DE3719521A1 - Waermetauscher- und pumpenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscher- und Pumpen­ anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Anordnung besteht aus einem Strömungskoppler und einem Wärmetauscher, um erste und zweite Strömungen von elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten zu koppeln, beispielsweise das primäre und das intermediäre Flüssig­ metall eines Kernreaktors, um die erste Strömung umzu­ pumpen und die zweite Strömung zu erhitzen; ein bevor­ zugtes Einsatzgebiet für diese Anordnungen liegt bei Kernreaktoren vom Tanktyp.

Man hat schon frühzeitig in der Entwicklung von flüssigmetallgekühlten schnellen Brutreaktoren (LMFBR) erkannt, daß Flüssigmetalle durch elektromagnetische (EM) Pumpen umgepumpt werden können. Derartige EM- Pumpen haben den Vorteil eines typbedingten einfachen Aufbaus und weisen keine beweglichen Teile auf wie herkömmliche Pumpen mit sich drehenden Flügelrädern. Mechanische Pumpen der genannten Art zeigen bauart­ bedingte Probleme, die durch Schwingungen oder thermische Dimensionsänderungen in Gebieten mit be­ wegten Teilen enger Toleranzen hervorgerufen werden, beispielsweise in Lagern oder Dichtungen. Außerdem gibt es in einer EM-Pumpe keine Cavitationsprobleme, die bei mechanischen Pumpen durch das Rotieren des Flügelrads hervorgerufen werden können.

Eine derartige EM-Pumpe, die als Strömungskoppler be­ zeichnet wird, ist besonders für das Umpumpen der primären Strömung aus flüssigem Metall geeignet, das im Kern eines Kernreaktors aufgeheizt werden soll. Der­ artige Strömungskoppler übertragen die interne Energie einer intermediären Strömung aus Flüssigmetall an die primäre Strömung und treiben diese im Sinn einer Pumpe an.

Frühe Beispiele derartiger Strömungskoppler sind im US-Patent 27 15 190 von Brill und im UK-Patent 7 45 460 von Pulley beschrieben. In einem typischen Strömungskoppler wird ein angetriebenes Flüssigmetall in der intermediären Strömung durch einen Generator­ kanal des Strömungskopplers geführt. Benachbart zum Generatorkanal liegt ein Pumpkanal, durch den die primäre Strömung fließt. Die intermediäre und die primäre Strömung aus Flüssigmetall innerhalb des Generator- bzw. Pumpkanals werden einem gemeinsamen Magnetfeld ausgesetzt. Beim Durchgang der ersten Strömung durch das gemeinsame Magnetfeld wird eine relativ geringe Spannung erzeugt, die in dem Gene­ ratorkanal einen großen Strom hervorruft, der dem Pumpkanal über eine kurze Elektrode geringen Wider­ stands, die zwischen dem Generatorkanal und dem Pump­ kanal angeordnet ist und über Rückleiter zugeführt wird, die auf beiden Seiten der Kanäle liegen. Die Wechselwirkung des entstehenden hohen Stroms im Pump­ kanal mit dem gemeinsamen Magnetfeld treibt die pri­ märe Strömung im Pumpkanal an. Auf diese Weise wird die intermediäre Strömung aus Flüssigmetall im Gene­ ratorkanal an die primäre Strömung aus Flüssigmetall im Pumpkanal "gekoppelt". Die Verwendung derartiger Strömungskoppler in LMFBR-Systemen ist in dem Artikel "Sodium Electrotechnology at the Risley Nuclear Power Development Laboratories" von D. F. Davidson et al in NUCLEAR ENERGY, 1981, Band 20, Februar, Nr. 1, Seiten 79-90 beschrieben. US-Patent Nr. 44 69 471 von A. R. Keeton et al beschreibt eine verbesserte Ausfüh­ rung eines derartigen Strömungskopplers.

Im US-Patent Nr. 44 12 785 von W. G. Roman wird eine An­ ordnung aus Strömungskoppler/Wärmetauscher beschrieben, die in einem Kernreaktor verwendet werden soll. Die An­ ordnung bildet einen ringförmigen Bereich zwischen inneren und äußeren Schalen. Eine Vielzahl von Röhren­ anordnungen ist innerhalb des ringförmigen Bereichs an­ geordnet, wobei relativ große Abstände zwischen benach­ barten Röhrenanordnungen liegen. Ein Magnetfeld wird in radialer Richtung durch den ringförmigen Bereich aufge­ baut. Eine erste leitfähige Flüssigkeit, z. B. das intermediäre Flüssigmetall, wird durch die Abstände zwischen den Röhrenanordnungen durch eine vergrößerte intermediäre Pumpe gepumpt. Eine zweite leitfähige Flüssigkeit, z. B. das primäre Flüssigmetall, wird in die Röhrenanordnungen eingeführt. Der radiale Magnet­ fluß koppelt die Strömung des intermediären Flüssig­ metalls mit der Strömung des primären Flüssigmetalls. Die extern gepumpte Strömung des intermediären Flüs­ sigmetalls in den Abständen zwischen den Röhrenanord­ nungen durch den radialen Magnetfluß erzeugt eine Spannung und einen Strom in Umfangsrichtung um den ringförmigen Bereich. Der Strom fließt durch die be­ nachbarten Röhren und das darin befindliche primäre Flüssigmetall, um eine Antriebskraft in entgegen­ gesetzter Richtung zu erzeugen, so daß das primäre Flüssigmetall angetrieben oder gepumpt wird.

In einer Veröffentlichung mit dem Titel "High-Efficiency DC Electromagnetic Pumps and Flow Couplers For LMFBRs" in EPRI NP-1656, TPS 79-774, Final Report, Januar 1981, von I. R. McNab und C. C. Alexion wird eine integrale Anordnung eines Wärmetauschers und eines Strömungs­ kopplers für einen LMFBR vom Tanktyp beschrieben. Eine Vielzahl von Kanalmodulen ist in einem Kreis angeord­ net, wobei zwischen benachbarten Kanalmodulen eine Magnetfeldspule liegt. Jeder Kanalmodul enthält einen Pumpkanal, durch den das primäre Flüssigmetall fließt, und einen Generatorkanal, durch den das intermediäre Flüssigmetall in entgegengesetzter Richtung strömt. Der von der Magnetfeldspule erzeugte Magnetfluß wird durch einen Eisenkreis zur Ausbildung eines zirku­ laren Magnetfeldes durch alle Kanalmodule gerichtet. In einer Ausführungsform wird das intermediäre Flüssig­ metall durch einen zentral angeordneten Zulauf einge­ führt und nach unten gerichtet, um in einen Zwischen­ wärmetauscher zu gelangen, der aus einer Vielzahl von senkrecht angeordneten Röhren besteht. Das inter­ mediäre Flüssigmetall wird dann nach oben und um diese Röhren gerichtet, bevor es in jeden dieser Generatorkanäle gelangt. Die primäre Strömung aus Flüssigmetall wird nach unten durch die Pumpkanäle ge­ richtet, tritt aus den Pumpkanälen aus und wird in die Röhren des Zwischenwärmetauschers geführt, die es nach unten durchfließt, bevor es abgegeben und wieder im Reaktorkern zirkuliert wird. Es ist vorgesehen, daß der Strömungskoppler unterhalb eines Zwischenwärmetauschers angeordnet werden kann. Bei der beschriebenen Ausfüh­ rungsform fließen sowohl die intermediäre als auch die primäre Strömung aus Flüssigmetall durch den Strömungs­ koppler bei relativ hohen Temperaturen, wie sie am Austritt des Reaktorkerns auftreten, beispielsweise im Bereich von 482 bis 538°C (900 bis 1000°F). Könnte die Temperatur der Flüssigmetallströmungen herabgesetzt werden, so ließe sich der elektrische Wirkungsgrad des Strömungskopplers verbessern. Außerdem wären die mecha­ nischen Konstruktionsanforderungen an einen Strömungs­ koppler, der bei geringeren Temperaturen arbeitet, weniger streng. Sowohl die oberen oder Abflußenden der senkrecht angeordneten Röhren des Zwischenwärmetauschers als auch die unteren oder Zuflußenden der Generator­ kanäle des Strömungskopplers werden von einer einzigen Röhren- oder Trägerplatte gehaltert. Als Folge davon ergibt sich, daß die Generatorkanäle eine Anzahl der Röhren des Zwischenwärmetauschers ersetzen, die sonst von der einzigen Trägerplatte gehaltert würden, so daß eine Anordnung mit größerem Durchmesser oder größeren Abmessungen erforderlich ist, um eine vor­ gegebene Anzahl von Röhren unterzubringen, die zur Auf­ nahme einer vorbestimmten Strömung von intermediärem Flüssigmetall erforderlich sind. Um den größtmöglichen Wirkungsgrad des Wärmeübergangs zwischen der inter­ mediären und der primären Strömung aus Flüssigmetall zu erzielen, ist es wünschenswert, die Strömung des intermediären Flüssigmetalls zu erhöhen und dabei die Abmessung der integralen Anordnung aus Wärmetauscher und Strömungskoppler beizubehalten oder herabzusetzen.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Auf­ gabe, eine verbesserte Wärmetauscher- und Pumpenan­ ordnung der eingangs genannten Art anzugeben. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Anordnung eines Strömungskopplers und eines Zwischenwärmetauschers für einen Kernreaktor, bei dem der Strömungskoppler unterhalb des Zwischenwärmetauschers und kolinear zu diesem angeordnet ist. Das primäre Flüssigmetall tritt aus dem Reaktorkern aus und wird dem Zwischenwärme­ tauscher zugeführt, wobei es durch eine Anordnung von Röhren strömt, die in einem ringförmigen Hohlraum des Zwischenwärmetauschers eingeschlossen sind. Das inter­ mediäre Flüssigmetall wird der Anordnung über eine zentral angeordnete "Ableit"-Röhre durch den Zwischen­ wärmetauscher bis zum Strömungskoppler zugeführt und im einzelnen bis zu einer ersten Plenumkammer, in der das intermediäre Flüssigmetall auf eine Vielzahl von Strömungskopplern oder Kanalmodulen aufgeteilt wird, die alle eine oder mehrere Gruppen von Pump- und Generatorkanälen enthalten. Das intermediäre Flüssig­ metall verläßt die Plenumkammer in Richtung nach oben und parallel durch die Generatorkanäle der Strömungs­ kopplermodule. Das aus den Pumpkanälen austretende intermediäre Flüssigmetall wird in der zweiten Plenum­ kammer gesammelt, bevor es in den ringförmigen Hohl­ raum eintritt, um vom primären Flüssigmetall erhitzt zu werden, das nach unten durch die Röhren strömt. Nach dem Erhitzen wird das intermediäre Flüssigmetall abgegeben und einem Dampfgenerator zugeführt. Das abgekühlte primäre Flüssigmetall wird von den Röhren in eine dritte Plenumkammer abgegeben, bevor es in Richtung nach unten und parallel durch die Vielzahl von Pumpkanälen fließt, wodurch das gekühlte primäre Flüssigmetall in eine große Plenum­ kammer unten im Kernreaktor gepumpt wird, um in den Reaktorkern zurückzukehren.

