DE1764364A1

DE1764364A1 - Kernkraftwerk fuer eine Weltraumstation

Info

Publication number: DE1764364A1
Application number: DE19681764364
Authority: DE
Inventors: Umberto Buzzi; 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: 1968-05-24
Filing date: 1968-05-24
Publication date: 1971-07-08
Also published as: US3709781A; FR2009270A1; BE732178A; LU58509A1; NL6907945A; GB1220554A

Description

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4. Mai 1968

EUROPÄISCHE ATOMGEMEINSCHAFT (EURATOM) Pat ent arane!dung

Kernkraftwerk für eine Weltraumstation

Die Erfindung betrifft ein Kernkraftwerk für eine Veitraumstation·

Kernreaktoren haben als Energiequelle in Weltraumetationen wegen ihres günstigen spezifischen Leistungsgewichts bei Maximalleistungen von oberhalb 30 kW Bedeutung·

Projekte, die bereits realisiert wurden (z.B. SNAP 10 A) oder deren Planung bekannt geworden ist, sehen eine Umwandlung der Spaltungswärme in elektrische Energie vor, und zwar entweder

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mit tiiifö von Turbogeneratoren ödör von thermoelektrischeri und thermiöhisehen Konvertern· Gemeinsame Elemente aller solcher Kraftwerke sind also ein Wärmeerzeugender nuklearer Kern, vorzugsweise an der Spitze der Baueinheit; ein diesen umgebender Reflektormantel, der teilweise zu Steuerzwecken ausschwenkbar ist; ein Schild gegen nukleare Strahlung, in dessen Schatten sich die Nutzlast der Station befindet; ein thermöelektrischer Wandler und ein großflächigerj meist konuaförmiger Strähluhgskühler, der die hiebt mehr zur Umwandlung brauchbare Verlustwärme an die Umgebung abstrahlt.

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor, dessen Wärme mittels eines Systems von in zwei Richtungen den Kirn du rehdring tiidäh Wärmeröhren aus dem Kern heraus, und den Emittern Ψίϋϋ i« Bereich des Reflektormantels befindlichen thermionischen Konvertern zugeführt wird» Die Verlustwürme wird in einem Kühlerkonus ftbgestrahlt.

Ee ist bereite bekannt, Wärmeröhren für den Traneport der Wärme

vom Kern zu den Konvertern einzusetzen (UST-Patentschrift 3»3ÖÖ Es ist weiter bekannt, den KUhlerkonus selbst aus eihör Vielβah1 von Wärmeröhren «usammenzusetJ!»n, wodurch die temperaturverhältniise auf der ganzen Konusoberflöche gleich werden (Bericht des Bundeerainisteriums tür wieeenschaftliche Forschung No. fit 67-^β). Dieses Projekt hat jedoch dun Nachteil, daß ein FlüsSigmetallkreie

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als Itfarmeträger und Leistungsverteiler zwischen den Konvertern und den abstrahlenden Wärmeröhren vorzusehen ist, der eine Pumpe benötigt und gut gegen Beschädigung durch Meteoriten geschützt werden muß.

Diese Nachteile vermeidet die Erfindung» Ausgehend von einer Weltraumstation mit einem wärmeerzeugenden Kern, einem zur Reaktorsteuerung teilweise ausschwenkbaren Reflektor und einem in zwei Richtungen den Kern durchdringenden System von Wärmeröhren, die die Reaktionswärme an im Bereich des Reflektors befindliche thermionische Konverter liefert, wobei deren Verlustwärme wiederum in einem Kühlerkonus an die Umgebung abgestrahlt wird, besteht die Erfindung darin, daß der Kühlerkonus sich aus einer Vielzahl paralleler Wärmeröhren zusammensetzt, deren Heizzonen mit je einen oder einigen Kollektoren der Konverter direkt thermisch gekoppelt sind.

Vorzugsweise erstreckt sich der Kühlerkonus im wesentlichen auf der reaktorfernen Seite des Strahlenschilds, während weitere Wärmeröhrensysteme zur Kühlung der Reflektoren und des Strahlenschilds ihre Strahlungsflächen diesseits des Schilds besitzen.

Der Strahlenschild wird vorzugsweise nur im kernnahen Bereich von Wärmeröhren gekühlt, während eine Wärmetransportstruktur z.B. aus mp.3siven Kupferstäben, zum Transport der im kernfernon Bereich dos Schilds entstehenden Wärme in den Bereich der Wärmerohroi' vorgesehen ist.

