DE2628934C2

DE2628934C2 - Mit flüssigem Metall gekühlter Kernreaktor

Info

Publication number: DE2628934C2
Application number: DE2628934A
Authority: DE
Inventors: John Graham Northwich Cheshire Durston; John Richard Warrington Cheshire Hind
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1975-07-07
Filing date: 1976-06-28
Publication date: 1985-07-04
Also published as: JPS5231296A; GB1527372A; FR2317734B1; FR2317734A1; JPS5952795B2; DE2628934A1; US4046629A

Description

Die Erfindung betrifft einen mit flüssigem Metall gekühlten Kernreaktor mit einem Primärbehälter, der ein Schmelzbad aus flüssigem Metall enthält, sowie mit einem Reaktorkern, der in das Schmelzbad aus flüssigem Metall eingetaucht und durch ein Reaktorgefäß eingeschlossen ist.

Rinc bekannte Bauart von mit flüssigem Metall gekühltem Kernreaktor weist einen Kernreaktorkern auf. der in ein Schmelzbad aus flüssigem Natrium eingetaucht ist, welches in einem Primärbehälter innerhalb eines Betongewölbes enthalten ist. Der Kern wird auf einem Haltegitter abgestützt und ist von einem Mantel oder Reaktorgefäß umgeben, und Kühlmittel wird von außerhalb des Reaktorgefäßes durch eine Pumpe aufwärts durch den Reaktorkern hindurch und von dort nach einem Wärmetauscher in Umlauf gebracht, von welchem aus das Kühlmittel zurück zum Bereich des Schmelzbades gefördert wird, welches sich außerhalb

ίο des Reaktorgefäßes befindet Die Temperatur des Schmelzbades außerhalb des Reaktorgefäßes beträgt annähernd 400⁰C, während diejenige innerhalb des Reaktorgefäßes bei etwa £00° C liegt.
Um die WäiTneübertragung vom inneren auf den äußeren Bereich des Schmelzbades zu reduzieren und die Wand des Reaktorgefäßes vor den Belastungseinflüssen einer derartig großen Temperaturdifferenz zu schützen, ist es notwendig, eine Wärmeisolierung für die Innenwand, d. h. die heiße Wand des Tanks vorzusehen. Bei der bekannten Bauart von mit flüssigem Metall gekühltem Kernreaktor ist die Isolierung von passiver Art, d. h. eine Auskleidung von einer Bauart, die eine geringe Wärmeübertragungseigenschaft hat und von einer solchen Form, wie eine gasgefüllte, abgesteppte Hülle aus dünnem Edelstahl, ist. Eine derartige Isolierung ist aber unzuverlässig und erfordert eine Prüfung auf Gasdichtigkeit durch komplizierte Techniken. Bei einer aus der DE-OS 24 51 448 bekannten Konstruktion eines mit flüssigem Metall gekühlten Kernreaktors weist die passive Isolierung für die Wand des Reaktorgefäßes eine Auskleidungsschicht aus locker gepackten und gegeneinander abgedichteten Edelstahlblöcken sowie eine von der Schicht aus Blöcken im Abstand angeordnete Edelstahlmembran auf. Die Membran ist mit einem Netzwerk von sich kreuzenden Wellungen versehen, um die Wärmeausdehnung der Membran aufzunehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mittel

zur Isolierung des Reaktorgefäßes eines mit flüssigem Metali gekühlten Kernreaktors zu schaffen, bei dem das Flüssigmetall eine aktive Rolle bei der Isolierung spielt und dadurch die Kompliziertheit der Herstellung vermindert und die Zuverlässigkeit der Isolierung erhöht.

Diese Aufgabe wird bei einem Kernreaktor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch eine Einrichtung zum Umhüllen der Innenwandoberfläche des Reaktorgefäßes mit flüssigem Metall gelöst, welches aus dem Schmelzbadbereich außerhalb des Reaktorgefäßes abgezogen wird, und zum Fließen lassen des flüssigen Metalls von dort radial einwärts in Richtung auf den Reaktorkern vorgesehen ist. 1 c Erfindung sieht vor. daß die Innenwandoberfläche des Reaktorgefäßes durch Berührung mit relativ kühlem flüssigem Metall gekühlt wird und daß die nachfolgende radiale Einwärtsströmung des flüssigen Metalls die Auswärtsübertragung von Wärme auf die Innenwandoberfläche des Reaktorgefäßes zurückhält.

