilung in dem dispergierten Spaltstoff erhalten werden» indem erfindunfrsgemäss ©in axiales Geschwindigkeitsprofil der Strömung erzeugt wird, das dieselbe Form wie das Profil der pro Volumeneinheit erzeugten Wärmemenge besitzt* Darüber hinaus können Vorkehrungen zum Kühlen der Grenzschicht zwischen Spaltstoff und Moderator getroffen werden, indem die axiale Geschwindigkeitaverteilung sogar noch überkompensiert wird«, Diese Wirkung kann als "Eigenkühlung des Spalt-Stoffs" bezeichnet werden, das heisst der Moderator oder andere Teile werden durch den flüssigen Spaltstoff g9~ kühlt, wodurch eine Vereinfachung der Reaktorkonstruktion möglich wird ο Ein© Kühlung des Moderators durch den flüssigen Spaltstoff kann auch notwendig sein, wenn Hochtemperaturmoderatoren, sum Beispiel aus Beryllium oder Gra«

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phit, verwendet werdeno Ebenfalls wurde gefunden, dass Gase, die in das System eingeführt oder in diesem erzeugt werden, sich längs der Achse des Spaltstoffelements unter dem Einfluss des Fliehkraftfeldes sammeln, so dass die Gase leicht abgezogen und das System von ihnen gereinigt werden kann. JIIn Spaltstoffkanal dieser Art kann als WIrbelele»ent be!»lehnet werden.

Dementsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, •in Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, um dl« WarBeauetausohelgenschaften in Kühlsvstemen von Kernreaktoren sa verbessern.

Hn ander·· Ziel dieser Erfindung 1st, ein Verfahren und •ine Vorrichten^ zu schaffen, bei dem der Strömung in einem Kanal in des Kernbereioh dos Reaktors eine tangential· Geßohwindigkeitsiromponente aufgezwungen wird, um die Strömung und damit die Wänseauatauschelgenschaften zu modifizieren»

Hoch ein anderes Ziel der Erfindung 1st die Schaffung eines Verfahrens und einer Konstruktion eines Brennstoffkanal für einen Kreißlaufreaktor, wobei der Strömung eine tangential· Geschwindigkeitskomponente aufgezwungen wird, um dl· Strömungeeigenschaften und den Wärmeaustausch zu modifizieren»

c _ 809816/0108

SAD

143078.8 C .

Bin weiteres Ziel der Järfindung besteht in der Scharf ung eines Verfahrens und einer Spaltstoffanordnung für reflektormoderierte Kreislauf reaktoren, in denen eine Flüssigkeit oder ein Gas in einem Spaltstoffkanal mit dispergiertem Spaltstoff strömt, um die richtige axiale Gesohwindigkeitsverteilung zu erzeugen und dadurch die Wärmeaustausoheigenschaften zu verbessern·

Noch ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist die Verbesserung von Spaltstoffkanälen für Kreislaufreaktoren, wobei Einrichtungen vorgesehen sind, um der Strömung eine tangential« Creschwindigkeitskoaponente asafsuswingen»

Bin weiteres Ziel der !Erfindung ist, ein Verfahren und ein Spaltatoffsystea für den Spaltstoffkreis eines reflektormoderierten Kernreaktors au schaffen, wobei der Strömung in einem Brennstoffkanal des Reaktors eine tangential« Komponente aufgezwungen wird, um den Wärmeübergang zwischen der Flüssigkeit und den Moderatorwandungen zu v@rgrössern, wenn eine Kühlung durch die Spaltstofflüssigkeit gewünsoht v;irdU

Noch ein weiteres Ziel dieser Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens in der Konstruktion eines Brennstoffsystems für homogene (selbst moderierte) Kreislauf-

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BADORIQfNAt ' ■ ,

reaktoren, worin der Flüssigkeitsströmung eine tangentiale Komponente in einem Brennstoffkanal aufgezwungen wird, um die tangentiale Geschwindigkeit in der Mitte des Brennstoff elemente su erhöhen und um dadurch eine gleichförmige axiale Tempereturvertoilung zu erhaltene Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert»

Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch den aktiven feil eines reflektormoderierten Reaktors mit umlaufendes! Brennstoff, in dem ein Wirbelbrennelement nach der Erfindung vorgesehen iSt O

Figur 2 zeigt eine vefgrösserte Ansicht des Brennstoffkanals des in Figur 1 dargestellten Reaktorkerns_o

Figur 3 zeigt eine perspektivische Ansicht des in Figur 2 dargestellten Leitelementes, das verwendet wird, um dem umlaufenden Brennstoff eine tangentiale Geschw'indigkeitskomponente zu erteilen«

Figur 4 zeigt einen Aufriss eines einzelnen Leitflügels aus dem in Figur 3 dargestellten Leitapparat.

