DE2826115C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reini­ gung von flüssigem Metall, das als Kühlmittel für den Kern eines mit schnellen Neutronen betriebenen Kernreaktors dient, gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentan­ spruches 1.

Eine derartige Reinigungsvorrichtung ist beispiels­ weise aus der FR 22 46 942 A1 bekannt.

Diese bekannte Vorrichtung weist den Nachteil auf, daß das Ventil zur Regelung des Durchflusses von gereinig­ tem flüssigen Metall im unteren Teil der Vorrichtung ange­ ordnet ist, so daß es bei einer Betriebsstörung nur durch Herausheben der gesamten Reinigungsvorrichtung aus dem Reak­ torbehälter zugänglich ist, was wegen der Radioaktivität des den Kern des Reaktors umspülenden flüssigen Metalls eine langwierige und schwierige Maßnahme ist.

Die aus der US 35 52 485 bekannte Kühlfalle mit Filtern zum Reinigen von flüssigem Metall, das als Kühlmittel eines Kernreaktors dient, weist keine Förder- und Durchfluß­ regelvorrichtungen für das flüssige Metall auf und ist nicht zum Einbau in den Kernreaktordruckbehälter ausgebildet. Eine getrennte Aufstellung einer solchen Kühlfalle erfordert aber wegen der Radioaktivität des zu reinigenden flüssigen Metalls (Natrium) gesonderte aufwendige Abschirmungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Reini­ gungsvorrichtung der vorbekannten Art so umzugestalten, daß das Ventil zur Regelung des Durchsatzes des gereinigten flüs­ sigen Metalls für Kontrollzwecke und Reparatur oder einen eventuellen Austausch leicht zugänglich ist, ohne daß dazu die Reinigungsvorrichtung selbst aus dem Reaktorbehälter herausgezogen werden muß, und andererseits in einer bevor­ zugten Ausführungsform der Erfindung auch die Bauhöhe der gesamten Reinigungsvorrichtung verringert ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die erfindungsge­ mäße Reinigungsvorrichtung die im kennzeichnenden Teil des Pa­ tentanspruchs 1 angegebenen Merkmale auf.

Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.

Beim Einsatz einer erfindungsgemäßen Reinigungs­ vorrichtung muß man nach einem den Betrieb des Durch­ flußventils beeinflussenden Zwischenfall den Betrieb der Vor­ richtung selbst nur sehr kurze Zeit unterbrechen, wobei wegen der einfachen Manipulation auch nur geringe Vorsichtsmaßnahmen im Hinblick auf die Radioaktivität des den Kern des Kernreak­ tors umspülenden flüssigen Metalls erforderlich sind.

Wesentlich ist für die erfindungsgemäße Reini­ gungsvorrichtung, daß das Durchflußregelventil im oberen Teil der Vorrichtung angeordnet und für sich allein leicht herausnehmbar ist und andererseits durch einfache Benutzung einer Bajonettverbindung auch der die Filterkartusche ent­ haltende innere Teil der Reinigungsvorrichtung, d. h. die Kühlfalle, leicht herausgenommen und ersetzt werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Figuren erläutert. Es zeigt

Fig. 1A und 1B jeweils den oberen und unteren Teil der Gesamtanordnung der Reinigungsvorrichtung im axialen Schnitt;

Fig. 2 eine Ansicht im Schnitt des Ventils zur Regelung des Durchsatzes an gereinigtem Natrium.

Die Reinigungsvorrichtung ist im Kernreaktor un­ ter einem Verschlußdeckel 2 aus Beton in dem den (nicht ge­ zeigten) Kern des Kernreaktors umgebenden Bad von flüssigem Natrium 1 angeordnet. Ein ringförmiger abnehmbarer Haupt­ stopfen 3 ermöglicht gegebenenfalls das Herausziehen der ge­ samten, mit diesem Stopfen fest verbundenen Reinigungsvor­ richtung. Ein abnehmbarer Mittelstopfen 3 A trägt den oberen Teil der Reinigungsvorrichtung und besonders sein Durchflußventil 29 zur Regelung des Durchsatzes an gereinigtem Natrium. Er er­ möglicht auch, mit Hilfe eines unter dem Stopfen 3 A befestig­ ten Stutzens 3 B, der mit dem oberen Ende der zylindrischen Wand 15 A der Kühlfalle 15 durch eine Bajonettverbin­ dungsvorrichtung 15 B (Fig. 2) kuppelbar ist, die Kühlfalle 15 mitsamt der Filterkartusche 23 zum Austausch herauszuheben, wenn sie durch Abscheidung von Verunreinigun­ gen verstopft ist.

