DE2816348A1

DE2816348A1 - Verfahren und vorrichtung zum kuehlen des behaelters eines mit schnellen neutronen arbeitenden kernreaktors

Info

Publication number: DE2816348A1
Application number: DE19782816348
Authority: DE
Inventors: Andre Andreani; Rene Chevallier; Paul Lambert
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1977-04-19
Filing date: 1978-04-14
Publication date: 1978-11-02
Also published as: FR2388375B1; GB1595042A; FR2388375A1; DE2816348C2; BE865946A; ES468863A1; JPS53129791A; US4156629A; IT7867873A0

Description

CP 536/1564 München, 14. April 1978

B 6263.3 PG Dr.M/hs

Commissariat ä I¹Energie Atomique in Paris / Frankreich

Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen des Behälters eines mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktors

Die Erfindung betrifft Kernreaktoren, deren Kern durch ein flüssiges Metall, im allgemeinen Natrium, gekühlt wird, das in einem an seinem oberen Ende offenen Behälter mit senkrechter Achse enthalten ist, und betrifft besonders Kernreaktoren, die mit schnellen Neutronen arbeiten.

Bei der üblichsten Bauweise solcher Kernreaktoren sind der Kern und das zu seiner Kühlung dienende Volumen von flüssigem Natrium im Inneren eines Behälters mit senkrechter Achse angeordnet, der an seinem oberen Ende offen und unter einer dicken Schutzdecke aufgehängt ist, die diesen Behälter abschließt und Durchlaßöffnungen zum Innenraum desselben für Vorrichtungen, die den Zugang zum Kern ermöglichen, oder für andere für den Betrieb notwendige Bestandteile aufweist, wie Wärmeaustauscher und Pumpen, die vom Verschlußdeckel getragen und rings um den Kern verteilt sind. Diese Bestandteile sorgen einerseits für die Übertragung der vom flüssigen Metall bei seinem Durchgang durch den Kern aufgenommenen Wärme und andererseits für dessen kontinuierlichen Kreislauf. Vorteilhafterweise ist der Kern selbst in einem zweiten Behälter, dem sogenannten Innenbehälter, angeordnet, der das im ersten Behälter, dem sogenannten Hauptbehälter, enthaltene Volumen von flüssigem Metall in zwei Bereiche unterteilt, die jeweils heißer Sammelraum und kalter Sammelraum genannt werden, wobei der heiße Sammel-

809844/0763

raum das flüssige Metall am Ausgang des Kerns aufnimmt und dieses gleiche flüssige Metall nach Durchlaufen der Wärmeaustauscher und dort erfolgter Abkühlung in den kalten Sammelraum gelangt und dann von den Förderpumpen unter einem geeigneten Druck in den Kern des Kernreaktors zurückgepumpt wird, um so einen Kreislauf aufrechtzuerhalten.

Gemäß einer ebenfalls bekannten Ausbildung ist der Reaktorkern durch nebeneinander angeordnete Kernbrennstoffelement-Anordnungen gebildet, die auf einem Traggerüst ruhen, das aus zwei Tragplatten oder Traggittern besteht, welche Ausnehmungen aufweisen, in welche senkrecht die Füße dieser Kernbrennstoffelement-Anordnungen eingreifen. Die Pumpen fördern das kalte flüssige Metall in das Traggerüst, und es ist auf dem Niveau der Verbindung zwischen den Füßen der Brennstoffelement-Anordnungen und diesem Traggerüst ein Nebenstrom oder Leckstrom vorgesehen, der gering ist gegenüber dem durch die Brennstoffelement-Anordnungen gehenden und diese kühlenden Hauptstrom. Dieser Nebenstrom wird unter dem Traggerüst des Kerns aufgefangen und einem Ringraum zugeführt, der zwischen der Innenwand des Hauptbehälters und einer zu dieser parallelen Leitwand ausgebildet ist, wo der Nebenstrom zur Kühlung der Seitenwand des Behälters strömt, bevor er zum kalten Sammelbereich zurückgeführt wird, wo er sich mit dem restlichen Volumen des flüssigen Metalls mischt. Der Nebenstromdurchsatz kann diesem kalten Sammelbereich entweder dadurch wieder zugeführt werden, daß man ihn über die Oberkante der Leitwand überlaufen und zwischen dieser Leitwand und einer parallelen Leitgegenwand zurückströmen läßt, oder indem man ihn über die gleiche Oberkante überlaufen und frei in diesen Sammelraum zurückfallen läßt.