Figur 5 eeigt einen Grundriss des in Figur 4 dargestellten LeitflügeIsο

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BADORIGiNAL

Figur 6 zeigt eine graphische Darstellung der dimensionslosen, radialen Temperaturverteilung in einem zylindrischen Wirbelkanal, ohne dass ein Wärmeaue tau ach mit der Wandung erfolgte

Figur 7 zeigt eine graphische Ddrstellung der Geschwindigkeitsverteilung in einem Wirbelbrennelement mit einer Verteilung der in der Volumeneinheit erzeugten Wärmemenge, di· durch eine Beseelfunktion beschrieben wird, sowie das gewöhnlich erhaltene Geschwindigkeitsprofil in einem zylindrischen Kanalο -

Figur 8 zeigt eine graphische. Darstellung der experimentell gefundenen axialen Geschwindirkeitsprofile In einem Wirbelrohr·

Die iirfindunr- kann vorteilhafterweise für die Konstruktion von homogenen Reaktoren allgemein und insbesondere für Kreislaufreaktoren verwendet werdenο Während ein Moderator in Mischung mit dem spaltbaren Material für bestimmte Arten dieser Reaktoren verwendet werden kann, wird der Brennstoffkanal, durch den die flüssige Brennstoffmischung umläuft, bei reflektormoderierten Typen von dem Moderator umgeben. Darüber hinaus können die auf die Volumeneinheit bezogenen oder volumetrischen Wärmequellen, auf die sich

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Ϊ4ι
die Erfindung bezieht,, jib manchen, anderen technischen An-Wendungen vorkommen. \ :■ /

Im allgemeinen besitzen itpac^iaiiBxläfeislaufreaktoreii einen Kern mit einem oder mehreren Brennstoffkanälen oder einen Kernbehälter, der in dem Kern angeordnet ist» Bei reflefctormoderierten Type» werden die Kanäle oder der Kernbehälter von einem geeigneten Moderator umgeben, der gewöhnlich ein .umlaufendes Kühlmittelsystera für die Hochenergieerzeugung aufweist. Die flüssige Spaltstoffmischung wird durch die Spaltstoffkanäle, in denen die Wärme durch Kernspaltung erzeugt wird, gepumpt und durch einen Frimärkreis eines Wärmeaustauschsystems geführt, in dem die Wärme an ein Sekundärkühlmittel abgegeben wird, das diese Wärme aus dem Reaktor abführt. Die gekühlte Spaltstofflüssigkeit wird dann in die Spaltstoffkanäle des Reaktors zurückgeführt ο Der Reaktor iet zur Regelung der von ihm erzeugten Snergie auf bekannte Weise eingerichtet* (

In Figur 1 ist achematisch ein Reaktor 20 mit umlaufendem Spaltstoff dargestellt, auf den die Erfindung angewandt werden kann. Der Kern eines solchen Reaktors' 20 besteht .aus einer polygonalen oder zylindrischen Moderator-Reflektorkonstruktion 21, die eine oder mehrere Kanäle 22 besitzt und einen festen Moderator, wie zum Beispiel Graphit,

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Berylliumoxyd oder einen geeigneten Behälter, in aera sich flüssiger Moderator befindet, der die Kanäle 22 umgibt, aufweistο Ein Wirbelfluss-Brennelement 23 mit einem äuesereh, zylindrischen Mantel 24, einem oberen Mundstück 26 und einem unteren, mit teitblechen versehenen Leiteiement 2?, das im nachfolgenden genauer beschrieben werden wird, ist in jedem der Kanäle 22 angeordnete Ein Verteiler 28 verbindet das Leitelement 27 mit einer Zentrifugalpumpe 29<>

