DE3713140A1 - Reaktorblock eines schnellen brueters zum abfuehren der restenergie des kerns durch natuerliche zirkulation - Google Patents

Description

Es ist bekannt, daß bei einem schnellen Brüter im Falle des Abschaltens des Reaktors die Restwärme ohne nennenswerten Wärmeübergang vernichtet werden muß.

Zu diesem Zweck ist eine bestimmte Anzahl von Natrium/ Natrium-Wärmetauschern vorgesehen, deren Rohrschlange in die heiße Druckkammer eintaucht, wobei das in der heißen Druckkammer zirkulierende Natrium die Primärflüssigkeit bildet, wogegen die Sekundärflüssigkeit durch natürliche Luftzirkulation in einem geeigneten Turm gekühlt wird.

Bei natürlicher Zirkulation bildet diese konstruktive Lösung in der heißen Druckkammer Schichtungen von Natrium mit verhält­ nismäßig tiefer Temperatur, welche die Zirkulation des Natriums vom Kern zu der heißen Druckkammer blockieren, wodurch eine ord­ nungsgemäße Zirkulation des Primärnatriums verhindert wird. Es ist daher schwierig, die Abwesenheit gefährlicher Wärmeübergänge zu gewährleisten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Probleme zu überwinden, was dadurch erreicht wird, indem das Rohrbündel der für die Vernichtung der Restenergie verwendeten Wärmetauscher nicht in die heiße Druckkammer, sondern in die kalte Druckkammer eintaucht.

Gemäß der Erfindung sind diese Wärmetauscher auch mit einem oder mehreren Mänteln umgeben, die sie von dem Natrium der heis­ sen Druckkammer trennen.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung er­ geben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, auf die bezüglich der Offenbarung aller nicht im Text beschriebenen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen herkömm­ lichen Atomreaktor vom Typ schneller Brüter, wobei die das System zum Abführen der Restenergie gehöri­ gen Teile fehlen,

Fig. 2 eine Darstellung ähnlich wie Fig. 1, wobei aber die erfindungsgemäße Anordnung der Wärmetauscher gezeigt ist,

Fig. 3A und 3B die Hilfswärmetauscher der bekannten Bauart bzw. gemäß der vorliegenden Erfindung im Bereitschaftszustand, und

Fig. 4A und 4B ähnliche Darstellungen wie Fig. 3A und 3B, die aber den Zustand der Hilfswärmetauscher nach dem Stand der Technik bzw. nach der vor­ liegenden Erfindung einige Zeit nach dem Ab­ schalten des Reaktors zeigen.

Gemäß Fig. 1 ist der Reaktorblock in bekannter Weise in einen als kalte Druckkammer 1 bezeichneten unteren Bereich und einen als heiße Druckkammer 2 bezeichneten oberen Bereich unterteilt.

Diese beiden Bereiche sind durch eine oder mehrere hydrauli­ sche Sperren 3, 4 voneinander getrennt. Das Natrium zirkuliert normalerweise von der kalten Druckkammer 1 durch den Kern 5 des Reaktors, wo es sich erwärmt, in die heiße Druckkammer 2 und von dort durch die zwischenliegenden Wärmetauscher 6, wo es sich ab­ kühlt, in die kalte Druckkammer 1 zurück. Unter normalen Umstän­ den wird die Zirkulation durch Pumpen 70 bewirkt, die in die kal­ te Druckkammer 1 eintauchen und die das flüssige Natrium durch geeignete Kanäle 7 unter das die den Kern 5 bildenden Brennstäbe abstützende Gitter 71 leiten.

Wenn eine Abschaltsituation eintritt, dann wird die Vernich­ tung der Restenergie durch die hilfsweisen Natrium/Natrium -Wärme­ tauscher 8 gewährleistet, die als Restwärme-Abführwärmetauscher bekannt sind. Das sekundäre Natrium dieser Hilfswärmetauscher gibt seinerseits die absorbierte Wärme an einen Luftstrom in einem geeigneten Kamin ab.

