DE1464912A1

DE1464912A1 - Kuehlsystem fuer Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1464912A1
Application number: DE19641464912
Authority: DE
Inventors: Busse Claus A; Josef Bohdansky; Grover George M
Original assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Current assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Priority date: 1964-12-14
Filing date: 1964-12-14
Publication date: 1969-04-17
Also published as: DE1464912C3; NL6515397A; LU50048A1; DE1464912B2; BE673462A; GB1108499A; FR1455672A

Description

"Kühlsystem für Kernreaktoren"

Bei den bisher bekannt gewordenen. Kernreaktoren erfordert die Abführung der durch Kerns pal txxtig und Kerns trahlung erzeugten IJärme durchwegs die Umwälzung eines Wärmeträgers von der Wänaeerzeugungszone zu einem äusseren Kühlsystem, welches die Wärme abstrahlt oder in Arbeiteenergie umformt, mit an* echliessender Rtickspeisung des abgekühlten Wärmeträgers in die Wänaeerzeugungszone. Zu diesem Zweck ist der Reaktor von einem komplizierten Systera von Kühlkanälen durchzogen, welche

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rait einem, ausseren Umlaufsystem verbunden sind, das Pumpen und andere Hilfsanlagen für die Umwälzung und die Kontrolle der oftmals verschiedenen Medien in getrennten Kreisläufen besitzt. Es ist .«selbstverständlich, und unvermeidlich, dass bei dieser konventionellen Methode der Wärmeabführung schon ein grosser Würmeleistungsverlust durch die Verfugbar-.-tachung der liärrae entsteht.

Mit der Erfindung der sogenannten TJärraeröhre ist eine völlig neue Wärmeübertragungsteclmik ins Leben gerufen worden; vgl. den Bericht "Structures of Vory High Thermal Conductance" ™" in der Zeitschrift "Journal of Applied Physics", 35, Seiten

j Juni i96(i. In einer Wärtneröhre, die in Prinsip ein geschlossenes Rohr mit Kapillaretruktur an der Rohrinzien-■wand ist und ein Quantum eines Wärmetr&gers enthält, sirkuliert im Betrieb der Wärmeträger zwischen der Verdampfungssoiie und der Koxidensationszone der Röhre, wobei er die Wänae von einem Ende der Röhre zum anderen bei extrem kleinem, praktisch vernachlässigbarem, Temperaturgefälle transportiert ·

Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugr-uside, "Järmeröhren als Wärtieübertragungselemente in Kernreaktoren au verwenden. Ein solcher Kernreaktor ist erfindungsge^iäss dadurch gekennzeichnet, dass die an den Spaltungs-Brems- und Reflekticmavorgängen beteiligten Reaktorkoraponenten, mindestens aber die Kernbrennstoffelemente, thermisch mit Wärmeröhren gekoppelt sind, wobei die nichtgekoppelten Partien der Röhren aus dem Reaktorkern unter Bildung thermischer Senken-ragen.

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In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist der Kernbrennstoff in Gestalt separater hohlzylind.risch.er Elemente von aussen auf die Wärmeröhre aufgebracht, und zwar auf das eine Ende der Röhren« Die anderen, freien Enden der Röhren bilden gebündelt ein einheitlich wirkendes Wärmeabgäbesystem» In analoger. Weise sind Wärmeröhren stückweise in den Moderator und/oder den Reflektor eingeführt, un die in diesen Reaktorkomponenten erzeugte Wärme abzufuhren. Auch hier ragen die nicht eingeführt en Partien der Röhren gebündelt aus dem Reaktorkern c.üf.

Ein für Warmeröhren besonders interessantes Anwendungsgebiet sind Kernrealctoren zur direkten Umwandlung von Kernenergie in elektrische Energie, insbesondere Reaktoren für Weltraumprojektile. Es gibt Vorschläge für Direktkcnvarölonaredctoren, die thermionische Konverter mit Emitterelektroden aus Kernbrennstoff besitzen. Im Rahmen einer solchen Konzeption kann erfindungsgemäss der Reaktorkern aua kernbrennstoffbeheizten thermionischen Zellen bestehen, bei denen die Kollektorelektroden direkt das Verdampferende von Wärmeröhren bilden. Das Kondensation^ende der Röhren ragt dann - wie erwähnt - aus dem Reaktorkern heraus · Desgleichen können in thertaionisehen Konverterreaktoren die Emitterelektroden mit V7änaeröhren verbunden werden, wenn diese nuklear, wie oben beschrieben, beheizt sind, also zugleich die Funktion von Kern-" brennstoffelementen übernehmen· In diesem Falle enden die Wärmeröhren mit dem Kondensationsende an der Emitterelektrode. Es kann auch die Röhrenstirnseite direkt als Emitterelektrode ausgebildet werden, indem sie entsprechend geformt und mit einer der üblichen Emissionsschichten ausgestattet wird»

