DE2443961A1 - Schneller kernreaktor - Google Patents

Schneller kernreaktor

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DE2443961A1
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Wladimir Michailowitsch Kowin
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KOWIN
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Description

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1. Vladimir Mikhailovich Kovin, Gorky (UdSSR)
2. Fedor Mikhailovich Mitenkov, Gorky (UdSSR)
3. Alexandr Vasilievich Ovechkin, Gorky (UdSSR)
4. Vladimir Alexeevich Pankratov, Gorky (UdSSR)
5. Nikolai Ivanovich Savin, Gorky (UdSSR)
6. Tamara Alexandrovna Ternikova, Gorky (UdSSR)
7. Vladimir Jurievich Filippov, Gorky (UdSSR)
8. Dmitry Alexandrovich Khramov, Gorky (UdSSR)
9. Evgeny Naumovich Chernomordik, Gorky (UdSSR)
10. Vladimir Ivanovich Shiryaev, Gorky (UdSSR)
11. Vladimir Romanovich Muzychuk, Gorky (UdSSR)
12. Alexandr Nikolaevich Savin, Gorky (UdSSR)
Schneller Kernreaktor
Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor, insbesondere einen schnellen Kernreaktor, der vorwiegend in Kernkraftwerken, aber auch in Entsalzungsanlagen als Wärmequelle eingesetzt werden kann.
53O-(p. 57 i45/2)-Hd-r (7)
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Es ist ein schneller Kernreaktor bekannt (vgl. z. B. GB-PS 1 249 331, Kl. G6c), bei dem das den Reaktor-Behälter füllende Flüssigmetall-Kühlmittel mit einem Inertgas in Kontakt steht und,von einem Mittel zu seinem Zwangsumwälzen gefördert, die Spaltzone des Kernreaktors und die Rohre von Wärmetauschern umspült.
Bei dem bekannten Kernreaktor sind die Spaltzone, die Mittel zum Zwangsumwälzen des Kühlmittels und die Wärmetauscher in ein und demselben mit einem Deckel verschlossenen Reaktor-Behälter untergebracht. Der Reaktor-Behälter ist zum Teil mit dem Kühlmittel gefüllt, zwischen dessen freier Oberfläche und dem Deckel sich das Inertgas befindet. Der Mantel des Reaktor-Behälters ist bei dem bekannten Reaktor zylinderförmig, und seine Längsachse verläuft vertikal. Dabei ist der Reaktor-Behälter selbst im Querschnitt elliptisch.
Es sind auch Kernreaktoren bekannt, die dem vorstehend beschriebenen ähnlich sind, bei denen aber der Reaktorbehälterquerschnitt rund (wie beim Kernreaktor PFR) oder oval ist (wie in der GB-PS 1 026 559, Kl. G6c).
Der Deckel des Reaktorbehälters ist mit dessen Mantel fest verbunden und als Flachplatte ausgebildet. Gleichzeitig dient der Deckel als Träger für die Mittel zum Zwangsumwälzen des Kühlmittels sowie zum Umladen der Spaltzone und die Wärmetauscher.
Bei allen bekannten Kernreaktoren sind Berechnung und Fertigung des Deckels, der das Gewicht der angeführten Mittel und der Wärmetauscher aufnimmt und starke Temperaturschwankungen bei den verschiedenen Betriebszuständen des
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Reaktors aushalten muß, eine schwierige Ingenieuraufgabe. Hinsichtlich der Festigkeit sind der flache Deckel und der Mantel mit einem ovalen oder elliptischen Querschnitt am wenigsten fest und formbeständig in bezug auf sowohl den normalen Reaktorbetrieb als auch eine havariemäßige Erhöhung des Druckes im Innern des Reaktorbehälters.
