DE2241247C2 - Kernreaktor mit integrierten Wärmetauschern und Pumpen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit in einem den Kern enthaltenden Behälter integrierten Wärmetauschern und Pumpen und einem Flüssigmetall als Kühlmittel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Kernreaktoren, insbesondere flüssignatriumgekühlten Schnellneutronenreaktoren wird die vom Reaktorkern abgegebene Wärme über Wärmetauscher von dem Primärkreis des kühlenden Flüssigmetalls auf einen Sekundärkreis übertragen. Das Flüssignatrium, das zwischen dem Kern und jeder Anordnung aus Pumpe und Wärmetauscher umläuft, strömt längs eines geschlossenen Kreislaufes und ist dabei vollkommen in Rohrleitungen eingeschlossen (DE-OS 19 04 200). Das heiße, den Kern verlassende Flüssignatrium strömt über eine »heiße« Leitung aus und zum Oberende des Wärmetauschers, durchströmt in absteigendem Sinn dessen Kuhlrohre, die vom Sekundärfluid (z. B. Flüssignatrium) von unten nach oben durchströmt werden. Das abgekühlte primäre Flüscisr.atrium tritt in eine Sammelkammer ein, wird mittels einer Pumpe als Umwälzeinrichtung aus dieser entnommen und über Rohrleitungen an die Basis des Kerns zurückgeführt und dort eingesprim. Eine derartige Anordnung erfordert erheblichen konstruktiven Aufwand und MaUnahrr.en zur Beschränkung der »heißen« Abschnitte des Primärkreises. Durch das Führen der »kalten« Abschnitte durch die Masse des Flüssigmetalls im Behälter wird ferner eine Höhenlage der freien Oberfläche des heißen Flüssigmetalls erreicht, die sich von der des kalten Flüssigmetalls unterscheidet, wobei sich diese Pegeldifferenz abhängig vom Betrieb der fördernden Umwälzeinrichtungen ändert. Schließlich findet im Flüssigmetall im Behälter ein plötzlicher Obergang zwischen den auf hohen Temperaturen und den auf tiefen Temperaturen befindlichen Bereichen statt

Ls ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Kernreaktor der bekannten Art so auszubilden, daß bei einfachem konstruktiven Aufbau und sicherer Kühlung des primären Flüssigmetalls die »heißen« Abschnitte des Primärkreises aufs äußerste verkürzt sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden V.erkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird durch die Merkmale der Unteransprüche weitergebildet

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die dem Stand der Technik eigenen Nachteile dadurch überwunden werden können, daß das aus dem Kern austretende heiße Flüssigmetall ohne Eingrenzung durch Rohrleitungen strömt, während das abgekühlte zum Kern zurückströmende kalte Flüssigmetall in Rohrleitungen strömt.

Aus der CH-PS 4 82 262 ist ein Kernreaktor bekannt, bei dem ein Hauptbehälter einen weiteren Sekundärbehäiter enthält, der innerhalb des .^; Kuptbehälters eine vollkommene Trennung zwischen dem heißen und dem kalten Flüssignatrium erreicht. Das heiße Flüssignatrium wird über Rohrleitungen dem Wärmetauscher zugeführt und von diesem frei abgegeben, woraufhin die Umwälzeinrichtung das abgekühlte Flüssignatrium ansaugt und über eine Rohrleitung zum Kern zurückführt. Dadurch kann die erfindungsgemäße Lösung des obengenannten Problems nicht angegeben werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Wärmetauscher kreiszylinderförmig gestaltet und ist die Umwälzeinrichtung in dessen Innenraum koaxial zu ihm angeordnet.

Bei einer anderen Ausführungsform sind mehrere Wärmetauscher gleichmäßig koaxial zum Kern angeordnet und durch gemeinsame Wände dicht miteinander verbunden, d. h. die Gesamtheit der Anordnungen umgibt den Kern ringförmig.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

F1 %-.! in Teilansicht und axialem Vertikalschnitt einen erfindungsgemäß ausgebildeten Kernreaktor,

Fig. 2 in axialem Vertikalschnitt eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kernreaktors.