Die gesamte Vorrichtung ist in einem zylindrischen Mantel 4 enthalten, wobei zwischen dem Mantel 4 und einer Wand 34 eine wärmedämmende Ausklei­ dung 5, auf der Grundlage von Siliziumdioxid und Aluminiumoxid ange­ ordnet ist.

Der Boden der Reinigungsvorrichtung ist mit einer Ansaugleitung 6 für das zu reinigende Natrium versehen. Diese durchsetzt eine elektromagnetische Pumpe 7 von bekannter Bau­ art, deren Anschlußklemmen zur Stromversorgung von einem Ni­ veau oberhalb des Verschlußdeckels 2 nicht gezeigt sind. Ober­ halb der elektromagnetischen Pumpe 7 erstreckt sich eine Rohrleitung 8 zunächst radial und dann senkrecht hinauf bis zu einem ersten elektromagne­ tischen Durchflußmesser 9 und dann absteigend zum oberen Sammelkasten eines ringförmigen Wärmeaustauschers 10, der im Inneren einer Wärmedämmung 11 angeordnet ist.

Der ringförmige Wärmeaustauscher 10 weist ein Bündel von Röhren auf. Sei­ ne ringförmige Ausbildung ermöglicht, ihn teilweise rings um die Filterkartusche anzuordnen und dadurch die Gesamthöhe der Reinigungsvorrichtung zu verringern. Er weist ringförmige Lochplatten auf, welche den Durchsatz des zu reinigenden Na­ triums auf die Rohre verteilen, um die im Gegenstrom das zu erhitzende gereinigte Natrium strömt, wie im folgenden erläu­ tert. Es sei bemerkt, daß der Kreislauf der beiden Flüssigkei­ ten bezüglich des Wärmeaustauschers in Richtung der natürlichen Konvektion erfolgt, da das sich abkühlende unreine flüssige Natrium in den Rohren abwärts strömt, während sich das gerei­ nigte flüssige Natrium rings um die Rohre erwärmt und aufwärts steigt. Der untere Sammelkasten für das aus dem Rohrbündel aus­ tretende unreine Natrium ist durch die Leitungen 10 A mit dem in die eigentliche Reinigungsvorrichtungen führenden axialen Rohr 12 verbunden. Der Innenbereich der die Rohre umgebenden Wand des Wärmeaustauschers ist an seinem unteren Ende durch Leitungen 31 mit dem inneren Ringraum 13′ zur Rück­ führung des gereinigten kalten Natriums und durch eine Leitung 32 mit dem zweiten elektromagnetischen Durchflußmesser 33 zur Messung des im Wärmeaustauscher 10 erwärmten gereinigten Natriums ver­ bunden.

Die Kühlfalle 15, d. h. der am Mittelstopfen 3 A aufgehängte obere axiale Teil der Reinigungsvorrichtung, weist drei koaxiale Rohre 12, 13 und 14 auf, die jeweils zur Einleitung von unreinem Na­ trium, Zurückführung des gereinigten Natriums zum Wärmeaus­ tauscher 10 und zum Aufstieg des durch die Filterkartusche 23 filtrierten Natriums zum oberen Bad dienen. Die Wände dieser Rohre sind dünn, so daß sie einen indirekten Wärme­ austausch zwischen dem noch verhältnismäßig heißen unreinen Natrium und dem abgekühlten gereinigten Natrium ermöglichen. Ein an den Boden der Wand 34 anschließender kugelförmiger Lagerkörper 15 C sorgt für eine dichte Abstützung der die Fil­ terkartusche 23 enthaltenden Kühlfalle 15 und ermöglicht andererseits deren Abheben mit dem Stopfen 3 A in der bereits angegebenen Weise.