Diese Einrichtung, welche die Innenwandoberfläche des Reaktorgefäßes mit flüssigem Metall umhüllt, das aus dem Schmelzbadbereich außerhalb des Reaktorgefäßes abgezogen wird, und weiche das flussige Metall von dort radial einwärts fließen läßt, kann eine kontinuierliche Membran aufweisen, die im Abstand von der Innenwandoberfläche des Reaktorgefäßes angeordnet ist, um dadurch einen von der Innenwandoberfläche des Reaktorgcfä.ßes und von der Membran begrenzten Raum zu bilden, wobei die Membran eine Vielzahl von verteilten Perforationen aufweist und wobei eine Pumpe mit einer Einlaßöffnung, die in das Schmelzbad des

flüssigen Metalls außerhalb des Reaktorgefäßes eingetaucht ist, und mit einer Auslaßöffnung, die so angeordnet ist, daß sie das flüssige Metall in den vorgenannten Raum entleert, vorgesehen ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist jedoch eine Vielzahl von im Abstand angeordneten Membranen mit verteilten Perforationen vorgesehen, die eine radiale Reihe von Räumen bilden, durch welche flüssiges Metall aus der Entleerungsöffnung nacheinander fließen kann. Die Membranen können ein Netzwerk von sich schneidenden Wellungen aufweisen, um die Wärmeausdehnung aufzunehmen, wobei die Perforationen Schlitze sind, die an den Schnittstellen der Wellungen vorgesehen sind, doch sind bei einer bevorzugten Ausführungsform die Wellungen einer ersten Gruppe von parallelen Weitungen zwischendurch unterbrochen, um die Möglichkeit von an den Knotenpunkten eingeführten komplizierten Beanspruchungen zu vermeiden.

, I Ein konstruktives Ausführungsbeispiel eines mit flüssigem Metall gekühlten Kernreaktors gemäß der Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt

F i g. 1 eine Teilseitenansicht im Schnitt,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Einzelteils, während

Fig. 3 einen Schnitt durch die Gesamtkonstruktion wiedergibt.

Bei der Kernreaktorkonstruktion gemäß Fig. 3 ist der Kern 101 eines Schnellbrüter-Kernreaktors in ein Schmelzbad 102 aus flüssigem Natrium eingetaucht, welches in einem Primärbehälter 103 enthalten ist. Der Behälter 103 befindet sich in einem Betongewölbe 104 mit einer Abdeckung 105, von welcher der Primärbehälter 103 herabhängt. Der Reaktorkern wird von einem Haltegitter 106 getragen, welches von der Abdeckung 105 gehalten wird, und der Reaktorkern ist innerhalb eines Reaktorgefäßes 107 untergebracht. Die Abdekkung hat zahlreiche Durchgänge für Hilfseinrichtungen, wie Wärmetauscher 108 und Zirkulatoren 109. und weist ein zentraleb Drehschild 110 auf. Das Drehschild 110 weist einen äußeren drehbaren Bauteil mit einem darin exzentrisch angeordneten inneren drehbaren Bauteil auf, wobei Durchgänge im Schild für Kontroll- bzw. Steuermechanismen sowie für den Zugang zu Brennelementbaugruppen im Kern vorgesehen sind. Bei Gebrauch wird Kühlmittel vom SchmelzoaoSereich außerhalb dos Reaktorgefäßes 107 durch den Kern 101 hindurch über das Haltegitter und von dort durch das Reaktorgefäß 107 zurück /um Schmelzbadbereich außerhalb des Reaktorgefäßes über die Wärmetauscher 108 in Umlauf gebracht. Der Primärbehälter 103 ist von der Wand des tietongewölbes im Abstand angeordnet, und eine Wärmeisolierung ist zwischen den Behälter und die Gewölbewand eingebaut. Die Temperatur des Natriums im äußeren Bereich des Schmelzbades beträgt annähernd 400⁰C, während die Temperatur des Natriums innerhalb des Reaktorgefäßes annähernd 600⁰C beträgt, so daß eine Wärmeisolierung 111 für die Innenwand, d. h. für die heiße Wand des Reaktorgefäßes, vorgesehen ist.