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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind auf den dem Weltraum zugewandten Seiten der den Kühlerkonus bildenden Wärraeröhren Meteoriten-Prallplatten über federnde, wärmeleitende Elemente mit Abstand angebracht. Zum Schutz der gegebenenfalls zwischen den Wärmeröhren notwendigen elektrischen Isolatoren sind die Prallplatten benachbarter Wärmeröhren ohne gegenseitige Berührung überlappend ausgebildet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand zweier Figuren näher erläutert, von denen Fig. 1 eine teilgeschnittene Ansicht eines . Kernkraftwerks gemäß der Erfindung und Fig„ 2 einen vergrößerten. Ausschnitt aus der Kühlerkonushaut darstellt. _; ,,_{( :}

Das Kerrikraftwcrlc gemäß Fig. 1 besitzt einen in der Figur verdeckten wärmeerzeugenden Kern, der von einem Reflektormantel 1 umgeben ist. Die den Kern nach oben abdeckende Reflektorwand besteht aus vier schwenkbaren Reflektorelementen 2, die von Motoren angetrieben werden und die Reaktivität des Reaktors steuern. Dieser Doreich ist gegen Metooriteneinfall durch eine Schutzhaube 3 abgesichert.

Die Wärmeextraktion cus dem Reaktorkern erfolgt mittels Wärmeröhren, die den gnnzon Kern, durchqueren und einseitig thermisch an die Emitter voi» thermionischen Konvertern k angeschlossen sind. Die Wärmeröhren üind in vier Scharen unterteilt, die eich gegenseitig im Kern caiß durchdringen und mit den Konvertern je einer

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Seitenfläche des Kerns gekoppelt sind. Beispielsweise sind die Konverter einer Seite in acht Reihen zu je sechs Konvertern angeordnet.

Direkt unterhalb des Reaktorkerns befindet sich ein Strahlenschild 5, in dessen Schatten die in der Figur nicht dargestellte Nutzlast der Weltraumstation liegt. Die in den Reflektorwänden und dem Strahlenschild durch Kernstrahlung erzeugte Wärme wird über ein separates Wärmeröhrensystem 6 und 7 an. die seitlichen, senkrechten Kanten des Reflektorblöcks beführt, wo Strahlflächen 8 und 9 die Wärme in den Weltraum abstrahlen. Dabei genügt es, die Wärmeröhren 6 für die Kühlung des WärmeSchilds nur in den Bereich zu legen, der dem Kern benachbart ist, und dafür einen metallischen Konus oder eine Struktur massiver Stäbe 10 aus gut wärmeleitendem Material in den Schild einzubauen, durch die die Wärme aus dem reaktorfernen Bereich in den Bereich der Wärmeröhren gelangt· Diese Struktur kann auch zur mechanischen Versteifung der Konstruktion beitragen» Zum Schutz der Konverter sind die vier Seitenflächen des Reaktors außen von Meteoriten-Prallplatten 11 umgeben*

Die Wärmeabfuhr von den Kollektoren der thermionischen Konverter k erfolgt erfindungsgemäß mittels Wärmeröhren 12, die direkt thermisch an die Konverter angekoppelt sind und sich vom Kernbereich weg über die ganze Länge des Kühlerkonus erstrecken.

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Dabei genügt es, daß für jeweils 2 Konverter eine Wärmeröhre vorgesehen ist. Während die Wärmeröhren im Kernbereich noch mangels Platz übereinander gestapelt verlaufen, breiten diese sich im Bereich des Kühlkonus entlang von Mantellinien nebeneinander aus. Sie überdecken damit weitgehend die ganze Oberfläche des Kühlerkonus· Die elektrische Isolierung der Konverter-Kollektoren voneinander kann entweder im Bereich der thermischen Ankopplung an die Wärmeröhren erfolgen oder aber durch Isolationsschichten, die zwischen die Wärmeröhren auf deren ganzer Länge eingelegt werden. In Fig· 2 ist diese Alternative berücksichtigt« Hier sind die Wärmeröhren rechteckig ausgebildet und über Isolierschichten 13 mechanisch miteinander verbunden· Zum Schutz der Vrärmeröhren gegen Meteoriten sind die dem Weltraum zugewandten Seiten der Wärmeröhren mit Prallplatten 14 abgedeckt, die über elastische, jedoch gut wärmeleitende Bänder 15, beispielsweise aus Titan oder Kupfer, auf den Wärmeröhren mit Abstand befestigt sind« Durch die elastische Befestigung wird die Gefahr eines Durchschlags der Prallplatten verringert* Vorzugsweise überlappen sich die Prallplatten benachbarter Wärmeröhren,ohne sich zu berühren, so daß auch die Bereiche zwischen den Wärmeröhren geschützt sind. In dem schiefen Spalt zwischen den einzelnen Prallplatten können in Abständen voneinander isolierende Keraraikdistanzhalter 16 vorgesehen werden.