Das Inertgas, das sich bei einem derartigen Reaktorbehälter zwischen dem Deckel und der freien Kühlmitteloberfläche befindet, stellt eine wärmedämmende Schicht dar. Das Vorhandensein einer Grenzfläche Kühlmittel - Inertgas unmittelbar im Reaktorbehälter kann zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung zwischen den vom Kühlmittel umspülten Reaktorbehälterteilen und den mit dem Inertgas in Kontakt stehenden Reaktorbehälterteilen bzw. zu unterschiedlichen Wärmedehnungen der besagten Teile führen. Eine Beseitigung der dabei entstehenden Wärmespannungen bedarf wirksamer und zuverlässiger Wärmedämm-Mittel für die genannten Bereiche und insbesondere für den Bereich, wo der Deckel an den Mantel angeschlossen ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen schnellen Kernreaktor zu entwickeln, bei dem eine höhere Festigkeit seines Reaktorbehälters sowie eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den ganzen Reaktorbehälter vom Aufbau her gewährleistet sind.
Diese Aufgabe wird bei einem schnellen Kernreaktor, bei dem das den Reaktorbehälter füllende Flüssigmetall-Kühlmittel mit einem Inertgas in Kontakt steht und von einem Mittel zu seinem Zwangsumwälzen gefördert, die Spaltzone des Kernreaktors und die Rohre von Wärmetauschern umspült, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Mantel des
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Reaktorbehälters die Form eines Zylinders mit waagerechter Längsachse und Hälse für den Kontakt des Flüssigmetall-Kühlmittels mit dem Inertgas aufweist.
Der Reaktorbehälter wird im Querschnitt zweckmäßig rund ausgeführt.
Der Kernreaktor wird weitergebildet durch einen Zusatzbehälter in Gestalt eines im Reaktorbehälter unter Einhaltung eines Spaltes eingesetzten Rohrstücks, das vom Kühlmittel in Richtung von den Wärmetauschern zu den Mitteln zum Zwangsumwälzen des Kühlmittels umspült wird.
Es ist vorteilhaft, daß der Mantel des Reaktorbehälters abgesetzt ausgebildet ist, wobei eine der äußersten Stufen zur Aufnahme des Mittels zum Zwangsumwälzen des Kühlmittels einen geringeren Umfang hat.
Die Wärnietaus cherr öhre sollten parallel zur Reaktorbehälterachse verlaufen.
Schließlich empfiehlt sich eine Einrichtung zum Verfahren seiner Spaltzone in Achsrichtung des Reaktorbehälters.
Der erfindungsgemäße Aufbau des schnellen Kernreaktors führt zu einem formbeständigeren, drucksichereren Reaktorbehälter, einer stabileren Temperaturverteilung im Reaktor sowie einer einfacheren Montage des Reaktors.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen schnellen Kernreaktors (im Längsschnitt);
Fig. 2 den Schnitt II-II gemäß Fig. 1;
Fig. 3 einen (in Achsrichtung gesehenen) Schnitt durch den Wärmetauscher des erfindungsgemäßen Kernreaktors mit einem elliptischen Querschnitt des Mantels;
Fig. 4 ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen schnellen Kernreaktors (im Längsschnitt).
Der erfindungsgemäße schnelle Kernreaktor enthält einen Reaktorbehälter 1 (Fig. 1), dessen Mantel 2 die Form eines Zylinders mit waagerechter Längsachse hat. Der Querschnitt des Mantels 2 (Fig. 2) ist rund. An den Stirnseiten ist der Mantel von Böden 3 abgeschlossen. Oben weist der Reaktorbehälter 1 Hälse 4, unten von Platten 6 abgeschlossene Stützschüsse 5 auf. Der Reaktorbehälter 1 mit den Hälsen 4 ist von einem an den Stützschüssen 5 angeschweißten Sicherheitsgehäuse 7 umschlossen.
Im Innern des Reaktorbehälters 1 sind am Mantel 2 in seiner unteren Hälfte an den Stellen, wo außen die Stützschüsse 5 an den Mantel 2 angeschlossen sind, Tragtöpfe 8, 9 und 10 angeschweißt, die dann durch die Hälse 4 hindurchgehen, mit denen sie durch biegsame Tomselemente 1 1 als Ausgleichsmittel für die unterschiedlichen Wärmedehnungen der Tragtöpfe 8, 9> 10 und des Reaktorbehälters 1 verbunden sind. Das Sicherheitsgehäuse 7 ist oben an den Hälsen 4 dicht befestigt.
