DE2341757A1

DE2341757A1 - Thermisch schaltendes heizrohr

Info

Publication number: DE2341757A1
Application number: DE19732341757
Authority: DE
Inventors: Keith Edward Gregoire; Henry Conrad Pfefferlen
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1972-09-07
Filing date: 1973-08-17
Publication date: 1974-03-14
Also published as: GB1388977A; US3854524A; FR2199103B3; FR2199103A1; JPS4968198A

Description

United States Atomic Energy Commission, Washington? D.C. 20545, U.S.A.

Thermisch schaltendes Heizrohr

Die Erfindung bezieht sich auf ein Sicherheitssystem für Kernreaktoren, und zwar insbesondere auf Mittel zur Temperaturbegrenzung des Kernbrennstoffes bei einem Verlust von Kühlmittel. Dabei bezieht sich die Erfindung insbesondere auf einen thermischen Schalter, der bei normalem Betrieb Wärme in vernachlässigbarem Ausmaß transportiert, aber bei einer Temperaturabweichung große Wärmemengen transportieren kann.

Bei Kernreaktoren allgemein und insbesondere bei mit flüssigem Metall arbeitenden schnellen Brüter-Reaktoren besteht das Hauptsicherheitsproblem darin, daß eine schnelle Verminderung oder ein Verlust des Strömungsmittelflusses an örtlichen Teilen des Cores auftreten kann. Eine der zu berücksichtigenden

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Hauptgefahrenquellen bei einer Langzeit-Kernbrennstoffbestrahlung in einem zwangszirkulierten natriumgekühlten System besteht in den bei Strömungsverlust auftretenden Folgen. Ein Leistungsausfall, ein Pumpenausfall oder eine Strömungsblockierung könnten jeweils einen Verlust der Natriumströmung zur Folge haben, was ein überhitzen der Brennstoffelemente zur Folge haben kann, wenn nicht irgendwelche Mittel vorgesehen sind, um die Wärme in der Nähe der Brennstoffelemente zu verteilen.

Es wurden bereits Reaktorsteuersysteme entwickelt, und zwar der Art, daß bei einem Strömungsverlust der Reaktor so programmiert ist, daß er innerhalb weniger Millisekunden abschaltet (scram), wobei die Zerfallswärme und die Energie von der verzögerten neutroneninduzierten Spaltung kombiniert ungefähr 12 bis 15% der Volleistung für wenige Sekunden nach dem Reaktorabschalten erzeugen. Auf die natürliche Zirkulation des Natriumkühlmittels kann man sich bei der Verteilung dieser großen Wärmemenge nicht verlassen. Auch die Leitung und Strahlung durch vorhandene Kühlmitte Is trömungsausk leidungen um die Brennstoffelemente herum reicht nicht aus. Eine noch wesentlich ernstere Situation wird dann eintreten, wenn die Unterbrechung der Kühlmittelströmung für eine längere Zeitdauer als wenige Minuten andauern würde. Es besteht also ein Bedürfnis nach einer wirksamen Vorrichtung zur Verteilung von Wärme bei Temperatürabweichungen.

Die vorliegende Erfindung bezweckt daher, solche Mittel zur Wärmeverteilung von einem Kernbrennstoffelement anzugeben, wobei insbesondere ein Heiz- oder Wärmerohr um die Brennstoffelemente herum vorgesehen werden soll, welches als ein thermischer Schalter wirkt. Die Erfindung bezweckt ferner, Mittel anzugeben, die in der Lage sind, eine große Änderung in der thermischen Leitfähigkeit eines doppelwandigen Gebildes zu erzeugen, und zwar bei einer relativ kleinen Temperaturänderung auf der heißeren Seite des doppelwandigen Gebildes. Ferner bezweckt die Erfindung, ein radiales Heizrohr vorzusehen, welches ein geeignetes Faserbündel

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(Docht) und ein Betriebsströmungsmittel enthält, um während normaler Betriebstemperaturen Wärme in einem vernachlässigbaren Ausmaß zu transportieren, während bei einer Temperaturabweichung große Wärmemengen transportiert werden.

