DE1945193C

DE1945193C - Energy exchange device for flowing media of a nuclear energy source

Info

Publication number: DE1945193C
Application number: DE19691945193
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Hannemann, Dieter, Dipl Phys , 4630 Bochum
Filing date: 1969-09-06
Publication date: 1973-05-17

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung strömender Medien durch den Kernstrahlungsschutzscl'ld einer nuklearen Energiequelle in einem dreidimensional uewunilenen, den Kernstrahlungsscluitzschild durchsetzenden Strömungskanai. The invention relates to a device for guiding flowing media through the nuclear radiation protection cl'ld a nuclear energy source in a three-dimensional uewunilene, the nuclear radiation cluster shield penetrating flow channels.

Eine derartige Vorrichtung, jedoch mit ;inem zweidimensional gewundenen Strömungskanyl, ist aus der britischen Patentschrift 1120 078 bekannt.Such a device, but with; inem two-dimensional winding flow kanyl, is known from British patent specification 1120 078.

Bei der aus der britischen Patentschrift 1 1"O 078 bekannten nuklearen Energiequelle sind zur Durchführung des Wärmetransportmi'.tels durch den Kernstrahlungsschutzschild gewinkelte Kanäle vorgesehen. Diese Kanäle liegen jeweils in einer Ebene; sie sind also »zweidimensional« und schwächen damit den wirksamen Absorptionsquerschnitt des Kernstrahlungsschut/schildes. Außerdem erweist sich der scharfe rechtwinklige Knick in den Strömungskanälcn insofern als Nachteil, als er einen erhöhten Strömungswiderstand bedeutet.In the case of the British patent 1 1 "O 078 known nuclear energy sources are used to carry out the heat transport medium through the nuclear radiation protection shield angled channels provided. These channels are each in one plane; you are thus "two-dimensional" and thus weaken the effective absorption cross-section of the nuclear radiation protection / shield. In addition, the sharp right-angled kink in the flow channels is evident as a disadvantage, as it means an increased flow resistance.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 279 234 ist ein Transportbehälter für wärmeerzeugende radioaktive Massen bekannt, der nach oben durch einen die radioaktive Strahlung absorbierenden Deckel verschließbar ist. Durch diesen Deckel ist eine Druckluftleitung geführt, die die Form einer zylindrischen Spirale aufweist. Die Herstellung dieser gewundenen Druckluftleitung bereitet jedoch gewisse Schwierigketten, da sie auf Grund ihrer komplizierten Form nicht spangebend gefertigt werden kann. Bei einer spanlosen Herstellung dagegen, z. B. durch Gießen oder Pressen, läßt sich eine bestimmte Rauhigkeit der Oberfläche nur schwer vermeiden. Diese Lösung bedingt daher einen erhöhten Strömungswiderstand auf Grund der Oberflächenrauhigkeit der Kanalwandung. From the German Auslegeschrift 1 279 234 a transport container for heat-generating radioactive masses is known, which can be closed at the top by a cover that absorbs the radioactive radiation. A compressed air line, which has the shape of a cylindrical spiral, is guided through this cover. The manufacture of this winding compressed air line, however, creates certain difficulties, as it cannot be machined due to its complicated shape. In a non-cutting production, however, z. B. by casting or pressing, it is difficult to avoid a certain roughness of the surface. This solution therefore results in an increased flow resistance due to the surface roughness of the duct wall.

Derartige Vorrichtungen finden Verwendung bei Energieaustauscheinrichtungen für nukleare Energiequellen, z. B. für eine Isotopenbatterie. Hier ist die technische Forderung zu verwirklichen, daß die in den radioaktiven Isotopenstäben entstehende Wärme durch den Kernstrahlungsschutzschüd nach außen zum Verbraucher. z.B. einem Wärmeaustauscher od.-r Eneniiewandler. abgeführt wird, ohne daß bei diesem Wärmeiransport radioaktive Strahlung nach außen austritt. Such devices are used in energy exchange devices for nuclear energy sources, e.g. B. for an isotope battery. Here the technical requirement has to be met that the heat generated in the radioactive isotope rods is released to the consumer through the nuclear radiation protection. e.g. a heat exchanger or energy converter. is removed without radioactive radiation escaping to the outside during this heat transport.

