DE3148079A1

DE3148079A1 - Dichtungssystem fuer einen kernreaktor

Info

Publication number: DE3148079A1
Application number: DE19813148079
Authority: DE
Inventors: James A. 91302 Calabasas Calif. Mc Edwards
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1980-12-23
Filing date: 1981-12-04
Publication date: 1982-07-22
Also published as: US4401619A; JPH0126517B2; JPS57125382A; GB2090344B; GB2090344A; FR2496959B1; CA1164584A; FR2496959A1

Description

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ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION El Segundo, California, USA

Dichtungssystem für einen Kernreaktor

Die Erfindung betrifft allgemein ein Dichtungssystem für Kernreaktoren und insbesondere ein System zur Abdichtung des Ringraums rund um eine rotierende Scheibe in einem mit flüssigem Metall gekühlten Kernreaktor, wobei die Oberseite der rotierenden Scheibe im wesentlichen auf Umgebungstemperatur gehalten wird.

Ein Kernreaktor erzeugt Wärme durch Spaltung von Kernspaltmaterialien, welche zu Brennelementen verarbeitet werden. Die Brennelemente befinden sich in einem Kern, welcher im Inneren eines Druckgefäßes angeordnet ist. Bei den meisten derzeit gebauten Kernreaktoren wird die Wärme zur Erzeugung von Elektrizität verwendet. Im allgemeinen umfaßt ein Kernreaktor einen oder mehrere Primärkreisläufe und Wärmeübertragungssysteme und eine entsprechende Anzahl von sekundären Kreisläufen und 'Wärmeübertragungssystemen, an die eine herkömmliche Dampf-

generatorturbine und ein elektrischer Generator gekoppelt sind. Somit umfaßt ein typischer Kernumwandlungsprozeß eines üblichen Kernreaktors die Überführung von Wärme aus dem Kernreaktorkern in das primäre Kühlkreislaufsystem und von dort in das sekundäre Kühlkreislaufsystem und schließlich in Dampf, welcher zur Erzeugung von Elektrizität verwendet wird.

Bei einem mit flüssigem Metall gekühlten Kernreaktor, z.B. einem mit Natrium gekühlten Brutreaktor, wird das flüssige Natrium durch das primäre Kühlkreislaufsystem im Kreislauf geführt. Dieses primäre System umfaßt einen Kernreaktorkern innerhalb des Reaktorgefäßes sowie einen Wärmetauscher, eine primäre Kreislaufpumpe und zugehörige Verbindungsrohre. Bei einem Brutreaktor mit mehr als einem Primärsystem umfaßt jedes der Primärsysteme den Reaktorkern und das Reaktordruckgefäß. Die durch den Kernreaktorkern erzeugte Wärme wird durch flüssiges Natrium entfernt, welches in das Reaktorgefäß und durch den Reaktorkern fließt. Das erhitzte Natrium tritt sodann aus dem Reaktorgefäß aus und fließt in den Wärmetauscher, welcher Wärme auf das sekundäre Strömungsmedium überführt. Das gekühlte Natrium verläßt den Wärmetauscher und fließt zu einer Pumpe, von wo es zum Druckgefäß zurückgeführt wird.

Bei den meisten Kernreaktoren sind im oberen Bereich des Reaktorgefäßes eine oder mehrere rotierende Scheiben vorgesehen. Zum Beispiel ist eine große, rotierende Scheibe vorgesehen, wobei andere, verschieden große Scheiben exzentrisch ineinander und in der großen, rotierenden Scheibe angeordnet sind. Der Grund für diese rotierenden Scheiben besteht darin, daß auf diese Weise eine Halterung geschaffen wird, mit der eine Brennstoffbeschickungsmaschine zweckentsprechend positioniert werden

kann. Da die Scheiben frei rotierbar sein müssen,ist es wesentlich, daß jeweils ein Spalt vorgesehen ist. Der Spalt liegt als Ringraum zwischen den Scheiben vor bzw. zwischen der großen Scheibe und dem Gefäß. Diese Ringräume erlauben zwar die freie Drehung der Scheiben, sie bieten jedoch auch einen Austrittsweg für die radioaktiven Partikel im Inneren des Reaktors. Aus diesem Grunde werden Dichtungen an verschiedenen Stellen des Ringraums vorgesehen, um eine Freisetzung der radioaktiven Teilchen zu verhindern. Die Dichtungen dienen ferner dazu, den Sauerstoff der Atmosphäre außerhalb des Reaktorgefäßes daran zu hindern, durch den Ringraum einzudringen und mit dem Reaktorkühlmittel in Berührung zu kommen, z.B. mit dem flüssigen Natrium. Ein solcher Kontakt würde zur Bildung von Verunreinigungen im flüssigen Natrium führen,z.B. von Natriumoxid. Zur weiteren Verhinderung der Möglichkeit eines Sauerstoffdurchtritts in das Reaktorgefäß sieht man üblicherweise ein inertes Schutzgas vor, welches einen Raum von der Oberseite des Reaktorkühlbades bis zur Unterseite der rotierenden Scheibe füllt sowie die Ringräume mindestens bis zu den Dichtungen in den Ringspalten.

