DE2029820A1 - Aus einer Strahlungsquelle be heizter Dampfkessel fur Energieerzeuger - Google Patents

Description

Patentanwalt· Dlpl.-Ing. R. B E E T Z «en. ~««_ΑΛΑΑ

Dlpl-Ing. K. LAMP^ECHT 2029820

Dr.-Ing. R. B E S T Z Jr.

• München 22, Steinsdorf «tr, 10

410-15.799P 16.6.1970

Commissariat ä l'Snergie Atomique

29, rue de la Federation, Paris 15^e (Prankreich)

Aus einer Strahlungsquelle beheizter Dampfkessel

für Energieerzeuger

Die Erfindung bezieht sich auf durch eine Strahlungsquelle beheizte Dampfkessel für Energieerzeuger, insbesondere zur Energieversorgung von Elektrogeneratoren großer Leistung.

Elektrogeneratoren, deren Energie aus einer Isotopenstrahlung stammt, können in Abhängigkeit von ihrer Leistung unterteilt werden in Mikrogeneratoren, Generatorenmittlerer Leistung und Generatoren großer Leistung·

Es sind insbesondere bereits Elektrogeneratoren großer Leistung mit Energieumwandler bekannt, deren Energiewandler nach dem Clausius-Rankine-Prozeß arbeiten und von einem Dampfkessel gespeist werden, dessen Brennstoff eine radioisotope Energiequelle ist, die aus Cobalt-60-Platten mit

3198.3)L-r

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doppelter Umhüllung besteht, die ihrerseits im Mittelpunkt eines sphärischen Druckgehäuses aus Wolfram angeordnet sind.

Die vorliegende Erfindung betrifft nun einen durch Isotopenenergie gespeisten Dampfkessel für Leistungsgeneratoren, insbesondere Elektrogeneratoren großer Leistung, der mit einem Energieumwandler oder Wärmetauscher gekuppelt ist» Dieser Dampfkessel ist im wesentlichen gekennzeichnet durch ein Gehäuse in Form eines Rotationskörpers aus nicht-oxydierendem Stahl, das außen-mit einer Wärmeisolierung aus Schichtmaterial wenig leitenden und reflektierenden Schichten versehen ist) eine in dem Gehäuse angeordnete Isotopen-Strahlungsquelle, bestehend einerseits aus zwei Rotations-Wrper-Blöcken aus einem Material, das einen guten Strahlungsschutz bildet und eine gute Wärmeleitfähigkeit hat, die beide in geringem Abstand voneinander in dem Gehäuse derart angeordnet sind, daß ihre Rotationskörperachsen mit der des Gehäuses zusammenfallen, wobei jeder dieser Blöcke eine Umfangsausnehmung hat, in die sich genau ein Ringkörper aus einem Material einfügt, dessen Absorptionskoeffizient für aktive Strahlung größer als der der Blöcke ist, andererseits einer Ladung aus strahlendem Material in Form einer Reihe von radioaktiven, mit Schutzhüllen versehenen Platten, die sich in dem Zwischenraum zwischen den Blöcken befinden, die Form von sehr flachen Scheiben haben, deren große Flächen senkrecht zur Drehkörperachse der Blöcke liegen und in Säulen aufgeschichtet sind, von denen jede zwischen den Blöcken eingespannt ist; ferner eine die Strahlenenergiequelle zur Kühlung umspülende organische Flüssigkeit, deren Siedepunkt höher als 250 G liegt; einen eigentlichen Kessel, dessen Boden den dicht abschließenden Deckel des. Druckgehäuses bildet; schließlich ein Sicherheitsorgan, das

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bei einer gegebenen Temperatur schmilzt, an dem oberen Block und dem Deckel angelötet oder angeschweißt ist und im Fall einer gefährlichen Erwärmung der Strahlungsenergiequelle ein Abfallen des Gehäuses und der Strahlenenerauslöst·

Die Schichtmaterialisolation, welche die Wärmeisolierung des Kesselgehäuses bildet, setzt sich beispielsweise aus feinen Glasseidevliesen bzw. Glaswolle-Lagen und sehr dünnen Aluminiumfolienlagen zusammen.