Es ist bekannt, als Kühl- bzw. Wurmetransportmittel gasförmige oder flüssige Medien einzusetzen, z. B Helium, schweres Wasser oder flüssige Metalic. die in einem eeschlossenen Kühlkreislauf die Wärme am Ort der "Entstehung in der stark radioaktiven Umgebung der Isotopenstäbe aufnehmen, zum Verbraucher hinströmen, dort ihre Wärme abgeben und zum Wärmeerzeuaer zurückströmen. Eine Änderung des Aceregatzusiandes des Kühlmittels während ei -.er Umlaufperiode ist dabei möglich.It is known to use gaseous or liquid media as a coolant or worm transport, z. B helium, heavy water or liquid metalic. the heat in a closed cooling circuit at the place of "origin in the highly radioactive Take up the surroundings of the isotope rods to the consumer flow there, give off their heat and flow back to the heat generator. A change of the aceregatzusiandes of the coolant during A period of rotation is possible.

Die Umwälzung des Kühlmittels kann durch Pumpen. Schwerkraft- oder Druckunterschied bewirk; werden (Euler: «Energie-Direktwandlung'-·. Ak'J. Verl. Ges.. Ffm.).The circulation of the coolant can be done by pumping. Cause gravity or pressure difference; (Euler: «Energie-Direktwandlung'- ·. Ak'J. Verl. Ges .. Ffm.).

AK Kühlmittel kann in an sich bekannter Vs. ,. ein flüssiges Metall, U B. Natrium) gewählt werJ in Jas die Radioisotopen eintauchen.AK coolant can be used in Vs., known per se. a liquid metal sodium U) werJ selected immerse the radioisotopes in Jas.

Durch die in den Wntopen^täK-n frei wenJv .·, Wärme wird die Flüssigkeit m der Umgebung Λ: Stäbe \erdampft. Der Sattd-mpf strömt durch e:: . 1 Kanai zum Verbraucher, der ein Wärmetauscher ·.· < ■■: ein Eneraiewandler (Thermoelement. Thermionic Wandler) sein kann. Dort wird dem dampfförm· Kühlmittel Wärme entzogen, wodurch es konden- ·.-:: und ein Unterdruck entsteht. Das Kondensat ' ν infolge Schwerkraftwirkung durch den Kanal in ■', Flüssigkeitsbad zurück, womit der Kreislauf ; Kühlmittels geschlossen ist. Die Druckdifferenz sehen Oberfläche des Flüssiekeitsbades und Korn: sationsfläche des Verbrauchers bewirkt die Ström·; des Dampfes, die Schwerkraft dagegen die Stroms;· _;. des Kondensats. Der örtlich im Kühlkreislauf he·;-sehende Druck wird bestimmt j'irch die örtK:,. Temperatur, da beide Größen im Sattdampfeelv.e; funktional direkt miteinander verknüpft sind: π i: steigender Temperatur steigt auch der Sattdanij ■; druck. Demnach bestimmt der Temperaturunterschied am Wärmeerzeuger und -verbraucher den Dampfdurchsatz (Dampfgewicht pro Zeiteinhei.). Steigt z. B. die Temperatur in den Radioisotopen infolge verminderter Kühlung — steigt auch d.r Dampfdruck in der Flüssigkeit; damit vergrößert sich die Druckdifferenz zum Verbraucher, und die Dampfströmungsgeschwindigkeit wird gesteigert. Steigt dagegen die Temperatur am Verbraucher — infolge verminderter Kühlung — erhöht sich der Kondensationsdruck, die Druckdifferenz zwischen Erzeuger und Verbraucher vermindert sich, und der Dampfstrom geht, zurück, wodurch ebenfalls die Temperatur in den Isotopenstäben ansteigt. Das Kühlmittel wird also durch das Druck- bzw. Temperaturgefälle zwischen dem Ort der Verdampfung und dem der Kondensation umgewälzt — eine fremde Energiequelle wird nicht benötigt.By the Wntopen ^ Taek-n free wenJv · Heat the liquid m around Λ. Erdampft rods \. The Sattd-mpf flows through e ::. 1 channel to the consumer, which can be a heat exchanger ·. · < ■■: an energy converter (thermocouple. Thermionic converter). There, heat is withdrawn from the vaporous coolant, causing condensation and negative pressure. The condensate 'ν due to the effect of gravity through the channel in ■', liquid bath back, with which the circuit; Coolant is closed. The pressure difference can be seen between the surface of the liquid bath and the grain: the surface of the consumer causes the flow; of steam, gravity, on the other hand, of electricity; · _; . of the condensate. The local pressure in the cooling circuit is determined by the local K:,. Temperature, since both quantities are in the saturated steam range; are functionally directly linked with each other: π i: increasing temperature also increases the sattdanij ■; pressure. Accordingly, the temperature difference between the heat generator and the heat consumer determines the steam throughput (steam weight per unit of time). Increases z. B. the temperature in the radioisotopes as a result of reduced cooling - the vapor pressure in the liquid also rises; this increases the pressure difference to the consumer, and the steam flow rate is increased. If, on the other hand, the temperature at the consumer rises - as a result of reduced cooling - the condensation pressure increases, the pressure difference between generator and consumer decreases, and the steam flow decreases, which also increases the temperature in the isotope rods. The coolant is therefore circulated due to the pressure or temperature gradient between the place of evaporation and the place of condensation - an external energy source is not required.