Ein Typ der Dichtung, welcher häufig in Kernreaktoren verwendet wird, ist die Flüssigkeitstauchdichtung. Die rotierende Scheibe oder der umgebende Körper ist dabei so konturiert, daß ein Trog gebildet wird. Das jeweils andere Bauteil hat eine Schneide, weiche sich in den Trog hinab erstreckt und in ein Bad aus flüssigem Natrium eintaucht, welches sich in dem Trog befindet. Auf diese Weise wird der Ringspalt in zwei Abschnitte unterteilt, deren einer über dem flüssigen Natrium im Trog liegt und deren anderer darunterliegt. Das Schutzgas im Inneren des Reaktors, welches radioaktive Teilchen enthalten kann, erstreckt sich somit von der Oberseite des

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ReaktorkUhlmittelbades bis hinauf zur Tauchdichtung aus flüssigem Natrium in dem Ringspalt. Diese Art Dichtung hat jedoch den Nachteil, daß mindestens während der Drehung der Scheiben das Natrium durch Erhitzen in einem flüssigen Zustand gehalten werden muß. Somit wird eine beträchtliche Wärmemenge durch die Scheiben übertragen. Ferner kann im Falle eines plötzlichen Druckanstiegs im Schutzgas das Natrium aus dem Trog herausgeschleudert werden. Somit ist unter bestimmten hypothetischen Bedingungen eine Tauchdichtung allein unwirksam.

Ein anderer, bekannter Typ eines Verschlusses oder einer Scheibendichtung ist die aufblasbare oder aufblähbare Dichtung, wobei diese aufblasbare Dichtung oder eine Vielzahl von in Reihe angeordneten aufblasbaren Dichtungen im Ringspalt angeordnet ist. Während der Brennstofferneuerung im Reaktor werden die aufblasbaren Dichtungen geringfügig verkleinert, so daß eine leichtere Drehung der drehbaren Scheibe ermöglicht wird. Während des normalen Reaktorbetriebs können die Dichtungen bis zu ihrem maximalen Nenndruck aufgeblasen werden, um ihr Dichtvermögen zu erhöhen. Ein Beispiel dieses Typs einer Dichtung findet sich in der US-PS 3 514 114. Keine der beiden vorerwähnten Dichtungen ist bisher befriedigend gewesen und auch eine Kombination ist unbefriedigend. Daher umfassen jüngere Entwicklungen einerseits zwei oder mehrere aufblähbare Dichtungen in Reihenschaltung und zusätzlich eine Tauchdichtung und zusätzlich andere Merkmale zur Speicherung der Wirksamkeit und Zuverlässigkeit des Dichtungssystems.

Die US-PS 4 026 763 beschreibt eine Kombination von aufblähbaren Dichtungen und Tauchdichtungen in Reihenschaltung mit einer verbesserten Tauchdichtung mit Flüssigmetall. Der Trog der Tauchdichtung hat zwei Schenkel un-

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terschiedlicher Breite, welche unter einer Dichtungsschneide in Verbindung stehen. Der breite Schenkel kommuniziert mit dem Schutzgas im Reaktor und der schmale Schenkel kommuniziert mit einem aufblasbaren Pfropf oder einer aufblasbaren Dichtung in dem Ringraum über der Tauchdichtung. Der Ringraum enthält ein Inertgas, welches als pneumatische Feder wirkt. Eine Erhöhung des Drucks im Schutzgas führt zu einer Senkung des Natriumspiegels im breiten Schenkel und somit zu einer starken Anhebung des Natriumspiegels im schmalen Schenkel* Hierdurch wird das Inertgas komprimiert, und diese beiden Maßnahmen zusammen wirken als Widerstand gegen eine beträchtliche Änderung des Natriumspiegels der Tauchdichtung.