Eine gedrängte Bauweise wird erhalten, wenn die Pampe 29 in der Mitte unter dem Moderatoraufbau 21 angeordnet ist» wobei der Verteiler 28 als Fortsatz d@s Paapengijhäuses auegebildet ist. Ein Flügelrad 32, das auf einer» die Dichtung 34 durchdringenden Welle 33 gelagert ist, wird von einem Motor (nicht dargestellt) angetrieben, um die .Spalt-*-' sto ff dispersion 36 durch die Spaltstoffelemente 23 zu pumpen· Der Spal-östoffliiäjsi^keitskreis des Reaktors Itsnn über parallele Rohre 37 geschlossen werden, die als Primärwärmetauseher dienen und d©n Austritt 26 eines Spaltstoffelementes mit dem Pumpeneinlass 29 verbinden., Insbesondere kÖnn®n die Rohre 37 so angeordnet. werlesi', dass sie oben aus dem Spaltstoffelement 26 herausgeführt sind und nach auswärts und unten verlaufen, um in einar Varteilerplatte 38 zu endigen j von wo dia Spaltstoffdispersion 36 zu dem Pumpeneinlass 29 über einen Verteiler 39 geleitet wird„

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Der SekundSrkreis des Wärmetauschere kann als Leitung 41 ausgebildet sein, die einen wesentlichen !Dell oder die ganse Länge der Rohre 37 umgibt, wie es den V/ärmeübertragtmgebedlngungen entspricht. Das Sekundärkühlraittel 42,

i« durch den Wärmeaustauscher zirkuliert, kann ein flüssiges Metall, das heisst ein HaK, Bi, Hg und so weiter oder eine geeignete organische Flüssigkeit oder Wasser, je naoh Bedarf, sein. Der flüssige Brennstoff 36 kann eine Lösung oder eine Dispersion von Uran in einem geeigneten Medium sein, beispielsweise Wasser oder ein geeignetes liefall* wie com Beispiel NaK, Bi und so weiter, wie es in anderen homogenen Reaktoren oder Kreislaufreaktoren der

Fa|Ll ist, die allgemein bekannt slndo Für grosse spezifische Snergiedlchten werden für das Spaltstoffsystem und das Kühlmitte!system flüssige Metalle bevorzugt·

Sin oder mehrere Regelstäbe 43 können in die von Neutronen durchströmten Bereiche der Moderator-Reflektorkonstruktion 21 eingesetzt werden, beispielsweise, wie dargestellt, in der Mitte, wobei eine Hilfesteuervorrichtung (nicht dargestellt) angeordnet ist, um den fiegelstab in bekannter V/ei- «a^tlnsüstelleno Die Entfernung Qer gasförmigen Spaltprodukte kann Über eine Rohrleitung 44 erfolgen, die mit einem Mittelmundstuck 46^ja Verbindung ist, das βich in

^b* ρ-

einem Verschlussteil 26 am4|Aistritt befindet, und die

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durch einen Wärmeaustauscher parallel zu den Rohren 37 zu einem Ausdehnungsraum 4-7 führt, von v/o die Spaltprodukte und/oder Reinigungsgase über einen Abzug 48 abgezogen werden können, während mitgerissene Spaltstofflüssigkeit durch den Abzug 49 in einen der Verteiler 39 zurückgeführt wird ο Es wurde gefunden, dass die tangentiele Geachwlndigkeitskomponente der Spaltstofflüssigkeit dazu führt« dass die Spaltprodukte und/oder Reinlgungsgase, die in das System eingeführt werden, sich' längs der Achse sammeln und in den Mttelbereich des Austritts 26 ausgestoseen werden, in den das. Leitungsrohr 44 mündet· Die thermische Isolation 30 befindet sich ousserhalb des Kerns und' umgibt die Pumpe 29 sowie die Teile des Wärmeaustauschers und dergleichen O

Weitere Einzelheiten des Spaltstoffwirbelflueskanals für die Gasentfernung, wie er in Figur 1 gezeigt ist, sind in Figur 2 dargestellt« Das Teil 27 ist mit Leitblechen 51 versehen, die in radialer Richtung von dem zylindrischen Kragen 52 aus in die Durchführung 53 hineinragen, wie nachfolgend näher ausgeführt werden wird. Der Kragen 52 kann mit dem Mantel 24 und dem Verteiler 28 durch Flansche 54 verbunden seine Hierfür sind auf dem Mantel 24 und dem Verteiler 28 ebenfalls Flansche 56 und 57 vorgesehen« Der Teil 26 am oberen Ausgang ist eis perforierte Platte dar-

