DE3345432A1

DE3345432A1 - Passives reaktorhilfskuehlsystem

Info

Publication number: DE3345432A1
Application number: DE19833345432
Authority: DE
Inventors: John E. Acme Pa. Sharbaugh
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1982-12-20
Filing date: 1983-12-15
Publication date: 1984-06-20
Also published as: GB2133203A; US4762667A; GB8332001D0; FR2538154A1; FR2538154B1; JPS59120995A; GB2133203B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein passives Reaktorhilfskühlsystem entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiges Reaktorhilfskühlsvstem ist insbesondere für Flüssigmetall-Schnellbrüterreaktoren (LMSBR) des Schleifen- und Pool-Typus verwendbar.

Die Funktion eines direkten Reaktorhilfskühlsystems (DRACS) bei Nuklearreaktoren besteht darin, eine direkte Kühlungsströmung der Nuklearbrennstäbe des Reaktorkerns zu ergeben, was während Routinestillegungen des Reaktors oder in Notfällen notwendig ist, bei welchen die Primärquallen der

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Kühlmittelströmung unterbrochen sind. Ein derartiges Hilfskühlsystem sollte dabei keine oder nur wenige bewegliche Komponenten aufweisen, da die Zuverlässigkeit eines derartigen Hilfskühlsystems durch einen rein passiven Betrieb verbessert wird.

Es ist demzufolge die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein rein passives Hilfskühlsysten zu schaffen, bei welchem in Notfällen eine natürliche Zirkulation des Kühlmittels aufrechterhalten wird, ohne daß dabei der normale Reaktorbetrieb in besonderer Weise gestört wird.

Erfindungsgemäß wird dies durch Vorsehen der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale erreicht.

Die Erfindung soll nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist, welche einen schematischen Schnitt durch einen gemäß der Erfindung ausgelegten Brutreaktor zeigt.

Die Figur zeigt schematisch einen natriumgekühlten schnellen Brüterreaktor des Pool-Typus, bei welchem ein Reaktorkern 1 innerhalb eines Druckgefäßes 2 angeordnet ist. Die primäre Kühlströmung des Natrium erfolgt von einer Einlaßkammer 3 aufwärts durch den Reaktorkern 1 in Richtung einer darüber angeordneten Auslaßkammer 4. Das durch den Reaktorkern 1 erhitzte Natrium wird dann durch einen nicht dargestellten Wärmeaustauscher gepumpt, in welchen die mitgeführte Wärme an ein Sekundärmedium abgegeben wird. Das auf diese Weise gekühlte Natrium wird dann zurück zu der Einlaßkammer 3 geleitet. In Übereinstimmuna mit dem Stand der Technik ist zwischen

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der Einlaßkammer 3 und der Auslaßkammer 4 eine Trennwand 6 vorgesehen, wobei zusätzlich zwischen diesen beiden Kammern 3, 4 auch noch eine Zwischenkammer 7 vorgesehen sein kann. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist zudem eine Führungswandung 9 vorgesehen, welche zu der Ausbildung einer Radialströmungskammer 8 führt.

Der vorgesehene Reaktorkern 1 besitzt einen peripheren äußeren Bereich, in welchem die nichtwärmeerzeugenden Elemente in Form von Abschirmungselementen 10 angeordnet sind, während die im inneren Bereich des Reaktorkerns 1 angeordneten Elemente die eigentlichen Brennstäbe 11 sind, innerhalb welcher die Uärmeerzeugung stattfindet und welche demzufolge gekühlt werden müssen. In der Figur sind dabei aus Einfachheitsgründen nur einige dieser Brennstäbe 11 dargestellt. Die einzelnen Bündel von Brennstäben 11 und Abschirmelementen 10 sind jeweils mit einem Mantel versehen, durch welchen das flüssige Natrium hindurchgeleitet wird. Der gesamte Reaktorkern 1 selbst wiederum ist wiederum innerhalb eines Kerngefäßes 12 angeorndet.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist der obere Bereich des Kerngefäßes 12 mit öffnungen 13 versehen, durch welche eine Strömung zwischen dem oberen Kernbereich und der Radialströmungskammer 8 zustandekonunt. Die einzelnen Ummantelungen der Bündel von Abschirmungselementen 10 sind ebenfalls dahingehend abgeändert, daß eine Strömung durch die oberen Enden der einzelnen Ummantelungen in Richtung der Auslaßkammer 4 unterbrochen wird, während zur Seite hin eine Strömung durch entsprechende Öffnungen Zustandekommen kann. Fernerhin sind eine Anzahl von Wärme-