In Fig. 1 ist ein Teil des Reaktorgefäßes 107 dargestellt, der einen Boden 1 aufweist. Der Spiegel des flüssigen Metalls im äußeren Teil des Primärbehälters 103 ist mit dem Bezugszeichen 3 angedeutet, während der Spiegel innerhalb des Reaktorgefäßes 107 durch das Bezugszeichen 4 kenntlich gemacht ist, wobei der Spiegel 4 höher liegt als der Spiegel 3, und zwar infolge des Druckabfalls im Reaktorkühlsystem, wodurch Natrium, welches durch den Kern hindurchgepumpt wird, vom Reaktorgefäß nach den Primärwärmetauschern 108 gelangt, bevor es zum äußeren Bereich des Schmelzbades, der die Einlasse der Pumpen speist, zurückgeführt wird. Auf diese Weise ist das Natrium im Reaktorgefäß 107. welches gerade durch den Kern hindurchgelangt ist. der die Wärmequelle für das Energieerzeugungssystem ist. heißer als dasjenige auf der Außenseite des Reaktorgefäßes. Die Isolierung ill hat die Form einer Vielzahl von gleichen Membranen, zweckmäßig aus Edelstahl, wobei drei davon, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigt sind, jeweils mit 5, 6 und 7 bezeichnet sind. Die erste Membran 5 ist von der Wand des Reaktorgefäßes 107 im Abstand angeordnet, um einen Raum 8 zu bilden, die zweite Membran 6 ist im Abstand von der Membran 5 angeordnet, um einen Raum 9 zu bilden, wobei der letztere eine geringere Breite als der Raum 8 hat, und die äußere Membran 7 ist von der Membran 6 im Abstand angeordnet, und zwar ähnlich dem Abstand zwischen den M^branen 5 und 6, urn einen Raum 10 zu bilden. Der Ken ist zylindrisch, das Reaktorgefäß 107 ist ebenfalls zylindrisch, und die Membranen sind ähnlich geformt, wodurch Ringräume 8, 9 und 10 gebildet werden. Andere Formen fü; den Kern, das Reaktorgefäß und die Membranen sind natürlich möglich, doch wurde die zylindrische Form als die zweckmäßigste angesehen und wird fast unverändert verwendet.

Die Membranen 5, 6 und 7 sind an der Wand des Reaktorgefäßes 107 angebracht und werden mittels Befestigungsschrauben 11 auf Abstand gehalten, wobei nur drei von Ihnen in einer einzigen Höhe der Klarheit wegen dargestellt sind, wobei es sich von selbst versteht, daß sie in verschiedenen Höhen als Hilfsmittel vorgesehen sind. Die Wanddicke der Membranen 5, 6 und 7 ist relativ gering im Vergleich zur Dicke der Reaktorgefäßwand (1 mm im Vergleich zu 20 mm bei einem typischen Ausführungsbeispiel). Es wird vorgezogen, den Membranen eine gewisse Flexibilität dadurch zu geben, daß ein Netzwerk von Wellungen vorgesehen wird, die sich zwe .kmäßig im rechten Winkel schneiden und vertikal und horizontal angeordnet sind. Die vertikalen Wellungen an der äußeren Membran 7 sind mit \2 und die horizontalen Wellungen mit 13 bezeichnet. An jeder Stelle, an denen sich diese Wellungen kreuzen. Lt eine Perforation durch die jeweilige Membran hindurch vorgesehen, um eine Verbindung zwischen den Räumen herzustellen, und die Perforationen bestehen zweckmäßig aus Schlitzen in einer der Wellungen (siehe F i g. 2).

Die mit 14 in den Fig. 1 und 2 bezeichneten Schlitze sind in den horizontalen Wellungen 13 vorgesehen. Bei einer abgeänderten Ausführungsform, in strichpunktierten L'^ipt in F i g. 2 dargestellt, ist jede der unterbrochenen Wellungen (die vertikalen Wellungen 12 in den Fig.) und 2) so ge'ormt. daß sich eine Klampe 15 ubrr die höchste Stelle der Schlitze 14 nach Art einer Abdeckblende erstickt, um auf diese Weise die radiale Auswärtsströmung des Mediums durch die Schlitze 14 hindurch zu unterbiechen und die Strömung seitlich abzulenken, mit Strömungsrichtungskomponenten. die im wesentlichen parallel zu den Membranoberflächen verlaufen.