Die US-PS 4 078 969 beschreibt eine Notdichtung für einen Störfall, welcher den Kernbetrieb unterbricht. Die dort beschriebene Einrichtung dient als Dichtung des Ringraums zwischen Hebeanordnungen und umfaßt ein flexibles Bauteil in dem Ringraum, welches außerdem mit einem Betätigungsmechanismus verbunden ist. Der Betätigungsmechanismus vermag das flexible Bauteil in Kontakt mit den Komponenten der Hebeanordnung zu ziehen, so daß der Ringraum abgedichtet wird. Eine ähnliche Einrichtung ist in der US-PS 4 113 564 beschrieben.

Die US-PS 4 135 973 beschreibt eine weitere Anordnung zur Abdichtung des Ringraums um eine rotierende Scheibe. Die Vorrichtung umfaßt einen aufblähbaren Dichtungsmechanismus in dem Ringraum oder in der Nähe des Ringraums. Der aufblähbare Dichtungsmechanismus steht in strömungsmäßiger Kombination mit dem Reaktorschutzgas, und zwar derart, daß im Falle eines Überdrucks des Reaktorschutzgases der aufblähbare Dichtungsmechanismus expandiert wird, um die Dichtwirkung im Ringraum zu erhöhen.

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Die US-PS 4 069 100 beschreibt ein System zur Steuerung des Austritts von radioaktiven Teilchen. Hierbei wird der Austritt von Spaltproduktgasen aus dem Schutzgas durch die Verbindungsstelle zwischen einem Druckgefäß und einer Scheibe dadurch verringert, daß man ein Absorptionsmaterial zwischen zwei Dichtungen an der Übergangsstelle anordnet. Das Absorptionsmaterial soll dabei für eine ausreichende Verzögerungszeit sorgen, damit alle radioaktiven Isotope außer den langlebigen Nukliden bis zu unschädlichen Strahlungspegeln hinab zerfallen können, bevor sie das Druckgefäß verlassen.

Die herkömmlichen Dichtungseinrichtungen sind mit einer Vielzahl von Problemen verbunden. Wenn eine Natrium-Tauchdichtung verwendet wird, so hat das flüssige Natrium einen gewissen Dampfdruck, welcher zur Bildung eines Natrium-Rauhreifs an den Wandungen des Ringraums führt. Ferner wurde festgestellt, daß radioaktive Elemente in dem Schutzgas durch die Natriumdichtung sowie durch die herkömmlichen Aufblähdichtungen hindurchwandern. Es besteht daher ein weiteres Bedürfnis nach einem verbesserten Dichtungssystem, welches unter allen Umständen zu einem zuverlässigen und sicheren Betrieb des Reaktors führt und die Möglichkeit des Austritts irgendwelcher radioaktiver Gase auf ein Minimum herabdrückt. Ferner sollte das Dichtungssystem dazu befähigt sein, einen signifikanten Eintritt von Sauerstoff aus dem Raum außerhalb des Gefäßes in das Innere des Reaktors, wo der Sauerstoff in Berührung mit dem flüssigen Natriumkühlmittel gelangen könnte, zu verhindern.

Erfindungsgemäß wird ein System zur Dichtung des Ringraums zwischen einem ersten und einem zweiten Bauteil eines Kernreaktor-Verschlußkopfes geschaffen. In Nachbarschaft zur Bodenfläche dieser Bauteile und oberhalb

des Kühlmittels aus flüssigem Metall ist dabei eine Isolierungseinrichtung vorgesehen» dergestalt, daß mindestens eine obere Fläche dieser Bauteile auf etwa Umgebungstemperaturen gehalten wird. Das Dichtungssystem umfaßt mindestens eine erste und eine zweite Aufblähdichtung in einem oberen Bereich des Ringraums. Diese dichten den Ringraum, wenn sie aufgebläht werden, und sie gestatten andererseits eine Rotation einer der Komponenten, wenn sie teilweise zum Schrumpfen gebracht werden. Ferner ist eine flüssige Metall-Tauchdichtung vorgesehen, welche im Ringraum angeordnet ist und sich in die Isoliereinrichtung hineinerstreckt. Die Tauchdichtung umfaßt einen Trog an einem der Bauteile und eine Dichtungsschneide , welche vom anderen Bauteil herabhängt und sich in den Trog hineinerstreckt. Ein Bad oder ein Körper aus flüssigem Metall ist in dem Trog enthalten und ein Teil der Dichtungsschneide taucht dort ein. Die Dichtungsschneide weist mindestens einen Durchgang auf, welcher oberhalb des flüssigen Metalls angeordnet ist, und gestattet somit eine strömungsmäßige Kommunikation zwischen der einen Seite der Schneide und der anderen* Ein Strömungsweg ist vorgesehen, welcher eine strömungsmäßige Kommunikation zwischen dem Bereich oberhalb des. Trogs auf einer Seite der Dichtungsschneide und dem Schutzgas im Kernreaktor schafft. Erfindungsgemäß wird ein Spülgas in den Ringraum zwischen den aufblähbaren Dichtungen und der anderen Seite der Dichtungsschneide, eingeführt, und zwar in einer Menge, welche ausreicht, um die Diffusion von radioaktivem Schutzgas oder Natriumdampf bis hinaus zu den aufblähbaren Dichtungen wesentlich zu unterbinden. Das Spülgas vermischt sich mit dem Schutzgas und wird aus dem Gefäß abgezogen und aufgearbeitet und wiederum in das Gefäß zurückgeführt.