Vorteilhafterweise sind die beiden Rotationskörperblöcke aus Kupfer und die Ringanordnung, die sich in die Umfangsausnehmungen dieser Blöcke einfügt, besteht aus an spaltbarem Material verarmten Uran·

Die Tabletten, welche die "Ladung" strahlender Elemente bilden, bestehen vorzugsweise aus Cobalt 60 und ihre Hüllen aus nichtoxydierendem Stahl«

Das organische Kühlmittel, das die gesamte Baugruppe aus der radioisotopen Strahlungsquelle, den Blöcken und dem Uranring umspült, ist vorzugsweise ein Gemisch aus Diphenyl und Diphenyloxid in geeignetem Verhältnis, etwa im eutektische« Verhältnis, oder flüssiges Natrium oder eine Mischung aus flüssigem Natrium und Kalium»

¥eitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels ergeben, das in der einzigen Figur der Zeichnung veranschaulicht ist} die Zeichnung stellt in einem vertikalen Axialschnitt einen von einer radioaktiven

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Strahlenquelle beheizten Kessel gemäß der Erfindung dar, der mit einem Leistungsgenerator zusammengebaut ist.

Der erfindungsgemäße Kessel, wie ihn die Darstellung eines ausgewählten Ausführungsbeispiels zeigt, besteht im wesentlichen aus

einem Druckgefäß 1 in Rotationskörperform, das an seiner "Außenseite mit einer Wärmeisolation in Form eines Schichtmaterials 2 bedeckt ist, einer Radioisotopen-Energiequelle, die einerseits von zwei Blöcken 3 und k aus Kupfer (oder aus Wolfram) begrenzt ist, in deren Umfangsausnehmungen Teile eines Ringes 5 aus an aktivem Material verarmten Uran (oder auch Wolfram) und ein innerer zweiteiliger Kupferring eingefügt sind und andererseits aus einer "Ladung" von strahlendem Material,hier gebildet aus einer Reihe von Tabletten 6, beispielsweise aus Cobalt 60 oder aus Strontium, die mit Hüllen aus nicht oxydierbarem Stahl versehen sind und in Form von aufgeschichteten Säulen zwischen den Blöcken 3 und k festgeklemmt sind; die Baugruppe der Radioisotopen-Energiequelle wird mittels einer Flüssigkeit 7 gekühlt, beispielsweise einer Mischung aus Diphenyl und Diphenyloxyd,

weiter einem eigentlichen Kessel 8, dessen Boden 9 die Rolle eines dicht abschließenden Deckels des Gefäßes bildet,

ferner einem Sicherheitsstöpfen 10, der bei etwa 320 C schmilzt und mit dem Drukgefäß 1 und dem Deckel 9 dieses Druckgefäßes verlötet oder verschweißt ist, ferner einem Sicherheitsorgan 15, das bei etwa 400 °C schmilzt und an den Block 3 sowie den Deckel 9 angelötet oder angeschweißt ist.

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Der gesamte erfindungsgemäße Dampfkessel, wie er oben beschrieben wurde, ist in der Fig. 1 in einer Stellung unterhalb eines Leistungsgenerators dargestellt, beispielsweise eines Elektrogenerators großer Leistung, der jedoch genaugenommen nicht mit zur Erfindung gehört. Dieser Elektrogenerator, dessen Dampfteil in sehr schematischer Weise in der Fig. 1 angedeutet ist, umfaßt einen Energiewandler von zwei Stufen mit zwei unterschiedlichen organischen Flüssigkeiten, die jeweils einen Clausius-Rankine-Prozeß durchlaufen.

Die erste Stufe dieses Energiewandlers (die Stufe mit der höchsten Temperatur) hat als beheizten Kessel den Kessel 8, der bereits oben erwähnt wurde₀ Der Kondensator dieser ersten Stufe (der nicht dargestellt ist), bildet einen Wärmetauscher und damit einen Kessel der zweiten Stufe· Der Kondensator dieser zweiten Stufe ist mit Bezugszeichen 11 bezeichnet und stellt einen Kondensator für natürliche Luftkühlung durch Uragebungsluft dar.