In Fig. 1 ist schematisch ein (Reaktor-) Kern 1 eines mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktors gezeigt, der von einem Traggerüst 2 getragen ist, das in

einem durch einen Deckel 4 verschlossenen (Reaktor-) Behälter 3 eingebaut ist Der Behälter 3 enthält eine Masse an Flüssigmetall, insbesondere Flüssignatrium, dessen freie Oberfläche 5 sich in einer horizontalen Ebene einstellt. ">

Im Deckel 4 befinden sich kreisförmige öffnungen, die im Radialschnitt abgestuftes Profil aufweisen und die durch eine Stropfen 4a verschlossen sind. Die Achsen dieser identischen öffnungen sind regelmäßig Ober den Umfang koaxial zur vertikalen Achse des Kerns 1 verteilt, so daß sie gleiche Winkelabstände voneinander haben. Am Stopfen 4a ist ein (erstes) Rohrelement 6 dicht befestigt, in dessen Innerem eine Pumpe 7 als Umwälzeinrichtung gehalten ist, die der Art und den Besonderheiten der Strömung des Flüssignatriums angepaßte Ansaugöffnungen 7a aufweist Der Abgabestutzen Tr der Pumpe 7 ist mit einem Rohrabschnitt 8 ν einer rechtwinkelig gebogenen Rohrleitung 8 verbunden, deren anderer Rohrabschnitt 8Λ radial und etwa horizontal in das Traggerüst 2 mündet und mit diesem verbunden ist Der mit der Pumpe 7 fest verbundene Rohrabschnitt 8^ ist koaxial zur Pi'mpe 7 und zum Rohrelement 6 angeordnet, während sich der andere Rohrabschnitt 8a im wesentlichen horizontal erstreckt. Weiter ist am unteren Ende dieses Rohreloments 6 durch ein weiteres zweites Rohrelement 9 verlängert, das einen etwas kleineren Durchmesser als das erste Rohrelement 6 aufweisen kann.

Der obere Teil eines dritten Rohrelements 10, das einen wesentlich kleineren Durchmesser als die beiden w anderen Rohrelemente 6 und 9 aufweist, ist am ersten Rohrelement 6 mittels einer Ringplatte 11 befestigt Der untere Teil dieses dritten Rohrelements 10 ist kragenförmig nach innen gebogen und an einer weiter unten erläuterten Hülse 19 befestigt deren unteres Ende mit einer zweiten Ringplatte 12 fest verbunden ist Die beiden Ringplatten 11,12 halten das dritte Rohrelement 10 koaxial zur Pumpe 7 und zum an den Abgabestutzen Tr der Pumpe 7 anschließenden Rohrabschnitt Sv. Gerade Rohre 13 sind zwischen den Ringplatten 11 und 12 im Inneren des durch die Ringplatten 11,12 und die Rohrelemente 9 und 10 gebildeten ringförmigen Gehäuses in Form eines Rohrbündels angebracht wobei die Ringplatten 11 und 12 entsprechende Bonrungen für den Einbau von Anschlüssen dieser Rohre 13 aufweisen. Ringförmige Sammelkanäle 14 und IS sind über der Oberseite der Ringolatte 11 bzw. unter der Unterseite der Ringplatte 12 zur Zufuhr eines Sekundärfluids zu dem Bündel der Rohre 13 vorgesehen, das durch eine Zuführleitung 16 in den Sammelkanal IS eingeführt und durch eine andere, Abführleitung 17 aus dem anderen Sammelkanal 14 abgeführt wird. Ein entsprechend geformtes Mantelrohr 18 ist am dritten Rohrelement 10 des so gebildeten Wärmetauschers in Höhe dessen Verbindung mit der oberen Ringplatte 11 angeschweißt. Die Hülse 19 dichtet mit nach innen bzw. nach außen gerichteten Endflanschen über die Ränder dieser Flanschen und entsprechende Dichtungen den Rohrab- «chnitt Bv der Rohrleitung 8 der Pumpe und den Verbindungsabschnitt der unteren Ringplatte 12 mit H> dem Sammelkanal 15 gegen den Innenraum des Behälters 3 ab.

