DE2338793A1

DE2338793A1 - Integrierter kernreaktor

Info

Publication number: DE2338793A1
Application number: DE19732338793
Authority: DE
Inventors: Michel Aubert; Henri-Jacques Gollion; Philippe Verriere
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1972-08-08
Filing date: 1973-07-31
Publication date: 1974-02-21
Also published as: SU499845A3; GB1402213A; BE802506A; ES417645A1; FR2195822B1; FR2195822A1; JPS49124494A; IT994556B; US3932214A

Description

PATE NTA N WALX

DR. HANS ULRICH MAY ? 3 3 R 7 °Π D 8 MDNCHEN S₁ OTTOSTRASSE 1a TELEaRAMME; MAYPATENT MÜNCHEN

TELEFON CO8113 59 36 82

CP 465/1214 München, 31. JuI11973

Dr.M./se

B 4613.3 PG

Commissariat ä 1»Energie Atomique in Paris/Frankreich

Integrierter Kernreaktor.

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor, besonders von dem mit schnellen Neutronen arbeitenden Typ, der einen Kern aufweist, welcher von der Anordnung der Brennelemente gebildet wird und durch ein in Berührung mit diesen Brennelementen strömendes flüssiges Metall, im allgemeinen Natrium, gekühlt ist, das sich mindestens teilweise im Inneren eines Innen- oder Primärbehälters mit senkrechter Achse befindet, der den Kern (Core) enthält und selbst von einem zweiten, dem sogenannten Hauptbehälter umgeben ist. Die Gesamtheit dieser beiden Behälter ist wiederum in einem dickwandigen äußeren Schutzbehälter angeordnet, der für die biologische Abschirmung gegenüber den radioaktiven Strahlen sorgt.

Bei einem derartigen und in diesem Bereich der Technik an sich üblichen Kernreaktor bezieht sich die Erfindung genauer auf integrierte Kernreaktoren, das heißt solche, bei denen der Primär- und der Hauptbehälter nicht nur den Kern und das zu seiner Kühlung notwendige Natriumvolumen sondern auch die Zusatzvorrichtungen und Anlagen, wie Wärmetauscher und Pumpen, umschließen, welche für die

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Abführung der vom Natrium bei seinem Durchgang durch den Kern aufgenommenen Wärme und seinen kontinuierlichen Kreislauf von einem zum anderen Behälter sorgen. Im allgemeinen und bei einer Strömungsrichtung des Natriums von unten nach oben durch äen Kern begrenzt der Innen- oder Primärbehälter oberhalb des Kerns einen Bereich, wo sich das aus dem Kern austretende heiße Natrium sammelt. Dieser Bereich muß aus verschiedenen Gründen des Betriebsablaufs und der Sicherheit so genau wie möglich begrenzt sein. Eine solche Begrenzung führt jedoch im Bereich dieses Behälters zu Zonen, welche von bei verschiedenen Temperaturen befindlichem Natrium gebildet werden, was zum Auftreten von Ausdehnungsunterschieden zwischen dem Primärbehälter und anderen, auf eine weniger hohe Temperatur gebrachten Teilfltdes Kernreaktors führt. Die im Inneren des Hauptbehälters und außerhalb des Primärbehälters untergebrachten Wärmetauscher werden direkt vom heißen Natrium gespeist, während das aus diesen Wärmetauschern austretende abgekühlte Natrium im Hauptbehälter durch Förderpumpen angesaugt und wieder unter den Kern zurückgefördert wird, wo der Kreislauf wieder beginnt·

Durch die Erfindung soll nun die Bauart der Vorrichtungen vereinfacht werden, welche das heiße Natrium vom Primär behälter den im Hauptbehälter enthaltenen Wärmetauschern zuführen, wobei die Unversehrtheit und Form dieser Behälter, besonders des Primärbehälters, erhalten bleiben sollen und es besonders nicht nötig sein soll, in der Wand des Primärbehälters Bohrungen oder öffnungen für den Austritt des Natriums vorzusehen und wobei die Verbindung mit den Wärmetauschern so ausgestaltet ist, daß sie auch und ohne Schwierigkeiten die Relatiwerschiebungen der Wärmetauscher bezüglich des Primärbehälters zuläßt, die zwangsläufig wegen der Ausdehnungsunterschiede infolge der sich verschieden entwickelnden Temperatu-

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ren auftreten.