Es ist außerdem noch ein Hilfskondensator 12 für natürliche Luftkühlung vorgesehen, der mit dem oberen Teil des Druckgefäßes 1 im Falle eines anomalen Anstiegs der Temperatur in diesem Druckgefäß in Verbindung gebracht werden kann. Die gesamte Energiewandlergruppe ruht über Stützfüße 16 in Betonfundamenten 17I unterhalb des erfindungsgemäßen Kessels ist eine Grube 18 angeordnet, die durch eine Abdeckscheibe 19 normalerweise abgeschlossen ist. Schließlich werden die beiden Kupferblöcke 3 und 4 der Ringkörper 5 und der Ring 14 durch Zugstäbe 20 hängend an der Stützkonstruktion festgehalten.

' ■ Die Wirkungsweise des Kessels mit Strahlenenergiebe-

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heizung gemäß der Erfindung ergibt sich bereits aus der Zeichnungι

Da die Tabletten oder Platten 6 mit dem Strahlermaterial sehr flache Platten darstellen und die Blöcke 3 und k wesentlich bessere Wärmeleiter darstellen als der Ringkörper 5» wird praktisch die gesamte Wärmeenergie, welche die Tabletten oder Platten 6 abgebeii| durch Leitung in den kegelstuinpff örmigen Teil des Kupferblockes 3 bzw_o des Kupferblockes k abgegeben (der kegelförmige Teil ist in der Figur durch die strichpunktierte Linie 21 angedeutet), die Wärme bringt dann die organische Flüssigkeit 7 zum Kochen und wird anschließend durch Kondensation des Dampfes an den Wärmetauscherrohren des Bodens 9 des eigentlic-\ten Kessels 8 auf dessen Inhalt übertragene

Durch den Ringkörper 5 aus an spaltbarem Material verarmten Uran (oder aus VoIfram) wird nur ein sehr geringer Teil der von den Strahlerplatten ausgehenden Wärme übertragen. Enge mehrfach abgewinkelte Spalte in Form nicht dargestellter Schikanen sind zwischen den Blöcken 3 und 4 und dem Ringkörper 5 vorgesehen, um ein Spiel bestehen zu lassen, das gefahren aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnungen ausschließt; die gesamte Baugruppe aus diesen drei Bauelementen wird durch Zusammenschweißen von an den äußeren Enden der Stoßfugen vorgesehenen Dichtungslippen hermetisch abgeschlossen und dadurch jedes Eindringen von organischer Flüssigkeit 7 in den die "Ladung" an:-;strahlendem Material enthaltenen inneren Raum unterbunden.

Es sind mehrere Sicherheitssysteme gegenjüber^mäßigem

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Atisteigen der Temperatur vorgesehen:

a) Im Fall einer Störung an dem Energiewandler, wenn die Temperatur des Kessels beispielsweise 280 °C erreicht, vird der Hilfskondensator 12 über ein Ventil 13 mit dem oberen Teil des Kesselgehäuses 1 verbunden» Die Kondensation der Dämpfe der organischen Flüssigkeit 7 erfolgt dann in dem Hilfskondensator·

b) Wenn die Temperatur beispielsweise 320 C erreicht, schmilzt der Stopfen 10, und der Innenraum des Kesselgehäuses 1 wird dann auf Atmosphärendruck gebracht und die Unigebungslult gewährleistet eine genügende Kühlung, zumal die maximal zulässige Temperatur der Tabletten oder Platten aus Cobalt 6o in der Größenordnung von 700 C liegt·

c) Im Fall einer totalen Störung des Energiewandlers besteht die letzte Sicherheitsmaßnahme darin, daß die gesamte Baugruppe des Kesselgehäuses 1 und seiner Wärmeisolation von dem Deckel 9 gelöst wird. Wenn die Temperatur beispielsweise 400 °C erreicht, schmilzt das Sicherheitsorgan 15, und der Block 3 sowie mit ihm die gesamte Baugruppe der Strahlungsenergiequelle löst sich von dem Dekkel 9 und fällt in die Grube 18 hinein.

