DE1764347A1

DE1764347A1 - Kernreaktor mit Waermeroehren

Info

Publication number: DE1764347A1
Application number: DE19681764347
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl-Ing Fiebelmann; Helmut Dr Rer Nat Neu
Original assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Current assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Priority date: 1968-05-21
Filing date: 1968-05-21
Publication date: 1971-07-15
Also published as: US3668070A; GB1220553A; BE732179A; LU58508A1; FR2014134A1; NL6907774A

Description

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20 479/80 Berlin, den 21. Mal 1968

EUROPÄISCHE ATOMGEMEINSCHAFT (EURATOM) Patent anrae!dung

Kernreaktor mit Wärmeröhren

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor mit einem Wärmeextraktionssystem, das aus einer Vielzahl von einseitig in den Reaktorkern eintauchenden, hermetisch geschlossenen Wärmeröhren besteht.

Zur Extraktion der Reaktionswärme aus einem Reaktorkern sind in letzter Zeit Vorschläge gemacht worden (siehe z.B. franz. Patentschrift 1.455.672), bei denen das klassische integrale Kühlsystem

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mit einem viele Kanäle des Reaktorkerns durchströmenden Kühlmittel durch eine Vielzahl zueinander paralleler und voneinander völlig unabhängiger KUhlkreise ersetzt wurde. Jeder Kühlkreis besteht aus einer hermetisch verschlossenen, teilweise mit einem Wärmeträgermedium gefüllten sogenannten Wärmerohre,die in den Kern eintaucht und die Wärme mit sehr geringen Verlusten an eine Wärmesenke im Bereich des aus dem Kern herausragenden Teils der Röhre abgibt. Vorzugsweise ist diese Wärmesenke direkt als Konverter (z.B. nach dem thermionischen Prinzip) ausgebildet.

Eine der Schwierigkeiten, die sich der praktischen Anwendung dieses Kühlsystems entgegenstellen, bildet die Gefahr des Versagens diner einzigen Wärmeröhre. Daraus resultiert in der Umgebung der defekten Wärmeröhre eine unzulässige Temperaturerhöhung, die auch von den benachbarten Wärmeröhren nicht aufgefangen werden kann, so daß die Brennelemente niederschmelzen können. Angesichts der sehr hohen normalen Betriebstemperaturen von 1500⁰C und mehr, wie sie für thermionische Konverter erforderlich sind^ läßt sich das Versagen einer Wärmeröhre, z.B. infolge Korrosion der Röhrenwände, nicht mit Sicherheit ausschließen. Besonders bei thermischen Reaktoren, bei denen jede Wärmeröhre ihren eigenen Brennstoffmantel hat und zwischen den Brennelementen ein Moderator mit niedriger Betriebstemperatur liegt, ist bei parallelen Wärmeröhren kein wesentlicher Wärmekontakt zwischen benachbarten Wärmeröhren vorhanden. In diesem Falle schmilzt der Brennstoff beim Ausfall einer Wärmeröhre unweigerlich zusammen.

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In dem Reaktorkonzept gemäß der Erfindung werden die geschilderten katastrophalen Folgen des Versagens einer einzigen Wärmeröhre vermieden.

Die Erfindung besteht darin, daß die Wärmeröhren nicht mehr durchweg parallel geführt sind, sondern in zwei Scharen unterteilt sind, deren Achsrichtungen zueinander senkrecht liegen, wobei sich die beiden Scharen im Kernbereich gegenseitig durchdringen. Nun liegen nicht mehr nur zwei bis sechs Wärmeröhren in unmittelbarer Nähe der schadhaften Röhre, sondern eine wesentlich größere Zahl von Wärmeröhren kreuzt deren Kühlbereich und garantiert so eine hinreichende Wärmeabfuhr.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Reaktorkern aus einer Vielzahl von i.w. würfelförmigen Brennstoffelementen aufgebaut, von denen jedes zwei zueinander senkrechte Löcher parallel zu zweien seiner Hauptachsen aufweist, wobei die Elemente im Kern mit zueinander fluchtenden Löchern gestapelt sind, in denen Wärmeröhren Aufnahme finden. Vorzugsweise durchdringen die Wärmeröhren den ganzen Kernbereich und werden nur im Bereich des den Kernbereich umhüllenden Reflektors mechanisch über thermische und elektrische Isolatoren gehalten. Um bei den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen zwischen dem Kern und dem Reflektor eine Beschädigung der Wärmeröhren zu vermeiden, ist es günstig, die Wärmeröhren frei durch die Kernkanäle zu führen und damit den Wärmetransport mittels Strahlung erfolgen zu lassen. Das hat