Dieser zweite Wärmetauscher des Restenergievernichtungsystems wird normalerweise als Natrium/Luft-Wärmetauscher bezeichnet.

Normalerweise arbeiten alle Pumpen 70. Gemäß einer ersten bekannten Lösung ist vorgesehen, daß selbst unter Abschaltbedin­ gungen der Anlage eine oder mehrere der Pumpen in Betrieb bleibt.

In diesem Fall wird das Natrium der heißen Druckkammer 2 unter Reaktorabschaltbedingungen durch die Hilfswärmetauscher 8 gekühlt, und es gelangt sodann durch die zwischenliegenden Wär­ metauscher 6 in die kalte Druckkammer 1, von wo es durch die Pum­ pen 70 in die Kanäle 7 und durch den Kern 5 hindurchgeleitet wird, wo es Wärme aufnimmt, um sodann in die heiße Druckkammer zurück­ zukehren.

Wenn aber bei Reaktorabschaltbedingungen angestrebt wird, daß alle Pumpen abgeschaltet werden können, dann muß das Natrium um seine Zirkulation auf natürliche Weise fortsetzen können. Die in Fig. 1 gezeigte übliche Anordnung der Hilfswärmetauscher 8 gewährleistet aber keine wirksame Zirkulation des Natriums zwischen der heißen und der kalten Druckkammer, wenn alle Pumpen 7 stillstehen.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung erlaubt zwar ein Abkühlen des Natriums in der heißen Druckkammer, sie behindert aber eine Zirkulation des Natriums im Reaktorkern. Tatsächlich bildet das durch die Hiflswärmetauscher 8 gekühlte Natrium unmittelbar über dem Kern Schichten, und dieses relativ kalte Natrium neigt dazu, zum Boden, d.h. zum Kern 5 hin abzusinken.

Demzufolge ist die Strömungsgeschwindigkeit des Natriums durch den Reaktorkern 5 hindurch instabil und schwer zu kalkulie­ ren, und sie kann zu hohen Temperaturen in den Kernbrennstäben führen. Fig. 2 zeigt die Lösung gemäß der Erfindung, wobei aus Gründen der Klarheit entsprechende Teile mit gleichen Bezugs­ zeichen versehen sind.

In diesem Fall sind die Natrium/Natrium -Hilfswärmetauscher 8 des Kreises zur Vernichtung der Restwärme in der kalten Druck­ kammer 1 angeordnet, wobei die Hilfswärmetauscher 8 aber auf der Höhe der heißen Druckkammer 2 angeordnet sind.

Zu diesem Zweck sind die Hilfswärmetauscher 8 mit Ringen oder Mänteln umgeben, wobei bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwei zylindrische Mäntel 9 und 10 vorgesehen sind, die am unteren Ende mit der hydraulischen Sperre 3 bzw. 4 verbunden sind, die zwischen der heißen und der kalten Druckkammer angeordnet sind.

Diese Lösung bildet keine Behinderungen, wenn die Anlage im Normalzustand arbeitet: In diesem Fall hat das Natrium in der kalten Druckkammer eine Temperatur von ungefähr 400°C, wo­ gegen das Natrium in der heißen Druckkammer eine Temperatur von ungefähr 550°C hat.

Die Hilfswärmetauscher 8 nehmen einen kleinen Teil der Wär­ meenergie des Natriums in der kalten Druckkammer auf und geben sie durch die vorstehend erwähnten Natrium/Luft-Wärmetauscher an die Atmosphäre ab.

Dieser Wärmeverlust hat aber insofern eine positive Wirkung, weil er dazu dient, die Temperatur der zwischen den Mänteln 9 und 10 befindlichen Natriumschicht zu verringern und damit auch die Temperatur der Natriumschicht zwischen den Bauteilen 3 und 4 zu verringern, deren Verlängerungen 9 und 10 die Wärmetauscher 8 um­ geben.

Auf diese Weise wird das im Inneren des inneren Mantels 10 enthaltene Natrium auf einer Temperatur von näherungsweise 400°C gehalten und zwar trotz der Wärmezufuhr durch das Natrium der umgebenden heißen Druckkammer.