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tauscher 5 in Verbindung mit dem Reaktorhilfskühlsystera (DRACS) vorcesehen, welche auf der Aus.laßseite öffnungen 15 aufweisen, die eine Verbindung xait der Radialströmungskammer 8 herstellen. Zusätzlich ist eine zylindrische Trennwandung 16 vorgesehen, welche in Verbindung mit einer Natriumabschirmung 18 eine Ringkammer 17 ergibt. Innerhalb der Trennwand 6 vorgesehene öffnungen 19 stellen dabei einen Strömunospfad zwischen der Ringkamraer 17 und der P.adialströmungskaramer 8 her.

Die in der Figur auf der rechten Seite gezeigten Pfeile 20 zeigen die während des normalen Reaktorbetriebs auftretende Strömung des flüssigen Natriums, während die auf der linken Seite der Figur gezeigten Pfeile 21 die bei einer Reaktorstillegung auftretende Strömung von flüssigem Natrium aufgrund natürlicher Zirkulation andeuten.

Während des normalen Reaktorbetriebs geben vier nicht dargestellte Primärpumpen kühleres flüssiges Natrium mit einem Druck von etwa 7 kg/cm² an die Einlaßkammer

3 ab. Das flüssige Natrium strömt von dort zu den Brennstäben,dem peripheren Brutbereich und den Steuer- und Abschirmelementen, wobei entsprechende öffnungen vorgesehen sind, deren Öffnungsdurchmesser entsprechend der jeweiligen lokalen ^v.'ärmeentwicklung gewählt sind. Das durch die Brennstäbe,den peripheren Brutbereich und die Steuerelemente strömende Kühlmittel wird dann vertikal nach aufwärts in die Auslaßkammer

4 geleitet, in welcher eine Vermischung des Kühlmittels erfolgt, das dann nicht dargestellten Zwischenwärmetauschern zugeführt wird. Das durch die Äbschirmeleincnte 10 geleitete Kühlmittel wird hingegen vertikal nach aufwärts und anschließend in die Radialströ-

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mungskammer 8 geleitet, in welcher eine Vermischung mit dem von der Auslaßkammer 4 in die Wärmetauscher 5 einströmenden Kühlmittel erfolgt. Das auf diese Weise vermischte Kühlmittel gelangt dann über die Ringkammer 17 in einen Bereich, in welchem eine Vermischung mit dem aus der Auslaßkammer 4 ausströmenden Kühlmittel zustandekommt. Bei dieser Anordnung liegt die an den Wärmetauschern 5 auftretende Druckdifferenz in der Größenordnung von 0,07 und 0,14 kg/cm². Dabei ergibt sich eine geringfügige Strömung der durch das Reaktorhilfskühlsystem gebildeten Sekundärströmung, welche gerade ausreichend ist, um das System funktionsfähig zu halten, Diese Sekundärströmung bewirkt eine gewisse Kühlung des primären flüssigen Natriums innerhalb der Wärmetauscher 5, wobei das auf diese Weise gekühlte flüssige Natrium aufgrund seiner größeren Dichte, wie beschrieben, nach abwärts in die Ringströmungskammer 8 fließt.

Wenn nun der Reaktor von außen her keine elektrische Leistung mehr erhält, tritt ein Reaktorstörfall auf, bei welchem die Primärpumpen aufhören zu arbeiten. Der Reaktorkern 1 erzeugt jedoch in diesem Fall weiterhin Wärme, wodurch durch Verringerung des spezifischen Gewichts das erhitzte Natrium nach oben in die Auslaßkammer 4 einströmt. Zur Aufrechterhaltung des Betriebs muß jedoch dieses flüssige Natrium ausgetauscht werden. Aufgrund der an dem flüssigen Natrium auftretenden aufsteigenden Kräfte beginnt das innerhalb der Radialströmungskammer 8 und den radial angeordneten Abschirmelementen 10 vorhandene flüssige Natrium in der entgegengesetzten Richtung zu strömen, so daß dasselbe nach abwärts in die Einlaßkammer 3 und von dort durch die

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Brennstäbe 11 strömt. Dies wiederum hat zur Folge, daß das Reaktorhilfskühlsystem das innerhalb der Auslaßkammer 4 befindliche Natrium schneller als im normalen Reaktorbetrieb abkühlt, welches dann in die Radialströmungskaramer 3 gelangt, in welcher dasselbe das aus den Abschirmungselementen 10 ausströmende flüssige Natrium ersetzt, um auf diese vieise den natürlichen internen Strömungspfad zu schließen.

