DE1924941A1

DE1924941A1 - Mit Salzschmelzen betriebener Brutreaktor

Info

Publication number: DE1924941A1
Application number: DE19691924941
Authority: DE
Inventors: Bettis Edward Sherwood
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1968-05-20
Filing date: 1969-05-16
Publication date: 1970-01-29
Also published as: GB1192000A; FR2011851B1; US3527669A; FR2011851A1; JPS5025592B1; SE330936B; BE733233A

Description

Anmelder: United States Atomic Energy Commission Washington D. C.

Mit Salzschmelzen betriebener Brutreaktor

Die Erfindung betrifft einen mit Brennstoff in Form einer Salzschmelze betriebenen Brutreaktor mit besonders günstiger Ausgestaltung der Brennstoffzellen.

In der folgenden Erläuterung wird von den folgenden Begriffsbestimmungen ausgegangen.

Als aktiver Corebereich wird der das Spaltmaterial aufnehmende innere Reaktorteil mit einer Multiplikationskonstanten gleich oder grosser als 1 bezeichnet.

Der Mantelbereich Timgibt unmittelbar den aktiven Oorebereich und enthält das durch Neutroneneinfang zur Umwandlung in spaltbares Material bestimmte Brutmaterial. Als spaltbares Material wird dabei jedes durch Neutronen beliebiger Energie spaltbare Material und als Brutmaterial jedes durch "Neutronen

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einfang in spaltbares Material umwendeIbare Material angesehen. Unter einem Brutreaktor oder Brüter wird ein spaltbares Material aus Brutmaterial erzeugender Reaktor verstanden, der mehr spaltbares Material erzeugt, als er verbraucht.

Bei der Auslegung von mit SpIζschmelzen betriebenen Brutreaktoren müssen für den Oore Gr⁰^h^-T tt°ile verwendet werden,

W die die erforderlichen stn^t^rellen und nuklearen "Eigenschaften aufweisen. Dabei entstehen Schwierigkeiten infolge der durch Bestrahlung oder Wärmeeinwirkung eintretenden Graphit ausdehnung oder -schrumpfung. Dies ist insbesondere dann kritisch,-wenn das Verhältnis von Brutmaterial und spaltbarem Material eingestellt und aufrechterhalten v/erden muss. Infolge des grossen Feutroneneinfangsquerschnittes des Brutmaterials bedarf zwecks Vermeidung unerwünschter Reaktivitätsschwankungen das Verhältnis von Brutmaterial und spaltbarem Material

fe einer zuverlässigen Einstellung und Regelung für den jeweils vorliegenden Reaktor. Aufgabe der Erfindung ist es, diese Realctivitätsschwankungen infolge von Abmessungsänderungen der Graphitteile auszugleichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein mit Brennstoff in Form einer Salzschmelze betriebener Brutreaktor mit mehreren langgestreckten, senkrecht in einem Bündel angeordneten Brennstoffzellen derart ausgestaltet wird, dr>ss die Zellen nestfb'rmig im gegenseitigen Abstand angeordnete, innere, mittlere und äussere Rohrleitungen enthalten, wobei die innere Rohrleitung"

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einen ersten, inneren Kpnal und mit der mittleren Rohrleitung einen zweiten, mittleren Kanal, und die mittlere mit der äusseren Rohrleitung einen dritten äusseren Kanal bildet, erste Verschlussmittel an den oberen Enden der inneren und mittleren Rohrleitung vorgesehen sind, die innere Rohrleitung über wenigstens eine, den Verschlüssmitteln benachbarte öffnung den ersten und zweiten Kanal miteinander verbindet, an den unteren Enden der inneren und mttleren Rohrleitungen angreifende Mittel diese abstützen und gleichzeitig die inneren und mittleren Kanäle miteinader verbinden, am oberen Ende der äusseren Rohrleitung angreifende Mittel diese abstützen und gleichzeitig die das Brutmaterial enthaltende Salzschmel- , ze durch den äusseren, dritten Kanal leitende Mittel die oberen Enden der inneren und mittleren Rohrleitungen radial abstützen, aber eine Axialbewegung der-selben zulassen, und Mittel das untere Ende der äusseren Rohrleitungen radial abstützen, aber eine ungehinderte Axialbewegung derselben zulassen«

