DE1764057B1 - Fluessigkeitsgekuehlter kernreaktor - Google Patents
Fluessigkeitsgekuehlter kernreaktorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten, insbesondere durch ein flüssiges Metall gekühlten
Kernreaktor mit mindestens einer Förderpumpe, welche die Flüssigkeit durch den Kern des Reaktors
und durch mindestens einen der zur Kühlung der Flüssigkeit dienenden Wärmeaustauscher drückt, wobei
die Förderpumpen der Wärmeaustauscher und der Reaktorkern in ein und derselben Masse der
Flüssigkeit untergetaucht und jeweils in einem von drei die Masse der Flüssigkeit enthaltenden und an
ihrer Oberseite zu ein und derselben Inertgasatmosphäre hin offenen senkrechten Behältern angeordnet
sind und diese Behälter eine mindestens teilweise zylindrische Form aufweisen. Ein Kernreaktor dieser
Art ist aus der französischen Patentschrift 1456 196 bekannt.
Kernreaktoren dieses Typs, die im allgemeinen als »integrierte Kernreaktoren« bezeichnet werden,
stellen für mit schnellen Neutronen arbeitende Kernreaktoren, die durch den Umlauf eines flüssigen Metails,
wie Natrium, gekühlt werden, eine besonders günstige Lösung dar, weil die Integration der Wärmeaustauscher
und Pumpen zusammen mit dem Reaktorkern in ein und derselben Kühlmittelmasse eine
erhebliche Verringerung der Länge der zwischen diesen Elementen erforderlichen Verbindungsleitungen
ermöglicht. Es werden dadurch gleichzeitig die Lösung der Abdichtungsprobleme erleichtert und das
zur Verflüssigung des als Kühlmittels dienenden Metalls vor dem Anlaufen des Reaktors erforderliche
Vorwärmen vereinfacht. Außerdem ist es zur Vereinfachung der Handhabung der Kernbrennstoffstäbe
vorteilhaft, den Reaktorkern in einem Behälter anzuordnen, der in seinem oberen Teil offen ist; das
gleiche gilt für die anderen Behälter, in welchen die Pumpen und Wärmeaustauscher untergebracht sind,
bezüglich einer leichten Zugänglichkeit zu diesen Aggregaten.
Ein Kernreaktor ähnlicher Art ist auch aus »Proceedings of the International Conference on the
Peaceful Uses of Atomic Energy«, Vol. 3, 1955. S. 332, F i g. 2 bekannt, jedoch mit dem Unterschied,
daß die senkrechten Behälter für Wärmeaustauscher und Förderpumpe zu der über dem Flüssigmetallspiegel
liegenden Inertgasatmosphäre nicht offen sind. Diese oben geschlossenen Behälter sind bei Reparaturen
oder Austausch der in ihnen enthaltenen Aggregate aber nur schwer zugänglich.
Ähnlich verhält es sich auch bei dem aus der USA.-Patentschrift 2 961393 bekannten Flüssigmetall-gekühlten
Kernreaktor, bei dem zwar auch die einzelnen Aggregate, wie Förderpumpen, Wärmeaustauscher
und Reaktorkern in ein und derselben Kühlmittelmasse, aber nicht jeweils in einem für den
jeweiligen Aggregat-Typ eigens vorgesehenen, senkrechten, mit seinem oberen Rand über den Flüssigkeitsspiegel
hinausreichenden, oben offenen Behälter untergebracht sind.
Dagegen scheint es aus »Nuclear Engineering«, Juni 1966, S. 417, Abbildung in der Mitte der Sehe,
für einen Flüssigmetall-gekühlten Atomkernreaktor noch zusätzlich bekannt zu sein, die Förderpumpe
und den Reaktorkern jeweils in einem eigenen, ebenfalls die Kühlmittelmasse enthaltenden und an seiner
Oberseite zu ein und derselben Inertgasatmosphäre hin offenen senkrechten Behälter unterzubringen.
Doch sind die in der Kühlmittelmasse untergetauchten, konzentrisch um den Reaktorkern angeordneten
Wärmeaustauscher nicht eigens in einem solchen Behälter angeordnet, was insofern nachteilig ist, als
keine klar definierten Strömungsverhältnisse am Wärmeaustauscher entstehen.