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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines typischen Kernreaktors, teilweise im Schnitt;

Fig. 2 eine Draufsicht des Kernreaktors der Fig.1;

Fig. 3 eine vergrößerte Schnittansicht einer typischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verschlußkopf-Dichtungssystems; und

Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht der Tauchdichtung der Figo 3.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen typischen Kernreaktor 10. Dieser umfaßt ein Gefäß 12, welches ein Bad eines Kühlmittels 14 enthält. In dieses Kühlmittel 14 taucht ein nichtgezeigter Reaktorkern, welcher eine Anordnung von Brennstoffelementen für die Erzeugung der Wärme umfaßt. Das Reaktorgefäß 12 hat einen Einlaß 16 und einen Auslaß 18, durch welche das Kühlmittel 14 zirkuliert, und zwar in Wärmeübertragungsrelation mit den Brennelementanordnungen. An seinem oberen Ende ist das Gefäß 12 durch einen Verschlußkopf verschlossen, welcher ein stationäres, äußeres Bauteil 20, eine große, drehbare Scheibe 22, eine mittlere, drehbare Scheibe 24 und eine kleine, drehbare Scheibe 26 umfaßt. In der mittleren, drehbaren Scheibe 24 ist ferner eine Vielzahl von Steuerstäben angeordnet, welche mit einem Antriebsmechanismus 28 zur Regelung der im Reaktorkern erzeugten Wärmemenge dienen.

Man erkennt, daß die Innenperipherie des stationären Bauteils 20 und die Außenperipherie der großen, drehbaren Scheibe 22 einen Ringspalt 30 definieren. In ähnlicher Weise wird durch die Innenfläche der großen, rotierenden Scheibe 22 und die Außenfläche der mittleren, rotierenden Scheibe 24 ein Ringspalt 32 definiert. In gleicher

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Weise wird zwischen der mittleren, rotierenden Scheibe und der kleinen, rotierenden Scheibe 26 ein Ringspalt definiert.

Ferner erkennt man, daß die mittlere, drehbare Scheibe 24 exzentrisch innerhalb der großen, drehbaren Scheibe angeordnet ist und daß die kleine^ drehbare Scheibe 26 in ähnlicher Weise innerhalb der mittleren, drehbaren Scheibe 24 angeordnet ist. Die kleine, rotierende Scheibe 26 enthält eine Zugangseinrichtung, z.B. einen Kragen 34, welche Zugang für eine nichtgezeigte Maschine für die Überführung in das Druckgefäß schafft. Wenn ein Austausch der Brennelemente erforderlich ist, so wird diese Maschine auf die Bohrung des Kragens 34 aufgesetzt. Sobald dies geschehen ist, bringt eine zweckentsprechende Kombination von Drehungen der drehbaren Scheiben 22, 24, 26 diese Überführungsmaschine in Fluchtung mit dem Reaktorkern im Sinne der Entfernung und des Austausche ausgewählter Brennelementanordnungen.

Ferner umfaßt der Reaktor 10 einen großen Isolierkörper 36, welcher in Nachbarschaft zur unteren Seite des Verschlußkopfes angeordnet 1st sowie oberhalb des Bades aus flüssigem Kühlmittel 14. Bei der in den Figuren gezeigten, speziellen Ausführungsform iimfaßt die Isolierung eine Vielzahl von reflektierenden Platten. Es können jedoch zahlreiche andere Äquivalente verwendet werden. Der Zweck der Isolierung 36 besteht darin, die externen Flächen der rotierenden Scheiben im wesentlichen auf Umgebungstemperaturen zu halten. Dadurch, daß man diese externen Flächen oder die Zugangsbereiche des Kopfes auf Umgebungstemperaturen hält, wird die Zugänglichkeit dieser Bereiche für die Wartung durch das Personal in hohem Maße erleichtert. Ferner wird hierdurch sichergestellt, daß die Lager und verschiedene An-

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triebsmechanismen in einer kühleren Umgebung betrieben werden. Dies wiederum gestattet die Auswahl der Materialien für die Lager, Dichtungen, Antriebsmechanismen aus einem breiteren Bereich von Materialien.