Zur Erreichung der genannten Ziele sieht die Erfindung insbesondere Mittel vor, welche eine große Änderung der thermischen Leitfähigkeit eines doppelwandigen Gebildes bewirken, und zwar durch eine relativ kleine Temperaturänderung auf der heißeren Seite des Gebildes. Dies erreicht man durch ein doppelwandiges Gebilde, welches als ein Ringheizrohr wirkt. Das Betriebsströmungsmittel des Heizrohres ist derart gewählt, daß im interessierenden Temperaturbereich die radiale Wärmeübertragung durch die Doppelwand zwischen vernachlässigbar und groß variiert. Das Heizrohr ist beispielsweise ausschließlich im Startregime eines Kernreaktors betrieben. Das Heizrohr ist mit einem Faserbündel und einem Betriebsströmungsmittel derart ausgestattet, daß es als ein thermischer Schalter wirkt, wobei bei normalem Betrieb vernachlässigbare Wärmemengen transportiert werden, während bei einer Temperaturabweichung große Wärmemengen transportiert werden .

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 schematisch eine mit Zwangsnatriumzirkulation arbeitende, das erfindungsgemäße Heizrohr verwendende Kernbrennstoffkapsel;

Fig. 2 das erfindungsgemäße um ein Kernbrennelement herum angeordnete Heizrohr teilweise im Querschnitt;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Verdampfungsgeschwindigkeit von Lithium abhängig von der Temperatur;

Fig. 4 die Wärmeübertragungseigenschaften verschiedener Auskleidungskonstruktionen als Funktion der Temperatur;

Fig. 5 die Leistungsfähigkeit eines Natriumheizrohrthermalschalters gemäß der Erfindung für verschiedene Kondensatortempe-

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- 4 raturen.

Die Erfindung bezieht sich auf Mittel, welche in der Lage sind, eine große Änderung der thermischen Leitfähigkeit eines doppelwandigen Gebildes hervorzurufen, und zwar bei einer relativ kleinen Temperaturänderung auf der heißeren Seite des Gebildes, wobei dies durch Verwendung eines doppelwandigen Gebildes erreicht wird, welches als ein ringförmiges Heizrohr wirkt. Das Betriebs- oder Arbeitsströmungsmittel des Heizrohrs ist derart ausgewählt, daß in dem interessierenden Temperaturbereich die radiale Wärmeübertragung durch das doppelwandige Gebilde hindurch zwischen vernachlässigbar und groß variiert.

Die Erfindung wird hier in einer Anwendung für die Übertragung großer Wärmemengen beschrieben und dargestellt, und zwar von Wärmemengen, die durch die Brennelemente in einem Kernreaktor während einer Temperaturabwanderung erzeugt werden, während bei normalen Betriebsbedingungen Wärme in einem vernachlässigbaren Ausmaß übertragen wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses spezielle Anwendungsbeispiel beschränkt, sondern kann auch in anderen Fällen, wo ähnliche Wärmeübertragungserfordernisse vorhanden sind, verwendet werden. Insbesondere sei bemerkt, daß die Erfindung ganz allgemein ein radiales Heizrohr aufweist, welches mit einem geeigneten Faserstrang (einem Dochtmittel) und einem Arbeitsströmungsmittel für den interessierenden Temperaturbereich ausgestattet ist und derart betrieben wird, daß es als thermischer Schalter wirkt.

In Fig. 1 ist schematisch eine Kapsel mit zwangsweiser Natriumzirkulation dargestellt, die beispielsweise in Strahlungsversuchen von Kernbrennstoffstäben oder -elementen verwendet wird. Die Kapsel weist eine erste Umhüllung 10 und mit Abstand davon eine zweite Umhüllung 11 derart auf, daß ein binärer (zweiteiliger) Gasring 12 dazwischen ausgebildet wird. In einem Gehäuse 14 ist eine Vielzahl von Brennstoffstäben 13 (es sind drei dargestellt) angeordnet; das Gehäuse 14 ist mittig und mit Abstand innerhalb der zweiten Umhüllung 11 angeordnet, um dazwischen einen Raum 15 zu definieren; das Gehäuse 14 liegt mit seinem

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oberen Ende über geeignete Dichtmittel an einer im ganzen bei 16 dargestellten Pumpenanordnung an, wobei der Raum 15 als ein Abwartsströmungskanal für das Natriumkühlmittel dient, welches von der Pumpenanordnung 15 abgegeben wird, wie dies durch die Pfeile dargestellt ist; der nach oben gerichtete Kühlmittelfluß findet im Gehäuse 14 - vergleiche die nach oben gerichteten Pfeile - und um die Brennstoffstäbe 13 herum statt, wodurch insgesamt ein zwangsweiser Natriumkreislauf entsteht. In der Pumpenanordnung 16 ist eine Strömungsablenkvorrichtung 16' befestigt, um das austretende Kühlmittel nach unten zu leiten. Mit Abstand ist um das Gehäuse 14 herum eine Auskleidung 17 vorgesehen, welche dazwischen eine Kammer oder einen Ring 18 bildet. Das untere Ende des Gehäuses 14 besitzt einen Teil 19 mit einem verminderten Durchmesser, um so die Anordnung einer Stromungsmeßvorrichtung zu gestatten, und zwar zwischen dem unteren Ende der Auskleidung 17 und dem den verminderten Durchmesser aufweisenden Teil 19 des Gehäuses 14.