Die Erfindung hat den Zweck, die in den Radioisotopen entstehende Wärme bei geringer Temperaturdifferenz zwischen Erzeuger und Verbraucher ohne fremde Energie für die Umwälzung des Kühlmittels abzuführen, ohne daß Kernstrahlung nach außen austritt. Die geringe Temperaturdifferenz ist aus Gründen der Werkstoffestigkeit und der Betriebssicherheit anzustreben, wenn man von einer vorgegebenen Temperatur am Verbraucher ausgeht. Ent-The purpose of the invention is to reduce the heat generated in the radioisotopes at a low temperature difference between producer and consumer without external energy for the circulation of the coolant dissipate without nuclear radiation escaping to the outside. The small temperature difference is to strive for reasons of material strength and operational safety, if one of a given Temperature at the consumer goes out. Development

scheidend für die Größe der Temperaturdifierenz ist der Druckabfall m dem Kanukj stern, bedingt durch seinen Strömungswiderstand. °is crucial for the size of the temperature difference the pressure drop in the Kanukj star, caused by its flow resistance. °

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, das Kühlmittel unter geringsten Stromungsverlusten ohne Schwächung des wirksamen Absorptionsquerschnitts durch den Schuuschild hindurchzuführen und diese zwei Forderungen, deren Wirkungen sich gegenseitig sch^;a, mit einem minimalen fertigungstechnischen \uhvand izemeinsam liehen.The object on which the invention is based is to supply the coolant with the lowest possible flow losses without weakening the effective absorption cross-section to pass through the shoe sign and these two demands, their effects mutually sch ^; a, with a minimal production engineering \ uhvand ize borrowed together.

Diese Aufgabe wird
Nornchtung dadurchThis task will
Notwithstanding this

zuto

bei der eingangs genannten gelöst, daß erfindungsgemäßsolved in the aforementioned that according to the invention

der Strömungskana! von der Oberfläche eines Schraubengewindeganges, der in die Mantelfläche e nes zylindrischen Kanalkörpers eingearbeitet ist. und der Oberfläche einer den Kernstrahlungsschutzschüd durchdringenden Durchgangsbobrung gebildet ist. in die der Kanalkirper eingepaßt einstuzbar ist. und daß ' - ' "■" ' "' '" the flow channel! from the surface of a screw thread which is worked into the outer surface of a cylindrical channel body. and the surface of a through hole penetrating the nuclear radiation protection damage is formed. into which the canal body can be fitted. and that '-'"■"'"''"

Durchgancsbohrung mindestens um die Hol· des Strömungskanak grober ist als die Dicke des Kernstrahlcwhutzschildev The through-hole is at least coarser by the length of the flow channel than the thickness of the core jet protection shield

Die die Erfindung aufweisende Vorrichtung bietet folgende Vorteile·The device incorporating the invention provides the following advantages

1. Die wirksame Dicke S des Kernsirahlungsschutzschildes I wird nur um den Betrag 15, der gleich der Kanalhohe ist, geschwächt. Wenn .S die erforderliche Dicke für den Kern-Ein Ausführunüsbeispicl der die Erfindung aufweisenden Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im iolsenden näher beschrieben.1. The effective thickness S of the core radiation protection shield I is only weakened by the amount 15, which is equal to the channel height. If .S the required thickness for the core-A Ausführungsunüsbeispicl of the device having the invention is shown in the drawing and is described in more detail in iolsenden.

F ic. 1 zeigt "eine Isotopenenergiequelle in ihrem schematichen" Aufbau mit dem erfinderischen Kanalkörper?; der inF ic. 1 shows "an isotope energy source in its schematic" construction with the inventive channel body ?; the in

F i g. 2 als Einzelteil dargestellt ist.F i g. 2 is shown as a single part.