Wie vorstehend erläutert, muß man im Falle eines aus flüssigem Metall, wie Natrium, bestehenden Reaktorkühlmittels 14, wie dies im allgemeinen bei schnellen Brütern vorliegt, verhindern, daß Sauerstoff aus der Luft durch das Gefäß dringt und in Kontakt mit dem flüssigen Natrium gelangt. Ein solche Kontakt könnte zu einer Bildung unerwünschter Natriumoxid-Verunreinigungen führen. Aufgrund seines höheren Schmelzpunktes würde das Natriumoxid in Form eines festen Stoffes vorliegen und könnte die Strömungskanäle durch den Reaktorkern verstopfen. Hierdurch würde eine ungleichmäßige Kühlung des Kerns Zustandekommen. Ferner könnte die Anwesenheit solcher fester Verunreinigungen nachteilige Auswirkungen auf verschiedene Teile des primären Kühlsystems haben, z.B. auf Pumpen und Ventile. Es ist daher üblich, ein inertes Schutzgas, z.B. Argon, im Gefäß 12 vorzusehen. Dieses füllt die Zone 38 über dem Kühlmittel 14. Das Schutzgas hindert Sauerstoff an einem Kontakt mit dem Kühlmittel 14, Es ist jedoch der Strahlung des Kerns ausgesetzt und wird somit durch radioaktive Gase und Teilchen kontaminiert. Es ist somit erforderlich, das Schutzgas zwischen dem Reaktorgefäß und einer Reinigungsapparatur im Kreislauf zu führen, um den größten Teil der Radioaktivität zu entfernen, bevor man es abläßt oder in den Reaktor zurückführt. Das Verfahren der Entfernung der Radioaktivität ist bekannt.Ferner ist es, wie zuvor erwähnt, erforderlich, das Schutzgas daran zu hindern, durch die Ringspalte aus dem Reaktorgefäß zu entweichen.

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Fig. 3 zeigt eine typische AusfUhrungsform des erfindungsgemäßen Ringspalt- und Dichtungssystems. Ein typischer Ringspalt 40 wird definiert durch eine rotierende Scheibe 42 und ein benachbartes Bauteil 44. Bei dem benachbarten Bauteil 44 kann es sich um die Innenperipherie des stationären Bauteils des Reaktorgefäßes handeln oder um eine benachbarte, rotierende Scheibe. Der Ringspalt 40 ist an seinem oberen Ende durch zwei aufblähbare Dichtungen 46 verschlossen, welche durch eine Dichtungshalterung 48 an Ort und Stelle gehalten werden. Die oberen Flächen der aufblähbaren Dichtungen 46 greifen an einen Dichtungsläufer 50 an, welcher über ein Lagerhalterungsglied 52 mit der rotierenden Scheibe 42 verbunden ist. Ferner ist in dem Ringspalt 40, jedoch unterhalb der Dichtungen 46, eine Lageranordnung 54 vorgesehen, welche die Drehbewegung zwischen der rotierenden Scheibe 42 und dem benachbarten Bauteil 44 erleichtert. Das untere Ende des Ringspalts 40 weist eine Tauchdichtung auf, welche in Fig. 4 im Detail gezeigt ist. Die Tauchdichtung umfaßt einen Trog 56, welcher an dem unteren Ende des benachbarten Bauteils 44 ausgebildet ist. In den Trog erstreckt sich eine Schneide 58, welche am unteren Ende der drehbaren Scheibe 42 ausgebildet ist und von dieser herabhängt. Der Trog 56 enthält ein Bad aus flüssigem Metall, z.B. ein Bad aus flüssigem Natrium 60, in das das untere Ende der Schneide 58 eintaucht. Im Gegensatz zu den bisherigen Tauchdichtungen ist das Schneidenbauteil.58 bei der erfindungsgemäßen Einrichtung mit mindestens einer Durchgangsöffnung 62 versehen, welche eine strömungsmäßige Verbindung zwischen der einen Seite der Schneide 58 und der anderen Seite derselben schafft. Die andere Seite der Schneide 58 steht in strömungsraäßiger Verbindung mit dem Schutzgas im Raum 64, welcher oberhalb des Bades aus flüssigem Metallkühlmittel 66 liegt, und zwar über einen Kanal 68,

welcher eine Fortsetzung des Ringspalts 40 darstellt.