Bei bekannten Anordnungen war der zwischen Gehäuse 14 und Auskleidung 17 (im folgenden als nicht modifizierte Auskleidung bezeichnet) definierte Ring 18 mit einem Isoliergas, wie beispielsweise Neon oder Helium, gefüllt, wodurch die radiale Wärmeübertragung durch die Auskleidung 17 wirksam verhindert wurde.

Wenn ein Strömungsverlust beim Reaktor auftritt, so ist dieser derart programmiert, daß er innerhalb weniger Millisekunden abschaltet. Die durch die verzögerte neutroneninduzierte Spaltung kommende Zerfallswärme und Energie erzeugt jedoch für wenige Sekunden nach der Reaktorabschaltung ungefähr 12 bis 15% der vollen Leistung. Bei der Verteilung dieser großen Wärmemenge kann nicht mit der natürlichen Zirkulation des Natriums gerechnet werden. Die durch die unmodifizierte Auskleidung (Gehäuse 14 und Auskleidung 17) gebotene Leitung und Strahlung sind auch nicht ausreichend. Eine Computer-Berechnung zeigte, daß das obere Ende der Brennstoffstäbe 13 einen Wärmedurchgang von ungefähr 500 F erleiden würde. Eine ernstere Situation könnte dann eintreten, wenn der Zustand des Strömungsverlustes mehr als einige wenige (ungefähr 5) Minuten anhält. In dieser Zeit würde ein Auffrieren

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eines Teils des Natriumkreislaufes auftreten und die natürliche Zirkulation würde verloren gehen, wodurch ein überhitzen der Brennstoffstäbe von ungefähr 700 bis 1000°F auftreten würde.

In Fig. 2 ist ein Teil eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels dargestellt, welches im Grunde die Gehäuse-Auskleidung-Anordnung (Elemente 14 und 17) der Fig. 1 derart modifiziert, daß ein ringförmiges Heizrohr eingebaut wird; Elemente ähnlich denen in Fig. 1 werden mit ähnlichen Bezugszeichen versehen. Gehäuse 14' und Auskleidung 17" sind - wie gezeigt - durch ein Glied 21 verbunden, wodurch um die Brennstoffstäbe 13 herum (es ist nur einer dargestellt) eine Ringkammer 22 mit einem abgeschlossenen Ende ausgebildet wird. Das untere Ende der Ringkammer 22 bildet ein Reservoir 23 für Lithium oder ein anderes geeignetes Material. An der Innenoberfläche des Gehäuses 14' ist ein Faserelement oder ein Docht 24 befestigt und kann beispielsweise aus einer Schicht gepulverten rostfreien Stahls bestehen, welcher damit verbunden ist, oder aus mehreren Lagen feinen Siebmaterials. Das Gebilde 14', 17' und 21-24 bildet somit ein Ringheizrohr, wobei das Gehäuse 14" dessen Verdampfer und die Auskleidung 17' den Kondensator des Heizrohres bildet, wobei beispielsweise Lithium als Arbeitsströmungsmittel im Reservoir 23 vorgesehen ist, um den Docht 24 zu versorgen. Die Wärmeübertragung (Q) ist durch die quer in der Kammer 22 verlaufenden Pfeile angedeutet. Der durch Pfeile 25 und 26 angedeutete Natriumkühlmittelfluß wird beispielsweise in der gleichen Weise in Zirkulation versetzt, wie dies oben im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde. Obwohl dies in Fig. 2 nicht dargestellt ist, so kann doch ein Strömungsmesser 20 - oder andere gewünschte Instrumente - am Glied 21 in einer Weise ähnlich Fig. 1 befestigt werden.

Die Verwendung von Lithium als Arbeitsströmungsmittel im Reservoir 23 hat die folgenden Vorteile:

1. Gute Langzeitkompatibilität mit austenitischem rostfreiem

Stahl bis hinauf zu 500°C, was die Herstellung des Heizrohres aus dem Material zuläßt.