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gestellt. Die Perforationen dieser Platte sind so verteilt und so gross, dass sie einem Stromlinienverlauf in axialer Richtung angepasst sind, der ähnlich dem ist, der in dem Spaltstoffelement herrscht, um die Verhältnisse von tangentialer zur axialen Geschwindigkeitskomponente belzube- -halten. Znsbesondere sind die Perforationen bezüglich des Radius der Platte so verteilt, dass der Druckabfall des Spaltstoffs dem Quadrat der axialen Geschwindigkeitskomponente des duroh die Platte hindurchströmenden Spaltstoffs proportional isto Alternativ kann die perforierte Platte 26, wenn gewünsoht, durch ein Leitflügelelement 27 ersetzt werden, dessen Anströmkanten so angestellt sind, dass die Anstellwinkel den Winkeln der Abströmkanten des Leitelements am Eintritt entsprechen. Wenn das Leitelement so angeordnet ist, wird der Strömungsverlauf der Flüssigkeit nicht gestört« Ss kann vielmehr zu einer Stabilisierung dieses Strömungsverlaufs beisteuere

In den Figuren 4 und 5 ist ein einzelner Leitflügel 51 dee Teils 2? im Aufriss und im Grundriss dargestellt, wobei die Anströmkente des Leitelements mit 58 bezeichnet isto Der Abströmwinkel Q, der unten genauer definiert wird, ist d«r Winkel zwisohen einer Tangente an der Leitflügelflache am Ort 'der Kante 58 und einer Horizontalen, das heisst der Querebene· Dieser Winkel nimmt stetig von der Spitze 59 '

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I *f ο ό ι ο α

if

cles Leitelements zu seiner Verbindungsstelle mil» der inneren Oberfläche 61 des Kragens 52 zu» Die Anströmkante 62 des Leitelements 51 kann im Gegensatz zur Kante 59 um die Achse A-A in Figur 5 im allgemeinen symmetrisch verdreht ausgebildet sein. Dementsprechend verhalten sich die Tangenten an die Anströmkante 62 bezüglich einer Transversalebene,, ähnlich wie die Tangenten an die Abströmkante 58ο

Während der genannte Winkel © äer für die Bestimmung der Gescbwindi/ikeitsverhältniss® ümm FlüssigkeitsabStroms von dem Leitflügel 51 vorba Ersehende Faktor ist« müssen ein· hinreichende Anzahl von Leitelementei verbandet werden, um den gewünschten Strömungsverlsnf quer %vm Hohr siöher zu gewährleistenο Zwölf oder mehr Xieitflügel können deshalb angeordnet sein₀ Darüber hinaus neigt Si® gesamte Leitflügelfläche dazu, einen Einfluss auf den Strönmngsverleuf auszuübenο Der Zweck eines solchen L©itflügelsystems kann einfach darin gesehen werden_s geeignete axiale Geaohwindigkeltsverhältnisse und andere Stromungselgenschaften in der flüssigen Spaltstoffmischung während deren Durchgang durch das Spaltstoffelement, das heisst durch den Kernbereich des Reaktors, zu erhalten«

Die flügel 51 können aus .HrötZlbleehon von im allgemeinen dre'ieokiger ?crm_f wi© .in f i^ur $ dergßgtellt iat,

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JS

stellt werden« Die Bleche werden dann um die Achse A-A um den Winkel θ verdrillt, so dass sie die in Fifsur 4 dargestellte Form annehmen. Hierauf werden die verdrillten Leitflügel mit ihren Spitzen 59 in der richtigen Stellung an einen Dorn angelötet. Die äusseren Teile der Flügel können dann maschinell bearbeitet werden, so dass sie in den Kragen hineinpassen, um die Baals jedes der Flügel mit der Oberfläche 58 zu verlöten, wonach der Dorn entfernt werden kann. . ™

Die erforderlichen Eigenschaften eines solchen'Leitsystems werden nun definiert. Ss soll zuerst der Hauptwärmeaustaaschmechanlsmus betrachtet werden, der die Temperaturverteilung innerhalb der Spaltflüssigkeit regelt« Im stationären Zustand wird die Wärme, die in einem stationären Differentialgitter, durch das der Spaltstoff strömt, in axialer Richtung durch Konvektion und in radialer Richtung durch Wärmeleitung oder durch turbulente Konvektion * abgegeben» Die Differentialgleichung, die diesen Mechanismus beschreibt, ist in einem einfachen zylindrischen System dargestellt:

(a+e (r,u))

wobei u(r) das Geschwindigkeiteprofil der Flüssigkeit, t die Temperatur en der Stelle des Radius r,

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χ der axial© Abstand, r der radiale Abstand,

8 das thermische Diffusionavermögen,

e das durch die Wirbelströmung hervorgerufene Diffusionsvermögen,

W(r) die volumetrische Wärmequelle an der Stelle des Radius r,

die Wichte der Flüssigkeit und

c die Wärmekapazität der Flüssigkeit ist.

