DE2940777A1

DE2940777A1 - Kernreaktor mit fluessigmetallkuehlung in trogbauweise

Info

Publication number: DE2940777A1
Application number: DE19792940777
Authority: DE
Inventors: Daniel Fraser Davidson; Peter Humphreys; Gordon Thatcher
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1978-10-09
Filing date: 1979-10-08
Publication date: 1980-04-17
Also published as: DE2940777C2; JPS5552992A; JPS6327670B2; FR2438894B1; US4294658A; FR2438894A1

Description

29A0777

DR. BEFG Di?L.-ING. ST\PF DIPL.-ING. SCHW \BE DR. DR. SANDMAIR

PATENTANWÄLTE Postfach 860245 · 8000München 86

Anwaltsakte 50 4-24

8. Okt. 1979

United Kingdom Atomic Energy Authority

11 Charles II Street London SW1Y 4QP

Großbritannien

Kernreaktor mit Flüssigmetallkühlung in Trogbauweise

- Ansprüche -

0 3 0 C) Ί ti / 0 8 8 1

* (089) 98 82 72 Telegramme: Bankkonten: Hypo-Bank München 44101228SO

988273 BERGSTAPFPATENT Manchen (BLZ 70020011) Swift. Code: HYPO OE MM

988274 TELEX: Bayer Vereinsbank München 453100 (BLZ 70020270) 983310 0524560BERCd Posischeck München 65343-808 (BLZ 70010080)

B_e_s_c_h_r_e_i_b_u_n_g

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor mit Flüssigmetallkühlung in Trogbauweise.

Bei einem Reaktor der genannten Art ist der Reaktorkern in einem Bad eines primären Kühlmittels versenkt, welches seinerseits in einem Behälter innerhalb eines Betontrogs enthalten ist. Das Kühlsystem umfaßt eine Anzahl von an einem Deckel des Trogs aufgehängten und in das Kühlmittelbad eintauchenden Kühlmittelpumpen sowie eine Anzahl von primären Wärmetauschern für den Wärmeaustausch zwischen dem durch den Reaktorkern hindurch zugeführten primären Kühlmittel und einem sekundären Kühlmittel, welches seinerseits zur Dampferzeugung in Wärmetauscherbeziehung mit Wasser zirkuliert. Die Wärmetauscher sind innerhalb eines den Reaktorkern umgebenden Innenbehälters und die Pumpen außerhalb desselben angeordnet. Im Betrieb des Reaktors saugen die Pumpen das Kühlmittel aus dem Bad an und fördern es aufwärts durch den Reaktorkern hindurch, worauf es dann in den Rohren der Wärmetauscher abwärts zurück in das Bad strömt. Die Strömung des primären Kühlmittels durch die Wärmetauscher hindurch ergibt sich aufgrund einer mittels der Kühlmittelpumpen aufrechterhaltenen Druckhöhe des Kühlmittels innerhalb des Innenbehälters. Bei einem Kühlsystem dieser Art können verschiedene SchwJa?igkeiten auftreten. Insbesondere können die primären Wärmetauscher bei einer Unterbrechung der Durchströmung des sekundären Kühlmittelkreislaufs etwa aufgrund eines Versagens der Umwälzpumpen für das sekundäre Kühlmittel sehr starken thermischen Belastungen unterworfen sein. In einem solchen Falle wandert die Front der Einlaßtemperatur des primären Wärmetauschers entlang dem Rohrbündel abwärts, wobei der größte Anteil der Wärmeüber-

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tragung im Bereich des Einlasses für das sekundäre Kühlmittel nahe dem unteren Ende des Wärmetauschers erfolgt. Die untere Rohrwand ist dabei einem Temperaturunterschied von ca. 200 ⁰C ausgesetzt, aufgrund dessen sehr hohe Wärmespannungen im Bereich des Einlasses für das sekundäre Kühlmittel auftreten.

Die Erfindung schafft eine Anordnung zum Verringern der thermischen Belastung eines primären Wärmetauschers in einem flüssigmetallgekühlten Kernreaktor in Trogbauweise bei einer Unterbrechung der Durchströmung des sekundären Kühlmittelkreislaufs.