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Im Innern des Reaktorbehälters 1 ist ein Zusatzbehälter 12 eingesetzt, der zusammen mit dem Mantel 2 des Behälters 1 einen Ringspalt 13 einschließt. Der Zusatzbehälter 12 ist unten an den Tragtöpfen 8, 9 und 10 befestigt und weist oben ebenfalls Hälse lh auf, die in den Spalt zwischen den Hälsen 4 und den Tragtöpfen 8, 9, 10 eingehen.
Der Zusatzbehälter 12 ist in zwei Kammern 15 und 16 von einem Trennring 17 unterteilt, der im Bereich zwischen den Tragtöpfen 8 und 10 angeordnet wird.
Im Innern der Tragtöpfe 8 werden Mittel zum Zwangsumwälzen des Kühlmittels untergebracht, als die bei der vorliegenden Ausführung des Kernreaktors Kreiselpumpen 18 verwendet sind. Im Innern der Tragtöpfe 9 sind Wärmetauscher 19 angeordnet, im Innern des Tragtopfes 10 liegen die Spaltzone 20 und eine Druckkammer 21. Die Druckkammer 21 kommuniziert über eine Druckrohrleitung 22 mit von den Kreiselpumpen 18 ausgehenden Rohrleitungen 23 und ist über ihren an einem Ringansatz 25 des Tragtopfes 10 anliegenden Flansch 2k daran befestigt, so daß sie den Tragtopf in eine Oberkammer 2.6 und eine Unterkammer 27 unterteilt. Die Oberkammer 26 kommuniziert über eine Rohrleitung 28 mit den Tragtöpfen 9·
Die Tragtöpfe 8 kommunizieren über Durchbrüche 29 mit dem Zusatzbehälter 12.
Die Wärmetauscher 19 sind im Innern eines zylindrischen Gehäuses 30 angeordnete Rohre 31 (Fig. 3)· Die Tragtöpfe 9» in denen die Wärmetauscher 19 untergebracht werden, sind jeweils von einem Ringansatz 32 in eine Oberkammer 33 und eine Unterkammer 3k unterteilt. Dabei kommuni-
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ziert die Oberkammer 33 mit dem Tragtopf 10 (Fig. 1) sowie über Durchbrüche 35 mit dem Innern des Gehäuses 30. Die Unterkammer 34 (Fig. 3) kommuniziert über Durchbräche mit dem Innern des Gehäuses 30 sowie über Durchbrüche mit dem Innern des Zusatzbehälters 12.
Der Tragtopf 1O (Fig. 1) ist von einem Stopfen 38» die Tragtöpfe 8 bzw. 9 von den in diesen untergebrachten Kreiselpumpen 18 bzw. Wärmetauschern 19 verschlossen.
Im Reaktorbehälter 1 ist ein Neutronenschild 39 im Bereich zwischen der Spaltzone 20 und den Kreiselpumpen 18 einerseits und den Wärmetauschern 19 andererseits angeordnet.
Der Reaktorbehälter 1 ist mit einem Flüssigmetall-Kühlmittel gefüllt, als das hier Natrium verwendet wird. Den Raum über dem Kühlmittel füllt ein Inertgas, hier Argon. Die freie Oberfläche 40 (Fig. 2) des Kühlmittels, d. h. die Grenzfläche zwischen Natrium und Argon, liegt im Innern der Hälse 4, so daß das Entstehen von Wärmespannungen im Reaktorbehälter 1 vermieden wird, die sich an der Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen wärmephysikalischen Eigenschaften normalerweise aufbauen.
Der Kernreaktor ist in einem Schutzgehäuse 4l (Fig. 1) aufgebaut und stützt sich an dessen Fundament 42 über Lagerrollen 43 ab, die in Kontakt mit den Platten 6 stehen.