Wenn die auf das Volumen bezogene mittlere Wärmequelle in einem solchen Spaltstoffelement in axialer Richtung gleich ist und wenn das Element lang genug ist, so dass die Wurmeverteilung und die hydrodynamische Stromlinienverteilung konstant sind, sowie ebenfalls keine Wärme zu oder
von dem Spaltstoff von oder zu der Wandung übertragen
wird, vereinfacht sich die obige partielle Differentialgleichung zu einer einfachen Differentialgleichung«.

!»I I «Μ UrI ⁰P L ^Qm ^Wm Λ

Ir <^a+«> * §

wobei W_m die mittlere Wärmemenge der volumetrischen Wärmequellen ist. Der erate Term auf der linken Seite der
Gleichung gibt die axiale Konvektion und der zweite Term die erzeugte Wärme wieder_β Wenn die Geaohwindigkeitafunk-

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tion u(r)/u_m und die Wärmefunktion W(r)/W_m identisch sind, wird kein radialer Wärmetransport in dem flüssigen Spaltstoff erfolgen und daher kein Temperaturunterschied zwischen der Reflektor-Moderatorwand und der Spaltstoffmasse auftretenο Beispielsweise wird eine zylindrische reflektormoderierte Reaktorkonfiguration betrachtet, die folgende willkürliche, jedoch typische dimensionslose, radiale Wärmequellenverteilung aufweist:

III £

wobei Λ» m I , und I_Q eine Bessel-Funktion ersten Grades von nullter ° Ordnung ist» Eine bestimmte axiale Geschwindigkeitsverteilung kann in dem Zylinder oder Spaltstoffrohr mittels des Leitflügelsystems, das oben beschrieben wurde, und das einen stabilen Wirbel erzeugt, erhalten werden. Bin solches Geschwindigkeitsprofil kann durch folgende Reihe wiedergegeben werden:

wobei P « j. Dieses axiale Geschwindigkeitsprofil entspricht nahe der Form der Uärmequellenverteilung, die durch die obige Gleichung wiedergegeben wird.'Wenn III und IV in II eingesetzt wird, wird nach zweimaligem Integrie-

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ren eine Lösung erhalten, die die radiale Teraperaturverteilung in dem Spaltstoffrohr mit isolierter Wandung ergibt. Wenn die Lösung dieser Gleichung, wie in Figur 6 dargestellt, aufgetragen vd.rd, kann ersahen %ies?den, dass die radiale Teraperafciorgerteilüxng nahezu gleichfSrsnig iat, das heinst die Spaltstofftemperatur iat über dem Rohrquerschnitt im wesentlichen konstante

Wenn ein Wärmefluss zwischen dem Spaltstoffelement und der Rohrwandung existiert, das helsstf-'zusätzlich zu der du^oh Kernspaltung erseugten Wärme des flüssigen Brennstoffe in dem Kanal, dann muss das Sescliw±näi£l£©itsprofil diarsb Ein» stellen der Leitflügel modifiziert -vjesdan, um die Wandung zu kühlen. Mn solches Gesshwindi^keltsprofil, das die Volumenwärmequelle und die ausätsliofcs Wandtmgswärmesenke berücksichtigt* iat in

Bs hat sich els sehr ^ünsehe&roert herausgestellt, dass die äusserste spiralenförmige Stromlinie des strömenden« flüssigen Spaltstoffs eine Geschwindigkeit von wenigstens etwa dem dreifachen der mittleren Flüssigkeitsgeschwindig«· keit besitzt, da eine Zunahme dieser periphere» Geschwindigkeit skomponente eine entsprechende Zunahme der Stabilität der axialen Geschwisdigkeitsverteilüng bewirkte Die Grenzgeschwindigkeit wird durch die Geschwindigkeit an der

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JII

Peripherie bestimmt, bei der der ßeaautdruckabfall in dem Element unerwünscht hoch wird oder andere, nicht erwünschte Bedingungen auftreten, wie oben auegeführt wurde.