Bei der einen oder anderen dieser Lösungen befindet sich das zur Kühlung dienende flüssige Natrium im offenen oberen Teil des Behälters in Berührung mit einem Neutralgaspolster, das oberhalb des Niveaus des flüssigen Metalls unter dem den Reaktor verschließenden Verschlußdeckel als Abdeckschicht angeordnet ist. Es können nun Schwierigkeiten auftreten, wenn sich das

8098U/0 7S3

Niveau der freien Oberfläche des Natriums im Behälter verändert. Wenn man dafür sorgt, daß das Umkehrniveau des abgenommenen flüssigen Natriums dauernd unter dem im Behälter vorhandenen liegt, besteht keine Gefahr des Mitreißens von Gas aus dem Schutzgaspolster; es bilden sich jedoch bei gedrosseltem Betrieb des Kernreaktors, bei dem das Niveau des abgenommenen flüssigen Natriums seine höchste Höhe erreicht, stagnierende und nicht gekühlte Schichten im oberen Teil des Behälters, zwischen diesem und der Leitwand. Wenn man dagegen dafür sorgt, daß das Überlaufniveau des abgenommenen flüssigen Natriums dauernd oberhalb des maximalen Niveaus im Behälter liegt, ist zwar die Kühlung des Behälters bei allen Betriebszuständen gewährleistet, jedoch kann ein solcher Überlauf ein nachteiliges Mitreißen von Gas aus dem Schutzgaspolster zur Folge haben.

Die Erfindung bezweckt ein Verfahren und eine Vorrichtung, welche eine homogene und wirksame Kühlung des oberen Teils des Behälters eines mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktors durch Abnahme einer Fraktion des zur Kühlung dienenden flüssigen Metalls unabhängig vom Niveau des flüssigen Metalls im Behälter, ohne Bildung von heißen Taschen und ohne Mitreißen von Schutzgas gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Kühlen der Wand eines Behälters, des sogenannten Hauptbehälters, eines mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktors, wobei der Hauptbehälter einen zweiten Behälter, den sogenannten Innenbehälter, umgibt, der den Reaktorkern enthält und ein im Hauptbehälter eingeschlossenes Volumen von flüssigem Metall in zwei Bereiche unterteilt, welche heißer Sammelraum und kalter Sammelraum genannt werden, wobei durch rings um den Reaktorkern verteilte Pumpen flüssiges Metall, das im kalten Sammelraum angesaugt wird, durch den Reaktorkern in den heißen Sammelraum im Kreis gefördert wird und konzentrisch zur Wand des Hauptbehälters eine Leitwand und eine Leitgegenwand angeordnet sind, die jeweils einen ersten und zweiten Ringraum begrenzen, die in den kalten Sammelraum münden, wobei der erste Ringraum von

8O98A4/O7B3

einem abgenommenen Nebenstrom des als Kuhlmittel dienenden flüssigen Metalls von unten nach oben durchströmt wird, der die Wand des Hauptbehälters bis zu einem in der Nähe der Oberkante der Leitwand liegenden gleichbleibenden oberen Niveau berührt, und wobei dieses Verfahren erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß man das flüssige Metall mittels Vorrichtungen, die in Berührung mit der zum Inneren des Hauptbehälters gerichteten Wand der Leitwand stehen,-in den zweiten Ringraum bis auf ein niedriges Niveau, das der freien Oberfläche des Metalls im kalten Sammelraum entspricht, überlaufen läßt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht so auch bei Veränderungen des Betriebszustands des Kernreaktors, im ersten Kingraum ein konstantes Niveau des mit der Wand des Hauptbehälters in Berührung stehenden flüssigen Metalls aufrechtzuerhalten, ohne daß Gas des Schutzgaspolsters in das in den zweiten Ringraum überlaufende flüssige Metall mitgerissen wird.

Erfindungsgemäß wird ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die überlaufvorrichtung aus schraubenförmigen Rinnen besteht. Diese Rinnen können an der Wand der Leitwand befestigt sein, oder die Leitwand kann selbst eine Seitenwand dieser Rinnen bilden. Gegebenenfalls können die Rinnen Hindernisse für den Durchfluß des flüssigen Metalls in den zweiten Ringraum aufweisen. Diese Hindernisse können aus einem metallischen oder mineralischen Material gebildet sein, beispielsweise in Form von Geweben oder Formkörpern, die gegebenenfalls perforiert sein können, oder auch in Form von Teilchen, wie Kugeln oder Körnern.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden erläuternden Beschreibung einer Ausführungsform mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Hierin zeigen:

809844/0753

Fig. 1 einen vereinfachten schematischen Schnitt durch einen Kernreaktor, der mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgerüstet ist,

Fig. 2 als Einzelheit eine Ansicht einer Überlaufrinne;

Fig. 3 einen Querschnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rinne;

Fig. 4 einen Querschnitt einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rinne.