Um die Bewegung von kühlem Natrium durch die Räume 8, 9 und 10 hindurch voranzutreiben, ist eine vorzugsweise elektromagnetische Natriumpumpe, schematisch in F i g. 2 dargestellt und mit 16 bezeichnet, mit einem Einlaß 17 versehen, der in das kühle Natrium im Tank eintaucht, sowie mit einem Auslaß 18, der, wie

dargestellt, über die Reaktorgefäßwand oder durch sie hindurch geführt ist, um kühles Natrium in den Raum 8 zu fördern. Die Spiegel des Natriums in den Räumen 8,9 und 10 sind jeweils mit 19, 20 und 21 bezeichnet. Die Pegeldifferenz an einer Membran stellt die Druckdifferenz dar, die erforderlich ist, um das Natrium durch die Schlitze 14 hindurchzutreiben. Natrium gelangt durch die Schlitze 14 in jeder Höhe hindurch und mit verschiedenen Strömungsrichtungskomponenten, wie vorerwähnt und wie durch Strömungsrichtungspfeile bei einigen der Schlitze 14 in F i g.! dargestellt, um zum Raum 9 und zum Raum 10 zu gelangen, wobei es sich schließlich mit dem heißen Natrium im Reaktorgefäß vereinigt und, wenn dies geschieht, mehr oder weniger auf der gleichen Temperatur liegt, und zwar aufgrund des Um-Standes, daß es Wärme von den Membranen und dem in den Räumen zwischen diesen enthaltenen Natrium aufgenommen hat. Auf d;csc Weise erreicht nur sehr wenig von der durch die Membran 7 hindurchgehenden Wärme das Reaktorgefäß 107, wobei der Hauptanteil der Wärme in das Reaktorgefäß durch das durch die Membranen hindurchfließende Natrium zurückgeleitet wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Mit flüssigem Metall gekühlter Kernreaktor mit einem Primärbehälter, der ein Schmelzbad aus flüssigem Metall enthält, sowie mit einem Reaktorkern, der in das Schmelzbad aus flüssigem Metall eingetaucht und durch ein Reaktorgefäß eingeschlossen ist gekennzeichnet durch eine Einrichtung (5, 16) zum Einhüllen der Innenwandoberfläche des Reaktorgefäßes (107) mit flüssigem Metall, das aus dem Schmelzbadbereich außerhalb des Reaktorgefäßes abgezogen wird, sowie zum Fließen bringen des flüssigen Metalls von dort radial einwärts in Richtung auf den Reaktorkern.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einhüllen der Innenwandoberfläche des Reaktorgefäßes (107) mit flüssigem Metall eine kontinuierliche Membran (5) aufweist, öm in Abstand von der Innenwandoberfläche des Reaktorgefäßes angeordnet ist und einen Raum (8) bildet, der von der Innenwandoberfläche des Reaktorgefäßes (107) und der Membran (5) begrenzt ist, wobei die Membran eine Vielzahl von verteilten Perforationen (14) aufweist, und daß eine Pumpe (16) vorgesehen ist, als eine in das Schmelzbad aus flüssigem Metall außerhalb des Reaktorgefäßes eingetauchte Einlaßöffnung (17) sowie eine Auslaßöffnung (18) aufweist, die so angeordnet ist, daß sie flüssiges Metall in den Raum (8) entleert.

3. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl ν η in Abstand angeordneten Membranen (5,6.7) mit verteilten Perforationen vorgesehen ist. wobei die Membranen eine radiale Reihe von Räumen (8,9, 10) bilden, durch welche flüssiges Metall aus der Entleerungsöffnung (18) nacheinander fließen kann.

4. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen ein Netzwerk von sich schneidenden Wellungen (12,13) aufweisen und daß die Perforationen (14) an den Kreuzungspunkten der Wellungen angeordnet sind.

5. Kernreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede von einer ersten Gruppe von parallelen Wellungen (13) kontinuierlich ist und Schlitze (14) aufweist, welche die Perforationen bilden, während jede aus einer zweiten Gruppe von Wellungen (12). die rechteckig zur ersten Gruppe verlaufen, diskontinuierlich ausgebildel ist. wobei die Enden der diskontinuierlichen Abschnitte so profiliert sind, daß sie den Wellungcn der ersten Gruppe folgen.

6. Kernreaktor nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der diskontinuierlichen Abschnitte jeweils eine Klappe (15) bilden, welche die Schlitze blendenartig verdecken.