Wenn auch ein wirkungsvoller Schutz gegen Meteoriten notwendig erscheint, so bedeutet die Zerstörung einer oder einzelner Wärmeröhren keinesfalls eine Katastrophe für das ganze Kraftwerk·

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im Reaktorkern Durch das System der gekreuzten WHrmeröhren läßt sich die Wärme, die normalerweise eine Wärmeröhre abführt, bei einer Zerstörung dieser Wärmeröhre ohne allzugroße Temperaturerhöhung auf benachbarte Wärmeröhren, insbesondere auf kreuzende WMrmeröhren, übertragen.

In diesem Zusammenhang ist auch bemerkenswert, daß die beiden von einer einzigen Wärmeröhre gekühlten Konverter nicht aus benachbarten Konverterreihen stammen. Das Risiko, daß die Kühlung von zwei benachbarten parallelen Wärnteröhren des Reaktorkerns gleichzeitig ausfällt, ist also sehr gering.

In einen der Erfindung zugrunde liegenden Projekt von einer Leistung von etwei 50 IcWe, liegt die Körnt empor atm* bed I85O C; die Temperatur des Reflektors und der Kollektoren der Konver toi' liegt dagegen bei etwa 8OO C. Die thermische Leistung einer Wärmeröhre 12 beträgt k,7 kW und die Anzahl der V"^rmi?Jlo'bren auf dom Kühlkonus beträgt etwa 100. Die Gesamtfläche dos Kühltsrkonus zur -Abstrahlung der Verlustwärme von eiwa k75 kW beträgt 7 m".

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Claims

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Patentansprüche

?> Kernkraftwerk für eine Weltraumstation mit einem wärmeerzeugenden Kern, einem zur Reaktorsteuerung teilweise ausschwenkbaren Reflektor und einem in zwei Richtungen den Kern durchdringenden System von Wärmeröhren, die die Reaktionswärme an im Bereich des Reflektors befindliche thermionische Konverter liefern, wobei deren Verlustwärme wiederum in einem Kühlerkonus in die Umgebung abgestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet , daß der Kühlerkonus sich aus einer Vielzahl paralleler Wärmeröhren (12) zusammensetzt, deren Heizzonen mit je einem oder einigen Kollektoren der Konverter (^έ) direkt thermisch gekoppelt sind.
2. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, mit einem Strahlenschild unmittelbar hinter einer der nicht ausschwenkbaren Reflektorwände, zum Strahlen-Schutz der sich i.w_e in diese Richtung ausdehnenden Weltraumstation, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kühlerkonus in an sich bekannter Weise i.w» auf der reaktorfernen Seite des Strahlenschilds (5) erstreckt, während weitere Wärraeröhrensysteme (6, 7) zur Kühlung der Reflektoren und des Strahlenschildes ihre Strahlungsflächen (8, 9) diesseits dos Schildes besitzen.
3. Kernkraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenschild (5) nur im kernnahen Bereich von WHrmeröhren (6) gekühlt wird und daß eine Wärmetransportstruktur,

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z.B. aus massiven Kupferstäben (10), in dem Schild vorgesehen ist zum Transport der im kernfernen BereLeh des Schilds entstehenden Wärme in den Bereich der Wärmeröhren.

't. Kernkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der den KUhLorkonus bildenden Wärmeröhren (12) auf der dem Weltraum zugewandten Seite mit einer Meteoriten-Prallplatte (ΙΛ), z.B. aus Stahl, abgedeckt sind, wobei die Pral!platten durch federnde, wärmeleitende Elemente (15) in einem gewissen Abstand auf der Wärmeröhre befestigt ist.

5» Kernkraftwerk nach Anspruch k_t dadurch gekennzeichnet, ti aß sich Prallplatten benachbarter Wärmerähren ohne direkte Berührung überlappen.

6» Kernkraftwerk nach Anspruch 5| dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen den sich überlappenden Pral!platten keramisch« [soLatoren (l6) als Distanzhalter befinden.

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