Die oben beschriebene Anordnung aus Strömungskoppler/ Zwischenwärmetauscher verwendet drei Flüssigkeits­ sammelräume (Plenumkammern), um entweder das primäre oder das intermediäre Flüssigmetall zu sammeln und neu zu verteilen. Derartige Plenumkammern erfordern typischerweise relativ dicke schwere Druckplatten, die fast 40% des Gewichtes der Anordnung aus Strömungs­ koppler/Zwischenwärmetauscher ausmachen. Derartige schwere dicke Druckplatten sind erforderlich, um die relativ hohen Druckdifferenzen zwischen den primären und den intermediären Flüssigkeiten auszuhalten sowie die relativ schnellen Temperaturänderungen, die inner­ halb dieser Anordnungen auftreten können.

Weiterhin soll die Anordnung aus Strömungskoppler/ Zwischenwärmetauscher der vorliegenden Erfindung in einen Kernreaktor vom Tanktyp eingebaut werden, bei dem sie innerhalb eines Tanks mit dem primären Flüssig­ metall, z. B. Natrium, angeordnet ist. Bei dieser ein­ getauchten Anordnung ist es oft wünschenswert, daß das aus dem Zwischenwärmetauscher austretende primäre Natrium direkt zum Tank zurückgeführt wird, um die Mischung innerhalb des Tanks zu verbessern und eine gleichmäßige Leistung der Wärmetauscher sicherzu­ stellen. Außerdem ergeben sich Vorteile, wenn das primäre Flüssigmetall direkt aus dem Tank entnommen und in den Strömungskoppler eingeführt wird.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung wird nun als Beispiel unter Bezug auf die Zeichnungen beschrie­ ben; es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte Schemazeichnung eines flüs­ sigmetallgekühlten Kernreaktorsystems mit einer Anordnung aus einer primären Natriumpumpe (PSP) und einem Wärmetauscher gemäß der Lehre dieser Erfindung;

Fig. 2 und 3 eine vereinfachte aufgeschnittene Seitenansicht bzw. eine Aufsicht auf einen flüssigmetallgekühlten Kernreaktor des Tank­ typs, wie er in Fig. 1 dargestellt ist;

Fig. 4 ein Seitenquerschnitt einer ersten Ausfüh­ rungsform der PSP/Wärmetauscheranordnung, wie sie in dem Kernreaktorsystem vom Tanktyp ein­ gebaut ist, das allgemein in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist;

Fig. 5A, 5B eine vollständige bzw. eine teil­ weise Aufsicht auf einen Querschnitt der PSP/Wärmetauscheranordnung längs der Linien 5A-5A und 5B-5B in Fig. 4;

Fig. 6A, 6B eine vollständige bzw. eine teil­ weise Aufsicht auf Querschnitts der PSP/ Wärmetauscheranordnung längs der Linien 6A-6A und 6B-6B von Fig. 4;

Fig. 7 eine Seitenansicht eines Querschnitts einer zweiten Ausführungsform der PSP/Wärmetau­ scheranordnung, die in dem Kernreaktor vom Tanktyp eingebaut werden kann, der in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist,;

Fig. 8A, 8B Aufsichten auf Querschnitte der PSP/ Wärmetauscheranordnung längs der Linien 8A-8A und 8B-8B von Fig. 7;

Fig. 9A eine teilweise aufgeschnittene Seitenan­ sicht einer dritten Ausführungsform der PSP/ Wärmetauscheranordnung, die in einem Kern­ reaktor des Tanktyps gemäß der Darstellung in den Fig. 2 und 3 eingebaut ist; und

Fig. 9B, 9C teilweise aufgeschnittene Ansichten der PSP/Wärmetauscheranordnung längs der Linien 9B-9B und 9C-9C in Fig. 9A.

In den Zeichnungen und insbesondere in Fig. 1 ist ein Reaktorsystem 10 dargestellt, in dem eine Anordnung 15 aus einem intermediären oder Zwischenwärmetauscher (IHX) 16 und einem Strömungskoppler oder einer pri­ mären Natriumpumpe (PSP) 18 enthalten ist. IHX 16 und PSP 18 sind an eine Primärschleife oder eine Strömung 14 einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, beispiels­ weise Natrium gekoppelt, und mit einer intermediären Schleife oder einer Strömung 20 einer elektrisch leit­ fähigen Flüssigkeit, beispielsweise Natrium. Wie noch im einzelnen erklärt wird, pumpt PSP 18 das Flüssig­ metall in der Primärschleife 14 mit einem Reaktorkern 12 um, wo die Primärflüssigkeit auf relativ hohe Temperaturen der Größenordnung von 500°C erhitzt wird.

Der Zwischenwärmetauscher IHX 16 überträgt die Wärme­ energie vom erhitzten primären Flüssigmetall zum intermediären Flüssigmetall. In der intermediären Schleife 20 pumpt eine mechanische Pumpe 22 das intermediäre Flüssigmetall durch eine Eintrittslei­ tung 21 zum PSP 18 in Form eines Strömungskopplers, der interne Energie von angetriebenen intermediären Flüssigmetall auf das Primärflüssigmetall überträgt; es wird hier berücksichtigt, daß die mechanische Pumpe 22 eine höhere Kapazität aufweist, um auch das pri­ märe Flüssigmetall anzutreiben. Das intermediäre Flüssigmetall tritt durch den Zwischenwärmetauscher 16 durch und empfängt thermische Energie vom Pri­ märflüssigmetall, das vom Kern 12 erhitzt wurde und tritt über eine Austrittsleitung 23 in einen Dampf­ generator 24 ein.

Durch den Dampfgenerator 24 zirkuliert eine ver­ dampfbare Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, das ver­ dampft wird, bevor es durch eine Dampfschleife 34 zu einer Turbine 26 gelangt, deren Laufräder dabei ge­ dreht werden, um einen elektrischen Generator 28 an­ zutreiben, der seinerseits elektrische Energie abgibt. Der entspannte Dampf verläßt die Turbine 26 und wird in einem Kondensor 30 kondensiert, bevor er zur Kon­ densatpumpe 32 gelangt, mit der er durch den Dampf­ generator 24 erneut zirkuliert wird.

Innerhalb eines biologischen Schildes 42 ist eine Vielzahl von PSP/IHX-Anordnungen 15 im ringförmigen Bereich angeordnet, der einen Reaktorkern 12 eines Kernreaktors vom Tanktyp umgibt, wie es Fig. 3 schematisch darstellt. Sechs derartige PSP/IHX- Anordnungen 15 a bis 15 f sind in einer kreisförmigen Anordnung um ein Kerngefäß 36 verteilt. Ein biolo­ gischer Schild 42 umgibt das Kerngefäß 36. Entspre­ chend Fig. 2 wird das intermediäre Flüssigmetall über eine Einlaßleitung 21 dem IHX 16 zugeführt und über eine Leitung 23 davon abgeführt. Das primäre Flüssigmetall wird von den PSPs 18 entsprechend den Pfeilen 40 a um ein Neutronenschild 38 gepumpt, um innerhalb des Kerngefäßes 36 erhitzt zu werden, bevor es entsprechend den Pfeilen 40 b zu jeder der Mehr­ zahl von IHX 16 zurückgeführt wird.

