DE1551454A1 - Fluessigmetallkuehlsystem - Google Patents

Description

Patentanwalts DipUng. Richard iiiiiler-Börner

Kpl.-I.ig. Üaos-Heinridi Way : BMlie-Dahlem, Podbielskiallee 68

17 981/2 Berlin, den 16. Juni 1967

EUROPÄISCHE ATOMGEMEINSCHAFT (EURATOBT)

Patentanmeldung

Flüssigmetallkühlsystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein Flüssigmetallkühlsystem für beheizte Wände, insbesondere für Kernreaktoren·

Flüssige Metalle, insbesondere Alkalimetalle haben sich in letzter Zeit als gute Kühlmittel für schnelle Kernreaktoren angeboten, und zwar wegen der Strahlenbeständigkeit, hoher Siedetemperatur und des geringen Moderatoreffekts. Auf der anderen Seite iot der Siede· zustand immer noch schwer zu beherrschen, da der Siedeverzug gegenüber Wasser bedeutende Werte annehmen kann und zudem der Siede·» einsatz wegen des hohen Wärmeleitfaktors explosiv und gleichzeitig

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im ganzen Metallvolumen erfolgt. Auch mit künstlichen Siedekeimen an struktuierten Oberflächen etc. hat man dieses Problem nicht völlig gelöst. Einerseits muß also das Sieden aus Sicherheitsgründen in Kernreaktoren solange vermieden werden, wie der Siedevorgang noch nicht dynamisch beherrscht wird, andererseits vermag gerade ein Kühlzyklus mit Phasenwechsel Flüssigkeit-Dampf-Flüssigkeit wesentlich größere "Wärmemengen abzuführen als ein rnonophaser Zyklus.

Eine Möglichkeit zur Flüssigraetallkühlung mit Phasenwechsel besteht seit kurzem in den sogenannten Wärmeröhren; das sind allseitig verschlossene Röhren, die fast völlig mit Metalldampf gefüllt sind, der sich an einer Stirnseite der Röhre in einer Wärmesenke kondensiert, worauf das Kondensat in Längskapillaren an der Rohrinnenwand zur Wärmequelle ain anderen Ende zurückströmt. Da jedoch Wärmeröhren auf Pumpen verzichten müssen (der Flüssigkeitstransport beruht allein auf Kapillarkräften!) ist der Wärmetransport hierbei sogar noch geringer als bei einem normalen Kühlkanal ohne Verdampfung.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein wirkungsvolles Kühlsystem für beheizte Wände anzugeben, das Flüssigmetall in e^.nern Kühlzyklus mit Phasenwechsel verwendet, ohne daß Siedeprobleme auftreten.

Die Erfindung besteht darin, daß den Wänden in einem geringen, definierten Abstand eine feinporöse Schicht vorgelagert ist und daß in dem durch den Abstand gegebenen Spalt das Flüssigmetall unter

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solchem Druck eingepreßt wird, daß es bei der Heiztemperatur noch nicht siedet, während es beim Durchtritt durch die Poren der Wand in einen Bereich niedrigeren Drucks gelangt, so daß es verdampft und dann einer Wärmesenke, z.B. einem Wärmetauscher zuströmt. Vorteilhafterwexse wird der Druck im Spalt durch einen Flüssigmetallbehälter· erzeugt, der in geeigneter Höhe üb«r der Wand angeordnet ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe rtroici Figuren näher erläutert:

Es zeigen Fig. 1 einen Teilschnitt durch einen Heizstab mit

Kühlsystem gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein Di-agrawra mit der Temperatur- und Druckverteilung in radialer Richtung gemäß Fig· I;

Fig. 3 einen Schnitt durch einen ganzen Kernreaktor

in scheraatischer Darstellung mit dem erfindungs gemäßen Kühlsystem.

Das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip läßt sich am besten anhand von Fig. 1 erläutert, in der ein von innen beheizter Stab 1 zu sehon ist, der von einem porösen Rohr 2 umgeben ist. Stabdurchmesser und Rohr-Innendurchmesser sind so gewählt, daß ein gleichmäßiger, definierter Abstand (Spalt 3) zwischen beiden bleibt. In diesen Spalt wird flüssiges Kühlmittel, also z.B. ein Alkalimetall unter Druck hineingepreßt.

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Die Spaltbreite wird in der Größenordnung von bis zu 1 rnrn so optimiert, daß gerade die benötigte Kühlraittelraenge ohne zu große Druckverlvste angeführt werden kann. Allzu breiter Spalt würde dagegen die TJännoübertragung beeinträchtigen. Der Druck auf das Kühlmittel wird co gov£hlt_f daß das Sieden bei maximal beheizten Stab noch unterdrückt wird. Im allgemeinen genügt eine Druckdifferenz zwischen dem Spalt und dem Danpfraum außerhalb des porösen Rohrs von 0,5 atm.