Auf diese Weise werden die Kreise zur Vernichtung der Rest­ wärme unter normalen Betriebsbedingungen bei einer Temperatur von ungefähr 400°C im Bereitschaftszustand gehalten, während sie bei der in Fig. 1 gezeigten bekannten Lösung im Bereitschafts­ zustand auf einer Temperatur von ungefähr 550°C gehalten werden.

Dieser Zustand ist in den Fig. 3A und 3B gezeigt, die beide eine Situation betreffen, wenn sich die Hilfswärmetauscher 8 und die Natrium/Luft-Wärmetauscher 80 im Bereitschaftszustand befin­ den.

Wie gesagt betrifft Fig. 3A die bekannte Lösung nach Fig. 1, wogegen Fig. 3B die in Fig. 2 gezeigte erfindungsgemäße Lösung betrifft. Nach dem Abschalten des Reaktors laufen die Pumpen in­ folge der Trägheit noch einige Zeit weiter und die Temperaturen der heißen und der kalten Druckkammer nähern sich einem gemein­ samen Mittelwert, wobei diese Situation in den Fig. 4A und Fig. 4B schematisch dargestellt ist.

Fig. 4A betrifft die bekannte Lösung, wogegen Fig. 4B die erfindungsgemäße Lösung betrifft. Aus Fig. 4A geht deutlich her­ vor, daß das in dem Hilfswärmetauscher 8 enthaltene Sekundär­ natrium eine geringere Temperatur hat als das in dem auf einer größeren Höhe angeordneten Natrium/Luft-Wärmetauscher 80 enthal­ tene Sekundärnatrium. Beim Stand der Technik wird demzufolge der Beginn der natürlichen Zirkulation des Sekundärnatriums zwischen dem Hilfswärmetauscher 8 und dem darüber befindlichen Natrium/ Luft-Wärmetauscher 80 verzögert, bis die Temperatur im Inneren der heißen Druckkammer wieder ansteigt.

Im Gegensatz dazu hat der Hilfswärmetauscher 8 und 10 ge­ mäß dem in Fig. 4B gezeigten System eine Temperatur, die gering­ fügig über derjenigen des Natrium/Luft-Wärmetauschers 80 liegt, so daß der Beginn der natürlichen Zirkulation des Sekundärnatri­ ums begünstigt wird.

Demzufolge werden die Hilfswärmetauscher und die Luft/Natri­ um -Wärmetauscher gemäß der Erfindung beim Abschalten schneller wirksam.

Wie dies nachfolgend noch erläutert wird, wird selbst nach dem Beginn der natürlichen Zirkulation im Inneren der Hilfswärme­ tauscher gemäß der Erfindung die Restenergie wirksamer abgeführt.

Die Abfuhr der Restenergie durch die Zirkulation des Primär­ natriums erfolgt aufgrund der durch die Brennstäbe erzeugten An­ triebsenergie.

Während der Abfuhr der Restenergie durch die natürliche Zir­ kulation des Primärnatriums strömt dieses vom Kern 5 in die heiße Druckkammer 2.

Von der heißen Druckkammer 2 tritt das Primärnatrium durch die oberen Öffnungen 61 in die zwischenliegenden Wärmetauscher 6 ein, und es verläßt diese durch die in der kalten Druckkammer 1 angeordneten unteren Öffnungen 62.

Über die Pumpen 70 und die Kanäle 7 kehrt das Primärnatrium sodann in den Kern 5 zurück, um den genannten Weg zu wiederholen.

Gemäß der Erfindung schichtet sich das aus den unteren Öff­ nungen 62 der zwischenliegenden Wärmetauscher 6 austretende heiße Natrium im oberen Teil der kalten Druckkammer 1 (selbstverständ­ lich zusätzlich zu der Vermischung mit dem darin befindlichen kal­ ten Natrium), und das Natrium dringt demzufolge in das Innere des den Hilfswärmetauscher 8 umgebenden Mantels 10 ein.