Zu diesem Zweck ist der betrachtete Kernreaktor, in dem jeder Wärmetauscher mit senkrechter Achse angeordnet ist und an seinem oberen bzw. unteren Ende Einlaß- bzw. Auslaßfenster für das vom Primärbehälter kommende Natrium aufweist und von einem Mantelrohr umgeben ist, das mit dem Wärmetauscher in den zwischen dem Primärbehälter und dem Hauptbehälter liegenden Bereich reicht, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Mantelrohr mit dem Wärmetauseher einen Ringraum begrenzt, der in der Höhe der Einlaßfenster in dem Wärmetauscher an einem Ende mindestens einer gebogenen Leitung angeschlossen ist, die mit ihrem anderen Ende in das im Primärbehälter enthaltene Natrium eintaucht, wobei der Ringraum durch eine Verbindungsleitung mit einer Pumpvorrichtung verbunden ist, die in diesem Ringraum einen regelbaren Unterdruck zum Ingangsetzen des aus dem Primärbehälter, der gebogenen Leitung und dem Ringraum bestehenden Siphons erzeugt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, deren Merkmale in Kombination, gegebenenfalls jedoch auch für sich benutzt werden können.

Die Erfindung wird erläutert durch die folgende Beschreibung einer nur als Beispiel angegebenen Ausführungsform, die in der beigefügten einzigen Zeichnung, gezeigt ist, welche schematisch einen Teil des Reaktors im senkrechten Schnitt zeigt.

In dieser Figur ist schematisch der Kern 1 eines mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktors gezeigt, der von nicht gezeigten, nebeneinander angeordneten Brennelementen gebildet wird, die leinen Brut- oder Spalt stoff enthalten. Der Kern 1 ist mit senkrechter Achse im Inneren eines Primärbehälters 2 angeordnet, der

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selbst von einem zu ihm koaxialen zweiten, dem sogenannten Hauptbehälter 3 umgeben ist. Die Behälter 2 und 3 sind nach oben hin offen. Der Hauptbehälter 3 kann in an sich bekannter Weise mittels Aufhängevorrichtungen 4 an einem dicken Deckel 5 aufgehänst sein, der einen die Gesamtanlage enthaltenden Schutzbehälter 6 von oben verschließt. Die Behälter 2 und 3 sind mit einem geeigneten Volumen eines flüssigen Metalls, besonders Natrium, gefüllt, das im Betrieb den Kern 1 kühlt und die in Berührung mit den Brennelementen aufgenommene Wärme an ein Sekundärmedium abgibt, welches außerhalb des Kernreaktors zur Erzeugung elektrischer Energie dient. Durch diese Maßnahmen kann besonders das heiße Natrium eingegrenzt werden, das aus dem Kern 1 austritt, nachdem es diesen im Inneren des Primärbehälters 2 von unten nach oben durchströmt hat. Dabei bleibt das übrige Natrium, besonders das im Hauptbehälter 3 enthaltene Natrium, bei einer niedrigeren Temperatur, vor allem infolge der beim Durchgang des heißen Natriums durch die Wärmetauscher 10 erfolgten Kühlung. Diese Wärmetauscher sind vorzugsweise im Hauptbehälter 3 außerhalb des Primärbehälters 2 regelmäßig verteilt und wirken mit ebenfalls im Hauptbehälter 3 enthaltenen (nicht gezeigten) Förderpumpen zusammen, welche das Natrium am Auslaß der Wärmetauscher aufnehmen und unter den Kern 1 zurückfördern, den das Natrium dann von neuem durchströmt. Infolge der Leistung dieser Pumpen und der auftretenden Druckverluste liegt die Höhe des Natriumspiegels 8 im Primärbehälter 2 etwas über der Höhe des Natriumspiegels 9 im Hauptbehälter 3.

Jeder Wärmetauscher 10 besitzt die Form eines im ganzen zylindrischen Blocks mit senkrechter Achse, in den von seinem oberen Ende her Leitungen 11 und 12 zur Zuleitung und Ableitung eines

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beliebigen Sekundärmediums, z.B. Wasser oder Natrium, hineinreichen. Das Sekundärmedium durchströmt den Wärmetauscher durch eine Gruppe von nicht gezeigten, durch rohrförmige Platten zur Blockachse parallel gehaltenen Durchflußrohren. Der Wärmetauscher 10 weist an seinem oberen und unteren Ende Einlaß- und Auslaßfenster für das im Primärbehälter 2 und Hauptbehälter 3 enthaltene Natrium auf, so daß dieses die Durchflußrohre des Sekundärmediums berühren kann, indem das Natrium von oben nach unten durch den Wärmetauscher strömt und am Ausgang desselben durch die bereits erwähnten Pumpen aufgenommen wird, die das Natrium wieder zum Kern 1 zurückfördern. An seinem Kopf weist der Wärmetauscher 10 einen Kragen 15 auf, der auf einer Schulter 16 ruht, die zu einem Bauteil 17 gehört, der die Auskleidung eines Durchlasses durch den oberen Deckel 5 des Schutzbehälters 6 bildet und diesen Wärmetauscher trägt, der so unmittelbar in das zwischen den Behältern 2 und 3 enthaltene Natriumvolumen eintauchen kann.