Fig. 1 zeigt den Hauptbehälter 1 mit senkrechter Achse eines ganz schematisch dargestellten Kernreaktors, der mit schnellen Neutronen arbeitet. Dieser Behälter ist mit seinem oberen Teil unter einem Verschlußdeckel 10 aufgehängt, der einen Betonbehälter 10a verschließt, der die gesamte Anlage enthält. Der Reaktorkern 2 des Kernreaktors weist an seinem unteren Teil einen Sammelraum oder Zuführungskammer 20 auf, die mittels eines Traggerüstes 21 auf dem im wesentlichen halbkugelförmigen Boden des Behälters 1 ruht. Eine Hüll- oder Leitwand 3 ist konzentrisch zum Hauptbehälter 1 angeordnet und erstreckt sich von der Basis des Traggerüsts 21 bis zu einem bestimmten Abstand vom oberen Ende des unter dem Verschlußdeckel 10 aufgehängten Behälters 1. Die Oberkante der Leitwand 3 ist mit 31 bezeichnet.

Der Reaktorkern 2 des Kernreaktors ist untergetaucht in einer Masse von flüssigem Metall, das im üblichsten Fall aus Natrium besteht, die im Behälter bis zu einem Niveau unter der Leitwand reicht, das mit 32 bezeichnet ist. Dieses Niveau 32 befindet sich unter der Leitwandkante 31 . Im Inneren des Behälters 1 ist das Volumen des flüssigen Natriums durch einen Innenbehälter 1a in zwei Bereiche F und C geteilt, wobei der oberhalb des Reaktorkerns befindliche Bereich C einen Sammelraum bildet, der das nach Durchströmen des Reaktorkerns erwärmte heiße flüssige Natrium aufnimmt, während der auf der anderen Seite des Innenbehälters 1 a befindliche Sammelraum F das nach Durchströmen von (nicht gezeigten) Wärmeaustauschern abgekühlte Natrium aufnimmt, das-von mindestens einer Förder-

8098U/07S3

pumpe 4 angesaugt und mittels einer Leitung 40 in den Zufuhrraum 20 unter den Kernreaktor zurückgeführt wird, den es dann erneut durchströmt.

Ein Teil des vom Zufuhrraum 20 kommenden Kühlnatriums strömt zum Innenraum des Traggerüsts 21 und nach Durchgang durch an der Basis dieses Traggerüsts ausgebildete Öffnungen 23 in einen ersten Ringraum, der von der Innenwand des Hauptbehälters 1 und der Außenwand der Leitwand 3 begrenzt ist. Der so abgenommene Strom von kaltem Natrium wird bis in die Nähe der Oberkante 31 der Leitwand gefördert, also auf ein höheres Niveau als das vom Natrium im Sammelraum C erreichte Niveau 32.

Erfindungsgemäß sind an der Innenfläche der Leitwand 3 schraubenförmige Rinnen 6 angebracht» durch die vom ersten Ringraum zwischen dem Behälter 1 und der Leitwand 3 kommendes Natrium, nachdem es eine Schwelle 5 am oberen Ende jeder der Rinnen überwunden hat, in den Rinnen herab und in einen zweiten Ringraum überlaufen kann, der zum ersten Ringraum konzentrisch ist und von der Leitwand 3 und einer zu dieser paralleln und koaxialen Leitgegenwand 3a begrenzt ist. Das so in Berührung mit der Wand der Leitwand 3 übergelaufene Natrium gewährleistet die Kühlung derselben und strömt dann zum unteren Teil des zweiten Ringraums, um durch Auslaßoffnungen 3b in den Sammelraum F zurückzukehren.

Gegebenenfalls sind Hindernisse 7 längs der Rinnen 6 angeordnet, und die am oberen Teil dieser Rinnen vorgesehenen Schwellen 5 in geeigneter Weise gemäß dem Umfang der Leitwand 3 verteilt. Infolge dieser Maßnahmen bleibt die Fließgeschwindigkeit des in die Rinnen übergelaufenen Natriums stets gering, so daß keine Möglichkeit des Mitreißens von Schutzgas 8 besteht, das den zwischen dem Verschlußdeckel 10 und der freien Oberfläche 32 des Natriums im Behälter befindlichen Raum füllt.

8098U/07S3

Fig. 2 zeigt eine Rinne 6, die aus einem Blech mit U-förmigem Querschnitt besteht und schraubenförmig gebogen ist. Eine Seitenwand der Rinne ist gegen die Innenwand der Leitwand 3 angeschweißt. Vorzugsweise ist die am oberen Teil der Rinne vorgesehene Schwelle 5 in Richtung der Rinne geneigt.

Fig. 3zeigt den Querschnitt einer Rinne 6 der in Fig. 2 gezeigten Art, in der jedoch Hindernisse 7 für den Durchfluß des abgenommenen Natriums angeordnet sind. Die Hindernisse bestehen hier aus gerippten Metallblechen, die nebeneinander angeordnet und stellenweise mittels Querstäben 71 befestigt sind, die am Ende der Seitenwände der Rinne unbeweglich gehalten sind.