In einem hohlzylindrischen Körper, bestehend aus den Teilen 1, 2 und 3, befinden sich Isotopenstäbe 4, verwirk- ic die von einem Flüssigkeitsbad5 umgeben sind. Der Zylinderdeckel 1 der Zylinderboden 3 und die Z\h:,-derwand2 weisen die wirksame Dicke5 für die erforderliche Absorption der Kernstrahlung auf. [>,τ Zylinderdecke! 1 enthält eine Bohrung, in die j;_T Kanalkörper7 eingesetzt ist. über dem Kanaik·!- per7 ist der Decke! 9 angeordnet, der innen .;;_■ Wärmeaustauschfläche 10 besitzt. Der gesamte zylindrische Körper ist mit einer Wärmeisolation 6 uni-In a hollow cylindrical body, consisting of parts 1, 2 and 3, there are isotope rods 4, which are realized and surrounded by a liquid bath 5. The cylinder cover 1, the cylinder base 3 and the Z \ h:, - derwand2 have the effective thickness5 for the necessary absorption of the nuclear radiation. [>, τ cylinder ceiling! 1 contains a hole into which j; _T channel body7 is used. above the Kanaik ·! - per7 is the ceiling! 9 arranged, the inside. ;; _ ■ heat exchange surface 10 has. The entire cylindrical body is uni-

ben, die nur durch den Deckel 9 unterbroben that interrupted only by the cover 9

die Länge des Kanalkörpers in Richtun» der zo wird, da hier die Wärme abgeführt ..ird. Die Fthe length of the canal body in the direction of zo, since this is where the heat is dissipated. The F

tionsweise der Anlage und insbesondeu die I option des Kaiidlkörpers7 darin sind folgende: The method of operation of the system and in particular the option of the Kaiidl body7 therein are as follows:

Der aus dem Flüssigkeitsbad 5 entstehende D. rr. : uelangt du^rch den wendeiförmigen Strömungskan 8 as zur Wärmcaustauschfliidie 10. Von dort wird iii-j W arme — da hier durch den Deckel 9 die Wäi.v.·.·- isolation 6 unterbrochen ist — an den Verbrate τ abgeführt. Der Kanalkörper 7 im Arsführum. ·>!'..,-The resulting from the liquid bath 5 D. rr. : You uelangt ^r ch the helical Strömungskan 8 as to Wärmcaustauschfliidie 10. From there, iii-j W is poor - as here by the cover 9 Wäi.v. · - is broken insulation 6 - τ discharged to the Verbrate.. The canal body 7 in the Arsführum. ·>! '.., -

g pg p

._. __ spiel ist zylindrisch ausgebildet und in die Bo!;-._. __ game is cylindrical and in the Bo!; -

strahlungsschut/schild 1 ist. so braucht der \or- 30 des Kernstrahlunasschutzschildes 1 eingepaßt.
zugsweise />lindrische Ku._r.τ 7 mit dem einge- untere Stirnfläche" verläuft senkrecht zur ZylmiRadiation protection / shield 1 is. so the \ or- 30 of the nuclear radiation protection shield 1 needs to be fitted.
preferably /> Lindrian Ku. _r . τ 7 with the lower end face "runs perpendicular to the cylinder

. achse, die obere dagegen ist leicht g.-neigt, damn. axis, the upper one is slightly g.-inclined, damn

von der Wärmeaustauschfliche 10 herabtropfe
Kondensat gut in die StrömungskanalöfTnungdrip down from the heat exchange surface 10
Condensate well into the flow channel opening

arbeiteten Kanal 8 nur die Höhe \om Betrag
(S ■·■ IS) aufzuweisen, damit er denselben Kernstrahlungsschutz bietet wie der umgebende _. _.- _ö channel 8 only worked the amount \ om
(S ■ · ■ IS) so that it offers the same protection against nuclear radiation as the surrounding _. _.- _ö

Kernstrahlungssch itzschild 1 mit der wirksamen 35 fließen kann" Der Strömungskanal, der einen
Dicke.? tischen Querschnitt der Breite j S aufweist, verladtNuclear radiation shield 1 with the effective 35 can flow "The flow channel that one
Thickness.? table cross-section of width j S has loaded