Gemäß der Erfindung enthält ein Kernreaktor der genannten Art wenigstens ein primäres Wärmetauschermodul mit einem Rohrbündel-Wärmetauscher und einem im unteren Bereich des Moduls angeordneten elektromagnetischen Strömungskoppler, welcher in einem sekundären Kühlmittelkreislauf angeordnet ist und von diesem eine Kraft zum Hindurchtreiben eines primären Kühlmittels durch den Wärmetauscher bezieht. Ein elektromagnetischer Strömungskoppler ist eine Vorrichtung zum Übertragen von Strömungsenergie zwischen zwei voneinander getrennten Flüssigmetall-Strömungskreisen mit Hilfe von elektrischer Energie. Tritt im Betrieb eines erfindungsgemäßen Kernreaktors eine Änderung der Strömung des sekundären Kühlmittels durch den Wärmetauscher auf, so paßt sich die Strömung des primären Kühlmittels einer solchen Änderung weitgehend an, so daß eine vollständige Unterbrechung der Strömung des sekundären Kühlmittels eine im wesentlichen vollständige Unterbrechung der Strömung des primären Kühlmittels bewirkt, wodurch das Fortschreiten der Front der Temperaturänderung im wesentlichen zum Stillstand kommt, bevor sie die untere Rohrwand des primären Wärmetauschers erreicht.

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Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anηand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 eine Schnittansicht eines Kernreaktors mit Flüssigmetallkühlung in Trogbauweise,

Fig. 2 eine schematisierte Darstellung der Beziehungen zwischen einem primären und einem sekundären Kühlmittelkreislauf,

Fig. 3 eine schematisierte Schnittansicht eines primären Wärmetauschermoduls mit einem elektromagnetischen Strömungskoppler,

Fig. 4- eine schematisierte Querschnittansicht des elektromagnetischen Strömungskopplers,

Fig. 5 eine schematisierte, im Schnitt dargestellte Schrägansicht des primären Wärmetauschermoduls und

Fig. 6 eine schematisierte Querschnittansicht eines Teils des elektromagnetischen Strömungskopplers.

Ein in Fig. 1 gezeigter, mit flüssigem Metall gekühlter schneller Brutreaktor hat einen Reaktorkern 1, welcher in einem Kühlmittelbad 2 aus flüssigem Natrium innerhalb eines Außenbehälters 3 versenkt ist. Der Außenbehälter ist am Dach eines Schutztrogs 4 aufgehängt und enthält jeweils eine Anzahl von Kühlmittelpumpen 5 und primären Wärmetauschermodulen 6, von denen jedoch jeweils nur eine bzw. eines dargestellt ist. Der Reaktorkern 1 steht auf einem Verteilersockel 7 und ist zusammen mit den Wärmetauschern von einem Innenbehälter 8 umgeben, während die den Verteilersockel 7 mit dem Kühlmittel speisenden Pumpen 5 außerhalb des Innen-

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-P-

- 7-

behälters angeordnet sind. Die primären Wärmetauschermodule weisen jeweils einen Rohrbündel-Wärmetauscher 9 und einen im unteren Teil des Moduls angeordneten elektromagnetischen Strömungskoppler 10 auf. Jedem primären Wärmetauschermodul 6 ist ein sekundärer Kühlmittelkreislauf S zugeordnet, welcher in einer geschlossenen Anordnung einen Dampferzeuger 11, eine Kühlmittelpumpe 12 und das jeweilige Wärmetauschermodul 6 umfaßt (Fig. 2).

Im Betrieb des Reaktors saugen die primären Kühlmittelpumpen 5 das primäre Kühlmittel aus dem Bad 2 mit einer Temperatur von ca. 4-00 ⁰C an und fördern es aufwärts durch den Verteilersockel 7 und den Reaktorkern 1 hindurch. Bei der Durchströmung des Reaktorkerns 1 wird das Kühlmittel auf ca. 600 ⁰C erwärmt und strömt dann innerhalb des Innenbehälters 8 zu den Einlassen der Wärmetauschermodule 6 und dann durch die Rohre des Rohrbündel-Wärmetauschers 9 und den elektromagnetischen Strömungskoppler 10 hindurch abwärts zurück in das Bad. Ein sekundäres Kühlmittel in Form von flüssigem Natrium durchströmt zunächst den elektromagnetischen Strömungskoppler 10 und fließt dann in Wärmetauscherbeziehung mit dem primären Kühlmittel durch den Mantel des Wärmetauschers 9 und anschließend in Wärmetauscherbeziehung mit Speisewasser durch den Dampferzeuger 11. Der dabei erzeugte Dampf wird anschließend getrocknet und überhitzt und treibt dann eine (nicht dargestellte) Turbine für die Erzeugung von elektrischem Strom. Bei der Durchströmung des elektromagnetischen Strömungskopplers 10 tritt das sekundäre Kühlmittel in eine elektromagnetische Wechselwirkung mit dem primären Kühlmittel, um dieses durch die Rohre des Wärmetauschers hindurchzutreiben.