Weiterhin sind aus der französischen Patentschrift 1451883, insbesondere der Figur, und aus
»Directory of Nuclear Reactors«, Vol. IV, 1962, S. 321, Flüssigmetall-gekühlte Kernreaktoren mit
mindestens einer Förderpumpe, welche die Flüssigkeit durch den Kern des Reaktors und mindestens
einen der Kühlung dieses Flüssigmetalls dienenden Wärmeaustauscher drückt, bekannt, wobei die Förderpumpe,
der Wärmeaustauscher und der Reaktorkern in ein und derselben Flüssigmetallmasse untergetaucht
sind und über dem Flüssigmetallspiegel eine Inertgasatmosphäre angeordnet ist. Dabei sind Förderpumpe,
Wärmeaustauscher und Reaktorkern nicht noch einmal in jeweils einem eigenen senkrechten Behälter
angeordnet; vielmehr befinden sich die Wärmeaustauscher in einer konzentrischen Anordnung um
den Reaktorkern, während die Förderpumpe axial unter dem Reaktorkern angeordnet und mit letzterem
durch eine Rohrleitung verbunden bzw. direkt in der Einlaßöffnung angeordnet ist. Bei dieser Art von
Kernreaktoren wird um die Wärmeaustauscher keine definierte Strömung erzielt, so daß der Wärmeaustausch
nicht optimal ist.
Die Erfindung bezweckt, bei Kernreaktoren der eingangs genannten Gattung die Verbindungsleitungen
in noch stärkerem Maße zu verkürzen oder ganz zu vermeiden und sowohl den Rauminhalt der
dichten Kammer, welche wie üblich die Masse des flüssigen Metalls und eine darüber befindliche inerte
Gasschicht enthält, als auch die erforderliche Masse an flüssigem Metall zu verringern. Diese Verringerung
von Rauminhalt und Metallmasse und eine geeignete Anordnung der verschiedenen Elemente des
Reaktors relativ zueinander erleichern auch die Unterstützung der darüber befindlichen Bauteile und
Aufbauten.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Kernreaktor dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß
die Behälter im wesentlichen gleiche Durchmesser haben und sich paarweise überschneiden.
Vorzugsweise liegen die Achsen dieser zylindrischen Behälter in einer Ebene. Weitere vorteilhafte
Ausführungsformen ergeben sich aus den nachfolgenden Unteransprüchen.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Reaktors liegen in einer Verringerung der infolge Abstrahlung
eintretenden Wärmeverluste durch eine erhebliche Verringerung der freien Flüssigkeitsoberfläche. Die
Trennfläche zwischen dem heißen und kalten Natrium ist erheblich geringer, wodurch die Wärmeverluste
durch Leitung verringert werden. Auch die Außenfläche der Behälter und das Flüssigkeitsvolumen sind
geringer.
Im folgenden sind nur als Beispiele zwei besondere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kernreaktors
beschrieben, ohne daß diese Beschreibung als Begrenzung der Erfindung zu verstehen ist. Die
Beschreibung bezieht sich auf die F i g. 1 bis 4. Darin zeigt
F i g. 1 einen senkrechten Schnitt einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kernreaktors,
bei der der Wärmeaustauscherbehälter zwischen dem Reaktorbehälter und dem Pumpenbehälter angeordnet
ist,
F i g. 2 schematisch den Einbau der verschiedenen Bauelemente im Kernreaktor der F i g. 1,
F i g. 3 eine zweite Ausführungsform des Kernreaktors, bei der der Pumpenbehälter zwischen dem
Reaktorbehälter und dem Wärmeaustauscherbehälter angeordnet ist, und
F i g. 4 das dieser zweiten Ausführungsform entsprechende Einbauschema.
Bei den im folgenden beschriebenen besonderen Ausführungsformen ist der Kernreaktor ein mit
schnellen Neutronen betriebener und durch Umlauf von flüssigem Natrium gekühlter Kernreaktor. Dieser
Umlauf erfolgt durch den Reaktorkern 1 des Kernreaktors im aufsteigenden Sinn und wird durch Förderpumpen
2 aufrechterhalten, welche das kalte Natrium zur Unterseite des Reaktorkerns zurückführen.
Das flüssige Natrium, das sich beim Durchgang durch den Kern erhitzt, wird anschließend in den
Wärmeaustauschern 4 durch Austausch mit in einem Sekundärkreislauf strömenden flüssigen Natrium gekühlt.
In den Figuren sind die Ein- und Auslaßleitungen des Sekundärnatriumkreislaufs nur schematisch
wiedergegeben und mit 5 bezeichnet.
Der Kern 1, die Förderpumpen 2 und die Wärmeaustauscher 4 sind jede in einem der drei senkrechten
Behälter 6, 7 und 8 angeordnet. Diese drei Behälter sind in der Hauptsache durch jeweils drei
Zylinder begrenzt, deren Achsen in einer Ebene liegen. Der den Mittelbehälter begrenzende Zylinder,
der je nach der Ausführungsform entweder die Wärmeaustauscher oder die Förderpumpen enthält,
wird von den beiden anderen Zylindern geschnitten. An den Schnittlinien, wo er mit den benachbarten
Zylindern verbunden ist, wird der Kräfteausgleich durch eine ebene Verbindungswand 9 erhalten. Durch
diese Ausbildung werden die von den drei Behältern eingenommene Grundfläche sowie das Gesamtvolumen
verringert.