Unter Einwirkung dieser Druckdifferenz wird eine bestimmte Menge Kühlmittel pro Flächeneinheit durch das Rohr 2 gedrückt und verdampft, sobald sie aus den Poren austritt. Man erkennt, daß dieses Kühlverfahren nur bei Verwendung von Metallen mit ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit zuverl»3«ig funktioniert. In Fig. 2 ist der Temperaturverl*«* in radialer Richtung von der Staboberfläche an ««xgezeichnet. Die Temperatur (ausgezogene Linie) sinkt nur wenig im Spalt und im Rohr, so daß alleine durch den Druckunterschied (gestrichelte Linie) die Verdampfung beim Austritt aus den Poren sichergestellt wird. (Der Drucksprung beim Austritt aus den Poren ist übrigens-durch die große Oberflächenspannung des Flüssigmetalls und die Meniskusbildung in einem kapillaren Kanal bedingt).

Durch Versuche wurde festgestellt, daß ein Verstopfen der Poren .vermeidbar ist, da ja nur en den Porenmündungen die Verdampfung stattfindet. Verunreinigungen, die sich bein Verdampfen dort absetzen, werden durch das nachströmende heiße flüssige Metall nach einiger Zeit selbsttätig abgelöst. Ein Reinigungskreislauf braucht

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•also nur über den Reaktorboden geleitet zu werden, um alle Fremdkörper zu entfernen.

Die Größe und Dichte der Poren im Rohr wird so gewählt, daß bei dem gewählten Plüssigkeitsdruck eine solche Menge von Flüssigkeit durch die Poren tritt, daß gerade eine vollständige Verdampfung gewährleistet ist. Sowohl das Lecken der Flüssigkeit auf der Dampf« seite als auch das Austrocknen der Poren ist zu verhindern. Diese Bedingung erscheint bei sich ändernder Heizleistung als schwierig, sie ist aber tatsächlich leicht einzuhalten wegen der Pumpwirkung der Kapillarkräfte. Trocknet nämlich die äußere Oberfläche des Rohres leicht aus, dann entsteht in jeder Pore eine gekrümmte Oberfläche, wodurch sich die kapillare Pumpwirkung erhöht und mehr Flüssigmetall gefördert wird. Rechnungen haben gezeigt, daß eine Änderung der Heizflächenbelastung im Verhältnis 1 : 50 weder zum Lecken noch zum Austrocknen führt. Damit können Energiedichten von

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z.B. 500 —-ζ und 10 —5— von derselben Kühlanordnung sicher ab-

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geleitet werden. Das Kühlsystem zeichnet sich also durch große Stabilität aus, was bei der Anwendung in Reaktoren aus Sicherheitsgründen von großem Vorteil ist.

In der abschließenden Fig. 3 ist daher in schematisch vereinfachter Form ein Reaktorkern gezeigt,dessen stabförmige Brennelemente k_t wie in Fig. 1 dargestellt in porösen Rohren 5 beispielsweise aus Sinterstahl stecken. Bin Reservoir 6 für das Flüssigmetall befindet sich über dem Reaktorkern und steht mit den Spalten aller Brennelemente in Verbindung* Der Druck wird von einer Pumpe erzeugt, BADOR₁G₁NAL „„„„„„ '

die ein stets konstantes Niveau des Flüssigmetalls in diesem Reservdr gewährleistet. Die Pumpe kann, wie dargestellt, über eine Zuführungsleitung 7 einen unter den Brennelenenten befindlichen Purapraum 8 beaufschlagen.

Das Reservoir erfüllt neben der Druckhaltung noch die Aufgabe eines sehr wirksamen biologischen Schilds nach oben; außerdem garantiert k es zuverlässige Kühlung des Reaktors auch noch einige Zeit nach Ausfall der Pumpe.

Der beim Durchtritt des Flüssignietalls durch die porösen ^T?ände entstehende Dampf strömt in Richtung senkrecht zur Reaktorachse aus dem Kern heraus auf Wärmetauscher 9 zu, wo er kondensiert und dann als Flüssigkeit über die erwähnte Pumpe wieder in den Pumpenraum 8 zurückgelangt. Die Wärmetauscher «ind bevoi'stugi direjct am Kernrand ringe herum angeordnet, so daß der Dampf nach allen Richtungen zwischen den Rohren 5 hindurch herausströmen kann. Die Dampfgeschwindigkeit kann Schallgeschwindigkeit annehmen, Ss handelt sich um eine adiabatische Expansion bei großer Druckdifferenz.

Wegen de*· aufgrund des erfindungs gemäß en Systems hohen Transportleistung für /armeenergie und die verhältnismäßig geringe Kühlmittelmenge im Kern läßt sich so ein kompakter Schnellneutronenreaktor mit hoher Brutrate entwerfen. Aber auch in thermischen Reaktoren dürfte das erfindungsgemäße System vorteilhaft anwendbar sein«

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Claims (2)

1. Pat entanspräche

   it»j Flüssigmetallkühlsystem für beheizte Wände» für Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß den Wänden in einem geringen« definierten Abstand eine feinporöse Schicht vorgelagert ist und daß in dem durch den Abstand gegebenen Spalt das Flüssigmetall unter· solches Druck eingepreßt wirdl₅ daß es bei der Heiztemperatur* noch nicht siedet_B während es beim Durchtritt durch die Poren der Wand In einem Bereich niedrigeren Drucks gelangt, se daß ©s verdampft und dann einer Wärmesenke, z.B. einem Wärmetauscher zuströmt.
2. 2. Flüssigmetallkühlsystem nach Anspruch l_t dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Spalt durch einen Flüssigmetallbehälter erzeugt wird, der in geeigneter Höhe über der Wand angeordnet ist.

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