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2. Die hohe Oberflächenspannung in der flüssigen Phase (ungefähr 350 Dyne/cm) gestattet das Ansteigen des Lithiums auf die volle Höhe des Dochtes (in diesem Ausführungsbeispiel 25 Zoll) durch die Kapillarwirkung und maximiert die Benetzung des Dochtes durch das Lithium.

3. Die hohe Verdampfungswärme (4680 cal/g ) erhöht den Wärmegehalt des Lithiumdampfes wirksam, wodurch die Ansprechzeit des Heizrohres vermindert wird.

4. Niedrige thermische Neutronenabsorption (G"für Li ist 0,033 Barnes).

5. Verfügbarkeit

6. Geeigneter Dampfdruck bei gewünschten Betriebstemperaturen (98O-125O°F).

Für die Anwendung des beschriebenen und dargestellten Erfindungsgedankens ist es erforderlich, daß der Energietransport durch das Heizrohr bei normalem Betrieb bei der obenerwähnten Temperatur (980-1250 F) vernachlässigbar ist. Dies ist erforderlich, damit man genaue Natrium-Kalorimetermessungen für die Kapselleistungsbestimmung erhält. Wenn jedoch -ein Anstieg der Brennstoff stab- oder Elemententemperatur auftritt, so ist es erforderlich, daß das Heizrohr in der Lage ist, den Energietransport schnell zu erhöhen. Für die Berechnung des Energietransports als Funktion des Dampfdrucks in einem Heizrohr während des Startregimes eines Kernreaktors in der Kapsel - wie dargestellt - muß man die Verdampfungsgeschwindigkeit des Arbeitsströmungsmittels als Funktion der Temperatur kennen. Fig. 3 stellt dar, wie die Verdampfungsgeschwindigkeit von Lithium mit ansteigender Temperatur ansteigt.

Die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit durch das Heizrohr (Elemente 14', 17" und 21-24) erhält man durch Multiplizieren der Massenübertragungsgeschwindigkeit mit der Verdampfungswärme von

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Lithium (ungefähr 4680 cal/g ). Fig. 4 faßt die Wärmeübertragungsfähigkeiten verschiedener Heizrohrkonstruktionen als Funktion der Temperatur der Innendurchmesser-(Verdampfer)-Oberfläche zusammen, wobei eine mittlere Temperatur von 980 F an der Aussendurchmesser-(Kondensator)-Oberfläche angenommen wurde. Bei normalem Betrieb ist die gesamte radiale Wärmeübertragung durch das oben beschriebene Lithiumheizrohr ungefähr 1% der gesamten Wärmeübertragung eines BrennstoffStiftes, und somit nicht ausreichend für eine genaue Natrium-Kalorimetermessung. Im Falle einer Temperaturauswanderung im nach oben strömenden Natrium ·- (vergleiche Fig. 2) steigt - wie man in Fig. 4 erkennt - die Wärmeübertragung durch das Lithiumheizrohr schnell an und wird bei einer Innendurchmessertemperatür von 1230 F (ein Anstieg von 200 F über Normalbetrieb) gleich 15% der normalen Vollleistung-Wärmeerzeugungsgeschwindigkeit des Brennstoffstabes. Dies muß der Leistungsfähigkeit des vordem verwendeten Isoliergases (Neon oder Helium) oder der unmodifizierten Auskleidung der Fig. 1 gegenübergestellt werden. Die radiale Wärmeübertragung

sehr
ist / niedrig für niedrige Radialtemperaturabfälle im Falle der bekannten Auskleidungskonstruktion. Wie man jedoch in Fig. 4 erkennt, steigt die radiale Wärmeübertragung der bekannten Konstruktion wesentlich weniger schnell mit ansteigendem Radialtemperaturabfall an, als dies bei dem erfindungsgemäßen Heizrohr der Fall ist, und zwar auch dann, wenn die Wirkung der Strahlung hinzuaddiert wird.

Fig. 5 zeigt die Verwendung von Natrium an Stelle von Lithium als Arbeitsmedium in dem gemäß der Erfindung ausgebildeten Heizrohrthermalschalter, und zwar bei verschiedenen Kondensatortemperaturen. Allgemein ist das Ansprechen des Natriumheizrohres für höhere Kondensatortemperaturen "langsamer". Mit anderen Worten, wenn die Kondensatortemperatur erhöht wird, wird ein höherer Verdampfertemperaturanstieg für einen gegebenen Anstieg der radialen Wärmeübertragungsfähigkeit benötigt. Die Kurven der Fig. 5 sind zur Erleichterung des Vergleichs auf den gleichen Startpunkt normalisiert. Ein Lithiumheizrohr würde das gleiche allgemeine Verhalten wie das Natriumheizrohr zeigen, da die For-

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men ihrer Dampfdruckkurven im wesentlichen identisch sind.