Das Umladen der Spaltzone 20 erfolgt nach Ausheben des Stopfens 38, der Mittel 44 zur Regelung und Überwachung der Funktion der Spaltzone 20 trägt.
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Es ist auch eine Ausführung des Reaktorbehälters 1 möglich, bei der der Mantel 2 (Fig. 3) elliptisch im Querschnitt ist.
Es sei ferner ein zweites Ausführungsbeispiel des oben beschriebenen schnellen Kernreaktors angegeben.
Der Unterschied dieses Ausführungsbeispiels vom zuerst behandelten besteht darin, daß hier der Mantel 2 (Fig. 4) des Reaktorbehälters 1 zweistufig ausgebildet ist, wobei die erste Stufe 45 einen geringeren Umfang als die zweite Stufe 46 hat.
Die Stufe 46 weist oben nur zwei Hälse 47 und 48 auf. Der Hals 47 ist vom Stopfen 38 verschlossen, und darunter befindet sich die Spaltzone 20, deren Umladen über den von einem Deckel 49 bedeckten Hals 48 erfolgt.
Parallel zur Längsachse des Reaktorbehälters 1 sind im Innern des Zusatzbehälters 12 die Wärmetauscher 19 als ineinandergeschachtelte Rohre 50 und 51 untergebracht. An der einen Stirnseite sind die Außenrohre 50 verschlossen, das andere offene Ende ist jeweils im Boden 3 des Behälters 1 befestigt, der hier also als ein Rohrboden für die Wärmetauscher 19 auftritt. Im Innern jedes Rohres 50 ist unter Einhalten eines Ringspaltes ein Rohr 51 angeordnet, das mit dem einen Ende in einem Rohrboden 52 einer Auslaßkammer 53 für das Kühlmittel eines zweiten Kreislaufs befestigt ist. Die Kammer 53 ist in einer Einlaßkammer 54 angeordnet, deren Wände am Boden 3 des Reaktorbehälters 1 befestigt sind. Die Kammern 53 und 54 kommunizieren über Rohrleitungen 55 und 56 miteinander, die das Kühlmittel des zweiten Kreislaufs den Wärmetauschern 19 (wie durch
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Pfeile veranschaulicht) zu- bzw. davon abführen.
Innerhalb des Zusatzbehälters 12 ist im Bereich unter den Hälsen 47 und 48 eine Plattform 57 aufgebaut, auf der die Druckkammer 21 zusammen mit der Spaltzone 20 verschoben wird. An die Kammer 21 ist die Druckrohrleitung 22 angeschlossen, deren Stirn auf der Gegenseite im Bereich der Stufe 45 des Mantels des Behälters 1 liegt. Um das Umladen der Spaltzone 20 über den Hals 48 zu ermöglichen, ist ein Mittel zu deren Umsetzen auf der Plattform 57 im Reaktorbehälter 1 in Achsrichtung vorgesehen. Dieses Mittel zum Umsetzen der Spaltzone 20 sind zwei Seile 58, jeweils an der einen Seite der Druckkammer 21 und einer von zwei am Reaktorbehälter 1 angebrachten, die Kraft zur Versetzung der Spaltzone 20 erzeugenden Trommeln 59 befestigt. Die Seile 58 sind über Rollen 60 geführt, die an den einander gegenüberliegenden Enden der Plattform 57 angebracht sind und die Verlagerung der Spaltzone 20 im Behälter 1 in Achsrichtung ermöglichen.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel dient als Mittel zum Zwangsumwälzen des Kühlmittels eine elektromagnetische Pumpe 6i mit einem in der Druckrohrleitung 22 befindlichen inneren Kern 62 und einem zusammen mit einer mehrphasigen Wicklung 64 eines Induktors am Mantel der Stufe 45 untergebrachten äußeren Kern 63.
Auf der Seite zur elektromagnetischen Pumpe 61 ist der Zusatzbehälter 12 von einer Trennwand 65 mit einem Loch abgeschlossen, durch das die Druckrohrleitung 22 hindurchgeht.