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auch den Vorteil, daß keine Stützisolatoren im Kernbereich vorzusehen sind, die den extrem hohen Temperaturen des Kerns ausgesetzt wären»

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von drei Figuren näher erläutert:

Es zeigen Fig* 1 die Ansicht eines Brennstoffelements gemäß der

Erfindung;

Fig. 2 eine teilgeschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Reak&orkerns;

Fig, 3 eine teilgeschnittene Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors.

Der in FIg, 1 dargestellte Block ist ein würfelförmiges Brennelement, das von zwei in verschiedenen Ebenen übereinanderliegenden Bohrungen durchstoßen ist. Diese Bohrungen liegen jeweils parallel zu einer Wurfelachee; ihr Durchmesser ist so groß, daß die vorgesehenen Wärmeröhren durch sie hindurchgeschoben werden können. Die Brennelemente enthalten den Kernbrennstoff in einer gut wärmeleitenden Matrix verteilt. Es können beispielsweise Uranoxyd-Cermets oder mit ZrC stabilisiertes Urankarbid in Frage kommen.

Aus solchen würfelförmigen Elementen ist der Reaktorkern gemäß Fig. 2 zusammengesetzt. Hier wechselt eine im wesentlichen quadratische Schicht von Brennelementen 3 jeweils mit einer Schicht aus Moderatorelementen k ab. Die Brennelementwürfel sind so nebeneinander angeordnet, daß die Löcher 1 und 2 für die Wärmeröhren 5 fluchten. Letztere ragen aus dem Reaktorkern heraus und sind im

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Bereich eines den Kern umgebenden Reflektormantels 6 mechanisch geführt und an je einen thermionischen Konverter 7 angeschlossen. Zwischen den Lagen der Brennstoff- und Moderatorelemente sind Wärmeschilde 8 vorgesehen und die Moderatorelemente sind von einem nicht dargestellten separaten Kühlsystem durchzogen, um die Temperatur des Moderators, z.B. flache Scheiben aus Metallhydriden, niedrig zu halten. Das getrennte Kühlsystem kann ein klassischer Kühlkreislauf sein oder nach dem Prinzip der Wärmeröhren arbeiten» Im Falle eines schnellen Reaktors entfallen Moderator und Wärme-Schilde.

Wenn die Wärmeleitfähigkeit der Brennelemente also genügend hoch ist, dann bleibt die Temperaturerhöhung an einer schadhaften Wärraeröhre deswegen so gering, weil die Wärmemenge, die normalerweise von der defekten Wärmeröhre abgeführt wird, gleichmäßig auf eine Vielzahl von diese kreuzende Wärmeröhren übergeht.

Figur 3 zeigt in einer teilgeschnittenen Ansicht einenVKernreaktor, der als Energiequelle für eine Weltraumstation vorgesehen ist und auch Wärmeröhren zur Wärmeextraktion besitzt, die in der gekreuzten, erfindungsgemäßen Art angeordnet sind* Der Reaktor ist von einem Reflektormantel 9 allseitig umgeben, dessen Temperatur mittels eines Kühlkreises (Kühlkanäle 10) auf etwa 800°C gehalten wird. Der Reaktorkern seinerseits besteht aus einer Vielzahl von Brennstoffstäben 11, die in mehreren Stapeln übereinander liegen, wobei die Achsrichtungen benachbarter Stapel zueinander senkrecht sind»