Weitere Einzelheiten einer ersten Ausführungsform der PSP/IHX-Anordnung 15 sind in den Fig. 4, 5A, 5B, 6A und 6B gezeigt. In Fig. 4 ist die Eintrittszuleitung 21 mit den äußeren und inneren Ableitungsröhren 44 und 45 gekoppelt, die in axialer Richtung im wesentlichen längs der gesamten Länge der Anordnung 15 verlaufen, um das intermediäre Flüssigmetall in eine untere innere Plenumkammer 68 b einzuführen, die am Boden der Anord­ nung 15 angeordnet ist. Die äußere Ableitungsröhre 44 liegt konzentrisch um die innere Ableitungsröhre 45 und bildet mit dieser einen Ableitring 86. Das inter­ mediäre Flüssigmetall wird durch die PSP 18 und den Zwischenwärmetauscher IHX 16 entsprechend den Pfeilen 84 geführt, um über eine intermediäre Austrittslei­ tung 46 auszutreten, die konzentrisch um die Röhren 44 und 45 angeordnet und mit der Austrittsleitung 23 verbunden ist, um das intermediäre Flüssigmetall in die intermediäre Schleife 20 zu transportieren.

Die PSP/IHX-Anordnung 15 enthält eine äußere IHX- Schale 48, die den Zwischenwärmetauscher IHX 16 um­ schließt und ihn an seinem oberen Ende haltert, eine obere Rohrplatte 50 und an ihrem unteren Ende eine untere Rohrplatte 52. Die obere und untere Rohrplatte 50 und 52 haltern zwischen sich eine Anordnung von Röhren 54. Die Röhren 54 sind in einem gegenseitigen Abstand in dem ringförmigen Gebiet angeordnet, das zwischen der äußeren Schale 48 des Zwischenwärme­ tauschers und der äußeren Ableitröhre 44 liegt. Entsprechend der Darstellung durch die Pfeile 84 fließt das intermediäre Flüssigmetall um die Röhren 54 und durch dieses ringförmige Gebiet. Das primäre Flüssigmetall fließt entsprechend den Pfeilen 82 durch die Röhren 54 und tritt aus deren unteren Enden in eine untere Plenumkammer 64 des Zwischenwärmetauschers IHX. Eine ringförmig ausgebildete Trägerplatte 56 mit einem einstückig daran ausgebildeten zylindrischen Kragen 56 b ist unterhalb der unteren Rohrplatte 52 gehaltert, um eine untere IHX-Plenumkammer 64 zwischen der Träger­ platte 56 a und der unteren Rohrplatte 52 zu bilden. Die untere IHX-Plenumkammer 64 ist an ihrer Umfangs­ kante offen, um dem abgekühlten primären, aus den Röhren 54 ausgetretenen Flüssigmetall zu erlauben, direkt zum Tank zurückzukehren. Die Platte 56 wird innerhalb der Anordnung 15 von der unteren Rohrplatte 52 und der äußeren Ableitröhre 44 gehaltert.

Die PSP/IHX-Anordnung 15 enthält eine äußere PSP- Schale 49, die die primäre Natriumpumpe 18 ein­ schließt und deren Gehäuse darstellt. Die äußere PSP-Schale 49 ist an ihrem oberen Ende mit einer inneren oberen Trägerplatte 58 verbunden, in der eine Vielzahl von Öffnungsgruppen vorgesehen sind, die dem intermediären Flüssigmetall einen Durchgang nach oben erlauben, wie es durch die Pfeile 84 dar­ gestellt ist. Die Platten 56 und 58 definieren zusammen mit einer Prallplatte 87 eine obere äußere Plenumkammer 66 a und eine obere innere Plenumkammer 66 b. Die obere innere Plenumkammer 66 b empfängt das intermediäre Flüssigmetall, das nach oben strömt und aus der PSP 18 austritt, und leitet dieses in einem ringförmigen Verbindungsdurchgang, der zwischen der äußeren Ableit­ röhre 44 und dem Kragen 56 b ausgebildet ist, der kon­ zentrisch um die Röhre 44 liegt. Die obere äußere Plenumkammer 66 a ist direkt zum Reaktortank hin offen, um das primäre Flüssigmetall zu empfangen und es zum Strömungskoppler 18 zu leiten. Die äußere PSP-Schale 49 ist an ihrem unteren Ende an einer inneren unteren Trägerplatte 62 befestigt. Die äußere untere Träger­ platte 50 liegt in einem Abstand unter der Platte 62 und bildet mit einer Prallplatte 65 eine untere äußere Plenumkammer 68 a und eine untere innere Plenum­ kammer 68 b. Die untere innere Plenumkammer 68 b empfängt das intermediäre Flüssigmetall von der Ab­ leitröhre 44 und leitet es nach oben durch Öffnungen innerhalb der Platte 62 um und durch die primäre Natriumpumpe PSP 18, wie es durch die Pfeile 84 dar­ gestellt ist. Die untere äußere Plenumkammer 68 a ent­ lädt sich in eine nicht dargestellte Reaktorplenum­ kammer, bevor das primäre Flüssigmetall hohen Drucks in den Kern 12 eintritt.

Im folgenden wird zusätzlich zu Fig. 4 auf die Fig. 6A und 6B Bezug genommen; die PSP 18 enthält eine Viel­ zahl von einzelnen Pumpen zur Strömungskopplung in Form von Kanalmodulen 69 a bis 69 h. Jedes Kanalmodul 69 umfaßt ein Paar von intermediären oder Generator­ kanälen 70 a und 70 b sowie ein zweites Paar von primären oder Pumpkanälen 62 a und 62 b. Die intermediären Kanäle 70 sind zwischen den primären Kanälen 72 angeordnet und bilden eine Folge, die an der äußeren PSP-Schale 49 mit einem primären Kanal 72 a beginnt, gefolgt vom intermediären Kanal 70 a, dem primären Kanal 72 b und dem intermediären Kanal 70 b. Wie sich insbesondere aus Fig. 4 ergibt, tritt das intermediäre Flüssigmetall entsprechend den Pfeilen 80 nach oben durch jedes Paar von intermediären Kanälen 70 a und 70 b jedes Kanalmo­ duls 69 bzw. Strömungskopplers, bevor es insgesamt in die obere innere Plenumkammer 66 b gelangt. Das primäre Flüssigmetall strömt entsprechend den Pfeilen 82 direkt in die obere äußere Plenumkammer 66 a, bevor es durch die primären Kanäle 72 a und 72 b nach unten fließt und durch die untere äußere Plenumkammer 68 a in die Reaktorplenumkammer gelangt.

Insbesondere aus den Fig. 6A und 6B ist ersichtlich, daß ein toroidförmiges Magnetfeld durch eine Gruppe von Erregerspulen 76 a bis 76 h erzeugt wird, wobei jeder Er­ regerspule 76 zwischen einem benachbarten Paar von Kanalmodulen 69 liegt. Jede Erregerspule 76 ist um ihren magnetischen Polschuh 78 angeordnet, der das von jeder Erregerspule 76 erzeugte Magnetfeld über den Luft­ spalt leitet, in dem einer der Kanalmodule 69 angeordnet ist. Die Verwendung von mehreren Erregerspulen 76 in der primären Natriumspule PSP 18 erfolgt aus Redundanz­ gründen und setzt die Größe jeder Spule 76 herab, so daß sie kompakt innerhalb eines engen Raums angeordnet werden können. Jede Spule 76 wird getrennt über eigene Spulenzuführungen 104 mit Leistung beaufschlagt, so daß jede Erregerspule 76 vollständig gesteuert und über­ wacht werden kann. Das von der Vielzahl der Erreger­ spulen 76 a bis 76 h und der entsprechenden Vielzahl von Polstücken 78 a bis 78 h erzeugte Magnetfeld weist ins­ gesamt eine Gestalt auf, die toroidal ist. Jedes der Polstücke 78 weist jedoch ein Paar von Polflächen 93 a und 93 b auf, die an seinen gegenüberliegenden Enden angeordnet sind. Die Polflächen 93 a und 93 b eines einzelnen Polstücks 78 sind parallel zu ihren jewei­ ligen Kanalmodulen 69 angeordnet, so daß das Magnet­ feld innerhalb der intermediären Kanäle 70 und der primären Kanäle 72 gleichförmig ist. Die getrennten Spulenzuführungen 104 werden über den Ableitring 86 in die PSP/IHX-Anordnung 15 zu jeder der Erregerspulen 76 geführt. Jede Spule 76 weist entsprechend Fig. 4 eine Vielzahl von hohlen Wicklungen 98 auf, die elek­ trisch zueinander in Reihe geschaltet sind.