Die Funktion eines Neutronenschilds übernimmt bei der vorliegenden Ausführung des Kernreaktors eine Kühlmittel-
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schicht zwischen der Spaltzone 20 und der elektromagnetischen Pumpe 6i.
Das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen schnellen Kernreaktors arbeitet wie folgt:
Das in der Spaltzone 20 (Fig. 1) aufgeheizte Flüssigmetall-Kühlmittel strömt über die Rohrleitungen 28 aus der Oberkammer 26 des Tragtopfes 10 in die Oberkammern 33 (Fig. 3) der Tragtöpfe 9 über. Dort läuft es aus den Kammern 33 durch die Durchbrüche 35 in den Gehäusen 30 der Wärmetauscher 19 in diese über, und indem es nach unten strömt, umspült es die das Kühlmittel des zweiten Kreislaufs führenden Rohre 31 und gibt daran die Wärme ab. Das abgekühlte Kühlmittel tritt durch die Durchbrüche 36 in den Gehäusen 30 aus den Wärmetauschern 19 in die Unterkammern Jk der Tragtöpfe 9 ein und läuft von dort durch die Durchbrüche 37 in die Kammer 16 (Fig. 1) des Zusatzbehälters 12 über. Aus der Kammer 16 des Zusatzbehälters 12 strömt das abgekühlte Kühlmittel teils über den Trennring 17 direkt in die Kammer 15> teils durch das offene Ende des Zusatzbehälters 12 in den Ringspalt 13 über. Indem das Kühlmittel den Ringspalt 13 durchströmt, kühlt es den Reaktorbehälter 1 auf seiner ganzen Länge ab. Aus dem Ringspalt 13 fließt das Kühlmittel durch das andere offene Ende des Zusatzbehälters 12 in dessen Kammer 15 über. Von dort strömt es durch die Durchbrüche 29 in den Tragtöpfen 8 den Kreiselpumpen 18 zu. Danach wird es wieder in die Pumpen-Rohrleitungen 23» dann in die Druckrohrleitung 22 und weiterhin in die Druckkammer 21 gefördert. In der Druckkammer 21 steigt das Kühlmittel hoch und umspült die Spaltzone 20, in der es aufgeheizt wird.
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Von da an beginnt der Umlauf mit Aufheizungs- und Abkühlungsvorgängen von neuem.
Der Betrieb des schnellen Kernreaktors nach dem zweiten Ausführungsbeispiel läuft analog ab.
Der Unterschied besteht nur darin, daß das aus der Spaltzone 20 (Fig. h) abströmende aufgeheizte Kühlmittel im Zusätzbehälter 12 zu dessen offenem Ende fließt. Die Räume zwischen den Rohren 50 durchströmend, kühlt sich das Kühlmittel des ersten Kreislaufs ab, indem seine Wärme vom in diesen Rohren fließenden Kühlmittel des zweiten Kreislaufs abgeführt wird. Das abgekühlte Kühlmittel des ersten Kreislaufs tritt aus dem Zusatzbehälter 12 durch dessen offenes Ende aus und gelangt in den Ringspalt 13· Nach Durchfluß durch den Ringspalt 13 tritt das Kühlmittel in den Spalt zwischen dem Mantel im Bereich der Stufe k-5 und der Druckleitung .22 ein, wo es von der elektromagnetischen Pumpe 6i angesaugt und durch die Druckrohrleitung 22 in die Druckkammer.21 der Spaltzone 20 gefördert wird, in deren Bereich es aufgeheizt wird.
Das kalte Kühlmittel des zweiten Kreislaufs wird von der Rohrleitung 55 der Einlaßkammer 5^- zugeführt, wo es auf die Rohre 50 verteilt wird. Diese durchfließend, entzieht es die Wärme dem die Rohre 5Q von außen umspülenden Kühlmittel des ersten Kreislaufs. Aus den Rohren 50 strömt das Kühlmittel in die inneren Rohre 51 über und in diesen der Auslaßkammer 53 zu, aus der es von der Rohrleitung 56 abgeführt wird.