Insgesamt sind die drei Behälter von einem Wärmeisolationsmantel 10 umgeben. Die Betonschicht
11 gewährleistet den biologischen Schutz.
In den Behältern 6, 7 und 8 befindet sich flüssiges Natrium, in das der Kernreaktor selbst, die Förderpumpen
und die Wärmeaustauscher untergetaucht sind. Die drei Behälter sind an ihren oberen Enden
zu einer Inertgasatmosphäre, welche über der freien Flüssigkeitsoberfläche des Natriums steht, offen. Sie
sind durch einen Dichtungsbalgen 13 mit einem oberen Aufbau 12 verbunden.
Der Reaktorkernbrennstofl 1 des Reaktors besteht
aus senkrechten Kernbrennstoffelementen, zwischen denen das flüssige Natrium in aufsteigender Richtung
strömt. Dieser Reaktorkern wird von einem Traggerüst 14 getragen, durch das er von einer Ringsammelleitung
16 her mit flüssigem Natrium versorgt wird. Dieses Traggerüst wird selbst von einem auf
dem Boden des Behälters 6 ruhenden zylindrischen Unterbau 17 gestützt. Das den Reaktorkern verlassende
flüssige Natrium strömt durch eine obere Abschirmung 18, aus der es durch öffnungen 19 austritt
und in den Behälter 6 fließt.
Die Brennstoffelemente sind von oberen Aufbauten her leicht zugänglich, indem man zu diesem Zweck
ein übliches System zweier exzentrischer Drehverschlüsse benutzt. In den Figuren ist nur der große
Drehverschluß 20 gezeigt.
Jeder Wärmeaustauscher 4 besteht aus einem Rohrbündel, in welches das sekundäre Natrium strömt.
Dieses Rohrbündel befindet sich in einem zylindrischen Mantel 22, der an seinen beiden Enden mit
Fenstern 23 und 24 für den Eintritt des heißen Natriums und den Austritt des nach Berührung mit dem
Rohrbündel gekühlten Natriums versehen ist (s. insbesondere F i g. 1).
Zu jedem Wärmeaustauscher gehört ein abnehmbarer Verschluß 26, durch den der Wärmeaustauscher
von den oberen Aufbauten her zugänglich ist und durch den er gegebenenfalls aus dem Reaktor herausgezogen
werden kann. Durch diesen Verschluß sind die Einlaß- und Auslaßleitungen 5 des sekundären
Natriumkreislaufs geführt.
Der die Wärmeaustauscher 4 enthaltende Behälter 8 ist durch eine Trennwand 28 in zwei Abteilungen
geteilt, welche durch die Wärmeaustauscher miteinander in Verbindung stehen. Das in der oberen
Abteilung enthaltene Natrium gelangt durch die öffnungen 23 in jeden Wärmeaustauscher und tritt aus
diesem durch die Öffnungen 24 in die untere Abteilung aus.
Jede im Behälter 7 untergetauchte Förderpumpe 2 saugt das flüssige Natrium unmittelbar in diesem Behälter
an und drückt es axial in eine Leitung 30, die das Natrium bis zum Traggerüst des Reaktors leitet.
Jede Förderpumpe wird von einem oberhalb der oberen Aufbauten angeordneten Motor 32 angetrieben.
Die Antriebswelle ist durch einen abnehmbaren Verschluß 33 geführt, der den Zugang zur
Pumpe ermöglicht.
Bei der in den F i g. 1 und 2 gezeigten ersten Ausführungsform ist der mittlere Behälter der die Wärmeaustauscher
enthaltende Behälter 8. Dieser Behälter 8 besitzt daher einen gemeinsamen Wandabschnitt 34
mit dem Reaktorbehälter 6. Dieser Wandabschnitt ist an seinem oberen Ende mit einer großen Ausnehmung
versehen, die ein Überlaufwehr 35 bildet, über welches das heiße Natrium des Behälters 6 sich ohne
wesentlichen Druckverlust frei in den Austauscherbehälter 8 ergießt. In diesen beiden Behältern stellt
sich also der freie Natriumspiegel gleich hoch ein.