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Bei der vorstehend geschilderten Ausführungsforra der Erfindung können natürlich auch die Kollektorelektroden an Wärme-.' .'. ' röhren angeschlossen werden, um die im Konverter und seinen Bauelementen erzeugte Verlustwärme abzuführen«

Die erwähnten Konverterversionen seien nun an Hand der Zeichnung näher beschrieben, die scheuatisch swei Ausführungsbeispiele von Reaktoren mit Wärmeröhren veranschaulicht.. Es zeigt

^: Fig. 1 einen mit Moderator versehenen Kernrealetor,

bestückt mit Wärmeröhren, und

Fig. Ά einen mit Moderator versehenen Kernreaktor aus * nuklear beheizten thermionischen Konvertern,

bestückt mit Wärmerohren»

In Fig» 1 ist ein heterogener Reaktor skizziert, dessen Kern aus dem Kernbrennstoff 10, dem Moderator 11 und dem Reflektor besteht. Erfindungsgemäss sind die aktiv an den Spoltungs-, Brems- und Reflektionsvorgängen beteiligten Reaktorkomponenten thermisch mit den Wärmeröhren 13, I^ gekoppelt, wobei die nichtgekappelten Partien 13^i 1^a der Röhren aus dem Reaktorkern herausragen und betrieblich thermische Senken 15, 16 bilden.

.*" Hie thermisch gekoppelten, d.h. die in die Reaktorkoiuponenten partiell eindringenden Partien der Wärmeröhren bilden die Verdampfungszone derselben; die nichtgekoppelten Partien, bilden die Kondensationszone für den Wärmeträger« Durch die Verdampfung des Wärmeträgers im gekoppelten Teil und seine Kondensation im nichtgekoppelten Teil der Wänaeröhren entsteht ©ine in achsialer Richtung gegenliiufige Wärmeträgerzirkul&tion, die einen Wärmefluss nach aussen hervorruft.

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Gemäss den physikalischen Eigenschaften der Wärmeröhre erfolgt die Wärme extraktion bei vernächlassigbarem Teiaperaturabfall. Insbesondere entfällt das übliche sehr aufwendige ι viel Leistung verzehrende, neutronen-physikalisch sehr nachteilig wirkende Kühlsnittelumlaufsysteia.

Alle Ifärraeröhren enthalten eine liapillarstrulctur, und zvrar von solcher Bemessung, dass die gesamte beheizte Fläche der Wäriaeröhren mit Wärraeträgerkondensat versorgt wird. Bei der in Fig. 1 gezeigten horizontalen und parallel gebündelten Anordnung der Wärmeröhren sind zur Erfüllung der genannten Bedingung nur kleine Sapillarkräfte erforderlich (Steighöhe^ Wärraeröhrendurchriesser) , Dies führt zu besonders groesen und daher technisch relativ leicht herstellbaren Kapillaren. Auf der Erde wird der Reaktor also zweclosässig in der gezeigten, d.h. horizontalen Lage der Wärmeröhren, betrieben. Werden die freien Enden der Wärmeröhren nach oben gebogen au3gafübrt, so wird der Kondensatrückfluss durch die Schwerkraft unterstützt,

In Fig» 1 sind die Regel- und Sicherheitselemente des Reaktors sowie die biologische und thermische Abschirmung der Einfachheit halber fortgelassen« Im Falle, dass der Moderator kühler als der Kernbrennstoff gehalten werden soll, nuss eine thermische Isolation zwischen beiden Komponenten angebracht werden.

Bei der dargestellten Kernbrennstoffverteilung kann es sich entweder um hohlzylindrische Elemente handeln, die ale getrennte Einheiten auf die Wärmeröhren 13 aufgebracht werden,

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oder urn eine fest mit der Wandung der Wärmeröhren verbunden Schicht. Als Kernbrennstoff kommt z.B. ein Mo-UO -Cermet infrage. Die Wärneröhren 13 bestehen für Betriebstemperaturen ura 1800 C au3 Ta, der darin befindliche Wärmeträger ka-in Ag sein; wahrend die Wärueröhren 14 aus Nb rait Cs als Wärmeträger bestehen.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 stellt eine Anwendung dez* Konzeption nach Fig. 1 auf Kernreaktoren mit thermicnischen Konvertern in Vakuurnumgebung dar. Der Reaktorkern besteht aus dem Kernbrennstoff 17_} den Moderatorblöcken 13 und den Wärnieröhren 19» 20. Die Wärmeröhren der Moderatorblöcke ragen gebündelt aus der Unterseite des Reaktorkernes heraus, während die Wärmeröhren des Kernbrennstoffes rcit den zugehörigen thermionisehen Konvertern 21 an der Oberseite des Reaktorkerns herausragen. Hierdurch sind die Konverter aus dem direkten Strahlungsfeld des Reaktors herausgebracht.