Es wird nun wiederum auf Fig. 3 Bezug genommen. Man erkennt, daß .zwischen den aufblähbaren Dichtungen 46 einerseits und der Lageranordnung 54 andererseits ein Strömungskanal 70 für die Einführung eines Spülgases in den Ringspalt 40 vorgesehen ist. Vorzugsweise ist ferner eine Einrichtung vorgesehen, welche den Ringspalt 40 zugänglich macht. Wie Fig. 3 zeigt, wird dies erreicht durch einen Durchgang 72 in der Lagerhaiterung 52 und einen nichtgezeigten, entfernbaren Stöpsel. Die Entfernung des Spülgases und des Schutzgases zum Zwecke der Aufarbeitung geschieht mit einer der bekannten Gasabzieheinrichtungen.

Es ist ein besonderes Merkmal der Erfindung, daß die Tauchdichtung über dem Kühlmittel 66 aus flüssigem Metall liegt und in einem Isolierkörper 76 von ausreichender Höhe, dergestalt, daß während der normalen Temperaturschwankungen des Reaktorbetriebs das Bad aus flüssigem Natrium 60 im Trog 56 den Temperaturbereich von etwa 149 bis 260⁰C (300 bis 500⁰F) nicht verläßt. Es wurde festgestellt, daß bei einer beträchtlichen Überschreitung der oberen Greize durch die Temperatur des Bades der Natriumdampfdruck zu einer übermäßigen Bildung von Natrium-Rauhreif im Ringspalt 40 führt, während andererseits niedrigere Temperaturen nicht ausreichen, um das Natrium zuverlässigerweise in flüssigem Zustand zu halten. Zur weiteren Verringerung der Wahrscheinlichkeit einer Wanderung des Natriumdampfes durch den Ringspalt 40 wird die Breite des Ringspaltes vorzugsweise in einem Bereich von etwa 12,7 bis 38,0 mm (0,5 bis 1,5 Zoll) gehalten. Es ist gewöhnlich bevorzugt, die Ringspaltbreite bei etwa 25,4 mm (1 Zoll) zu erhalten. In einigen Fällen kann es erwünscht sein, eine Einrichtung 74 und 80 vorzuse-

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hen, welche den Trog 56 der Tauchdichtung zugänglich macht, und zwar entweder für eine Inspektion des darin enthaltenen, flüssigen Natriums oder für den unwahrscheinlichen Fall, daß es erforderlich ist, die Schneide 58 erneut zu benetzen. Bei den oben erwähnten, bevorzugten Temperaturen neigt Natrium nicht dazu, die Schneide 58 ohne weiteres wieder zu benetzen, so daß es vorkommen kann, daß eine gewisse Menge des Schutzgases durch die Tauchdichtung hindurchwandert. Daher kann man mit Hilfe der zusätzlichen Leitung 74 ein Heizelement einführen, um die Temperatur des Natriums zu erhöhen, öder man kann alternativ eine Ultraschallsonde einführen, die ebenfalls zu einer erneuten Benetzung der Schneide 58 führt.

Während des Betriebs wird ein Spülgas von einer nichtgezeigten Spülgasquelle durch den Kanal 70 eingeleitet, von wo es durch das Lager 54 und abwärts durch den Ringspalt 40 strömt. Die Spülgasgeschwindigkeit durch den Ringspalt 40 und die Länge des Ringspalts in Richtung der Gasströmung werden ausgewählt im Sinne einer Steuerung der Geschwindigkeit der Diffusion des radioaktiven Schutzgases durch den Ringspalt. Je höher die Geschwindigkeit der Gasströmung ist, umso weniger radioaktives Schutzgas diffundiert aufwärts durch den Ringspalt 40 hindurch. Im Hinblick auf die Kosten des Spülgases und im Hinblick auf die erforderliche Entfernung und Aufbereitung des Spülgases ist es jedoch erwünscht, den Durchsatz des Spülgases so gering wie möglich zu halten, solange noch die Diffusion des radioaktiven Schutzgases im gewünschten Maße verhindert werden kann. Demgemäß wird die Geschwindigkeit des Spülgases derart eingestellt, daß die Diffusion des radioaktiven Schutzgases durch den Ringspalt nicht ausreicht, um auf die aufblähbaren Dichtungen 46 einen nachteiligen Einfluß auszuüben.

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Ferner soll hierdurch verhindert werden, daß die Menge des Schutzgases, welches durch die aufblähbaren Dichtungen tritt, nicht dazu führt, daß im Bereich außerhalb des Gefäßes der zulässige Strahlungspegel überschritten wird.