Am oberen Teil des axialen Rohres 12, welches un­ reines Natrium zuführt, ist dessen Innenraum durch radiale Rohre 16 mit dem äußeren Ringraum 17 gekuppelt, so daß das unreine Natrium in Richtung auf die Filterkartusche abwärts strömen kann. Zwischen der Innenwand 34 und der Wand 15, 15 A ist eine Kühlschlange 21 mit zwei unabhän­ gigen Kreisen für Zuführung und Rückführung angeordnet, die mit nicht gezeigten Quellen zur Zuführung von unter Druck stehendem flüssigem Stickstoff verbunden sind. Diese Kühlschlan­ ge erstreckt sich bis unterhalb des oberen Teils der Filter­ kartusche in die Höhe einer Schulter 22 der Wand 34 nach unten.

Zwei Temperaturfühler 19 A und 19 B messen die Endtemperatur der Kühlung des Natriums und seine Eintrittstemperatur beim Eintritt in den äußeren Ringraum 17.

Im oberen Bereich des äußeren Ringraumes 17 kann sich das unreine Natrium an der Wand 15 A durch Wärmeaustausch mit der kalten Kühlschlange abkühlen, wobei Verunreinigungen auskristallisieren, bevor es zur Filterkartusche 23 gelangt. Letztere besteht aus zwischen einem äußeren Lochblech 24 und inneren Lochblech 25 in einem Ringraum 25 A angeordneten Pac­ kungen aus Drahtgewebe aus rostfreiem Stahl. Durch diese Packungen dringt das unreine Natrium nur allmählich in den mittleren Ringraum 26 ein, der mit dem oberen Behälter 27 verbunden ist, welcher das Bad 28 des gereinigten Natriums enthält. Der Boden dieses Behälters ist an seinem Umfang mit der die Kühlschlange 21 enthaltenden Ringzone verbun­ den, so daß diese in dem gekühlten gereinigten flüssigen Natrium untergetaucht ist.

Das im Boden des oberen Behälters 27 angeordnete Durch­ flußventil 29 (Kückenventil) verbindet das Bad 28 des gereinig­ ten Natriums mit dem inneren Ringraum 13′ zur Rückführung des gereinigten Natriums zum Wärmeaustauscher 10. In der ge­ zeigten Ausführungsform weist das Durchflußventil 29 ein nach unten offenes Ventilgehäuse auf, das in der Betriebsstellung auf einer Lochscheibe 43 aufsitzt, welche mit dem oberen En­ de eines Metallbalgens 20 verbunden ist, der das Rohr 13 nach oben fortsetzt. Auf die Weise stellt die Lochscheibe 43 die in den inneren Ringraum 13′ mündende Ausflußöffnung des Durch­ flußventils 29 dar, und der Metallbalgen 20 sorgt für die Dichtheit des Rückführungskreises im Fall von Ausdehnungen oder differentiellen Verschiebungen zwischen dem Mittelstopfen 3 A und der Filterkartusche 23. Das Ventil ist mit einer durch den Mittelstopfen 3 A hindurch steuerbaren Drehvorrichtung für seinen beweglichen Ventilkörper 29′ versehen, dessen Öff­ nungen vor die feststehenden Öffnungen des Ventilgehäuses gebracht werden können. Die Drehung dieses Ventils ermöglicht eine Regelung des Durchsatzes des dem Wärmeaustauscher 10 zugeführten gereinigten Natriums in Abhängigkeit von der Tem­ peratur des den Kern des Reaktors umspülenden unreinen Na­ triums und von der Temperaturdifferenz zwischen den Tempera­ turfühlern 19 B und 19 A. Wenn die Bajonettverbindung 15 B des Stutzens 3 B außer Eingriff ist, kann der Mittelstopfen 3 A mit dem Durchflußventil 29 von der Lochscheibe 43 angehoben und aus dem Kernreaktor herausgezogen werden.

Durch einen Niveaumeßfühler 38 kann man jederzeit das Niveau des gereinigten Natriums im Bad 28 sowie sein eventuelles Überfließen durch den Überlauf 30 überwachen.