Schließlich zeigt Fig. 4 eine Abwandlung, wo die Rinne 6 aus einem L*-förmigen Winkeleisen gebildet ist, das gegen die Innenwand der Leitwand 3 angeschweißt ist, die so unmittelbar eine der Seitenwände der Rinne bildet. Die Hindernisse 7 sind hier gebildet durch einen Stapel von Metallgeweben oder Netzen, die gegen den Boden der Rinne 6 gedrückt und durch eine daran angeschweißte Stange 72 gehalten sind, deren Ende über eine Unterlegscheibe 74 umgebogen ist.

Die für jede Rinne gewählte Neigung hängt von der Form und Wirksamkeit der Hindernisse 7 ab, um einen geeigneten Strömungszustand des kühlenden Natriums aufrechtzuerhalten, so daß der Durchsatz des in den zweiten Ringraum und von dort in den kalten Sammelraum F zurückgeleiteten Natriums keine Stauungen oder Wirbel erzeugt. Man sorgt besonders für eine Strömung des Natriums im sogenannten "fluvialen¹¹ Fließzustand, der einer Froude-Zahl unter 1 entspricht. '· Dieser in der Technik an sich bekannte Begriff des fluvialen Zustands ist in dem Werk "Hydraulique generale et appliquee", Quartier, Collection du Centre de Recherches et d¹Essais de Chatou, Eyrolles Editeur Paris, näher erläutert.

8098ΑΑ/Ό7Β3

Die Erfindung ist nicht auf die besonders beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt! sondern es können besonders die gegebenenfalls in den Rinnen angebrachten Hindernisse aus Körpern bestehen, die gegebenenfalls profiliert sind, oder die Hindernisse können die Form von Teilchen von der Art von Kugeln oder Körnern haben.

8098U/07S3

Le

erseite

Claims

PATENTANWALT
DR. HANS ULRICH MAY

D a MÖNCHEN 22, THIERSCHSTRASSE 27

TELEGRAMME: MAYPATENT MÜNCHEN

TELEX S2 4487 PATOP

TELEFON COaOJ ZZHOBt

CP 536/1564 München, 14. April 1978

B 6263.3 PG Dr.M/hs

Commissariat ä. 1'Energie Atomique in Paris / Frankreich

Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen des Behälters eines mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktors

Patentansprüche

Verfahren zum Kühlen des Behälters eines mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktors, der einen sogenannten Hauptbehälter aufweist, der einen zweiten Behälter, den sogenannten Innenbehälter umgibt, der den Reaktorkern enthält und ein im Hauptbehälter eingeschlossenes Volumen von flüssigem Metall in zwei Bereiche, den sogenannten heißen und kalten Sammelraum, unterteilt, wobei die Kreisförderung des im kalten Sammelraum angesaugten und durch den Reaktorkern in den heißen Sammelraum geförderten flüssigen Metalls durch rings um den Reaktorkern verteilte Pumpen erfolgt, wobei ferner eine Leitwand und eine Leitgegenwand konzentrisch zur Wand des Hauptbehälters angeordnet sind und jeweils einen ersten und einen zweiten Ringraum begrenzen, die im kalten Sammelraum münden und der erste Ringraum von einem Nebenstrom des als Kühlmittel dienenden flüssigen Metalls von unten nach oben durchströmt wird, wobei das Metall mit der Wand des Hauptbehälters bis zu einem konstanten Niveau in Berührung kommt, das in der Nähe der Oberkante der Leitwand liegt, dadurch gekennzeichnet, daß man das flüssige Metall mittels Vorrichtungen, die mit der zum Inneren des Hauptbehälters (1) gerichteten Wand der Leitwand (3 ) in Berührung stehen, in

8098U/07S3

ORIGINAL INSPECTED

den zweiten Ringraum bis auf ein tieferes Niveau, das der freien Oberfläche (32) des kalten Sammelraums entspricht, überlaufen läßt.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet» daß die Überlaufvorrichtungen aus schraubenförmig ausgebildeten Rinnen (6) bestehen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinnen (6) an der zum Inneren des Hauptbehälters (1) gerichteten .Wand der Leitwand (3) befestigt sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die zum Inneren des Hauptbehälters (1) gerichtete Wand der Leitwand (3) eine Seitenwand der Rinnen (6) bildet.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinnen (6) Hindernisse(7) im Fließweg des flüssigen Metalb aufweisen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 51 dadurch gekennzeichnet, daß die Hindernisse (7) aus einem Gewebe oder Gewirk aus Metall bestehen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hindernisse (7) aus geformten Körpern bestehen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Hindernisse (7) aus Teilchen in der Art von Kugeln oder Körnern bestehen.

809844/0753