Das Natrium tritt demzufolge durch die oberen Öffnungen 81 des Hilfswärmetauschers 8 ein, und nachdem es sich in demselben immer noch in natürlicher Zirkulation abgekühlt hat, verläßt es den Wärmetauscher durch die unteren Öffnungen 82, von wo es durch die Pumpen 70 und die Kanäle 7 zum Kern 5 zurückgeleitet wird. Es ist zu beachten, daß es zur Gewährleistung einer natürlichen Zirkulation des Primärnatriums im Innern des Kerns 5 erforder­ lich ist, daß die Oberkante 63 der unteren Öffnungen 62 der zwi­ schenliegenden Wärmetauscher 6 höher gelegen ist als das Hitze­ zentrum (q) des Kerns 5.

Wenn die kalte Druckkammer und die heiße Druckkammer durch mindestens zwei Bauteile 9 und 10 voneinander getrennt sind, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, dann ermöglicht die Erfin­ dung eine Kühlung der abgebrannten Brennstäbe im Inneren des Kerns 5 durch natürliche Zirkulation.

Erfindungsgemäß erfolgt diese Kühlung in jedem Betriebszu­ stand des Reaktors.

Zu diesem Zweck ist der obere Teil des die Hilfswärmetau­ scher 8 umgebenden äußeren Mantels 9 mit kalibrierten Bohrungen 15 versehen. Durch diese kalibrierten Bohrungen tritt Natrium aus der heißen Druckkammer 2 in den Zwischenraum zwischen den beiden Mänteln 9 und 10 ein und gibt Wärme an das Natrium der kalten Druckkammer ab, das zwischen dem inneren Mantel 10 und der Außenwand des Hilfswärmetauschers 8 enthalten ist.

Diese Wärme wird ihrerseits an das Sekundärnatrium des Hilfswärmetauschers 8 abgegeben und dadurch zumindest teilweise vom Natrium/Luft-Wärmetauscher 80 an die Umgebung abgegeben.

Ein zweiter Teil dieser Wärme wird an das Natrium der kal­ ten Druckkammer 1 in dem Bereich unter den Hilfswärmetauschern 8 abgegeben.

Das Natrium, das in dem Zwischenraum zwischen den Mänteln 9 und 10 absinkt, setzt seinen Weg in dem Zwischenraum 16 zwi­ schen den beiden Bestandteilen 3 und 4 der hydraulischen Sperre zwischen der kalten und der heißen Druckkammer fort.

Das in der vorstehend beschriebenen Weise bereits abgekühlte Natrium, das in dem Zwischenraum 16 zirkuliert bewirkt daher keinen übermäßigen Temperaturabfall in der Dicke der Wand 3.

Das in dem Zwischenraum 16 zirkulierende Natrium kühlt abschließend die um den Kern 5 herum angeordneten Brennelemente 14.

Bei einer abweichenden Ausführungsform können die Hilfs­ wärmetauscher 8 außerhalb der Bestandteile 3 und 4 der hydrauli­ schen Sperre angeordnet sein.

In diesem Fall können die Hilfswärmetauscher 8 ohne die bei der beschriebenen Ausführungsform vorgesehenen Mäntel 9 und 10 in die kalte Druckkammer eingesetzt sein.

In diesem Fall müssen die Bestandteile 3 und 4 umlaufende Schleifen bilden, um den Zwischenraum freizulassen, der für den Einbau der Natrium/Natrium -Wärmetauscher erforderlich ist. Diese Konstruktion macht es möglich, das Wandteil 90 wegzulassen, das das von der kalten Druckkammer kommende Natrium umschließt (Fig. 1).

Diese Begrenzungswand 90 hat die Aufgabe, einen kleinen Teil der Gesamtströmung des kalten Primärnatriums zu leiten, so daß dieser den Hauptbehälter umhüllt und dadurch kühlt. Die Anwesen­ heit der Natrium/Natrium -Wärmetauscher 8 außerhalb der Trenn­ wand 3 macht es möglich, die Wärme zu absorbieren, die durch Wär­ meleitung durch die Wände 3 und 4 hindurch an das Natrium im oberen Teil der kalten Druckkammer 1 gelangt ist.

