DE69010977T2 - Indirektes passives Kühlsystem für Kernreaktoren mit Flüssigmetallkühlung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung in einem passiven Kühlsystem für Flüssigmetall-gekühlte Kernreaktoren mit einem Pool aus Flüssigmetall-Kühlmittel, wobei der Wärme-erzeugende spaltbare Brennstoffkern in dem Flüssigmetallpool im wesentlichen eingetaucht ist, wie es in der US-A-4 508 677, erteilt am 2. April 1985, beschrieben ist.
• Im Betrieb von mit flüssigem Natrium- oder Natrium-Kaliummetall gekühlten Kernreaktoren zur Leistungserzeugung kann es notwendig sein, die Spaltreaktion des Brennstoffes abzuschalten, um Notfälle zu behandeln oder Wartungsarbeiten durchzuführen. Eine Reaktorabschaltung wird dadurch herbeigeführt, daß Neutronen-absorbierende Steuerstäbe in den Kern des spaltbaren Brennstoffes eingefahren werden, um dem Brennstoff die notwendigen, die Spaltung hervorrufenden Neutronen zu entziehen. Jedoch erzeugt der Zerfall von Brennstoff in dem abgeschaltenen Reaktor weiterhin Wärme in signifikanten Mengen, die von der Reaktoreinheit abgeführt werden muß.
• Die Wärmekapazität des Flüssigmetall-Kühlmittels und der benachbarten Struktur unterstützen die Abfuhr der restlichen Wärme. Es kann jedoch sein, daß die strukturellen Materialien des Kernreaktors nicht in der Lage sind, hohen Temperaturen längere Zeit sicher zu widerstehen. Beispielsweise kann sich der Beton der Wände des typischen Unterbringungsgehäuses ausdehnen und reißen, wenn es hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Demzufolge werden häufig Hilfskühlsysteme verwendet, um während der Abschaltung Wärme von der Kernreaktorstruktur sicher abzuführen.
• Übliche Kernreaktoren haben eine Vielfalt komplizierter, durch Energie angetriebener Kühlsysteme verwendet, um Wärme von dem Reaktor abzuführen. In vielen Situationen, die eine Abschaltung erfordern, kann die Energieversorgung für die Kühlsysteme dazu führen, daß die Kühlsysteme selbst versagen. Beispielsweise können Pumpen und Ventilationssysteme zur Kühlung des Kerns ausfallen. Wenn ferner ein Eingriff einer Bedienungsperson erforderlich ist, gibt es vorhersehbare Szenarien, in denen die Bedienungsperson nicht in der Lage sein würde, den entsprechenden Eingriff vorzunehmen. Das sicherste und beste Kühlsystem würde ein vollständig passives System sein, das die nach einer Abschaltung erzeugte Restwärme kontinuierlich abführen könnte.
• Flüssigmetall-gekühlte Reaktoren, wie beispielsweise der modulare Typ, der in der US-A-4 508 677 beschrieben ist, der Natrium oder Natrium-Kalium als Kühlmittel verwendet, sorgt für zahlreiche Vorteile. Wasser-gekühlte Reaktoren arbeiten an oder nahe dem Siedepunkt von Wasser. Jede signifikante Temperaturerhöhung hat die Erzeugung von Dampf und einem erhöhten Druck zur Folge. Im Gegensatz dazu hat Natrium oder Natrium-Kalium einen extrem hohen Siedepunkt in dem Bereich von 980ºC (1800ºF) bei einem Druck von einer atm bzw. ein bar. Die normale Betriebstemperatur des Reaktors ist in dem Bereich von etwa 490ºC (900ºF). Aufgrund des hohen Siedepunktes des flüssigen Metalls sind die Druckprobleme, die mit Wasser-gekühlten Reaktoren und dem dadurch erzeugte Dampf verbunden sind, eliminiert. Die Wärmekapazität des flüssigen Metalls gestattet, daß das Natrium oder Natrium-Kalium mehrere 100º ohne Gefahr erhitzt werden kann, daß Materialien in dem Reaktor versagen.
• Die Reaktorbehälter für poolartige, Flüssigmetall-gekühlte Reaktoren sind oben im wesentlichen offene zylindrische Tanks ohne irgendwelche Unterbrechungen, um die Integrität der Behälterwände zu unterbrechen. Die Abdichtung der Seiten- und Bodenwände ist wesentlich, um die Leckage von flüssigem Metall aus dem primären Behälter zu verhindern. Die Behälterwände müssen auch zugänglich sein für die rigorosen Inspektionen, die durch Sicherheitsüberlegungen erforderlich sind.