Weiter weist der untere Endabschnitt des ersten Rohrelements 6 Einlaßöffnungen 6a auf, die eine Verbindung zwischen dem Behältervolumen und der ^b5 zwischen den Rohrelementen 9 und 10 liegenden ringförmigen Kammer des Wärmetauschers bilden. Der untere Flansch des dritten Rohrelements 10 weist Durchlaßöffnungen 10a auf, durch die von den Durchlaßöffnungen 6a kommendes Flüssignatrium zu den Ansaugöffnungen 7a der Pumpe 7 strömen kann. Das Mantelrohr 18 und die Hülse 19 bilden so ein? Ansaugkammer für die Pumpe 7, wobei diese Kammer direkt mit dem Primärkreis des Wärmetauschers verbunden ist und wobei die Rohre 13 und die ringförmigen Sammelkanäle 14 und 15 den wesentlichen Teil des Sekundärkreises des Wärmetauschers bilden. Die anderen öffnungen des Deckels 4 sind ebenfalls mit gleich ausgebildeten Anordnungen aus Wärmetauscher und Pumpe versehen. Aufgrund dieser Anordnung gelangt das heiße Flüssignatrium aus dem Kern 1 direkt in den Behälter 3 und wird von dort von der Pumpe 7 durch zunächst die Einlaßöffnungen 6a angesaugt so daß der so gebildete heiße Strömungsweg des Primärkreises wegen der relativen Lage dieser Einlaßöffnungen 6a bezüglich der Oberseite des Kerns 1 verhältnismäßig kurz ist

Nachdem das Flüssignatrium über die Rohre 13 des Wärmetauschers Wärme an das Fluid des Sekundärkreises abgegeben hat wird das ab^ Kühlte Flüssignatnum von jeder Pumpe 7 angesaugt υ :d durch jede Rohrleitung 8, die den kalten Strömungsweg bildet und so den Primärkreis schließt zum Traggerüst 2 und damit zum Kern 1 zurückgefördert

Auch Jas Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 zeigt die wesentlichen Teile eines wie vorstehend beschriebenen Kernreaktors, nämlich insbesondere die Pumpe 7, die durch die rechtwinkelig gebogene Rohrleitung 8 mit dem den Kern 1 tragenden Traggerüst 2 verbunden ist Die Pumpe 7 jeder Anordnung aus Wärmetauscher und Umwälzeinrichtung ist in einem ringförmigen Gehäuse angeordnet das von zwei zylindrischen kreisförmigen Wänden 6e, 6/ unterschiedlicher Durchmesser gebildet ist wobei die Durchmesser der Außen- bzw. innenwand 6e, 6/ kleiner als die des Behälters 3 bzw. größer als die des Kerns 1 sind. Die Wände 6e. 6; sind koaxial zum Kern 1 und sind mit einem ringförmigen Stopfen Ab fest verbunden, der Einbauöffnungen für die mit dem Wärmetauscher zusammenwirkende Pumpe 7 aufweist. Bei dieser Ausführungsform sind die Zuführleitungen 16a des Sekundärkreises des Wärmetauschers regelmäßig und zwischen den Pumpen 7 verteilt angeordnet.

Die unteren Ränder der Wände 6e, 6/ sind mit einer Ringplatte 20 fest verbunden, die in der Mitte Bohrungen für den Einbau der erwähnten Zuführleitungen 16a aufweisen. Eine Abführvorrichtung 21 ist am oberen Ende mit dem Stopfen 4b und am unteren Ende mit einem Rohrelement 10a fest verbunden, das dem Rohrelement 10 des Ausführungsbeispiels gemäß F i g. 1 entspricht so daß durch jede Abführvorrichtung 21 eine bis über die Höhenlage der Ansaugöffnungen 7a cW Pumpe 7 reichende Ansaugkammer gebildet ist. SrhlicOlizh sind im Stopfen 4b für den Austritt des Sekundärfluids regelmäßig verteilt Abfuhrleitungen 17a angeordnet die in dem von den Wänden fie und Oi gebildeten ringförmigen Gehäuse münden.