Wenn den Spaltstoffstrom , der durch einen zylindrischen Spaltstoffkanal flieset, eine tangentlale GeschwindiRkeitskomponente aufgezwungen wird, kann folgende Analyse vorwendet -werden, um etwa den Winkelunterschied zwischen der Tangente an die Abatrömkante des Einlassflügels und der Richtung der tangentialen Geschwindlgkeitskoraponente zu bestimmen:

Bevorzugtes Beispiel O₃, · u_a + u_t oder u_a ■ u^ tan Ö

Für den besonderen experimentell durchgeführten Fall (Profil Kr. 1 in Fl«*ur 8) silt:

u_a »0,6 u_m I₀ (2

wobei die Konstanten in der obigen Gleichu^ aus den experimentellen Werten des Profils Nr. 1 in Figur 8 erhalten wurden. Baraus folgt*

a,6u I (2,08©) tan O - SL-P^ Σ—

⁰^Si¹O <²·⁰⁸ P > O - arc tan

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P-241

für eine erzwungene Wirbelströmung, in der U^. ■ CO ·

Daraus folgt

0,6 u_m I₀ (2,08p)

V © - arc tan -,

wobei u die axiale Geschwindi^keitakomponente des Spaltatbffs an irgendeiner Stelle r,

u die mittlere axiale Geschwindigkeit der Flüsm ■

siftkeit,
u_ die resultierende Geschwindigkeit,

u die tangential© Geschwindir-keitskomponentβ des Spaltstoffs,

© der Winkel zwischen der Resultierenden und der tangentialen Geochwlndiskeltskomponente,

I die modifizierte Bessel-Funktion ersten Grades nullter Ordnung,

m r/r , das heisst das Verhältnis des Radius an irgendeiner Stelle zu dem Radius, des Rohrs und

eine Konstante istο

Wenn angenommen wird, dass am Ausgang des Leitflügelsysteme sich die drehende Flüssigkeit v-ie ein starrer Körper verhält, bestimmt Θ, wie durch die Gleichung V wiedergegeben wird, den Winkel zwischen einer Tangente an die Abströrakante des Flügels am Auslass an irgendeiner Stelle, die durch den Radius (r) bestimmt ist und einer Linie, die senkrecht zu der Mittellinie des zylindrischen Kanals ver-

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läuft» U^, die noch verbleibende Unbekannte, wird durch die Konstante C bestimmt. Je grosser u^. ist, desto konstanter ist die axiale Geschwindigkeitsverteilung. Der Grenzwert ist die Geschwindigkeit, bei der ein Hohlraum in der Mitte des Wirbels entstehtο Bei Vergrösserung der Tangentialgeschwindigkeit des Wirbels ergeben sich folgende Vorteile:

1· Zunahme des Wärmeaustausche zwischen dem Moderator oder den Kanalwänden und dem Brennstoff·

2> Kleine Temperaturdifferenzen, die möglicherweise daraus resultieren, dass die axiale Geschwindigkeitsverteilung und die Wärmequellenverteilung nicht genau übereinstimmen, werden weiter durch die erhöhte radiale Diffusion in dem Wirbelfeld verringert·

Lediglich zur Erläuterung wird nachfolgend ein Beispiel für die Berechnung von © am Ort eines bestimmten Radius in einem typischen reflektormoderierten Reaktor wiedergegeben:

Numerisches Beispiel

Ss wird von der Gleichung III ausgegangen;

u_ra 6,60
ö(r) « arc tan

^ut

Angenommen, dass u_ffi « 76,2 cm/sec, r «* 6,1 cm und die Grenzschichtbedingung u. « 3 u an der Stelle r « r (C> -1) erfüllt ist, dann ist:

." ** " 909816/0108

Q(O * arc tan

.'. ö(r Y - arc tan 1.44- χ 237 ο 7,20

wobei I₀ (2,08) durch folgende Reih© angenähert werden

I_ft(2,08) « 1 + (2.08)
⁰

Daraus foists 9(r_Q) - 25°22»

Experimenteller Aufbau

diine Verwirklichung il©esr Gescn^in&igkeitsYertellungen wurde erhalten, indem ein 101,6 en lssi^©s läUcite-Wirbel«- robr (Polymethylmefchaerylathsrs) mit eineia Imiendarehmesser von 12,7 ο© verwendet werde, das einstellbare I>eitflügel (12 Stück) am Eintritt und Aisstritt fe©sasa_e Vier Miniatur»» Pitot-Roßre wurden im Abstand iroai@inaiider längs der Wandung so angeordnet, dass sie eine Messung in Intervallen von 6,55 HSEi ermöglichten». Yor äissen Pitot-Rohren wurden Jeweils eines in der Nähe der Eintritts öffnung und in der Nähe der Austrittsöffnung angeordnet, um die Wirbelbewegung zu studieren» Die anderen zwei wurden in der Nähe der Mitte des Rohres angeordnet, wobei eines verwendet wurde, um die Geschwindigkeitsvertellung und das andere, um die durchschnittliche Geschwindigkeit sswischen der Wandung und