• In einem typischen Natrium-gekühlten Reaktor werden zwei Ebenen von Natrium-Kreisläufen verwendet. Gewöhnlich werden ein einziger primärer Kreislauf und zwei oder mehr sekundäre Kreisläufe benutzt. Der primäre Kreislauf enthält sehr radioaktives Natrium, das durch die Brennstoffstäbe erhitzt wird. Der primäre Kreislauf führt über Wärmetauscher, um die Wärme mit einem der nicht-radioaktiven sekundären Natrium-Kreisläufe auszutauschen.
• Beim Abschalten des Reaktors, indem die Steuerstäbe vollständig eingefahren werden, wird weiterhin Restwärme erzeugt und muß gemäß der Wärmekapazität der Anlage abgeführt werden. Wenn angenommen wird, daß der Reaktor für einen langen Zeitraum bei voller Leistung gearbeitet hat, wird während der ersten Stunde nach dem Abschalten weiterhin ein Mittelwert von etwa 2% der vollen Leistung erzeugt. Die erzeugte Restwärme fährt fort, mit der Zeit abzufallen.
• Die US-A-4 678 626 beschreibt ein passives Kühlsystem für Flüssigmetall-gekühlte Kernreaktoren zur Abfuhr von nach der Abschaltung abfallender Wärme, wobei das passive Kühl system einen Pool aus Flüssigmetall-Kühlmittel aufweist und der Wärme-erzeugende spaltbare Brennstoffkern in den Pool aus Flüssigmetall-Kühlmittel im wesentlichen eingetaucht ist, wobei das passive Kühlsystem eine Kombination von Seite-an-Seiteim Abstand angeordnetenTrennwänden in einer im allgemeinen konzentrischen Anordnung aufweist und für eine Zwischenzirkulation des Fluids und Wärmeübertragung dazwischen sorgt und einen Reaktorbehälter, der den Pool aus Flüssigmetall-Kühlmittel enthält, wobei der Brennstoffkern darin im wesentlichen eingetaucht ist, wobei eine Seitenwand des Reaktorbehälters eine innerste erste Trennwand bildet; einen Sicherheitsbehälter, der den Reaktorbehälter im Abstand im wesentlichen umgibt und eine Seitenwand aufweist, die eine zweite Trennwand bildet; einen Containment- Behälter, der den Sicherheitsbehälter im Abstand im wesentlichen umgibt und eine Seitenwand hat, die eine äußere dritte Trennwand bildet, und einen Betonbehälter enthält, der den Containment-Behälter im Abstand im wesentlichen umgibt.
• Ein derartiges passives System arbeitet zwar zufriedenstellend, aber trotzdem sind Verbesserungen wünschenswert, um Reaktorabkling- und Restwärme von dem Brennstoffkern und dem Flüssigmetall-Kühlmittel durch natürliche, thermische Energie übertragende Mechanismen der Leitung, Strahlung, Konvektion und natürliche Konvektion von Strömungsmitteln nach außen zur umgebenden Atmosphäre zu übertragen. Das verbesserte System gemäß der Erfindung ist im Grunde passiv und arbeitet kontinuierlich durch das von Natur aus bestehende Phänomen der natürlichen Konvektion von Strömungsmitteln, Leitung, Konvektion und thermischer Strahlung.
• Die vorliegende Erfindung schafft ein passives Kühlsystem für Flüssigmetall-gekühlte Kernreaktoren mit einem Pool aus Flüssigmetall-Kühlmittel, wobei der Wärme-erzeugende Kern aus spaltbarem Brennstoff im wesentlichen in den Pool eingetaucht ist, wobei das passive Kühlsystem eine Kombination von Seite-an-Seiteim Abstand angeordneten Trennwänden in einer im allgemeinen konzentrischen Anordnung aufweist und für eine Zwischenzirkulation des Fluids und Wärmeübertragung dazwischen sorgt, enthaltend: einen Reaktorbehälter, der den Pool aus Flüssigmetall-Kühlmittel enthält, wobei der Brennstoffkern darin im wesentlichen eingetaucht ist, wobei eine Seitenwand des Reaktorbehälters eine innerste erste Trennwand bildet; einen Sicherheitsbehälter, der den Reaktorbehälter im Abstand im wesentlichen umgibt und eine Seitenwand aufweist, die eine zweite Trennwand bildet; einen Containment-Behälter, der den Sicherheitsbehälter im Abstand im wesentlichen umgibt und eine Seitenwand aufweist, die eine dritte Trennwand bildet; einen Betonbehälter, der den Containment-Behälter im Abstand im wesentlichen umgibt; gekennzeichnet durch einen ersten geschlossenen zirkulierenden Fluidströmungskreislauf zum Umwälzen des Fluidkühlmittels in einer Rückführungsbahn zwischen wenigstens zwei der Trennwände und der sich von dort nach oben über den Reaktorbehälter erstreckt; und einen zweiten zirkulierenden Fluidströmungskreislauf, der zu der umgebenden Atmosphäre offen ist, wenigstens an einen Teil des ersten geschlossenen zirkulierenden Kreislaufes, der sich über den Reaktorbehälter erstreckt, angrenzt und aus wenigstens einem Abwärtskanal, der eine Öffnung zur Atmosphäre in seinem oberen Bereich aufweist, und wenigstens einem benachbarten Aufwärtskanal besteht, der eine Öffnung zur Atmosphäre in seinem oberen Bereich aufweist, wobei der Aufwärtskanal an wenigstens einem Teil des geschlossenen zirkulierenden Strömungskreislaufes anliegt, der sich über den Reaktorbehälter erstreckt, wobei die benachbarten Abwärts- und Aufwärtskanäle in ihren unteren Bereichen miteinander in Fluidverbindung stehen, um einen offenen Kreis für den Durchtritt von Umgebungsluft aus der Atmosphäre in und nach unten durch den Abwärtskanal und wieder zurück durch den Aufwärtskanal und nach draußen zur Atmosphäre zu sorgen.