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Zwischen je zwei Brennstäben eines Stapels befindet sich ein Zwischenraum, durch den eine wärmerohre 12 hindurchführt. Die Dimensionen des Zwischenraums und der Wärmeröhre sind so gewählt, daß die letztere den Brennstoff nirgends berührt. Die Halterung .der Wärmeröhre erfolgt vielmehr im Bereich des Reflektors 9. Die Wärmerohren durchqueren den ganzen Kern und werden mit ihrem der Kühlzone fernen Ende 13 In Nischen des Reflektormantels über eine thermische und elektrische Isolierschicht 17 gehalten. Die Kühlzonen der Wärmeröhren liegen außerhalb des Reflektors und sind mit thermionischen Konvertern Ik direkt gekoppelt. Im Bereich der Durchführung der Wärmeröhren durch den Reflektor sind ebenfalls wieder thermische und elektrische Isolierschichten 17 vorgesehen. Nur der Vollständigkeit halber sei hier noch auf die kollektorseitigen Wärmeröhren 15, die die Verlustwärme der Konverter an die nicht dargestellten Strahlungskühler leiten, und auf bewegliche Reflektorelemente 16 zur Reaktivitätssteuerung hingewiesen·

Durch das hier angewandte Prinzip der Wärmeübertragung vom Brennstoff zu den Wärmeröhren durch *Strahlung wird einerseits erreicht, daß alle abstützenden und isolierenden Elemente in den Bereich des relativ kühlen Reflektors verlegt werden können und daß geringfügig unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Wärmeröhren bzw. dem Reflektormantel und dem Brennstoff ohne Betriebsstörungen hingenommen werden können» Die Temperatur des Reaktorkerns bei Leistungsbetrieb von z.B. 500 kW-_h wurde in dem

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untersuchten Projekt bei 16OO°C festgelegt, damit die thermionischen Konverter 14 in einem günstigen Leistungsbereich arbeiten,

Als Material für die thermische Isolierung in der Halterung der Wärmeröhren kommt Wolfram in Frage, das in Form von Folien derart um die Wärraeröhren gewickelt wird, daß durch kleine Abstandshalter zwischen den einzelnen Schichten Isolierzwischenräune gebildet werden· Die darüber angeordnete elektrische Isolierschicht aus einem Keramikmaterial braucht dann nur noch die Temperatur von maximal 800°C auszuhalten.

Wenn auch die Führung der Wärmeröhren parallel zu zwei Hauptachsen des Reaktorkerns die geometrisch einfachste Lösung des Problems darstellt, so läßt sich die Erfindung gleichwohl auch mit schräg durch die Brennelemente verlaufenden Värmeröhren und mit einer anderen Form der Brennelemente verwirklichen· Sinngemäß läßt sich die Erfindung auch von thermischen Reaktoren, bei denen der Brennstoff in einer moderierenden Matrix oder in der Nachbarschaft von Moderatorelementen angeordnet ist, auf einen sogenannten schnellen Reaktor übertragen, bei dem die moderierenden Elemente fehlen.

Claims

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- 8 -PATENTANSPRÜCHE

Kernreaktor mit einem Wärmeextraktionssystem, das aus einer Vielzahl von einseitig in den Reaktorkern eintauchenden, hermetisch geschlossenen Wärmeröhren besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeröhren (5, 12) in zwei Scharen unterteilt sind, deren Achsrichtungen im wesentlichen zueinander senkrecht liegen, und daß sich die beiden Scharen im Kernbereich gegenseitig durchdringen«
2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dad der Kernbrennstoff aus im wesentlichen würfelförmigen Elementen (3) besteht, •von denen jedes zwei zueinander orthogonale Löcher (l, 2) parallel zu zweien seiner Hauptachsen aufweist, und daß die Elemente im Kern mit zueinander fluchtenden Löchern gestapelt sind, in denen Wärmeröhren (5) Aufnahme finden«
3. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärneröhren (12) den ganzen Kernbereich durchdringen und im Bereich des den Kernbereich umhüllenden Reflektors (9) mechanisch über thermische und elektrische Isolatoren (17) gehalten werden.
4. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lichten Welten der für die Wärmeröhren bestimmten Kanäle des Reaktorkerns wesentlich größer als die Außendurchmesser der Wärmeröhren (12) gewählt sind.

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