Eine Längsschnittansicht des primären Wärmetauschermoduls ist in schematisierter Form in Fig. 3 dargestellt. Der Rohrbündel-Wärmetauscher 9 hat einen Mantel 13, eine

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Anzahl von Wärmetauscherrohren 14, von denen lediglich vier dargestellt sind, eine untere Rohrwand 15 ₅ eine Anzahl von Zwischenrohrwänden 16 und einen Mitteldurchlaß 17· Das untere Ende des Mantels 13 ist durch den elektromagnetischen Strömungskoppler 10 verlängert und weist einen Auslaß 18 für das primäre Kühlmittel auf.

Ein elektromagnetischer Strömungskoppler ist eine Vorrichtung, welche wenigstens zwei parallele Durchlässe oder Leitungen für flüssiges Metall und ein Magnetsystem zum Erzeugen eines die beiden Durchlässe quer durchsetzenden magnetischen Felds aufweist. Bei einer solchen Anordnung erzeugt die Strömung des flüssigen Metalls durch den einen Durchlaß eine elektromotorische Kraft, welche durch Einwirkung auf den anderen Durchlaß einen elektrischen Strom in dem diesen durchströmenden flüssigen Metall hervorruft, wobei sowohl die Erzeugung der elektromotorischen Kraft als auch die Pumpwirkung auf dem Faraday'sehen Prinzip basieren. Auf diese Weise ist die in dem einen Durchlaß aufrechterhaltene Strömung mit der induzierten Strömung im anderen Durchlaß gekoppelt. Ein Beispiel für einen elektromagnetischen Strömungskoppler ist in der US-PS 3 773 619 beschrieben.

Der elektromagnetische Strömungskoppler des hier beschriebenen Wärmetauschermoduls ist am deutlichsten in Fig. dargestellt. Ein zylindrischer Mantel 20 aus rostfreiem Stahl begrenzt zusammen mit einem Mitteldurchlaß 21 eine ringförmige Kammer, in welcher zehn Dauermagnete 22 von etwa keilförmigem Querschnitt in gleichen Umfangsabständen angeordnet sind. Die dazwischen liegenden, etwa sektorförmigen Durchlässe 23 haben an ihren einander gegenüberliegenden Endwänden kupferne Einsätze 24, welche entlang den betreffenden Endwänden elektrische Verbindungen darstellen. Die Durchlässe 23 sind mit einer dünnen Lage von rostfreiem Stahl ausgekleidet,

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welche den Druck des flüssigen Natriums aufnimmt und die Magnete und kupfernen Einsätze vor dem Natrium schützt. In einer anderen Ausführungsform können die elektrischen Verbindungen durch verstärkte Endwände der Durchlässe anstelle der kupfernen Einsätze gebildet sind. Um durch Strombahnen in den Magneten hervorgerufene Verluste möglichst zu verringern, sind die Außenseiten der aus rostfreiem Stahl geformten Auskleidungen der Durchlässe mit einer (nicht gezeigten) elektrischen Isolierung versehen. Jeder Durchlaß 23 enthält eine lineare Anordnung von acht Rohren 25 für das primäre Kühlmittel. Die Rohre

25 verlaufen parallel zum jeweiligen Durchlaß 23 und stehen innerhalb der jeweiligen linearen Anordnung oder Reihe in gegenseitiger Berührung, so daß sie einen quer zum jeweiligen Durchlaß 23 verlaufenden elektrischen Leiter bilden. Wie man in Fig. 5 erkennt, sind die Rohre 25 über ihre offenen oberen Enden mit einer Kammer

26 unterhalb der unteren Rohrwand 15 des Wärmetauschers stromungsverbunden, so daß das primäre Kühlmittel nach der Durchströmung des Wärmetauschers durch die Rohre 25 zum Auslaß 18 fließen kann. Der Mitteldurchlaß T/ des Wärmetauschers ist über Verbindungsdurchlässe 27 und eine zweite Kameer 28 mit den Durchlässen 23 stromungsverbunden, so daß das von der Sekundärpumpe 12 durch den Mitteldurchlaß 17 hindurch abwärts geförderte sekundäre Kühlmittel durch die Durchlässe 23 hindurch in eine dritte, untere Kammer 29 gelangt, von wo aus es dann entlang dem Mitteldurchlaß 21 des Strömungskopplers in den Mantel des Wärmetauschers fließt und diesen in Wärmetauschbeziehung mit dem die Rohre 14 durchströmenden primären Kühlmittel durchströmt. Durch Wechselwirkung mit dem von den Magneten 22 erzeugten Magnetfeld erzeugt das die Durchlässe 23 abwärts durchströmende flüssige Metall, d.h. also das sekundäre Kühlmittel, ein Spannungspotential zwischen den einander gegenüberstehenden Endwänden der sektorförmigen Durchlässe, auf-