Das radioaktive Schutzgas, welches durch den Ringspalt aufwärtsdiffundiert, wird durch das abwärtsströmende Spülgas verdünnt, wodurch die Aktivität des Schutzgases weiter verringert wird. Ferner gestattet die Zeitdauer, während der das Schutzgas durch den Ringspalt aufwärtsströmt bis hin zu den aufblähbaren Dichtungen 46, einen beträchtlichen radioaktiven Zerfall der kürzer lebenden, radioaktiven Elemente. Diese beiden Wirkungen können derart gesteuert werden, daß die Aktivität des Schutzgases, welches die aufblähbaren Dichtungen erreicht, ausreichend gering ist, so daß hier keine Beschädigungen der Dichtungen auftreten können, welche diese unbrauchbar machen würden. Die Aktivität etwaigen Schutzgases, welches durch die aufblähbaren Dichtungen diffundiert, ist derart weit herabgesetzt, daß sein Beitrag zur Erhöhung der zulässigen Strahlungsdosis innerhalb genau umrissener Grenzen liegt.

Das Spülgas, welches durch den Ringspalt 40 abwärtsströmt, gelangt durch die Durchlässe 62 in der Schneide 58 und vermischt sich dahinter über den Strömungskanal 68 mit dem Schutzgas. Gleichzeitig wird ein Gemisch von Schutzgas und Spülgas abgezogen für die Aufarbeitung nach bekannten Verfahren.

Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, daß die Menge des Natriumdampfes, welcher an den Wandungen des Ringspaltes 40 in Form eines Rauhreifs abgeschieden wird, gesteuert werden kann. Die Menge des gebildeten Rauhreifs

hängt u.a. ab von der Temperatur des Natriums, der Temperatur der Wandungen des Ringspaltes und der Breite des Ringspaltes. Erfindungsgemäß wird die Temperatur des flüssigen Natriums 60 im Trog 56 in einem gewissen Ausmaß bestimmt durch die Anordnung des Troges 56 innerhalb der Isolierung 76, so daß bei den Temperaturen des normalen Reaktorbetriebs das Natrium im Trog bei einer Temperatur von weniger als etwa 260°C (50O⁰F) gehalten wird und oberhalb etwa 149⁰C (30O⁰F), so daß der Natrium dampfdruck auf ein Minimum gebracht werden kann. Ferner wird die Konvektionsrate auf akzeptable Werte herabgesetzt, dadurch, daß man die Breite des Ringspaltes 40 mit etwa 1 Zoll oder weniger wählt. Die vorliegende Erfindung eliminiert die Bildung eines Natrium-Rauhreifs an den Wandungen des Ringspaltes nicht vollständig. Es ist jedoch möglich, diese Erscheinung derart weit herabzusetzen, daß die Intervalle zwischen den Reinigungen des Ringspaltes auf etwa 10 Jahre oder darüber verlängert werden können. Erst nach einer solchen langen Zeitspanne kommt es aufgrund des abgeschiedenen Natriums zu einer Störung der Drehung der Scheiben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Kanal 12. für die Inspektion und die Zugänglichkeit des Bereichs des Ringspaltes 40 in geringer Breite vorgesehen. Dies erlaubt eine periodische Reinigung und Inspektion. Während der Reinigungsoperation fallen etwaige Natriumoxidteilchen, welche sich gebildet haben können, auf. den Boden des Trogs 56, wo sie sich langsam auflösen können. Sie werden daher daran gehindert, in die Strömungswege des normalen Flüssigmetall-Kühlmittels zu gelangen und hier störend zu wirken.

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Vorstehend wurde eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erläutert. Es sind jedoch zahlreiche Modifikationen und Variationen möglich. Zum Beispiel wurde die Erfindung beschrieben für den Fall der Verwendung von flüssigem Natrium als flüssiges Metallkühlmittel sowie als Flüssigkeit für die Tauchdichtung. Es sind jedoch verschiedene andere flüssige Materialien brauchbar. Dabei muß es sich nicht um Alkalimetalle handeln. Darüberhinaus ist die genaue Konfiguration verschiedener Bauteile nicht auf die Zeichnungen eingeschränkt. Desgleichen ist der Zusammenbau und die Befestigung der einzelnen Bauteile aneinander nicht auf die Zeichnungen beschränkt.

Kernreaktoren, die unter Verwendung drehbarer Scheiben im Verschlußkopf des Reaktorgefäßes betrieben werden, erfordern einen ringförmigen Kanal bzw. Ringspalt, der einen lichten Spalt zwischen der drehbaren Scheibe und einer zugeordneten Apparatur definiert, um eine Drehung der Scheiben zu erlauben. Zur Verhinderung des Entweichens radioaktiver Gase aus dem Gefäßinneren und zur Verhinderung des Eindringens von Luft in das Gefäß müssen Dichtungen vorgesehen werden, um den Ringspalt zu verschließen. Die vorliegende Erfindung stellt ein System zur Abdichtung solcher Ringspalte in mit flüssigem Metall gekühlten Reaktoren zur Verfügung.