Außerdem steht die unterhalb der Trennwand 28 gelegene untere Abteilung des Behälters 8 mit dem
Pumpenbehälter 7 durch eine öffnung 36 in ihrer gemeinsamen Wand in Verbindung. Wegen der Ansaugwirkung
der Pumpen liegt der Flüssigkeitsspiegel des flüssigen Natriums im Pumpenbehälter niedriger als
der gemeinsame Flüssigkeitsspiegel der Behälter 6 und 8.
Die Förderleitungen (Druckleitungen) der verschiedenen Pumpen münden in eine einzige Verbindungsleitung 38, welche durch die Öffnung 36 und den Behälter
8 verläuft und durch eine dichte Durchführung in den Behälter 6 eingeführt ist, wo sie stromabwärts
vom Reaktorkern in die Ringsammelleitung 16 mündet.
Bei dieser Ausführungsform, die den Vorteil besitzt, daß zwischen dem Kernreaktor und den Austauschern
kein Druckverlust entsteht, verläuft der Natriumkühlkreislauf wie folgt: Das von den Förderpumpen
und der Verbindungsleitung 38 zugeführte Natrium strömt durch den Reaktorkern 1, fließt durch
das Überlaufwehr 35 vom Reaktorbehälter 6 in den Austauscherbehälter 8, durchläuft die Wärmeaustauscher
4 und gelangt abgekühlt aus dem Austauscherbehälter 8 durch die öffnungen 36 in den
Pumpenbehälter 7, wo es von den Pumpen wieder angesaugt wird.
Bei der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsform ist der mittlere Behälter der Pumpenbehälter
7. Diese Ausführung besitzt den Vorteil, daß die Pumpen sich näher am Reaktorkern befinden, wodurch
die Länge der Verbindungsleitungen verringert werden kann. Die Förderleitungen (Druckleitungen)
30 sind einzeln durch die den Behältern 6 und 7 gemeinsame Wand 34 geführt und münden unmittelbar
in das Traggerüst 14.
Die Verbindung zwischen dem Reaktorbehälter 6 und der oberen Abteilung des Austauscherbehälters 8
erfolgt bei dieser Ausführung durch eine abgedichtet durch den Pumpenbehälter 7 geführte Verbindungsleitung 40. Diese Verbindungsleitung ist zwar mit
einem großen Durchmesser ausgeführt, bewirkt aber dennoch einen geringen Druckabfall zwischen den
beiden Behältern.
Bei dieser Ausführung strömt das von den Förderpumpen 2 zugeführte Natrium durch den Reaktorkern
1, wo es wieder erhitzt wird, gelangt vom Reaktorbehälter 6 durch die Verbindungsleitung 40 zum
Austauscherbehälter 8, durchströmt die Wärmeaustauscher 4 und gelangt abgekühlt aus der unteren Abteilung
des Austauscherbehälters 8 durch eine Öffnung 41 der gemeinsamen Wand des Austauscherbehälters
und des Pumpenbehälters in den Pumpenbehälter 7.
Claims (5)
1. Flüssigkeitsgekühlter, insbesondere durch ein flüssiges Metall gekühlter Kernreaktor mit
mindestens einer Förderpumpe, welche die Flüssigkeit durch den Kern des Reaktors und durch
mindestens einen der Kühlung der Flüssigkeit dienenden Wärmeaustauscher drückt, wobei die
Förderpumpe, der Wärmeaustauscher und der Reaktorkern in ein und derselben Masse der Flüssigkeit
untergetaucht und jeweils in einem von drei die Masse der Flüssigkeit enthaltenden und
an ihrer Oberseite zu ein und derselben Inertgasatmosphäre hin offenen senkrechten Behältern angeordnet
sind, wobei diese Behälter eine mindestens teilweise zylindrische Form aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälter
(6, 7, 8) im wesentlichen gleiche Durchmesser haben und sich paarweise überschneiden.
2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Behälter (6,7,8)
in einer Ebene liegen.
3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Förderpumpe (2)
durch eine besondere Verbindungsleitung (30) mit einem ersten, den Reaktorkern (1) enthaltenden
Reaktorbehälter (6) stromaufwärts vom Reaktorkern verbunden ist.
4. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der den
Wärmeaustauscher (4) enthaltende Behälter (8) zwischen dem Reaktorbehälter (6) und dem Förderpumpenbehälter(7)
angeordnet ist (Fig. 1).
5. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Förderpumpenbehälter
(7) zwischen dem Reaktorbehälter (6) und dem Wärmeaustauscherbehälter (8) angeordnet ist und eine Verbindungsleitung (40)
zur Verbindung des Reaktorbehälters mit dem Wärmeaustauscherbehälter durch den Förderpumpenbehälter
(7) hindurchgeführt ist (Fig. 4).
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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