Wenn man den Durchsatz des durch den Wärmeaustauscher 10 zurück­ strömenden gereinigten Natriums verringern will, schließt man teilweise das Durchflußventil 29, so daß das Niveau des Natriums im oberen Be­ hälter 27 ansteigt und den Überlauf 30 erreicht. Letzterer er­ möglicht es, einen Teil des gereinigten kalten Natriums ohne vor­ herige Erwärmung zur Außenseite der Kühlvorrichtung abzuführen. Der Überlauf mündet in der Entgasungskammer 35, der außerdem durch ein Rohr 36 mit im Wärmeaustauscher 10 wieder erwärmtem auf­ steigendem gereinigten Natrium gespeist ist, wobei der Durchsatz dieses gereinigten Natriums durch den zweiten elektromagnetischen Durchflußmesser 33 ge­ messen wird.

In der Entgasungskammer 35 wird dem gereinigten Natrium eine Wirbel­ bewegung erteilt, beispielsweise indem man das vom Wärmeaus­ tauscher 10 durch das Rohr 36 kommende Natrium tangential durch ein Kreuz 37 einleitet.

Auf diese Weise entweichen die im Natrium gelösten Gase nach oben. Der Boden des Entgasungstopfes 35 ist mit dem Reaktor­ behälter durch die Leitung 39 verbunden, welche gereinigtes und entgastes Natrium zurückführt.

Die Reinigungsvorrichtung arbeitet wie folgt:

Die elektromagnetische Pumpe 7 saugt durch die Leitung 6 das zu reinigende Natrium an, dessen Temperatur zwischen 550°C und 180°C liegen kann. Das unreine Natrium wird durch die Leitung 8 dem ersten elektromagnetischen Durchflußmesser 9 und ringförmigen Wärmeaustauscher 10 zu­ geführt, wo es sich im Gegenstrom zum gereinigten Natrium auf eine Temperatur gleich oder geringfügig über 140°C abkühlt und dann durch die radialen Kanäle 10 A und die axiale Leitung 12 zu den radialen Leitungen 16 gelangt, von wo es in den äußeren Ringraum 17 der Wand 15 A strömt, der die Filterkartusche 23 enthält. Es strömt nach unten, wobei es sich durch indirekten Wärmeaustausch mit dem unter Druck stehenden Stickstoff der Kühlschlange 21 bis auf eine Temperatur gleich oder geringfügig über 110°C ab­ kühlt, so daß seine Verunreinigungen, und besonders das Natrium­ oxid auskristallisieren. Die Endtemperatur des unreinen Natriums wird durch Veränderung des Durchsatzes des kühlenden Stickstoffs eingestellt.

Das mit auskristallisierten Verunreinigungen beladene Na­ trium durchströmt dann die Filterkartusche 23, wo seine Ver­ unreinigungen zurückgehalten werden, und steigt dann durch den mittleren Ringraum 26 zum oberen Behälter 27 auf. Von diesem Behälter gelangt ein Teil des Natriums durch das Durchflußventil 29 in den abwärts führenden inneren Ringraum 13′ und von dort durch die radialen Leitungen 31 in den Wärmeaustauscher 10, wo es sich in indirektem Austausch mit dem unreinen Na­ trium wieder erwärmt, und strömt dann durch die Leitung 32, den zweiten elektromagnetischen Durchflußmesser 33 und das Rohr 36 in die Entgasungskammer 35.

Wenn die Temperatur des zu reinigenden Natriums verhältnismäßig niedrig ist, leitet man in den Wärmeaustauscher 10 nur einen Teil des gereinigten Natriums zurück. Das Durchflußventil 29 ist dann teilweise geschlossen, so daß das Niveau des Natriumbades 28 im oberen Behälter 27 die Höhe des Überlaufs 30 erreicht. Ein Teil des gereinigten Natriums läuft dann direkt durch den Überlauf in die Entgasungskammer 35 und von dort in den Reaktorbehälter.