Um die bei einem gegebenen Volumen der Erregerspulen 76 erzeugte magnetomotorische Kraft auf einen maxi­ malen Wert zu bringen, sind die Wicklungen 98 hohl ausgestaltet und werden gekühlt, indem eine kleine Menge des intermediären Natriums durch diese Wick­ lungen zirkuliert wird, wie es Fig. 4 darstellt. Ein kleiner Teil des in die untere innere Plenumkammer 68 b hineingedrückten intermediären Flüssigmetalls wird durch eine einer Vielzahl von Einlaßleitungen 94 nach oben gedrückt, die in Verbindung mit der Plenumkammer 68 b stehen. Die Vielzahl von Einlaß­ leitungen 94 leitet das kühlende intermediäre Flüssig­ metall in einen Einlaßverteiler 92 kreisförmiger Ge­ stalt. Entsprechend der Darstellung in den Fig. 4 und 5A verteilt eine Vielzahl von Zuführungsspeise­ leitungen 100 das kühlende intermediäre Flüssigmetall in die Wicklung 98. Das kühlende intermediäre Flüssig­ metall gelangt aus den Wicklungen 98 durch eine Viel­ zahl von Ausgangsspeiseleitungen 102 in einen Aus­ laßverteiler 90, der ebenfalls kreisförmige Gestalt aufweist. Dann wird das intermediäre Flüssigmetall von Auslaßverteiler 90 nach oben durch eine Vielzahl von Ausgangsleitungen 96 in die obere Plenumkammer 66 des Strömungskopplers abgegeben. In einem Aus­ führungsbeispiel dieser Erfindung wird der Druckab­ fall über die Wicklungen 98 der Erregerspule 76 so ausgelegt, daß er gleich dem Druckabfall über die primären Kanäle 72 a und 72 b ist. Jede Erregerspule 76 ist beispielsweise mit 140 Wicklungen 98 eines Kupferleiters gewickelt, der ungefähr 2,54 cm mal 2,54 cm im Quadrat aufweist. Die Wicklungen 98 sind hydraulisch in sieben parallelen Gruppen von je 20 Wicklungen 98 verbunden. Die vollständige Spule 76 kann beispielsweise in Spiralform gewickelt sein, wo­ bei jede Gruppe von 20 Wicklungen 98 von der Außen­ seite einer Schicht zur Innenseite verläuft, um bei der nächsten Schicht zu wechseln und von der Innen­ seite zur Außenseite der Erregerspule 76 zu laufen. Daher kann jede der Einlaß- und Auslaßspeiseleitungen 100 und 102 mit der Außenseite der Spule 76 verbunden werden.

Die Pumpe PSP 18 enthält in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6A 16 primäre Kanäle 72 und 16 intermediäre Kanäle 70. Ein benachbartes Paar aus einem primären Kanal 72 und einem intermediären Kanal 70 bildet einen Strömungskoppler. In diesem Ausführungsbeispiel sind 16 derartige Strömungskoppler vorhanden. Ein Paar derartiger Strömungskoppler, das aus vier Kanälen 70 und 72 besteht, bildet eines der Kanalmodule 69. Jedes Modul 69 des Strömungskopplers arbeitet parallel zu jedem anderen, um die innere Energie in Form eines relativ hohen hydraulischen Drucks des intermediären Natriums, der durch die mechanische Pumpe 22 erzeugt wird, auf das primäre Flüssigmetall zu übertragen und zwar durch die Wirkung der gekoppelten elektrischen Ströme und des Magnetfelds. Eine derartige Kopplung beruht auf der Lorentz-Beziehung, bei dem die als Vektor wirkende Kraft F auf eine Ladung q _o, die sich

mit einer Geschwindigkeit V durch ein Magnetfeld B bewegt, durch die Beziehung ausgedrückt wird:

F = q V × B.

Entsprechend dieser Vektorbeziehung wird die Kraft F

zu einem Maximum, wenn die Geschwindigkeit V senk­

recht zum Magnetfeld B steht. Die Erregerspulen 76 erzeugen ein toroidförmiges Magnetfeld entsprechend den Pfeilen 75, das jeden Strömungskoppler jedes Kanal­ moduls 69 durchdringt. Wenn das Magnetfeld entsprechend den Pfeilen 75 jeden der primären Kanäle 70 durchdringt, bewirkt die Wechselwirkung des intermediären Flüssig­ metalls, das nach oben längs einer Linie senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 6A und 6B gepumpt wird, und des Magnetfelds 75, das unter rechten Winkeln zu die­ ser Linie verläuft, daß schließlich ein Stromfluß er­ zeugt wird, der radial nach innen auf den Mittelpunkt der primären Natriumpumpe PSP 18 gerichtet ist, wie es durch die gestrichelte Linie 73 a angezeigt wird.

Entsprechend der Darstellung in den Fig. 6A und 6B ist jedes Kanalmodul 69 innerhalb einer Schichtstruktur 80 ausgebildet. Die Schichtstruktur 80 besteht aus einer Vielzahl von miteinander verzahnten rechteckig ausgebildeten Platten 114 und 130, wie es die Fig. 6A bzw. 6B zeigen. Die zusammengesetzte Platte 114 enthält ein Paar von Seitenelementen 116 a und 116 b, die längs der Seiten des Kanalmoduls 69 liegen und aus magnetischem Material bestehen, um zusammen mit den Polstücken 78 den Fluß des Magnetfelds 75 durch die Luftspalte zu leiten, die durch die Kanalmodule 69 gebildet sind. Die zusammengesetzte Platte 114 enthält weiter obere und untere Elemente 118 a und 118 b, die aus einem elektrisch leitfähigen Material erhöhter Festigkeit bestehen, wie beispielsweise nicht magnetischem Stahl, um den inneren Drucken innerhalb der Kanäle 70 und 72 zu widerstehen, ohne das Magnetfeld um die Kanalmodule 69 "kurzzuschließen". Jeder Rückleiter 130 kann in einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ein einstückig ausgebildetes recht­ eckig geformtes Element sein, das Seitenteile 130 a, 130 b längs der Längenseiten der Kanalmodule 69 auf­ weist, einen oberen Teil 130 c oben auf dem Kanalmodul 69 und ein unteres Element 130 d am anderen Ende des Kanalmoduls 69.

Nach Fig. 6A ist innerhalb der Seitenelemente 116 a und 116 b ein Paar von effektiven Rückleiterpfaden 73 b um die Kanäle 70 und 72 ausgebildet, bevor sie wieder in den primären Kanal 72 a zurückgeführt werden. Der Strom­ fluß innerhalb jedes Kanalmoduls 69 ist elektrisch von seiner Schichtstruktur 80 isoliert. Die Wechselwirkung zwischen dem Stromfluß, der radial nach innen längs des Pfades 73 a durch die Pumpkanäle 72 a und 72 b gerich­ tet ist , und des Magnetfelds 75, das senkrecht zu diesem Stromfluß 73 a verläuft, übt eine Kraft auf das primäre Flüssigmetall innerhalb der primären Kanäle 72 a und 72 b aus, die das primäre Flüssigmetall nach unten längs einer Linie pumpt, die senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 6A und 6B liegt.

Die intermediären Kanäle 70 sind mit den primären Kanälen 72 abgewechselt, um darin zirkulierende Wirbelströme zu vermeiden. Die Abmessungen jedes der Kanäle 70, 72 sind individuell so abgestimmt, daß sich eine optimale Proportion für das darin geführte Flüssigmetall ergibt. Die toriodale Geometrie des Magnetfelds nützt den Platz innerhalb der äußeren PSP-Schale 49 in optimaler Weise aus und ermöglicht es, den Außendurchmesser der äußeren PSP-Schale 49 auf ungefähr die gleiche Größe zu begrenzen wie denjenigen der äußeren IHX-Schale 48. Außerdem setzt die toroidale Konfiguration des Magnetfeldes die Menge an Eisen innerhalb der Vielzahl von Polstücken 78 a bis 78 h auf ein Minimum herab.