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in einem Abstand von 0,794 mm von der Wandung, dae heisst nahe an der Wandung, zu messen« Die letztgenannte Kessung war möglich, da gefunden wurde, dass ein Unterschied von + 10° des Anströmwinkels des Fitot-Rohres keine Wirkung auf die Messung des Geschwindigkeitadrucks hatte„ Ebenfalls wurden qualitative Beobachtungen des Strömungsverlaufs mit phorphorlssierenden Teilchen gemacht_o Der Gesamtdruckanfall des Yersuchsabschnitts, das heisst zwischen zwei Leitflügelelementen wurde bei den grössten Strömungsgeschwindigkeiten« für die eine axiale Reynolds-Zahl von etwa 100 000 in Wasser galt, gemessene

Wäraeaustauschversuche wurden in Anordnungen durchgeführt, in denen die gleichförmigen Volumenwärmequellen elektrisch erzeugt wurdeη_o Die resultierende, experimentell bestimmte radiale Temperaturverteilung erwies sich in guter Übereinstimmung mit der entsprechenden Theorie»

Experimentelle Ergebnisse

Figur 8 zeigt graphisch aufgetragen zwei normalisierte GeaohWindlgkeitaVerteiLungen entsprechend zwei verschiedenen Stellungen der den Wirbel erzeugenden Leitflügel. Die aufgetragenen Geschwindigkeitsverteilungen wurden im Hittelabscbnitt des Rohres gemessen· nessungen an den Enden ergaben, dass praktisch gesehen, die Geschwindigkettsvertei-

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If

lung über die gesamte Rohrlänge gleich war. Die Geaohwindiftkeifcsvnrteilong würde bei einer maximalen Strömungsgeschwindigkeit bestimmts die einer Reynolds-Zabl von 100 000 in einem Rohr mit 12,7 cm Durchmesser entspräche

Die Messung der axialen Strömungsgeschwindigkeit hatte eine überraschende Entdeckung zur Folge_o Es wurde gefunden, dass das Geschwindigkeitsprofil der axialen GesehwindigkeitskCmponente der Strömung en einer Stelle, die nicht weiter als 0,794- mm von der Grenzschicht zwischen Flüssigkeit und Wand entfernt ist_s eine Kniekstelle besitzt» Da ein Pitot-Rohr die durchschnittliche Geschwindigkeit quer zu seiner Hündung an der Spitze anzeigt, kann daraus geschlossen werden, dass die Knickstelle des Geschwindigkeitsprofils an einer Stelle, die weniger als 0,79^ mm von der Wandung entfernt ißt, liegt und dass die Grenzschicht äusserst dünn sein muss» Dar Vorteil aus dieser Geschwindigkeit svert eil ung ist zweifach. Erstens wird damit gezeigt, dass die Geschwindigkeitsverteilung der Flüssigkeit so eingestellt werden kann_t dass die Wärmequelle ausreichend nahe an die Kanalwöndung herankommen kann«. Zweitens führen die hohen Spitzengeschwindigkeiten der Strömung an der Kanalwandung au einer äusserst wünschenswerten Ver^rösserung dee Wärmeaustausche zwischen dieser Wandung und der Flüssigkeit, was besonders für die Konstruktion eines

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ORfGiNAL INSPECTED

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Ijrennstoffgelrühlten Ji sa&torkei'ns vninsehenswert Iste Da <iio Stx'öniiingcMkonfigur rbio« in ßom Wirbelroiir ähnlich der ist, die für einige :Crennaiilagen entv/ickelt wurde, wurde angenommen, dass eine Gastrennung in dem Fliehkraft feld erhalten wircl. Die !löslichkeit einer solchen Trennung wurde folgenderraassen demonstriert· Luft, die in den Versuche« kanal an einer Stella vor dem im Eintritt engeordneten Leitsjstera eingeleitet wurde (siehe Figur 2) sammelte sich insgesamt im Zentrum der Austrittsplatte an, von wo sie nach au'ssen abgezogen wurde.