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grund dessen elektrische Ströme quer zu den Durchlässen 23 durch das darin enthaltene flüssige Metall und durch die das primäre Kühlmittel führenden Rohre 25 zwischen den kupfernen Einsätzen 24 fließen. Aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem angelegten Magnetfeld und dem Stromfluß C quer zu den Rohren 25 entsteht in deren Längsrichtung ein Druckgefälle, welches das primäre Kühlmittel abwärts treibt. Bei einem Versagen der sekundären Kühlmittelpumpe 12 kommt die treibende Strömung durch den elektromagnetischen Strömungskoppler zum Stillstand, so daß die das primäre Kühlmittel durch den primären Wärmetauscher hindurch treibende Kraft aufgehoben wird. Dadurch werden dann bis zur unteren Rohrwand des Wärmetauschers gelangende Temperaturänderungen bis auf ein nahezu vernachlässigbares Ausmaß verringert.

Obgleich die Verringerung der thermischen Belastung an der unteren Rohrwand bei einer Unterbrechung der Strömung des sekundären Kühlmittels der wesentlichste durch die Erfindung erzielte Vorteil ist, kommen noch weitere bedeutsame Vorteile hinzu. Da die das primäre Kühlmittel durch den Wärmetauscher hindurch treibende Kraft auf elektromagnetischem Wege erzeugt wird, braucht zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter kein Druckgefälle vorhanden zu sein, so daß die primären Kühlmittelpumpen eine verringert Förderleistung haben können und die Bauhöhe des Außenbehälters sowie des Trogs verringert werden kann, was zu einer beträchtlichen Einsparung an Anlagekosten führt. Durch den Wegfall des Druckgefälles zwischen dem Innen- und dem Außenbehälter entfällt auch der Temperaturunterschied zwischen der Innenseite und der Außenseite des Innenbehälters im oberen Bereich desselben. Ferner werden die bei Inbetriebnahme des Reaktors im primären Wärmetauscher auftretenden Temperaturunterschiede verringert, da die Strömungsgeschwindigkeit des primären Kühlmittels im

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wesentlichen proportional zu der des sekundären Kühlmittels zunimmt.

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Claims

DR. BEFG DiPL-IMG. SIWPF DIPL-ING. SCHWABE DR. DR. SANDMAIR

PATENTANWÄLTE Postfach 860245-8000 München 86

Anwaltsakte 30 4-24

P_a_t_e_n_t_a_n_s_j)_r_ü_c_h_e

Kernreaktor mit Flüssigmetallkühlung in Trogbauweise, gekennzeichnet durch wenigstens ein primäres Wärmetauschermodul (6) mit einem Rohrbündelwärmetauscher (9) und einem im unteren Bereich des Moduls angeordneten elektromagnetischen Strömungskoppler (10), welcher in einem sekundären Kühlmittelkreislauf angeordnet ist und von diesem eine Kraft zum Hindurchtreiben eines primären Kühlmittels durch den Wärmetauscher bezieht.
2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromagnetische Strömungskoppler (10) des Wärmetauschermoduls eine Anzahl von in gegenseitigen Abständen angeordneten Durchlässen (23) für einen ersten Kühlmittelstrom, innerhalb jedes Durchlasses eine lineare Anordnung von sich parallel zum betreffenden Durchlaß erstreckenden Rohren (25) für einen zweiten Kühlmittelstrom, welche innerhalb der betreffenden Reihe zur Bildung von sich quer zum jeweiligen Durchlaß erstreckenden elektrischen Leitern untereinander verbunden sind, und eine Anzahl von zwischen

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Bankkonten: Hypo-Bank München 4410122850 (BLZ 700X)OlI) Swift CxIe: ΗΪΡΟ DE MM Bayet Vereinsbank München 4531U)(BKZ 70112027O) Postscheck München 65343-808 (BLZ 70010080)

(089)988272 Telegramme: 988273 BERGSTAPFPATENT München 988274 TELEX: 98 3310 0524560 BERG d

den Durchlässen angeordneten Dauermagneten zum Erzeugen von sich quer zu den Durchlässen und normal zu den durch die linearen Reihen der Rohre gebildeten elektrischen Leitern erstreckenden Magnetfeldern aufweist.

3· Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Durchlässe (23) des elektromagnetischen Strömungskopplers <(1O) vom sekundären und die Rohre (25) vom primären Kühlmittel durchströmt sind.

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