Allgemein kann gesagt werden, daß das richtige Aufeinanderabstimmen der Arbeitsströmungsmitteleigenschaften mit der Betriebstemperatur und dem Wärmeübertragungserfordernis die Anwendung des erfindungsgemäßen thermischen Schaltprinzips für einen großen Anforderungsbereich von Temperatur und Wärmeübertragung gestattet.

Es wurde somit gezeigt/ daß die vorliegende Erfindung ein Mittel vorsieht, um eine große Änderung in der thermischen Leitfähigkeit eines doppelwandigen Gebildes zu erzeugen, und zwar durch eine relativ kleine Temperaturänderung auf der heißeren Seite des Gebildes. Ein solches Mittel umfaßt grundsätzlich ein Wärme- oder Heizrohr, welches als thermischer Schalter wirkt und besonders für solche Anforderungen geeignet ist, wo die Wärmeübertragung durch das doppelwandige Gebilde zwischen vernachlässigbar und groß variieren soll; ein solcher Anwendungsfall liegt bei Kernbrennstoffelementen vor, wo bei normalen Betriebstemperaturen vernachlässigbare Wärmemengen transportiert werden müssen, während bei einer Temperaturauswanderung große Wärmemengen transportiert werden sollen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1.■ Verfahren zur Erzeugung einer großen Änderung der thermischen ^- Leitfähigkeit über ein Gebilde hinweg durch eine relativ kleine Temperaturänderung auf der äußeren Seite des Gebildes, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Ausbildung des Gebildes als ein doppelwandiges Glied, welches in sich eine Kammer definiert/

Vorsehen einer Dochtvorrichtung an der Innenseite der Wand des doppelwandigen Gliedes, die der höchsten Temperatur ausgesetzt ist,

Zuführen eines Betriebsströmungsmittels in die Kammer, welches die Eigenschaften besitzt, daß es durch Kapillarwirkung die Dochtvorrichtung hinaufsteigt und die Dochtvorrichtung benetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

das Arbeitsströmungsmittel derart ausgewählt wird, daß dessen Eigenschaften mit der Betriebstemperatur und den Wärmeübertragungsanforderungen des Gebildes zusammenpassen.

3. Vorrichtung zur Erzeugung einer großen Änderung der thermischen Leitfähigkeit eines Gebildes durch eine relativ kleine

'Temperaturänderung auf der heißeren Seite des Gebildes, gekennzeichnet durch folgende Elemente:

Eine Verdampfervorrichtung, von welcher mit Abstand eine Kondensatorvorrichtung angeordnet ist, um dazwischen eine Kammer auszubilden,

innerhalb der Kammer angeordnete und an der Verdampfervorrichtung befestigte Docht- oder Fasermittel, und eine Menge eines in der Kammer enthaltenen Betriebsströmungsmittels, welches die Dochtmittel hinaufsteigen und diese benetzen kann.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfervorrichtung ein erstes Ringwandglied aufweist und die Kondensatorvorrichtung ein zweites Ringwandglied besitzt, wobei die ersten und zweiten Ringwandglieder mitein-

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ander an einem Ende mittels eines dritten Gliedes verbunden sind, um dazwischen eine Kammer auszubilden, die ein Reservoir für das Betriebsströmungsmittel bildet, und wobei der Docht am ersten Ringwandglied befestigt ist und sich in das Reservoir für das Arbeitsströmungsmittel hineinerstreckt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dochtmittel eine Schicht aus pulverförmigern, rostfreiem Stahl aufweisen, der mit dem ersten Wandglied verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

die Dochtmittel eine Vielzahl von Lagen aus einem feinmaschigen Siebmaterial aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Betriebsströmungsmittel Lithium oder Natrium ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

der Verdampfer der Vorrichtung mit Abstand gegenüber mindestens einem Brennstoffstab angeordnet ist und dazwischen eine Kühlmittelströmungsbahn ausbildet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Brennstoffstab derart.umgeben wird, daß der Verdampfer dazwischen einen Ring für den Kühlmittelfluß ausbildet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Wandglied eine Vielzahl von Kernbrennstoffstäben umgibt und dazwischen einen Kühlmittelströmungspfad ausbildet.

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