In den Zeichnungen zeigt die Figur 1 schematisch im Längsschnitt einen erfindungsgemässen, mit Brennstoff in Form einer Salzschmelze betriebenen. Brutreaktor\

die Figur 2 zeigt im Detail eine in diesem Brutreaktor ver wendete- Brennstoffzelle- im—Läag-sschniit-,—und—die—Figua^JJ—diese im Querschnitt. _t

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In der Figur 1 "besteht das Reaktorgefäss 1 aus einem oben und unten durch die schuss eiförmigen Deckplatten 2 und 3 abgeschlossenen Hohlzylinder 1, der mitsamt den in ihm enthaltenen Bauteilen von einem Stützring 4 getragen wird. Durch die Mitte der den unteren Zylinderteil abschliessenden Deckplatte 3 ist die an der Durchführungsstelle integral mit ihr verbundene Brennstoffzufuhr mit dem Auslassrohr 6 geführt, durch die an der Durchfuhrungsstelle das mit einem nicht gezeigten Wärmeaustauscher verbundene Einlassrohr 5 führt.

Im Reaktorgefäss ist der aus einer Vielzahl von langgestreckten, senkrecht angeordneten Brennstoffzellen 9 besteifende Core von einem Graphitreflektor 7 und einem radialen Mantel aus hohlen Graphitrohren 8 umgeben. Die das spaltbare Material enthaltende Salzschmelze (kurz als "Brennstoffsalz" bezeichnet) fliesst über die Ein- und Auslasssammelräume 10, 11 in die bzw. aus den weiter unten näher beschriebenen Brennstoffzellen. Das Brennstoff salz fliesst über das Einlassrohr 5 und den Sammelraum 10 in den Oorebereich, zirkuliert nach oben durch die Brennstoffzellen 9 imd tritt über den Auslaßsammelraum 11 und das Rohr 6 in einen nicht dargestellten Wärmeaustauscher. Die das Brutmaterial enthaltende Salzschmelze (kurz als "Brutmantelsalz" oder als "Mantelsalz" bezeichnet), ··. tritt am Reaktorkopf über die Leitung 12 in den Sinlaßsammelraum 13. Dieser versorgt über das gleichzeitig zur radialen und axialen Abstützung der Brennstoffzellen 9 dienende Speise-

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rohr 14 die Zellen mit Brutmantelsalz. Jedes Speiserohr 14 ist mit dem den Boden des Einlaßsammeiraums 13 "bildenden Rohrblech 15, sowie mit den die Brennstoffzellen verschliessenden Stöpseln 16 metallurgisch verbunden.

Die in den Figuren 2 und 3 näher dargestellten Brennstoffzellen sind in jedem Falle aus die Kanäle 20, 21, und 22 bildenden konzentrischen äusseren, mittleren und inneren Graphitrohren 17) 18 und 19 aufgebaut. Die inneren und äusseren ' Graphitstöpsel 23 "und 24 verschliessen die. oberen Enden der Rohre 18, 19 und halten sie in konzentrischem Abstand. _Ein geschlitztes Verlängerungsrohr ist mit dem äusseren Graphitstöpsel 24 verschraubt und ist weiter nach oben bis zum gleitenden Eingriff in das Rohr 14 geführt. Ein Einlaßstutzen 26 und ein hierzu konzentrischer Auslaßstutzen 27 aus Metall greifen an die unteren Enden der inneren und mittleren Rohre 19, 18, stützen diese axial und radial ab und verbinden die Kanäle 22, 21 mit den zugeordneten Sammelräumen 10 bzw. 11. Die Verlängerungsstutzen 26, 27 sind an ihren unteren Enden •mit dem die .obere Abschlusswand der Sammelräume .10 bzw. 11 bildenden Rohrblechen 10· bzw. 11' metallurgisch verbunden.-Am Stutzen 27 festgelegte, federnde Abstandshalter aus Metall 28 reichen radial nach aussen und greifen gleitbar in das Rohr, dieses radial abstützend.