Erfindungsgemäß setzt sich die Auskleidung 17 nach unten in einem zylindrischen Mantelrohr 18 fort, welches den Wärmetauscher umgibt und mit diesem einen Ringraum 19 abgrenzt, der durch eine Rohrleitung 20 mit einem Regelventil 21 mit einer nicht gezeigten, außerhalb des Kernreaktors befindlichen Pumpvorrichtung verbunden ist, durch die in diesem Ringraum ein Unterdruck bezüglich des Drucks einer oberhalb des Natriums in den Behältern 2 und 3 be-

inerttn
findlichen/Schutzgasatmosphäre erzeugt werden kann. An seiner Außenfläche weist der Wärmetauscher 10 eine Reihe von radial zur gegenüberliegenden Wand des Mantelrohrs 18 vorspringenden Kragen oder Wulsten 22 auf, die mit dieser Wand ein Labyrinth bilden, welches eine mindestens teilweise Abdichtung des Ringraums 19 bewirkt. Im oberen Teil des Mantelrohrs 18, im wesentlichen in der

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Höhe der Einlaßfenster 13, mündet in diesen Ringraum 19 ein gekrümmtes Rohr 23, dessen Ende unter den Natriumspiegel 8 im Primärbehälter 2 eintaucht. Dieses Rohr 23 weist besonders einen waagerechten Teil 24 und einen senkrechten Teil 25 auf, der in das Natrium bis zu einer Tiefe eintaucht, die im Hinblick auf die Betriebsbedingungen der Anlage und besonders den Natriumdurchsatz durch den Wärmetauscher 10 und Kern 1 festgelegt ist.

Dieser betrachtete Kernreaktor arbeitet nun wie folgt: Durch die Förderpumpen wird das im Hauptbehälter am Auslaß der Wärmetauscher 10 aufgenommene Natrium durch (nicht gezeigte) Sammelleitungen in den Primärbehälter 2 unter den Kern 1 gefördert, den das Natrium dann von unten nach oben in Berührung mit den Brennelementen durchströmt. Das aus dem Kern austretende heiße Natrium wird unter diesen Bedingungen im Primärbehälter 2 zurückgehalten« Um es in den Hauptbehälter 3 zu fördern.wird der Ringraum 19 mittels der Leitung 20 allmählich auf einen geeigneten Unterdruck von beispielsweise 1/1O at gebracht. Der Natriumspiegel steigt gleichzeitig im gekrümmten Rohr 23 in Richtung des Pfeils 26 und rings um das Bündel der Durchflußronre für das Sekundärmedium im Inneren jedes Wärmetauschers 10. Wenn die Höhe dieses Natriumspiegels die untere Mantellinie des waagerechten Teils 24 des Rohrs 23 erreicht, beginnt der Überlauf von heißem Natrium aus dem Primär behält er 2 durch die Einlaßfenster 13 in den Hauptbehälter 3. Da der Natriumspiegel weiter ansteigt, sind die Fenster 13 schließlich vollkommen unterhalb des Natriumspiegels ,und der Wärmetauscher arbeitet dann kontinuierlich, wobei die Leitung 23 wie ein üblicher Siphon wirkt. Vorteilhafterweise sind die Einlaßfenster 13 so ausgebildet, daß im Natrium-

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strom eine geringe Turbulenz erzeugt wird, die für einen stabilen Betriebszustand erforderlich ist. Wenn nämlich der Durchfluß ohne Turbulenzen erfolgen würde, würde eine vom Natrium aus dem !Primärbehälter 2 mitgerissene geringe Menge des in diesem Behälter über dem Natrium stehenden Schutzgases sich allmählich im Ringraum 19 ansammeln und dort eine Druckerhöhung und entsprechend ein Absinken des Natriumspiegels bezüglich der Fenster bis zur Unterbrechung des Siphonbetriebs bewirken. Dagegen wird bei Erzeugung einer geeigneten Turbulenz dieses Gas von dem durch den Wärmetauscher strömenden Natrium mitgerissen, so daß der Unterdruck im Ringraum 19 stets im wesentlichen konstant gehalten wird.

Man erhält so einen Kernreaktor, in dem das heiße Natrium im Inneren des Primärbehälters eingeschlossen ist und eine Verringerung des Volumens des im Reaktor enthaltenen heißen Natriums oder auch für ein gegebenen Volumen eine Vergrößerung der Höhe der Wärmetauscher möglich ist.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausbildung liegt darin, daß nach Belieben ein oder mehrere Wärmetauscher durch einfache Regelung des Drucks im Ringraum vom Natriumkreislauf isoliert werden können, indem durch Einleiten einer geeigneten Menge des entsprechenden Schutzgases, z.B. unter Druck stehendem Argon, der Natriumspiegel in diesem Ringraum abgesenkt und der entsprechende Siphon sofort stillgesetzt wird» Strenggenommen genügt es, daß das einzuleitende Gas einen Volumendurchsatz gleich dem Durchsatz des durch den Wärmetauscher gehenden Natriums hat, das heißt, daß die Menge des Gases gleich dem von der Gesamtheit des Wärmetauschers und seines Mantelrohres gegebenen Volumen ist.