Anhand der Fig. 4, 5A und 5B werden nun Einzelheiten der oberen und unteren Plenumkammern 66 und 68 be­ schrieben. Fig. 5A zeigt die obere Plenumkammer 66, wobei die Halteplatte 56 teilweise abgenommen ist, um die Struktur und die Konfiguration der Prallplatte 87 darzustellen. Im allgemeinen liegt die Prallplatte 87 zwischen der ringförmigen Halteplatte 56 a und der äußeren unteren Halteplatte 58 entsprechend Fig. 4. Wie sich am besten aus Fig. 5A ergibt, besteht die Prallplatte 87 aus einer Vielzahl von Trennabschnitten 83 a bis 83 h. Jeder Trennabschnitt 83 verläuft von der äußeren Peripherie des Pumpkanals 72 a eines Kanal­ moduls 69 zur inneren Peripherie des Generatorkanals 70 b des nächsten Kanalmoduls 69. Die Trennabschnitte 83 a bis 83 h bilden die Prallplatte 87 und teilen den Raum zwischen den Halteplatte 58 und 56 in eine obere äußere Plenumkammer 66 a und eine obere innere Plenum­ kammer 66 b. Ein Strömungsseparator 85 weist eine ser­ pentinenartige Gestalt auf, die in Fig. 5A erscheint und liegt zwischen einem Trennabschnitt 83 und dem nächsten Trennabschnitt 83. Der Strömungsseparator 85 folgt der Konfiguration der Pumpkanäle 72 und der Generatorkanäle 70, um die primäre und die intermediäre Flüssigmetallströmung voneinander zu trennen. Im ein­ zelnen bildet der Separator 85 Einlässe 89 a und 89 b, die eine Strömung des primären Flüssigmetalls vom Tank durch die obere äußere Plenumkammer 66 a und in die Pumpkanäle 72 a und 72 b erlauben, und zwar nach unten längs einer Linie, die senkrecht zur Zeichen­ ebene von Fig. 5A steht. Außerdem definiert der Strö­ mungsseparator 85 Auslässe 91 a und 91 b, die es dem intermediären Flüssigmetall erlauben, nach oben längs einer Linie zu strömen, die senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 5A steht, und zwar durch die Aus­ lässe 91 a und 91 b, und die obere innere Plenumkammer 66 b, bevor das Metall nach oben durch einen Durchlaß austritt, der zwischen dem zylinderförmigen Kragen 56 b und der äußeren Ableitröhre 44 ausgebildet wird und in den zylinderförmigen Hohlraum des Zwischenwärmetau­ schers IHX 16. Mit dieser Struktur werden weniger relativ schwere Trägerplatten erforderlich und es stehen zwei getrennte Plenumkammern für den Durchgang des intermediären bzw. des primären Flüssigmetalls zur Verfügung.

Anhand der Fig. 5B und 4 wird nun die Struktur der unteren inneren und der äußeren Plenumkammern 68 a und 68 b beschrieben. Die untere äußere und innere Plenum­ kammer 68 a und 68 b werden zwischen der äußeren unteren Trägerplatte 60 und der ringförmigen inneren unteren Trägerplatte 62 ausgebildet, wie sich am deutlichsten aus Fig. 4 ergibt. In Fig. 5B läßt sich am deutlich­ sten sehen, daß die Prallplatte 65 kreisförmig um das Gebiet angeordnet ist, das von den Trägerplatten 62 und 60 definiert wird, um dieses Gebiet in die untere äußere und innere Plenumkammer 68 a und 68 b aufzuteilen. Die Prallplatte 65 besteht aus einer Vielzahl von Trennwänden 67. Jede Trennwand 67 verläuft von der äußeren Umfangskante des Pumpkanals 72 a eines Kanal­ moduls 69 zur inneren Umfangskante des Generator­ kanals 70 b des nächsten Kanalmoduls 69. Ein Strö­ mungsseparator 77 liegt zwischen dem vorderen Ende eines Trennwandabschnitts 67 b und dem hinteren Ende des nächsten Trennwandabschnitts 67 c. Der Strömungs­ separator 77 weist eine serpentinenartige Gestalt auf und bildet Einlässe 79 a, 79 b, mit denen die Strömung des intermediären Flüssigmetalls durch die untere innere Plenumkammer 68 b in und nach oben durch die Generatorkanäle 70 a und 70 b ermöglicht wird. Wei­ terhin bildet der Strömungsseparator 77 Auslässe 81 a und 81 b, um die Strömung des primären Flüssigmetalls von den Pumpkanälen 72 a und 72 b durch die untere äußere Plenumkammer 68 b so zu leiten, daß es von der PSP/IHX-Anordnung 15 mit relativ hohem Druck in eine komplementäre (nicht dargestellte) Plenumkammer in den Reaktor abgegeben wird, so daß die unter Druck stehende Strömung des primären Flüssigmetalls zum Reaktorkern 12 zurückgeführt werden kann.

Anhand der Fig. 4, 5A und 5B erfolgt nun eine kurze Zusammenfassung der hydraulischen Strömungen des inter­ mediären und des primären Flüssigmetalls. Die Pfeile 84-1 bis 84-8 geben die Strömung des intermediären Flüssigmetalls durch die PSP/IHX-Anordnung 15 an und beginnen mit Pfeil 84-1, der anzeigt, wo die Strömung des intermediären Flüssigmetalls beginnt, um mit Pfeil 84-8 zu enden, der angibt, wo das intermediäre Flüssigmetall aus der Anordnung 15 austritt. Das intermediäre Flüssigmetall wird von der Einlaufleitung 21 der intermediären Schleife 20 empfangen und nach unten durch die untere Ableitröhre 44 in die untere innere Plenumkammer 68 b geleitet, wo die Strömung des intermediären Flüssigmetalls umgekehrt und nach oben durch jede Gruppe der intermediären Kanäle 70 a und 70 b jedes Kanalmoduls 69 geführt wird. Die paral­ lelen Strömungen des intermediären Flüssigmetalls durch die 8 Gruppen von intermediären Kanälen 70 gelangt in die obere innere Plenumkammer 66 b, die das intermediäre Flüssigmetall mit einem Minimum an Druck­ verlust sammelt und nach oben durch den Ring leitet, der durch den Kragen 56 b und die Ableitröhre 45 ge­ bildet wird, bis zum Zwischenwärmetauscher IHX 16. Das intermediäre Flüssigmetall strömt nach oben durch den Zwischenwärmetauscher IHX 16 und zirkuliert um und durch die Räume zwischen den Röhren 54, bevor es durch die intermediäre Auslaßleitung 46 abgegeben wird, um durch die Auslaßleitung 23 zur intermediären Schleife 20 zurückzukehren.

In ähnlicher Weise wird das primäre Flüssigmetall durch die PSP/IHX-Anordnung 15 längs des Weges und in der Reihenfolge geführt, die durch die Pfeile 82-1 bis 82-6 dargestellt ist. Das erhitzte primäre Flüssigme­ tall wird vom Reaktorkern 12 zurückgeführt und in die Röhren 54 des Zwischenwärmetauschers IHX 16 geleitet, wo es seine thermische Energie an das intermediäre Flüssigmetall abgibt, das um diese Röhren strömt. Das abgekühlte primäre Flüssigmetall tritt aus den Röhren 54 aus und strömt durch die untere Plenumkammer 64 des Zwischenwärmetauschers zurück in den Reaktortank. Das primäre Flüssigmetall vom Reaktortank wird in die obere äußere Plenumkammer 66 a eingeführt und durch die Prallplatte 87 durch die Öffnungen 89 a und 89 b nach unten durch jede der Mehrzahl von Gruppen der primären Kanäle 72 a und 72 b. Es wird auf diese Weise vor seiner Ableitung durch die Auslässe 81 a und 81 b und die untere äußere Plenumkammer 68 a in die (nicht darge­ stellte) komplementäre Reaktorplenumkammer gepumpt.

Anhand der Fig. 7, 8A und 8B werden nun Einzelheiten einer zweiten weiteren Ausführungsform dieser Erfindung in Form einer PSP/IHX-Anordnung 215 dargestellt. Die Elemente der PSP/IHX-Anordnung 215, die Ähnlichkeiten zu denjenigen der PSP/IHX-Anordnung 15 aufweisen, werden mit ähnlichen Zahlen bezeichnet, jedoch in der 200-Folge. Das intermediäre Flüssigmetall wird in die PSP/IHX-Anordnung 215 so eingeführt, daß es nach unten durch die innere Ableitröhre 245 strömt und in die untere Plenumkammer 268 des Strömungskopplers gelangt. Die Plenumkammer 268 enthält einen sphärisch gestalte­ ten Dom 279 und eine hydrostatisch im Gleichgewicht gehaltene Impulsplatte 271 mit einer Anzahl von Öff­ nungen, wie es insbesondere Fig. 8B zeigt, um die nach unten gerichtete Kraft und den Druck des intermediären Flüssigmetalls aufzufangen und um dieses über eine Viel­ zahl von radial verlaufenden Röhren 287 a bis 287 e zu verteilen, wie es am deutlichsten aus Fig. 8A ersicht­ lich ist. Der Dom 279 fängt den Druck des intermediären Flüssigmetalls auf, der vor dem Durchgang durch den Strömungskoppler 218 bezüglich des Drucks des primären Flüssigmetalls hoch ist. Im einzelnen verteilt der Dom 279 den Druck des intermediären Flüssigmetalls über seine sphärische Oberfläche als eine "Membranspannung". Der Druck des primären Flüssigmetalls in der Plenum­ kammer 281 ist geringer als der Druck der intermediären Strömung des Flüssigmetalls, das in der Plenumkammer 268 strömt. Die Platte 271 ändert den Strömungsimpuls des intermediären Flüssigmetalls von einer nach unten zeigenden in eine radiale Richtung. Die Verwendung zweier getrennter Strukturen ermöglicht es, jede aus einem relativ dünnen Metall aufzubauen und so Gewicht zu sparen.