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Das in den Sammelraum 10 tretende Brennstoffsalz fliegst aufwärts durch den inneren Kanal 22 in den obersten Teil des aktiven Corebereichs, und tritt dort über die öffnungen 29 in den Kanal 21, fliesst diirch diesen abwärts in den Sammelraum 11, und durch den Auslass 6 in einen nicht gezeigten Wärmeaustauscher. Das in den Auslaßsammeiraum 11 abgegebene Brennstoffsalz wird dabei beim Durchgang durch die Brennstoffzellen durch die Spaltwärme erhitzt. Entsprechend der Pliessrichtung der gestrichelten Pfeile strömt das Mantelsalz aus dem Sammelraum 13 durch die Speiserohre 14 und die geschlitzten Verlängerungsstutzen 25 in die Brennstoffzellen 9. Ein Teil verbleibt dabei als oberer, axialer Mantel in dem im oberen Teil J3der Brennstoffzellen vorgesehenen Hohlraum 30 über dem aktiven Corebereich. Das Mantelsalz fliesst ■ dann aus dem Hohlraum 30 abwärts durch den Kanal 20 in einen unteren Majatelbereich 31 unter dem aktiven Gore, und sodann radial nach aussen in die hohlen Graphitrohre 8, worauf ein kleiner Teil nach oben durch die Rohre 32 in einen Auslaßsammelraum 33 "und von da über die Leitung 3^ in einen nicht gezeigten Wärmeaustauscher fliesst. Der grössere Teil des Mantelsalzes verlässt den Reaktor über den unteren Auslasp 35-

Jede dieser Brennstoffzellen 9 arbeitet zuverlässig trotz etwaiger Veränderung der Abmessungen der Graphitteile. Eine axiale Schrumpfung wird durch den gleitenden Eingriff von

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Verlängerunsstutzen 25 und Rohr 14, sowie federnde'n Abstandshaltern 28 und Rohr 17 ausgeglichen. Durch Bestrahlung oder Wärmeeinwirkung verursachte Veränderungen in den Abmessungen der Graphitkomponenten dieser Brennstoffzellen ändern den gegenseitigen Abstand der Rohre 17» 18 und 19 nur unwesentlich, so dass das Verhältnis von Brennstoff und Brutmantel im aktiven Corebereich praktisch konstant bleibt. Ein konstantes Verhältnis erleichtert aber die Einhaltung der Reaktivität sstabilität des Reaktors trotz Graphitausdehnung oder -schrumpfung und vereinfacht damit den Regelbetrieb .und ein kontinuierliches Fahren unter optimalen Bedingungen.

Die Regelung der Reaktivität des Reaktors beruht auf dem starken negativen Einfluss des jeweils im aktiven Gorebereich befindlichen Mantelsalzes auf die Reaktivität des Reaktors. Das Mantelsalz wird in die Zwischenräume der Brennstoffzellen bis zu einer der angestrebten Reaktivität entsprechenden Höhe gefüllt. Bei abgeschaltetem Betrieb steigt z. B. das Mantelsalz bis zu.einer Höhe in der Nähe der Mitte (in der Senkrechten gesehen) des Gore, um den subkritischen Zustand einzustellen. Die gezeigte Mitte dient dabei lediglieh der Erläuterung und kann im Einzelfall höher oder niedriger liegen* Durch Einführen eines Druckgases an geeigneter Stelle, a. B. durch den Einlass 36» wird eine entsprechende Menge Mantelmaterial, z. B* Ms zur Höhe der gestrichelten Linie verdrängt, bis der Reaktor kritisch wird· Mit geringeren

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Änderungen der Füllhöhe ctes Mantelmaterials lässt sieh eine , , __ -

Feineinstellung der Reaktivität erreichen. Im Notfälle wird durch Ablassen des Druckgases die Höhe des Mantelsalzes auto- . I matisch angehoben und der Beaktor subkritisoh und damit abge- j schaltet. Eine weitere Eegelung ist vermittelseentral ange- ' ordneter, hohler Regelstäbe aus neutronenabsorbierendem Material aufnehmende Graphitzylinder 38 möglich.