Die Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung wird durch die Tatsache verstärkt, daß auf diese lieise gleichzeitig bestimmte Probleme von Flüssigmetall-Schnellbrutreaktoren gelöst werden. In diesem Zusammenhang konnte nämlich festgestellt werden, daß die durch die Abwesenheit einer erheblichen V?ärmeerzeuguncr innerhalb des Abschirmungsbereiches und der dazv/ischenliegenden Strömungsbereiche bewirkte kältere Strömung im perioheren Bereich des Reaktorkerns zu einer großen thermischen Fluktuation in der oberen inneren Struktur, in dem oberen Belastungsdeckel und in dem oberen Bereich des Kerngefäßes 12 führen kann, wenn eine Abgabe des flüssigen Natriums in die heißere Auslaßkammer 4 erfolgt. Das Vorsehen einer Radialströmungskammer 8 bewirkt jedoch, daß die kühlere Abgabeströmung von der heißeren Strömung der Brennstäbe getrennt wird. Darüber hinaus werden die heißesten Kühlmittelströme durch Mischung gekühlt, während auf der anderen Seite die entlang der Trennwände austretende Strömung durch Entlangleiten entlang der Trennwand 6 erwärmt wird, bevor diesa Kühlrad, tte Is tr one zur endaültigen Mischung innerhalb der heißen Auslaßkammer 4 zueinandergeführt v/erden.

So wie sich anhand obiger Beschreibung ergibt, sind bei dem erfindungsgemäßen passiven Reaktorhilfskühlsystem

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keine mechanischen Elemente vorgesehen. Im Störungsfall wird nämlich die sich ergebende Kühlmittelströmung einzig und allein in passiver Weise durch thermisches Aufsteigen erreicht, so wie dies durch die Pfeile 21 auf
der linken Seite von der Fiaur angedeutet ist.

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-40. Leerseite

Claims

Patentansprüche :

1/. Schnellbrutreaktor mit einem innerhalb eines Reaktorgefäßes angeordneten Reaktorkern mit einem mit Brennstäben versehenen inneren Reaktorbereich und einem mit Abschirmungselementen versehenen äußeren Reaktorbereich, einem mit einem Wärmetauscher versehenen direkten Reaktorhilfskühlsystem, einer unterhalb des Reaktorkerns angeordneten kühlen Einlaßkammer und einer oberhalb des Reaktorkerns angeordneten heißen Auslaß-

kammer sowie einer das Kühlmittel von der Auslaßkammer durch den Wärmetauscher zu der Einlaßkammer führenden Einrichtung, dadurch g e k e η η -

zeichnet , daß im Bereich des oberen Endes des Kerngefäßes (12) eine RadiaistrÖmungskammer (8) vorgesehen ist, wobei im oberen Bereich des Kerngefäßes (12) zusätzlich öffnungen (13) vorgesehen sind, durch welche eine Strömung des Kühlmittels vom oberen Bereich der Abschirmunqseleruente (10) in die Radialströraungskammer (3) zustandekomrat, daß ferner innerhalb der heißen Auslaßkammer (4) eine zylindrische Trennwandung (16) vorgesehen ist, welche nach außen hin eine Ringkammer (17) bildet, die nach unten hin mit der Radialströmungskammer (8) derart verbunden ist, daß während des normalen Reaktorbetriebs eine Strömung des Kühlmittels von der Radialströmungskammer (8) in die heiße Auslaßkammer (4) zustandekommt,und daß zusätzlich im Bereich der zylindrischen Trennwandung (16) ein Hilfswärmetauscher (5) vorgesehen ist, welcher im Zustand eines Reaktorstillstands als passives natürlich gekühltes Zirkulisationssystem für den Reaktorkern (1) wirkt.

Schnellbrutreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Bereich der radial angeordneten Abschirmungselemente (10) nach oben hin verschlossen ist, so daß im Fall einer Stilllegung der Reaktorkühlung ein Strömungspfad zustandekommt, welcher sich von der Auslaßkammer (4) abwärts entlang der zylindrischen Trennwandung (16) und durch die Radialströmunaskammer (8) nach einwärts in den Bereich der radial angeordneten Abschirmungseleraente (10) und von dort in Richtung der Sinlaßkammer (3) ergibt, um auf diese Weise den Reaktorkern (1) aufgrund natürlicher Zirkulation zu kühlen.

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