Die Unterseite der Ringplatte 20 ist mit den oberen Rändern zweier anderer zylindrischer zum Kern koaxialer Wände 22, 23 unterschiedlicher Durchmesser fest verbunden, Die unteren Ränder dieser Wände 22,23 sind mit einem ringförmigen Boden 24 mit nach außen gewölbten Profil verbunden. Eine weitere Uingplatte 22 mit dem Abstand zwischen den Wänden 22, 23 entsprechenden Abmessungen ist zwischen diesen dicht angebracht und bildet mit dem Bogen 24 einen unteren Sammelkanal, in den die Ziiführleitungen 16a des

Sekundärkreises münden. Schließlich sind die Rohre 1.3.·) in der von den Wänden 22, 23 und den Ringplatten 20, 25 gebildeten Ringkammer in Form eines Wärmetauscherbündels angeordnet, wobei die Enden der Rohre 13a jeweils in die darüber und darunter angeordneten Sammelkanäle münden. Die obere Ringplatte 20 ist in einer geringfügig über der Oberseite des Kerns 1 liegenden Höhenlage angeordnet. Zwischen diesen beiden Höhenlagen sind in der inneren Wand 23 öffnungen 26 ausgebildet.

Ein Strom von Flüssignatrium kann also vom Kern 1 von den Pumpen 7. die Bündel der Rohre 13a umströmend, an gegebener Stelle durch die mit den Abführvorrichtungen 21 fest verbundenen Rohrelemente 10a angesaugt werden. Bei dieser anderen Ausführungsform sind die Zuführöffnungen der Wärmetauscher so nahe wie möglich an der Oberseite des Kerns 1 angeordnet, so daß die im Behälter 3 sich ausbildenden heißen Strömungswege des Primärkreises so kurz wie möglich sind. Die kalten Strömungswege des Primärkreises sind ihrerseits zunächst zwischen den Rohren 13a der Wärmetauscher und den Pumpen 7 und dann in den Rohrleitungen 8 gebildet, die mit dem Traggerüst 2 des Kerns 1 verbunden sind, wobei die auf einem Ring angeordneten Zuführöffnungen 26 eine bemerkenswert gleichmäßige Verteilung des heißen Flüssignatriums im Behälter3 gewährleisten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kernreaktor mit in einem den Kern enthaltenden Behälter integrierten Wärmetauschern und Pumpen und einem Flüssigmetall als Kühlmittel, mit mindestens einem Primärkreis des Flüssigmetalls für jeden Wärmetauscher zwischen dem Kern und den Wärmetauschern, wobei sich das Flüssigmetall bei dem Durchtritt durch den Kern erwärmt und bei dem Durchtritt durch den Wärmetaascher abkühlt und wobei der Primärkreis jedes Wärmetauschers eine Rückführ-Rohrleitung und eine Umwälzeinrichtung für das kalte Flüssigmetall, das am Austritt des Wärmetauschers zum Kern zurückkehrt, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das den Kern (1) verlassende heiße Flüssigmetall sich in den Behälter (3) frei ausbreitet und von dort, ohne besondere Rohrleitungen, durch die Saugwirkung der Umwälzeinrichtung (7) in eine Anordnung gesaugt wird, die einen Wärmetauscher (11, X2,13; 20, 25, IJaJ und in dessen Innenraum etwa mittig eine Umwälzeinriehlung (7) umfaßt, wobei Wärme tauscher (11,12.13; 20,25,13a) und Umwäl2einrichtung (10) durch Wände derart dicht miteinander verbunden sind, daß das Flüssigmetall durch Öffnungen (6a; 26) in der dem Behältervolumen zugekehrten Außenwand (6, 9; 23) des Wärmetauschers (U, 12,13; 20, 25, 13a) in diesen hinein und von ihm direkt durch die Umwälzeinrichtung (7) fließt, um von ihr über die Rohrleitung (8) in den Kern (1) zurückzugelangen.

2. Kernre.ktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärme">uscher (11, 12, 13) kreiszylinderförmig gestaltet ist und die Umwälzeinrichtung (7) in dessen Innenreim koaxial zu ihm angeordnet ist.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wärmetauscher (20, 25, 13a) gleichmäßig koaxial zum Kern (1) angeordnet und durch gemeinsame Wände (6e, 6/, 22, 23, 24) dicht ίο miteinander verbunden sind.

4. Kernreaktor nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Zuführleitungen (16i) des Sekundärkreises zwischen benachbarten Pumpen (7) und gleichmäßig koaxial zum Kern (1) verteilt angeordnet sind.

5. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (6a; 26) in ihrer Höhenlage über, jedoch möglichst nahe, der Oberseite des Kerns (1) ausgebildet sind.