Das intermediäre Flüssigmetall strömt durch die Röhren 284 zu einer Plenumkammer 265, deren Gestalt ähnlich einer Hälfte eines Torus ist, der in der Torusebene aufgeschnitten wurde. Entsprechend Fig. 7 reicht der kleinere Durchmesser der toroidalen Plenumkammer 265 aus, um die Generatorkanäle 270 a und 270 b abzudecken sowie den Pumpkanal 272 b. Wie durch den Pfeil 284-4 angedeutet, strömt das intermediäre Flüssigmetall von der toroidalen Plenumkammer 265 nach oben durch die Generatorkanäle 270 a und 270 b. Da die toroidale Ple­ numkammer 265 auch den Pumpkanal 272 abdeckt, muß eine Strömung durch Leitung 283 vorgesehen werden, die sich durch die toroidale Plenumkammer 265 erstreckt, um das primäre Flüssigmetall aus dem Pumpkanal 272 b ab­ zugeben. Im Bereich zwischen den Kanalmodulen 269, wo die Röhren 277 das intermediäre Flüssigmetall radial in die toroidale Plenumkammer 265 leiten, ist die toroidale Plenumkammer 265 durch eine Viel­ zahl von relativ dicken Druckplatten 263 abgeschlossen, wie die Fig. 7 und 8B zeigen. Die Druckplatten 263 verstärken die Plenumkammer 265, damit diese den Druck­ unterschied zwischen den Flüssigmetallen auf beiden Seiten der Kammer 265 aushält.

Das aus den Generatorkanälen 270 a und 270 b austretende intermediäre Flüssigmetall gelangt in eine obere Strömungskoppler-Plenumkammer 266 ähnlich der unteren Strömungskoppler-Plenumkammer 268, die oben beschrieben wurde. Die obere Strömungskoppler-Plenumkammer 266 enthält eine toroidale Plenumkammer 285, deren kleinerer Durchmesser so ausgewählt ist, daß die Plenumkammer 285 die Generatorkanäle 270 a und 270 b abdeckt, um das daraus austretende intermediäre Flüssigmetall zu empfangen sowie das aus dem Pumpkanal 272 b. Entsprechend der Darstellung in den Fig. 7 und 8A ist eine Vielzahl von Druckplatten 261 a bis 261 f zwischen den Kanalmodulen 269 angeordnet, um die Plenumkammer 285 zu verstärken. Damit das primäre Flüssigmetall aus dem Pumpkanal 272 b abgegeben werden kann, verläuft eine Durchströmungs­ leitung 289 durch die toroidale Plenumkammer 285. Gemäß den Fig. 7 und 8A strömt das in die toroidale Plenumkammer 285 eingeführte intermediäre Flüssigmetall nach innen durch eine Vielzahl von radialen Röhren 287 a bis 287 e zu einer intermediären Leitung 291, die kon­ zentrisch um die äußere Ableitröhre 244 angeordnet ist und einen ringförmigen Durchlaß bildet, der dem inter­ mediären Flüssigmetall eine nach oben gerichtete Strö­ mung erlaubt, wie es durch die Pfeile 284-7 angedeutet ist.

Die Strömung des intermediären Flüssigmetalls wird durch die Pfeile 284 angezeigt und beginnt mit Pfeil 284-1, der die Strömung des Flüssigmetalls nach unten durch die innere Ableitröhre 245 und in die untere Strömungs­ koppler-Plenumkammer 268 anzeigt, in der das intermediäre Flüssigmetall entsprechend den Pfeilen 284-3 und 284-4 durch die radialen Röhren 284 und in die toroidale Plenumkammer 265 geleitet wird. Anschließend wird das intermediäre Flüssigmetall parallel durch jede Gruppe der Kanalleitungen 270 a und 270 b nach oben durch die Strömungskoppler geleitet und in der toroidale Plenum­ kammer 285 gesammelt. Das innere Ende jeder Röhre 287 ist nach oben gebogen, um einen glatten Verbindungsteil 265 zu bilden, der mit dem ringförmigen Durchlaß zwischen der Leitung 291 und der äußeren Ableitröhre 244 gekoppelt ist. Das intermediäre Flüssigmetall wird parallel durch die Vielzahl von Röhren 287 geleitet, bevor es nach oben durch die Leitung 291 abgelenkt und dann zum Zwischenwärmetauscher IHX 216 geführt wird.

Das primäre Flüssigmetall vom Tank tritt in die PSP/IHX- Anordnung 215 am oberen Ende ein und läuft nach unten durch die Röhren 254 der IHX 216, um in die IHX-Plenum­ kammer 264 abgegeben zu werden. Das abgegebene primäre Flüssigmetall wird durch eine hydrostatisch im Gleich­ gewicht gehaltene Impulsplatte abgelenkt, die durch eine obere ringförmige Platte 249 a der äußeren PSP- Schale 249 gebildet wird. Die obere ringförmige Platte 249 a weist eine Vielzahl von kleinen Löchern 253 auf, die es erlaubt, daß der Druck auf jeder Seite der Platte 249 a gleich ist. Dadurch ändert die Platte 249 a nur den Impuls und braucht niemals große Druckdiffe­ renzen auszuhalten. Die Platte 249 a kann daher als relativ dünnes Element ausgebildet werden.

Das primäre Flüssigmetall tritt in den Strömungskoppler 218 direkt vom Tank durch eine ringförmig ausgebildete Öffnung 249 b aus, die innerhalb der äußeren PSP-Schale 249 vorgesehen ist, und strömt nach oben in eine obere primäre Plenumkammer 293. Das primäre Flüssigmetall wird parallel in eine Vielzahl der Gruppen von Pumpkanälen 272 a und 272 b eingeführt, strömt nach unten und wird durch die Strömungskoppler gepumpt, bevor es als unter hohem Druck stehende Flüssigkeit in eine untere primäre Plenumkammer 281 gelangt, die als Halbkugel ausgebildet ist. Das unter Druck stehende primäre Metall, das in die untere primäre Plenumkammer 281 abgegeben wurde, wird durch eine mit der Unterseite der unteren primären Plenumkammer 281 verbundenen Leitung zum Reaktorkern 12 geführt. Die in den Fig. 7, 8A und 8B dargestellte Ausführungsform erläutert die Umordnung der Plenumkammern im Strömungskoppler, die den Einsatz von Druckgefäßen mit relativ dünnen Wänden anstelle der schweren dicken Druckplatten ermöglichen. Diese Materialänderung ermöglicht eine Gewichtsersparnis von bis zu einem Drittel des Gesamtgewichts. Weiterhin verwendet diese Ausführungsform keine äußere PSP-Schale, so daß der Strömungskoppler 218 nun leichter mit dem Reaktortank in Verbindung treten kann.

Struktur und Wirkungsweise einer dritten Ausführungs­ form dieser Erfindung in Gestalt einer PSP/IHX-Anord­ nung 315 sind anhand der Fig. 9A, 9B und 9C darge­ stellt, in denen Elemente ähnlich zu denjenigen der PSP/IHX-Anordnung 15 mit ähnlichen Nummern bezeichnet sind, jedoch in der 300-Folge. Gemäß Fig. 9A wird das intermediäre Flüssigmetall anfänglich nach unten vom Tank durch eine intermediäre Einlaßleitung geführt, die von der inneren Ableitröhre 345 gebildet wird und trifft auf eine flache Platte 379, so daß das primäre Flüssigmetall durch eine Vielzahl von Verbindungslei­ tungen 381 abgelenkt wird, die eine Rückströmung des intermediären Flüssigmetalls kreuzen, um das inter­ mediäre Flüssigmetall in eine obere intermediäre Plenumkammer 367 einzuführen, die zwischen der oberen Trägerplatte 356 und einer darunter angeordneten intermediären Trägerplatte 357 ausgebildet ist. Von der oberen intermediären Plenumkammer 367 strömt das intermediäre Flüssigmetall parallel durch eine Vielzahl von Gruppen der Pumpkanäle 370 a und 370 b nach unten. Das intermediäre Flüssigmetall wird am unteren Ende abgegeben, wobei die Ausgangsenden der Kanalleitungen 370 in einer unteren Plenumkammer 368 gesammelt werden, bevor das Metall nach oben durch eine intermediäre Leitung 371 gelenkt wird, um zum Zwischenwärmetauscher 316 zurückzukehren.