Für die Metallteile des Gore, z. B· die Verlängerungsstutzen 26, 27, die Rohre 14 und die Eohrbleche 15 könaen korrosionsbeständige Basislegierungen entsprechend dem TJSA Patent 2,921,850 günstig zum Einsatz gelangen. Weitere Reaktorteile, z. B. der Ring 4-, das Reaktorgefäss und alle Leitungen, die dem Brennstoff- oder Mantel salz ausgesetzt sind,,können aus den gleichen Legierungen hergestellt werden.

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Claims

Patentansprüche

Mit Brennstoff in Form einer Salζschmelze betriebener Brutreaktor mit mehreren langgestreckten, senkrecht in einem Bündel angeordneten Brennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen nestförmig im gegenseitigen Abstand angeordnete innere, mittlere und äussere Rohrleitungen (19, 18, 17) enthalten, wobei die innere Rohrleitung einen ersten, inneren Kanal (22) und mit der mittleren Rohrleitung einen zweiten, mittleren Kanal (21), und die mittlere mit der äusseren Rohrleitung einen dritten äusseren Kanal (20) bildet, erste Verschlussmittel (23, 24) an den oberen Enden der inneren und mittleren-Rohrleitung vorgesehen sind, die innere Rohrleitung über wenigstens eine, den Verschlussmitteln benachbarte öffnung (29) den ersten und zweiten Kanal miteinander verbindet, an den unteren Enden der inneren und mittleren Rohrleitungen (19, 18.) angreifende Mittel (26, 2?) diese abstützen und gleichzeitig die inneren und mittleren Kanäle miteinander verbinden, am oberen Ende der äusseren Rohrleitung angreifende Mittel (14) diese abstützen und gleichzeitig die das Brutmaterial enthaltende Salzschmelze durch den äusseren, dritten Kanal leitende Mittel (25) die oberen Enden der inneren und mittleren Rohrleitungen radial abstützen, aber eine Axialbewegung der-selben zulassen, und Mittel (28) ' das untere Ende der äusseren Rohrleitungen radial abstützen, aber eine ungehinderte Axialbewegung derselben zulassen-·

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2. Brutrealebor gemäss dem, Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, dass die an den unteren Enden der inneren und mittleren Rohrleitungen angreifenden Mittel (26, 27) erste und zweite, unter den Rohrleitungen angeordnete Rohrfoieche (10·, H^1-) enthalten, die über konzentrische Rohrstutzen mit den Rohrleitungen verbunden sind.
3. Brutreaktor geniäss dem Inspruch 2, dadurch geiren&zeichnet, dass die Mittel (28) wenigstens einen federnden, mit dem Rohrstutzen (27) verbundenen und an der äusseren Eohrleitung (17) gleitbar angreifenden Abstandhalter enthalten.
4. Brutreaktor gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die am oberen Ende der äusseren Rohrleitung angreifenden Mittel (IA) ein oberhalb dieser Rohrleitung angeordnetes, drittes Rohrblech (15) aufweisen, im oberen Ende der äusseren Rohrleitung ein Stöpsel (16) befestigt ist, und die aas sere Rohrleitung über einen durch- den Stöpsel geführten Rohrstutzen mit dem oberhalb des dritten Rohrbleelis Tbefindliciieii Raum in Verbindung steht.
5. Brutrealrfc or gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

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die aus einem oberen, offenen, perforierten Verlängerungsrohr bestehender. Mittel (25) in die ein Metallrohr atifweisenden Mittel (14) gleitbar eingreifen.

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6. Brutreaktor gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel ($B) zur Realcbivitätsänderung des Reaktors durch Xb- und .Zugabe von Brutmaterial vom t>sw. in den Gore, insbesondere durch Einlass eines mehr oder ^eiliger Brutmaterial aus den "Brennstoffzellenzifischenräunen verdrängenden gasförmigen Druckmittels.,

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