Sine Druckmessung an dem Wirbelrohr ergab bei einer Strömungsgeschwindigkeit, die einer axialen Reynolds-rZahl von 100 000 entsprach, einen Druckabfall von 0,1? kg/cm von der Grenzschicht bis Kur Achsa, der hinein solchen Fliehkraftfeld entsprichtο

Die Beispiel α solle« ß.is BrfiMung erläubern, ohne nie zu beschränken*

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BAD ORIGINAL

Claims (1)

1. Pa te η ta η s ρ τ ü c he

   Reaktor mit umlauf ent! era Spaltstoff und "wenigstens einem zylindrischen Spaltstoffkanal, der durch einen moderieren«! den Kernbereich geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass Strömungsleiteinrichtungen im Eintrittsbereich dieses Kanals angeordnet sind, um dem dispergierten Brennstoff, der ι durch den zylindrischen Kanal strömt, zwecks Modifizierung des axialen Geschwindigkeitsprofils eine tangentiale Geschwindigkeit akomponen te aufzuzwingen, und dass am Ausgang dieses Kenais Einrichtungen vorgesehen sind, um eine Geschwindigkeitsverteiluns der Strömung in axialer Richtung, die ähnlich der am Eingang des Kanals ist, beizubehalten«

   Kreislaufreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleiteinrichtungen aus einer Anzahl von Leitflügeln bestehen, die in radialer Richtung in den Kanal vorspringen, und di© nach innen zu so verdreht sind, dass der; Strömung, die von den Kanten dieser Leitflügel abströmt, in der Mitte des Kanais eine wesentlich grössöre tangentiale Geschwindigkeitskomponente aufgezwungen wird, als der Strömung in den Randfcereichen<> >

   3» Kreislauf reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung am Auslass des Spaltstoffkanals so ausgelebt ist, dass der Bruckabfall am Spalt-

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   BAD

   stoffkanal an ^eder Stelle im Auslass desselben proportional dem Quadrat der axialen Geschwindiffkeitskomponente an dieser entsprechenden Stelle isto

   Kreislaufreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromleitanordnungen so ausgelegt sind, dass das Profil der axialen Geschwindigkeitskomponexite etwa gleich dem Profil der in der Volumeneinheit erzeugten Wärme innerhalb des Kanals Isto

   Kreislaufreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Auslass des Brennstoff kanals eine Leitflügelanordnung ähnlich der am Einlass die· ses Kanals angeordnet ist, wobei (jedoch die Anstellwinkel der Flügel etwa dieselben wie die Abatrömwinkel der Leitflügelanordnung am Eintritt sind«,

   Spaltstoffelement nach Anspruch 5s dadurch gekennzeichnet, dass die Leitflügel so gekrümmt sind, dass den äussersten Stromröhren der Drallströmung eine Geschwindigkeit aufgezwungen wird, die etwa dem dreifachen der mittleren Strömungsgeschwindigkeit entsprichtο

   7„ Vorrichtung nach einem der Ansprüche i bis 4_t dadurch ge~ kennzeichnet, dass im Auslass dee Brennstoffkanals eine perforierte Platte angeordnet ist₈ wobei die*Grosse und

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   Verteilung der Perforationen so gewählt ist, dass der Druckabfall proportional dem Quadrat der Geschwindigkeitskomponente in axialer Richtung ist₉

   8«, Kreislauf reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abströmwinkel der Leitflügel durch die Gleichung

   Φ « arc tan 0,6 I_n (2«08P)

   bestimmt ist, wobei

   Q der Winkel zwischen der Resultierenden und der tangentialen Komponente der abströmenden Flüssigkeit,

   I₀ die modifisierte Bessel-Funktion ersten Grades« nullter Ordnung,

   P m r/r , das heisst da3 Verhältnis des Radius irgend» einer Stelle su dem Radius des Kanals und

   C eine Konstante_? die die Tangentialgeschwindigkeit bestimmt, ist ο

   Verfahren zum Betreiben eines Kreislaufreaktors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Spaltstoffkanal strömenden Flüssigkeit, in der der Spaltstoff dispensiert ist, eine tengentiale Geschwindigkeitskomponente aufgezwungen wird, die sich über dem Querschnitt so ändert_t dass dieses Profil dem Profil, welches durch die Wärmeerzeugung pro Volumeneinheit gegeben ist, zur iürrelohung eines nahezu gleichförmigen Temperaturprofils angeglichen wird.

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