2. Der durch die geometrische Form bedingte in der Form einer Schraubenlinie konstanter Kr-.n.i-Strömungswi'^Jerstand des erfindungsgemäß pus- mung und Steigung und gewährleistet einen siehe; .n gebildeten Kanals 8 ist sehr gering, da keine Abfluß des kondensierten Dampfes zurück in d.ts scharfen Krümmungen und demzufolge keine 40 Flüssigkeitsbad 5. Die Höhe des zylindrischen Kanalstarken Beschleunigungen bzw. Verzögerungen körpers 7, beträgt an der aerinusten Stelle wegen der der Strömung auftreten. Die Erfindung vermei- Neigung de, Stirnfläche f - Cs, wobei S die erfordet hiermit einen bestehenden Nachteil im Stand derliche Dicke des Kernstrahiungsschutzschiidcs 1 der Technik, wo starke Strömungsumlenkungen ist. Betrachtet man verschiedene mögliche Straheinen relativ hohen Druckabfall bewirken. 45 lungsrichtungen — von der senkrecht bis zur diaso-(VgI. britische Patentschrift 1 120078, Fig. 2 nafdurch den Kanalkörper7 austretenden Kernstrahlung — so wird sich immer eine wirksame Absorptionsdicke ergeben, die gleich oder größer als der Betragt ist, d.h. der Kernstrahlungsschutzschild 50 wird an keiner Stelle geschwächt. Die bei senkrechtem Gtranlungsaustritt um die Kanalhöhe.15¹ geschwächte wirksame Absorptionsdicke des Kanalkörpers wird durch die gegenüber dem umgebenden Kernstrahlungsschutzschild um .15 größere Höhe des 55 Kanalkörpers kompensiert.2. The induced by the geometric shape in the form of a helix of constant Kr-.ni-Strömungswi ^'J bought the inventive pus- and mung slope and ensures see; .n formed channel 8 is very small, since no outflow of the condensed vapor back in d.ts sharp curves and consequently no 40 liquid bath 5. The height of the cylindrical channel strong accelerations or decelerations body 7, is at the aerinost point because of the flow appear. The invention avoids the inclination of the end face f-Cs, where S hereby requires an existing disadvantage in the prior art thickness of the nuclear radiation protection shield 1 of the art, where there are strong flow deflections. If one considers different possible jets, a relatively high pressure drop can result. 45 directions - from the nuclear radiation exiting through the channel body 7 perpendicular to the diaso- (VgI. British patent specification 1 120078, Fig. 2) - an effective absorption thickness will always result which is equal to or greater than the amount, ie the nuclear radiation protection shield 50 ^{The effective absorption thickness of the canal body, which is weakened by the canal height.15 1} when the water flows out vertically, is compensated for by the height of the canal body being .15 greater than that of the surrounding nuclear radiation protection shield.

Wählt man den Innendurchmesser des schraubengewindeähnlichen Kanals in der Größenordnung von S, so ergibt sich auch bei diagonalem Strahlungsaustritt immer eine Absorptionsdicke, die gleich oder größer als 5 ist.If the inside diameter of the screw thread-like channel is in the order of magnitude of S, an absorption thickness that is equal to or greater than 5 always results, even with diagonal radiation exit.

und 3). Infolge des geringen Strömungswiderstandes ergibt sich eine geringe Temperaturdifferenz zwischen Wärmeerzeuger und -verbraucher. and 3). As a result of the low flow resistance, there is a small temperature difference between heat generator and heat consumer.

3. Die stetige Neigung des Kanals gewährleistet •ainen sicheren Rückfluß des Kondensats.3. The constant incline of the channel ensures a safe return flow of the condensate.

4. Die Herstellung der die Erfindung aufweisenden Vorrichtung kann auf einfache und daher vrirtschaftliche Weise erfolgen:4. The manufacture of the device having the invention can be simple and therefore economical way:

Die Bohrung in dem Kernstrahlungsschutzschild sowie der Kanalkörper selbst zeichnen sich durch einfache geometrische Formen aus, die für die spangebende oder auch die spanlose Fertigung keine Schwierigkeiten bereiten.The hole in the nuclear radiation protection shield and the channel body itself stand out by simple geometric shapes, which are suitable for cutting or non-cutting Manufacturing do not cause any difficulties.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

Claim:

Device for guiding flowing media through the nuclear radiation protection shield a nuclear energy source in a three-dimensional winding flow channels penetrating the nuclear radiation protection shield, characterized in that the flow channel (3) from the surface of a very-: ο bengewindeganges. the in the lateral surface a cylindrical channel body (7) is incorporated, and the surface of the nuclear radiation protection shield (1) penetrating through-hole is formed. in which the channel body (7) is fitted insertuar. and that the length of the Channel body (7) in the direction of the through hole at least Lns by the height ((5) of the flow channel (8) is greater than the thickness (V) of the Kernstrahlw lUtz'-childes.