Kernreaktoren weisen im Verschlußkopf des Reaktorgefäßes drehbare Scheiben auf. Diese müssen notwendigerweise durch einen Ringspalt getrennt sein, so daß die Scheiben rotieren können. Um den Austritt radioaktiver Gase aus dem Inneren des Gefäßes zu verhindern und um das Eindringen von Luft in das Gefäß zu verhindern, müssen Dichtungen vorgesehen sein, welche den Ringspalt blockieren. Die vorliegende Erfindung schafft ein System von Dichtungen solcher Ringspalten für mit flüssigem Metall gekühlte Reaktoren.

Claims

Patentansprüche

Kernreaktor mit Flüssigmetallkühlung, mit einem ein Schutzgas enthaltenden Gefäß, einem Bad aus flüssigem Metallkühlmittel im unteren Bereich des Gefäßes, einer Brennelementanordnung in dem Bad aus flüssigem Metallkühlmittel, mit mindestens einem primären Kühlkreislaufsystem für den Kreislauf des flüssigen Metallkühlmittels in Wärmeaustauschbeziehung zu den Brennelementanordnungen und mit einem Verschlußkopf am oberen Ende des Gefäßes in strömungsdichter Beziehung zu diesem, wobei der Verschlußkopf folgende Komponenten umfaßt:

ein erstes und ein zweites Bauteil mit einem Ringspalt;

eine Isoliereinrichtung, welche an die Bodenfläche dieser Bauteile angrenzt und über dem Flüssigmetallkühlmittel liegt und die obere Fläche der Bauteile auf im wesentlichen auf Umgebungstemperatur hält;

mindestens eine erste und eine zweite aufblähbare Dichtung im oberen Bereich des Ringspaltes, welche während des normalen Reaktorbetriebs den Ringspalt im aufgeblähten Zustand abdichten und welche im partiell geschrumpften Zustand eine Drehung der Bauteile gegeneinander erlauben;

eine Flüssigmetall-Tauchdichtung im Ringspalt und innerhalb der Isoliereinrichtung, wobei die Tauchdichtung einen Trog an einem der Bauteile umfaßt sowie eine Dichtungsschneide, welche vom anderen Bauteil herabhängt und sich abwärts in den Trog erstreckt, und wobei ein Bad aus flüssigem Metall im Trog vorgesehen ist, in das ein Teilbereich der Dichtungsschneide eintaucht, wobei die Dichtungsschneide mindestens eine Öffnung oberhalb der, riunnlfton Metall bncleo aufweint y.xxr C!aw;ihr~ leistung einer »Lrümurigsmäßi^en Verbindung /.wischen der einen Seite der Schneide und der anderen;

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eine Einrichtung zur Herbeiführung einer strömungsmäßigen Verbindung zwischen dem Raum oberhalb des Trogs auf der einen Seite der Dichtungsschneide und dem Schutzgas;

eine Einrichtung zur Einführung eines Spülgases in den Raum zwischen den aufblähbaren Dichtungen und der anderen Seite der Dichtungsschneide, so daß eine ausreichende Menge Spülgas eingeleitet werden kann, die eine Wanderung des radioaktiven Schutzgases oder des Natriumdapfes aufwärts bis hin zu den aufblähbaren Dichtungen im wesentlichen verhindert; und

eine Einrichtung zum Abziehen von Spülgas.und Schutzgas aus dem Gefäß zum Zwecke der Reinigung und zur Zurückführung in das Gefäß.
2. Kernreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet; durch eine Einrichtung, welche den Trog der Flüssigmetall-Tauchdichtung zugänglich macht.
3. Kernreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Lagereinrichtung im Rängspalt zur Erleichterung der Drehbewegung zwischen dem ersten und zweiten Bauteil, wobei die Lagereinrichtung zwischen der Flüssigmetall-Tauchdichtung und den aufblähbaren Dichtungen liegt.
k. Kernreaktor nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Einführung eines Spülgases derart angeordnet ist, daß das Spülgas in den Raum zwischen den aufblähbaren Dichtungen und der Lagereinrichtung eintritt.
5. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigmetall-Kühlmittel und das flüssige Metall in der Tauchdichtung aus Natrium bestehen.
6. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Ringspalt eine Breite von 12,7 bis 38,0 mm aufweist.
7. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Schutzgas und das Spülgas aus Argon best eben.