Von da an beginnt der Umlauf mit Aufheizungs- und Abkühlungsvorgängen von neuem.
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Bei dem erfindungsgemäßen schnellen Kernreaktor ist der Mantel des (eigentlichen) Reaktorbehälters zylinderförmig und seine Längsachse verläuft waagerecht, weshalb die Festigkeit des Behälters sich erhöht. Die Grenzfläche Kühlmittel - Inertgas ist aus dem Reaktorbehälter in die zur Aufnahme der Einrichtungen dienenden Hälse verlagert, weswegen das Problem der Wärmespannungen im Reaktorbehälter sich leichter lösen läßt.
Der Einbau von Pumpen, Wärmetauschern und die Unterbringung der Spaltzone in Tragtöpfen derart, daß ihr Gewicht sich direkt auf das Fundament überträgt, wirkt sich auf die Festigkeit des Reaktorbehälters ebenfalls günstig aus. Gleichfalls werden die Festigkeit und die Dichtheit des Reaktorbehälters durch die liegende Anordnung der elektromagnetischen Pumpe und der Wärmetauscherrohre aufgrund der Herabsetzung der Anzahl der Hälse im Oberteil des Mantels verbessert.
Die gewählte Form des Reaktorbehälters macht es möglich, eine verschiebbare Spaltzone wirksam zu nutzen, wobei die Dichtheit des Behälters beim Ausbau des die Mittel zur Regelung und Überwachung der Funktion der Spaltzone tragenden Stopfens nicht beeinträchtigt und die Gefahr einer radioaktiven Verseuchung der Mittel beim Umladen ausgeschlossen wird.
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Claims (6)

  1. Patentansprüche
    1 .,/Schneller Kernreaktor, bei dem das den Reaktorbehälter füllende Flüssigmetall-Kühlmittel mit einem Inertgas in Kontakt steht und, von einem Mittel zu seinem Zwangsumwälzen gefördert, die Spaltzone des Kernreaktors und die Rohre von Wärmetauschern umspült, dadurch gekennzeichnet , daß der Mantel (2) des Reaktorbehälters (1) die Form eines Zylinders mit waagerechter Längsachse und Hälse (4) für den Kontakt des Flüssigmetall-Kühlmittels mit dem Inertgas aufweist.
  2. 2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorbehälter (1) im Querschnitt rund ist.
  3. 3· Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Zusatzbehälter (12) in Gestalt eines im Reaktorbehälter (1) unter Einhaltung eines Spaltes (13) eingesetzten Rohrstücks, das vom Kühlmittel in Richtung von den Wärmetauschern (19) zu den Mitteln zum Zwangsumwälzen des Kühlmittels umspült wird.
  4. 4. Kernreaktor nach Anspruch 1, 2 oder 3j dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (2) des Reaktorbehälters (1) abgesetzt ausgebildet ist, wobei eine der äußersten Stufen (45) zur Aufnahme des Mittels zum Zwangsumwälzen des Kühlmittels einen geringeren Umfang hat.
  5. 5. Kernreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (31) der Wärmetauscher (19) parallel zur Achse des Reaktorbehälters (1) verlaufen.
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  6. 6. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Verfahren seiner Spaltzone (20) in Achsrichtung des Reaktorbehälters (i)o
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DE19742443961 1974-09-13 1974-09-13 Schneller kernreaktor Withdrawn DE2443961A1 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US05/505,794 US4048011A (en) 1974-09-13 1974-09-13 Fast nuclear reactor

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DE19742443961 Withdrawn DE2443961A1 (de) 1974-09-13 1974-09-13 Schneller kernreaktor

Country Status (5)

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US (1) US4048011A (de)
JP (1) JPS5135887A (de)
DE (1) DE2443961A1 (de)
FR (1) FR2284954A1 (de)
GB (1) GB1451575A (de)

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