Das primäre Flüssigmetall wird an der Oberseite des Zwischenwärmetauschers IHX 316 eingeführt und nach unten durch die Röhren 354 geleitet. Das primäre Flüssigmetall wird in die untere IHX-Plenumkammer 364 und von dort in den Reaktortank abgegeben. Das primäre Flüssigmetall wird dem Strömungskoppler 318 an seinem unteren Ende zugeführt, und im besonderen durch Öffnungen innerhalb der unteren Trägerplatte 360, die ihrerseits mit ent­ sprechenden Pumpkanälen 372 a und 372 b verbunden sind. Das primäre Flüssigmetall strömt nach oben durch jede Gruppe der Pumpkanäle 372 a und 372 b, um von der oberen Strömungskoppler-Plenumkammer 366 gesammelt zu werden, die ausführlicher in Fig. 9C dargestellt ist. Das pri­ märe Flüssigmetall tritt aus jeder Gruppe der Pump­ kanäle 370 a und 370 b aus und strömt nach innen, wie es durch die Pfeile dargestellt ist, durch die obere Strömungskoppler-Plenumkammer 366 und eine erste Viel­ zahl von Durchflußleitungen 383, die die intermediäre Leitung 371 für die Strömung nach oben kreuzen, und entladen das primäre Flüssigmetall in eine inter­ mediäre Auslaßleitung 377, die das primäre Flüssig­ metall nach unten ablenkt, um es zum Reaktorkern 12 zurückzuführen. Die dritte Ausführungsform der PSP/ IHX-Anordnung 315, wie sie insbesondere in Fig. 9A dargestellt ist, erlaubt es, die Zufuhr und die Ab­ fuhr des primären Flüssigmetalls zum und vom Strö­ mungskoppler 318 in der gleichen Höhe durchzuführen, d. h. an dessen unterem Ende, das tief im Reaktor­ tank angeordnet ist.

Claims (32)

1. Wärmetauscher- und Pumpenanordnung (15) zum Über­ tragen thermischer Energie von einer erhitzten ersten elektrisch leitfähigen Flüssigkeit zu einer gepumpten zweiten elektrisch leitfähigen Flüssigkeit und zum Übertragen interner Energie von der gepumpten zweiten elektrisch leitfähigen Flüssigkeit zur ersten elek­ risch leitfähigen Flüssigkeit, wobei die Anordnung innerhalb eines Tanks der ersten elektrisch leitfähigen Flüssigkeit untergebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß vorgesehen sind:

• a) ein Wärmetauscher (16) mit Vorrichtungen zum Definieren eines ersten ringförmig ausgestalteten Hohlraums (48), der eine Strömung der zweiten elektrisch leitfähigen Flüssigkeit aufnimmt und mit einer Vielzahl von Röhren (54), die innerhalb dieses Hohlraums liegen, so daß die zweite elek­ trisch leitfähige Flüssigkeit in diesem Hohlraum erhitzt wird, wobei die Eingangsenden der Röhren im oberen Teil des Wärmetauschers angeordnet sind und aus dem Tank eine Strömung der ersten elek­ trisch leitfähigen Flüssigkeit aufnehmen und die Ausgangsenden der Röhren am unteren Ende des Hohlraums und abgetrennt von diesem angeordnet sind und eine Vorrichtung definieren, mit der die erste elektrisch leitfähige Flüssigkeit direkt in den Tank geleitet werden kann;
• b) eine Pumpe (18), die unter dem Wärmetauscher an­ geordnet ist und eine Vielzahl von Strömungs­ kopplern (69) enthält, die in einer kreisförmigen Anordnung verteilt sind, wobei jeder Strömungs­ koppler aus einem Pumpkanal (72) zur Aufnahme der ersten elektrisch leitfähigen Flüssigkeit und einem Generatorkanal (70) zur Aufnahme der zweiten elektrisch leitfähigen Flüssigkeit besteht;
• c) Vorrichtungen (45) zum Einführen der zweiten Flüssigkeit in ein Ende der Pumpenanordnung (15), um sie durch die Anordnung (15) zu pumpen;
• d) Vorrichtungen (68), mit denen die zweite Flüssig­ keit aufgenommen und zu den Generatorkanälen der Strömungskoppler geleitet wird, um die zweite Flüssigkeit durch die Anordnung (15) zu pumpen; und
• e) Vorrichtungen (66 a, 66 b), mit denen die zweite Flüssigkeit in den Generatorkanälen übertragen und die erste Flüssigkeit in den Pumpkanälen so durch die Pumpenanordnung geführt wird, daß eine entgegengesetzt parallele Strömungsbeziehung entsteht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen (45) zum Einführen der zweiten Flüssigkeit aus einer Leitung (45) bestehen, die mittig zum ringförmig ausgebildeten Hohlraum und innerhalb der Anordnung von Strömungskopplern angeordnet ist, um die zweite elektrisch leitfähige Flüssigkeit aufzunehmen.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die genannten Vorrichtungen (68) zum Auf­ nehmen der zweiten Flüssigkeit eine erste Plenumkammer (68 b) aufweisen, die unterhalb der Pumpe (18) angeord­ net ist und in Verbindung mit der zentral angeordneten Leitung (45) steht, um die zweite elektrisch leitfähige Flüssigkeit aufzunehmen, und die in Verbindung mit jedem der Generatorkanäle der Strömungskoppler steht, um die gepumpte zweite elektrisch leitfähige Flüssig­ keit nach oben durch die Generatorkanäle (70) zu leiten.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen (66 a, 66 b) zur Übertragung der zweiten Flüssigkeit Vorrichtungen enthalten, mit denen ein zweiter Hohlraum oberhalb und benachbart zur Pumpe definiert wird, der eine Prall­ platte (87) enthält, um den zweiten Hohlraum in eine zweite Plenumkammer (66 a) und eine dritte Plenumkammer (66 b) aufzuteilen, wobei die zweite Plenumkammer in Verbindung mit den Pumpkanälen (72) steht, um die erste elektrisch leitfähige Flüssigkeit parallel durch diese hindurchzuführen und wobei die dritte Plenum­ kammer in Verbindung mit den Generatorkanälen (70) steht, um die zweite elektrisch leitfähige Flüssig­ keit parallel davon zu empfangen.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Plenumkammer in offener Kommunikation mit dem Tank der ersten elektrisch leitfähigen Flüssig­ keit steht.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zweite Hohlraum erste und zweite ringförmige Platten (56, 58) aufweist und daß die Prallplatte zwischen diesen angeordnet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Kragen (56 b) um die Leitung (45) angeordnet ist, so daß ein Durchgang zwischen der dritten Plenumkammer und dem ersten Hohlraum für die Strömung der zweiten elektrisch leitfähigen Flüssigkeit zum ersten Hohlraum entsteht und ein Raum, der mit den Ausgangsenden der Röhren in Verbindung steht und zum Tank offen ist, um die erste elektrisch leitfähige Flüssigkeit direkt in den Tank abzugeben.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die zweite ringförmige Platte eine Vielzahl von Gruppen erster und zweiter Öffnungen aufweist, wobei die ersten und zweiten Öffnungen mit den Pump­ bzw. den Generatorkanälen in Verbindung stehen, die Prallplatte Trennvorrichtungen enthält, die zwischen den ersten und zweiten Öffnungen jeder der Mehrzahl von Gruppen angeordnet sind, um einen Einlaß für die Strömung der ersten elektrisch leitfähigen Flüssig­ keit durch die erste Öffnung in ihren zugehörigen Pumpkanal zu definieren und einen Auslaß zur Abgabe der zweiten elektrisch leitfähigen Flüssigkeit von deren Generatorkanal und durch die zweite Öffnung in die dritte Plenumkammer.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dritte und vierte Platten (60, 62) unter der Pumpe angeordnet sind, um zwischen sich einen dritten Hohlraum zu definieren, und daß eine zweite Prallplatte (65) zwischen den dritten und vierten Platten angeordnet ist, um die erste Plenumkammer und eine vierte Plenumkammer (68 a) zu definieren.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die vierte Plenumkammer (68 a) in Verbindung mit den Pumpkanälen steht, um daraus die erste elektrisch leitfähige Flüssigkeit aufzunehmen, und daß sie zum Tank hin offen ist, um die erste elek­ trisch leitfähige Flüssigkeit dorthin abzugeben.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die dritte Trägerplatte (62) eine Vielzahl von Gruppen dritter und vierter Öffnungen aufweist, die in Kommunikation mit den Pump- bzw. Generator­ kanälen stehen, daß die zweite Prallplatte (65) Trennvorrichtungen aufweist, die zwischen den dritten und vierten Öffnungen jeder der Gruppen angeordnet sind, um einen Einlaß für die Strömung der zweiten elektrisch leitfähigen Flüssigkeit von der ersten Plenumkammer durch ihre vierte Öffnung und in ihren Generatorkanal zu definieren und einen Auslaß zum Entladen der ersten elektrisch leitfähigen Flüssig­ keit von ihrem Pumpkanal durch die dritte Öffnung und die vierte Plenumkammer in den Tank.

12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorrichtungen (68) zur Aufnahme eine erste Plenumkammer aufweisen, die unter der Pumpe angeordnet ist und in Verbindung mit der mittig an­ geordneten Leitung steht, um daraus die zweite elek­ trisch leitfähige Flüssigkeit aufzunehmen, und daß eine ringförmig ausgestaltete Plenumkammer (265) um die erste Plenumkammer angeordnet ist und in Ver­ bindung mit den Eingangsenden der Generatorkanäle jedes Strömungskopplers steht.

13. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen (66 a, 66 b) zur Übertragung eine Vielzahl von Röhren (377) aufweisen, die zwischen der ersten Plenumkammer und der ringförmig ausgebildeten Plenumkammer angeordnet sind und mit beiden in Verbin­ dung stehen, so daß eine Strömung des zweiten elektrisch leitfähigen Materials durch die erste Plenumkammer ge­ leitet wird, die Vielzahl von Röhren und die ringförmig ausgebildete Plenumkammer und in die Generatorkanäle.

14. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Plenumkammer eine Druckausgleichplatte (271) enthält, die so angeordnet ist, daß sie die Strö­ mung des zweiten elektrisch leitfähigen Materials unter­ bricht, so daß deren Impuls umgelenkt wird.

15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Plenumkammer weiter einen kugelförmig aus­ gebildeten Dom (279) aufweist, der so angeordnet ist, daß er die Strömung der zweiten elektrisch leitfähigen Flüssigkeit unterbricht und daß die Druckausgleichplatte zwischen dem unteren Ende der mittigen Leitung und dem Dom angeordnet ist.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichplatte eine Vielzahl von Öffnungen aufweist, um die Kommunikation der zweiten elektrisch leitfähigen Flüssigkeit über und unter der Druckaus­ gleichplatte zu ermöglichen.

17. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite ringförmig ausgebildete Plenumkammer (285) vorgesehen ist, die in Verbindung mit den Aus­ gangsenden aller Generatorkanäle der Strömungskoppler steht.

18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich­ net, daß eine zweite intermediäre Leitung (291) kon­ zentrisch um die erste mittige Leitung angeordnet ist und daß eine zweite Vielzahl von Röhren (287) vorge­ sehen ist, wobei die zweite Vielzahl von Röhren zwi­ schen der zweiten intermediären Leitung und der zweiten ringförmig ausgebildeten Plenumkammer angeordnet ist und damit in Verbindung steht, so daß die Strömungen der zweiten elektrisch leitfähigen Flüssigkeit von den Generatorkanälen innerhalb der zweiten ringförmig ausgebildeten Plenumkammer gesammelt und über die zweite Vielzahl von Röhren und die zweite inter­ mediäre Leitung abgegeben werden.

19. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß Strömungsleitvorrichtungen (249) vorgesehen sind, um eine Öffnung zum Tank zu definieren und eine erste Strömung der ersten elektrisch leitfähigen Flüssigkeit von der Öffnung zu den Eingangsenden der Pumpkanäle zu bilden.

20. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich­ net, daß sich die Strömungsleitvorrichtungen um die Strömungskoppler erstrecken und die Öffnung (249 b) an der Unterseite der Strömungskoppler definieren.

21. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich­ net, daß die Strömungsleitvorrichtungen gegenüber den Ausgangsenden der Röhren angeordnet sind und eine erste Oberfläche (249 b - Oberseite) ausbilden, um eine zweite Strömung der ersten elektrisch leitfähigen Flüssigkeit zu unterbrechen und abzulenken, die von den Ausgangsenden der Röhren ausgeht, daß die Strö­ mungsleitvorrichtungen eine zweite Oberfläche (249 b - Unterseite) bilden, die so angeordnet ist, daß sie die erste Strömung der ersten elektrisch leitfähigen Flüssigkeit empfängt und auf die Eingangsenden der Pumpkanäle der Vielzahl von Strömungskopplern ab­ lenkt, wobei die ersten und zweiten Strömungen hydro­ statisch die Strömungsleitvorrichtungen im Gleichge­ wicht halten.

22. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich­ net, daß die zweite ringförmig ausgestaltete Plenum­ kammer (285) auch ausgwählte Eingangsenden der Pump­ kanäle abdeckt, daß Vorrichtungen vorgesehen sind, um eine Strömung der ersten elektrisch leitfähigen Flüssigkeit zu definieren und sie auf die zweite ringförmig ausgestaltete Plenumkammer zu leiten, und daß Durchströmleitungen (289) vorgesehen sind, die in Kommunikation mit den ausgewählten Pumpkanälen stehen und durch die zweite ringförmig verlaufende Plenumkammer (285) verlaufen, um die Einführung der Strömung der ersten elektrisch leitfähigen Flüssig­ keit durch die Durchströmleitungen in die ausge­ wählten Pumpkanäle zu ermöglichen.

23. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß Vorrichtungen vorgesehen sind, um eine zweite Plenumkammer (281) zu definieren, die unterhalb der Strömungskoppler angeordnet ist und deren Abmessungen so gewählt sind, daß sie in Kommunikation mit den Pumpkanälen der kreisförmigen Anordnung von Strömungs­ kopplern stehen, um die Strömungen der ersten elektrisch leitfähigen Flüssigkeit zu sammeln, die von den Aus­ gangsenden der Pumpkanäle ausgehen, und um diese abzu­ leiten.

24. Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeich­ net, daß die ringförmig ausgestaltete Plenumkammer (265) ausgewählte Pumpkanäle abdeckt und Durchfluß­ leitungen (283) enthält, die mit den ausgewählten Pumpkanälen gekoppelt sind und sich durch die zweite Plenumkammer erstrecken, um daraus die erste elek­ trisch leitfähige Flüssigkeit abzuleiten.

25. Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeich­ net, daß die zweite Plenumkammer (281) als Halbkugel ausgebildet ist und daß eine Leitung mit der Unter­ seite der zweiten Plenumkammer gekoppelt ist, um die erste elektrisch leitfähige Flüssigkeit daraus abzu­ leiten.

26. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorrichtungen (45) zur Einführung der zweiten elektrisch leitfähigen Flüssigkeit eine erste Leitung (365) aufweisen, die mittig zum ring­ förmig ausgestalteten Hohlraum und zur Anordnung der Strömungskoppler angeordnet ist, um die zweite elektrisch leitfähige Flüssigkeit aufzunehmen.

27. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorrichtungen (68) zur Aufnahme der zweiten Flüssigkeit aus einer ersten Plenumkammer (367) bestehen, die über der Pumpe angeordnet sind und in Kommunikation mit der ersten Leitung steht, um die zweite elektrisch leitfähige Flüssigkeit auf­ zunehmen sowie in Kommunikation mit jeder der Gene­ ratorkanäle der Strömungskoppler, um die gepumpte zweite elektrisch leitfähige Flüssigkeit in die Ein­ lässe und nach unten durch die Generatorkanäle zu leiten.

28. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorrichtungen (66 a, 66 b) zur Übertragung eine zweite Plenumkammer (368) enthalten, die unter­ halb der Pumpe angeordnet ist und in Kommunikation mit jedem der Generatorkanäle steht, um die zweite elektrisch leitfähige Flüssigkeit nach ihrem Austritt aus den Auslässen von jedem der Generatorkanäle zu sammeln, und daß eine zweite Leitung (371) in Kommu­ nikation mit der zweiten Plenumkammer vorgesehen ist, die konzentrisch um die erste Leitung liegt, um da­ zwischen einen Durchgang für die Entladung der zweiten elektrisch leitfähigen Flüssigkeit von der zweiten Plenumkammer nach oben längs des Durchgangs zu bilden.

29. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Auslässe der Pumpkanäle im unteren Teil der Strömungskoppler liegen und in Verbindung mit dem Tank stehen, um eine nach oben gerichtete Strömung der ersten elektrisch leitfähigen Flüssigkeit durch die Pumpkanäle aufzunehmen, und daß eine dritte Plenum­ kammer (366) im oberen Teil der Strömungskoppler ange­ ordnet ist und in Verbindung mit den genannten Aus­ lässen der Pumpkanäle steht, um die daraus abgegebene erste elektrisch leitfähige Flüssigkeit zu sammeln.

30. Anordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeich­ net, daß eine dritte Leitung (377) mittig zur Anord­ nung der Strömungskoppler vorgesehen ist und in Kommu­ nikation mit der dritten Plenumkammer steht, um eine Strömung der ersten elektrisch leitfähigen Flüssigkeit von der dritten Plenumkammer und durch die dritte Lei­ tung abzugeben.

31. Anordnung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeich­ net, daß eine erste Vielzahl von Durchflußleitungen (381) vorgesehen ist, die zwischen der ersten Plenum­ kammer und der ersten Leitung liegt und in Verbindung mit diesen steht und die durch den Durchgang angeordnet ist.

32. Anordnung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeich­ net, daß eine zweite Vielzahl von Durchflußleitungen (383) vorgesehen ist, die zwischen der dritten Plenum­ kammer und der dritten Leitung angeordnet ist und in Verbindung mit diesen steht, um die erste elektrisch leitfähige Flüssigkeit von der dritten Plenumkammer über die zweite Vielzahl von Durchflußleitungen und die dritte Leitung abzuführen.