Wenn die Filterkartusche 23 durch die abgeschiedenen Verunrei­ nigungen verstopft ist, kann man sie ersetzen, indem man den Stopfen 3 A und mit diesem die verbrauchbare Anordnung heraus­ hebt, die aus der Wand 15 A und den innerhalb derselben enthaltenen Elementen, besonders der Filterkartusche 23 besteht. Man setzt dann eine andere verbrauchbare Anordnung ein, die besonders eine neue Filterkartusche enthält.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Reinigung von flüssigem Metall, das als Kühlmittel für den Kern eines mit schnellen Neutro­ nen betriebenen Kernreaktors dient, der über dem Kern ein­ nen Verschlußdeckel mit abnehmbarem Hauptstopfen aufweist, an dem die in das flüssige Metall eintauchende Reinigungs­ vorrichtung aufgehängt ist, wobei die Vorrichtung einen wärmeisolierten Mantel aufweist, in dem eine Kühlfalle angeordnet ist, die konzentrisch von innen nach außen:

• a) eine Leitung für das nach oben strömende vor­ gekühlte verunreinigte flüssige Metall,
• b) einen inneren Ringraum für das nach unten strö­ mende gereinigte Metall, und
• c) eine ringförmige Filterkartusche, die zwischen dem inneren und einem äußeren Ringraum für das nach un­ ten strömende verunreinigte Metall angeordnet ist, enthält;
• d) im oberen Teil der Vorrichtung zwischen dem äußeren Ringraum und der Mantelinnenwand eine Kühl­ schlange und
• e) im unteren Teil der Vorrichtung eine Fördervor­ richtung für das eintretende Metall und ein von diesem vorzukühlenden und vom austretendem gereinigten flüssigen Metall durchströmter Wärmeaustauscher angeordnet sind, und
• f) ein regelbares Durchflußventil im Strom des ge­ reinigten Metalls vorgesehen ist und
• g) in dem ringförmig ausgebildeten Hauptstopfen ein abnehmbarer Mittelstopfen vorgesehen ist, der eine Öffnung verschließt, durch welche die Kühlfalle aus dem Kernreaktor herausnehmbar ist;

dadurch gekennzeichnet, daß

• h) zwischen dem inneren Lochblech (25) der zylin­ drischen Filterkartusche (23) und einem dieses verlängernden Rohr (14) einerseits und dem inneren Ringraum (13′) anderer­ seits ein Rohr (13) einen mittleren Ringraum (26) abgrenzt, in welchem gereinigtes Metall nach oben zu einem oberen Behälter (27) strömt, in dem oberhalb der Ringräume das Durchfluß­ ventil (29) angeordnet ist, durch welches gereinigtes Metall in dem inneren Ringraum (13′) strömt;
• i) der Mittelstopfen (3 A) das unten offene Ge­ häuse und den darin drehbaren Ventilkörper des Durchflußven­ tils (29) und einen diese umgebenden Stutzen (3 B) trägt, der am unteren Ende radial nach außen weisende Bajonettzap­ fen aufweist, die durch eine Bajonettverbindung (15 B) mit der Wand (15 A) des äußeren Ringraumes (17) kuppelbar sind;
• j) die Wand (15 A) der Kühlfalle (15) einen Metallbal­ gen (20) trägt, der eine Ringscheibe (43) trägt, die den an das Durchflußventil (29) ansetzbaren Abschluß des inneren Ringraumes (13′) bildet und im Betrieb die Fluidverbindung zwischen diesen Teilen herstellt, und die Wand (15 A) am unteren Ende Steckverbindungen für den Anschluß des inneren Ringraumes (13′) beziehungsweise des Rohres (12) für das ver­ unreinigte Metall an die entsprechenden Zu- und Ableitungen des Wärmeaustauschers (10) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Wärmaustauscher (10) im un­ teren Teil der Vorrichtung konzentrisch zu deren am Mittel­ stopfen (3 A) gehaltenen inneren Teil angeordnet und so an­ geschlossen ist, daß die Strömungsrichtungen jeweils der natürlichen Konvektion des aufsteigenden, sich erwärmendenj gereinigten flüssigen Metalls und des absteigenden eintreten­ den Metalls entsprechen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wärmeaustauscher (10) eine oberhalb des­ selben angeordnete Entgasungskammer (35) für das gereinigte flüssige Metall nachgeschaltet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster elektromagnetischer Durchflußmesser (9) für das eintretende verunreinigte Metall vor dem Wärmeaus­ tauscher und ein zweiter elektromagnetischer Durchflußmesser (33) für das gereinigte Me­ tall nach dem Wärmeaustauscher (10) jeweils in der Strömungs­ richtung gesehen angeordnet sind.