Wenngleich es sich bei dem in der Zeichnung dargestellten und vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel um eine bevor­ zugte Ausführungsform der Erfindung handelt, so dient dieses lediglich zur Erläuterung der Erfindung und läßt im Rahmen des allgemeinen Fachwissens zahlreiche Abwandlungen zu, ohne daß dadurch der Grundgedanke der Erfindung verlassen wird.

• Bezugszeichenliste:  1 kalte Druckkammer
   2 heiße Druckkammer
   3, 4 hydraulische Sperren
   5 Reaktorkern
   6 Wärmetauscher
   7 Kanäle
   8 Hilfswärmetauscher
   9 äußerer zylindrischer Mantel
  10 innerer zylindrischer Mantel
  14 Brennelemente
  15 Bohrungen in 9
  16 Zwischenraum zwischen 3 und 4 61 obere Öffnungen von 6
  62 untere Öffnungen von 6
  63 Oberkante von 62 70 Pumpen
  71 Gitter80 Natrium/Luft-Wärmetauscher
  81 obere Öffnungen von 8
  82 untere Öffnungen von 8 90 Bauteil

Claims (7)

1. Reaktorblock eines schnellen Brüters zum Abführen der Restenergie durch natürliche Zirkulation im Abschaltzustand, bestehend aus

• einem Behälter, der das Primärnatrium enthält,
  einem Kern aus Brennelementen,
  mindestens einer hydraulischen Sperre, die zusammen mit dem Kern das Volumen des Behälters unterteilt in
  eine obere heiße Druckkammer und
  eine untere kalte Druckkammer,
  zwischenliegenden Wärmetauschern, welche die hydraulische Sperre durchsetzen, und
  Pumpen zum Zuführen des in der kalten Druckkammer enthaltenen Natriums zum Boden des Brennelementkerns,
  wobei die folgenden Mittel vorgesehen sind, um die Restwärme im Falle eines Abschaltens des Reaktors abzuleiten:
  Natrium/Natrium-Hilfswärmetauscher, deren Primärströmung aus dem in dem vorstehend genannten Behälter enthaltenen Natrium besteht und deren Sekundärströmung Wärme an die Umgebungsluft durch geeignete Natrium/Luft-Wärmetauscher abgibt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfswärmetauscher (8) in die kalte Druckkammer (1) auf der Höhe der heißen Druckkammer (2) eintauchen, von der sie durch mindestens einen Mantel (9, 10) getrennt sind.

2. Reaktorblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfswärmetauscher (8) die hydraulische Sperre (3, 4) zwischen der heißen Druckkammer (2) und der kalten Druckkammer (1) durchsetzen und von der heißen Druckkammer (2) durch min­ destens einen Mantel (9, 10) getrennt sind.

3. Reaktorblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulische Sperre aus zwei Wänden (3, 4) besteht, die einen Zwischenraum (16) begrenzen, und daß sich diese Wände in Form von die zwischengefügten Wärmetauscher (6) umgebenden Män­ teln fortsetzen.

4. Reaktorblock nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der jeden Hilfswärmetauscher (8) umgebende äußere Mantel (9) im oberen Bereich mit einer geeig­ neten Anzahl von kalibrierten Bohrungen (15) versehen ist.

5. Reaktorblock nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Stillsetzung des Reaktors und bei einer Kühlung der Brennstäbe durch natürliche Zirkulation die Austrittsöffnungen des von der heißen Druckkammer (2) kommen­ den Natriums über der Höhenlage des Wärmezentrums (q) des Kerns (5) angeordnet sind.

6. Reaktorblock nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der mit zwischenliegenden Wärmetauschern ausgerüstet ist, die jeweils von einem zylindrischen Mantel umgeben sind, der obere Öffnungen für den Eintritt des in der heißen Druckkammer befindlichen Natri­ ums und mit unteren Öffnungen für den Austritt des Natriums in die kalte Druckkammer versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberkanten (63) der unteren Öffnungen (62) auf einem höheren Niveau als das Wärmezentrum (q) des Kerns (5) angeordnet sind.