Der erfindungsgemäße Kessel mit Beheizung durch strahlendes Material muß bei sämtlichen Handhabungen, denen er unterworfen wird, sicher genug geschützt sein. Zu diesem Zweck erhält er eine Umhüllung oder einen "Kokon" in Form einer mehrfach durchbrochenen beispielsweise aus Polystyrolschaum hergestellten Schutzumhüllung. '

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   to

   ,1 .J Durch strahlendes Material beheizter Kessel für Leistungsgeneratoren, insbesondere für Elektrogeneratoren großer Leistung) gekennzeichnet durchs ein Gehäuse (i) in Form eines. Rotationskörpers aus nichtoxydierendera Stahl, das außen mit einer Wärmeisolierung aus Schichtmaterial (2) wenig leitenden und reflektierenden Schichten versehen ist j eine in dem Gehäuse angeordnete Isotopen-Strahlungsquelle, bestehend einerseits aus zwei Rotationskörper-Blöcken (3 und h) aus einem Material, das einen guten Strahlungsschutz bildet und eine gute Wärmeleitfähigkeit hat, die beide in geringem Abstand voneinander in dem Gehäuse derart angeordnet sind, daß ihre Rotationskörperachsen mit der des Gehäuses zusammenfallen, wobei jeder dieser Blöcke eine Uinfangs ausnehmung hat, in die sich genau ein Ringkörper (5) aus einem Material einfUgt, dessen Absorptionskoeffizient für aktive Strahlung größer als der der Blöcke ist, andererseits einer Ladung aus strahlendem Material in Form einer Reihe von radioaktiven, mit Schutzhüllen versehenen Platten (6), die sich in dem Zwischenraum zwischen den Blöcken befinden, die Form von sehr flachen Scheiben haben, deren große Flächen senkrecht zur Drehkörperachse der Blöcke (3 und k) liegen und in Säulen aufgeschichtet sind,/von denen jede zwischen den Blöcken eingespannt ist; ferner eine die. Strahlenenergiequelle zur Kühlung umspülende organische Flüssigkeit (?), deren Siedepunkt höher als 250 ⁰C liegt} einen eigentlichen Kessel (8), dessen Boden (9) den dicht abschließenden Deckel des Druckgehäuses (1) bildet}^schließlich ein Sicherheitsorgan (I5)t das bei einer gegebenen Temperatur .

   ' - ■ ■ ORIGINAL !M'ÄCTED

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   schmilzt, an dem oberen Block (3) und dem Deckel (9) angelötet oder angeschweißt ist und im Fall einer gefährlichen Erwärmung der Strahlungsenergiequelle ein Abfallen des Gehäuses und der Strahlenenergiequelle auslöst.

   2_O Kessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtisolation (2) sich aus Schichten von Glasseide und sehr dünnen Aluminiumfolien zusammensetzt.

   3. Kessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rotationskörper-Blöcke (3 und 4) aus Kupfer bestehen.

   k. Kessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rotationskörper-Blöcke (3 und 4) aus Wolfram bestehen,,

   5« Kessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (5)aus an aktivem Material verarmten Uran besteht.

   6« Kessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (5) aus Wolfram besteht.

   7. Kessel nach Anspruch 1_t dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsmaterial enthaltenden Platten (6) Cobalt 60 enthalten»

   80 Kessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das Strahlungsmaterial enthaltenden Platten (6) Strontium 90 enthalten.

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   9. Kessel nach Anspruch 1₈ dadurch gekennzeichnet _a daß die Kühlflüssigkeit (?) eine Mischung aus Diphenyl
   und Diphenyloxyd ist.

   10. Kessel nach Anspruch 1_f dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit (?) flüssiges Natrium oder eine flüssige Mischung aus Natrium und Kalium isto

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