Der Moderator (s.B, Zirkonhydrid) ist vorn Kernbrennstoff durch eine elektrische Isolation 22 und durch eine Wärmeabschirmung 23 getrennt. Der Kernbrennstoff ist in hohlzylin-» dri3chen Hüllen enthalten, in die die Wärmeröhren 19 teilweise eingefügt sind* Die Wärüeröhren bilden weiter, wie bereits eingangs erwähnt, integrale Bestandteile der thermionischen Konverter 21, indem sie nämlich direkt alt den Emitterelektroden in Feld 24 verbunden sind. Die entsprechenden Kollektorelektroden sind schematisiert mit Feld 25 bezeichnet, und die zirischen den Emitter- und Kollektorelektroden erforderliche elektrische Isolation ist mit 26 bezeichnet«

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An die Kollektorelektroden sind VJärtaeröhren 27 angeschlossen, die ebenfalls integrale Bestandteile der Konverter bilden»
Alle bisher erwähnten drei Gruppen von Wärtneröhren sind
parallel un· die Symmetrieachse des Reaktors angeordnet« Die Wänaeröhreu oberhalb und unterhalb des Reaktorkerns besitzen unterschiedliche Längen, derart, dass die Längen graduell von der Symmetrieachse des Reaktorkerns aus nach aussen hin abnehmen a Hierdurch ergibt sich einmal eine Raumform, die für den Einbau des Reaktors in Weltrauaprojektile vorteilhaft ist. Zuri anderen ergeben sich günstige Wärmeabstrahlungsverhältnisse für die einzelnen Röhren_e Und schliesslich eignet sich die Parallelführung der Wärmeröhren gut für den Testbetrieb des Reaktors unter Einfluss der Schwerkraft, wie bereits im Zusammenhang nit Fig, I erläutert wurde.

Im Einzelnen bestehen die Wärtseröhren 19 bzw» 20 bzw. 27 aus Ta bzw· Nb bzw. Nb-I Zr. Die betreffenden Wärmeträger sind
Ag bzw· Cs bzw. Li. Die zugehörigen Betriebstemperaturen betragen etwa 18OO°C bzw. 500 C bzw. i000°C.

Die Konverter sind elektrisch in Reihe geschaltet; vgl· die Leitungen 28, wobei die negative und die positive Klemme mit 29 bzw· 30 bezeichnet ist. Die freien Enden der Wänaeröhren 2O und 27, in denen die eingangs erwähnte Kondensation des
Wärraeträgers stattfindet, strahlen die in den Reaktorkoiaponenten und in den Konvertern erzeugte Verlustwärme frei in den Raum ab. ·

Wie im Falle der Fig. 1, sind auch in Fig. 2 die Regel- und Sicherheitseletnente des Reaktors (z.B. verstellbare Reflektorschirtne) sowie andere Bauteile Cwie etwa das Reaktorkerngerüst) der Einfachheit halber fortgelassen. Anstelle thersaionischer Konverter können auch thermoelektrische Konverter

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verwendet werden..

I.

Zur Erfindung gehört alles dasjenige, was in der Beschreibung enthalten und bzw« oder in der Zeichnung dargestellt ist, einschliesslich dessen, was abweichend von den konkreten Ausführungsbeispielen für den Fachmann naheliegt.

Patentanspruches

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Kühlststeci für Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Spaltungs-ßreias- und Reflektionsvqrgängen beteiligten Reaktorkonponenten, mindestens aber die Kernbrennstoff elemente thermisch mit Uärmeröhren gekoppelt sind und die nichtgekoppelten Partien der Röhren aus dein Reaktorkern unter 3ildung thermischer Senken herausragen,

2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die WÜrmeröhren in die Reaktorkoniponenten partiell eingebettet sind*

3- Kühlsystem nach Anspruch 1₅ dadurch gekennzeichnet, dass in Reaktoren mit elektrischen Konvertern die heissen Elektroden .zumindest an Wärmeröhren des Kernbrennstoffes angeschlossen sind.

*&, Kühlsystem nach Anspruch 3» dadurch^ gekennzeichnet, dass auch die kalten Elektroden an Wärneröhren angeschlossen sind.

5« Kühlsystem nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet , dass die Konverter ausserhalb des Reaktorkern^ angeordnet sind.

6. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Jiärraeröhren untereinander parallel angeordnet sind und/oder verschiedene Länge besitzen.

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