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Ein weiterer Vorteil ergibt sich ebenfalls aus der Anordnung jedes Wärmetauschers in einem durch den Oberdeckel des Schutzbehälters geführten zylindrischen Mantelrohrs. Dadurch sind nämlich Relatiwerschiebungen dieses Wärmetauschers und der beiden Behälter (Primär- und Hauptbehälter) ohne Rückwirkungen dieser verschiedenen Teile aufeinander und unabhängig von den vorhandenen Ausdehnungsunterschieden möglich. Schließlich vermeidet man durch eine Verbindungsleitung zwischen dem um jeden Wärmetauscher vorgesehenen Ringraum und dem Primärbehälter, daß die Form dieses Behälters verändert werden muß, und daß die Unversehrtheit dieses Behälters in irgendeiner Weise beeinträchtigt wird, da nämlich keinerlei Durchbrechung oder öffnungen seiner Wand für den Durchlaß von Natrium erforderlich sind.

Die Erfindung umfaßt auch abgewandelte Ausführungsformen. So kann das zur Abdichtung des Ringraums 19 dienende, oben als Beispiel angegebene Labyrinth durch andere Dichtungsvorrichtungen ersetzt werden, beispielsweise eine mechanische Dichtung, die mit dem Wärmetauscher 10 oder Mantelrohr 18 fest verbunden sein kann, oder auch eine hyraulische Dichtung.

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Claims

Patentansprüche

( 1.\Kernreaktor, besonders mit schnellen Neutronen arbeitender

Kernreaktor, mit einem Kern, der von einer Anordnung von Brenn« elementen gebildet und durch ein in Berührung mit diesen Brennelementen strömendes flüssiges Metall, im allgemeinen Natrium, gekühlt ist, das mindestens teilweise im Inneren eines den Kern enthaltenden sogenannten Primärbehälters mit senkrechter Achse eingeschlossen ist, wobei dieser Primärbehälter selbst von einem zweiten, dem sogenannten Hauptbehälter umgeben ist und die Gesamtheit dieser beiden Behälter in einem dickwandigen, den äußer η Schutzbehälter bildenden und die radioaktiven Strahlen abschirmenden Baukörper angeordnet ist, wobei ferner der Hauptbehälter Wärmetauscher und Pumpen zum Abführen der vom Natrium bei

seinar

seinem Durchfluß durch den Kern aufgenommenen Wärme und zu /kontinuierlichen Förderung von einem Behälter zum anderen aufweist, wobei ferner jeder Wärme—tauscher mit senkrechter Achse angeordnet ist und an seinem oberen Ende Einlaßfenster für das vom Primärbehälter kommende Natrium und an seinem unteren Ende Auslaßfenster für dieses Natrium aufweist und von einem Mantelrohr umgeben ist, das mit dem Wärmetauscher in den zwischen dem Primärbehälter und dem Hauptbehälter liegenden Bereich reicht, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Mantelrohr (18) mit dem Wärmetauscher (10) einen Ringraum (19) begrenzt, an den in der Höhe der Einlaßfenster (13) in den Wärmetauscher ein Ende mindestens einer gekrümmten Leitung (23) angeschlossen ist, die mit ihrem anderen Ende in das im Hauptbehälter (2) enthaltene Natrium eintaucht, und daö der Ringraum (19) durch eine Leitung (20) mit einer Pumpvorrichtung verbunden ist, die im Ringraum (19) einen

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regelbaren Unterdruck erzeugt, wodurch der vom Primärbehälter (2), der gekrümmten Leitung (23) und dem Ringraum (19) gebildete Siphon in Gang gesetzt werden kann.
2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wärmetauscher (10) an seiner Außenfläche zwischen den Einlaßfenstern (13) und den Auslaßfenstern (14) für das Natrium vorspringende Kragen (22) aufweist, die mit der gegenüberliegenden Wand des Mantelrohrs (18) ein Abdichtungslabyrinth für den Ringraum (19) bilden.
3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das jeden Wärmetauscher (10) umgebende Mantelrohr (18) sich an seinem oberen Teil durch einen rohrförmigen Bauteil (17) fortsetzt, der durch den Schutzbehälter (5, 6) reicht und eine Auflage (16) zur Abstützung des Wärmetauschers (10) aufweist.
4. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im Ringraum (19) mündende Leitung (20) mit einer Druckgasquelle verbunden ist, welche zur gesteuerten Stillsetzung des Siphons dient.

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