• Im Falle einer Reaktorabschaltung wird, nachdem die Steuerstäbe vollständig in den Brennstoffkern eingefahren sind, die durch die Brennstoffstäbe erzeugte Wärme durch den Reaktorbehälter über einen Inertgasspalt zu dem umgebenden Containment-Behälter vorwiegend durch die thermische Strahlung übertragen, wobei ein kleiner Bruchteil der Wärme durch Leitung und Konvektion in dem enthaltenen Inertgas übertragen wird. Oberflächen mit einem hohen thermischen Emissionsvermögen, die auf der Außenseite des Reaktorbehälters und in dem Inneren des Containment-Behälters vorgesehen sind, vergrößern die Effizienz der Wärmeübertragung.
• Wärme wird dann von der außenseitigen Oberfläche des Containment-Behälters teilweise durch thermische Strahlung und teilweise durch direkte Konvektion auf das zirkulierende Inertgas in dem primären geschlossenen Kreislauf in dem Kanal zwischen dem Containment-Behälter und der Abschirmung abgeführt. Die Energie wird dann durch auf natürliche Weise zirkulierende Luft in dem sekundären offenen Kreislauf zur Atmosphäre transportiert. Modulare Reaktorbehälter haben etwa ein Drittel des Durchmessers und haben etwa die gleiche Höhe wie konventionelle Kernreaktorbehälter. In modularen Reaktoren ist das Verhältnis der Oberfläche zu der erzeugten Leistung etwa drei Mal größer als das Oberflächen/Leistungsverhältnis in einem konventionellen und großen Reaktor. Dies sorgt für eine ausreichende Oberfläche, über die die Restwärme passiv abgeführt werden kann. Die stark emissiven äußeren Oberflächen des Containment- Behälters fördert auch die Wärmeübertragung.
• Die Erfindung schafft somit ein verbessertes passives Kühlsystem für Flüssigmetall-gekühlte Kernreaktoren für die Abfuhr von Abklingwärme und sensibler Wärme, insbesondere ein indirektes Kühlsystem für die passive Kühlung derartiger Reaktoren, das einen Kern aus spaltbarem Brennstoff aufweist, der in einen Pool aus Flüssigmetall-Kühlmittel im wesentlichen eingetaucht ist.
• Allgemein gesprochen, schafft das verbesserte passive Kühlsystem für Flüssigmetall-gekühlte Kernreaktoren einen geschlossenen Zwischenkühlkreislauf, der ein inertes, Fluidwärme übertragendes Medium enthält und der eine Freisetzung von aus flüssigem Natrium bestehenden Kühlmittel, das aus dem Reaktorbehälter austritt, und einen nachteiligen Kontakt des Natriums mit dem Kühlmedium verhindert, das zur Wärmeabfuhr in die Atmosphäre abgelassen wird.
• Das wärmeabführende System kann vollständig passiv sein und arbeitet kontinuierlich durch das von Natur aus bestehende Phänomen der natürlichen Konvektion von Strömungsmitteln, Leitung, Konvektion und thermischer Strahlung. Die Abkling- und sensible Wärme, die während der Abschaltung erzeugt wird, wird durch das passive System abgeführt, wobei eine Kombination von sequentiellen Strömungsmittelkreisläufen verwendet wird, die einen geschlossenen zirkulierenden Fluidströmungskreislauf, der ein inertes Strömungsmittel enthält, und einen offenen zirkulierenden Fluidströmungskreislauf aufweist, der Umgebungsluft verwendet, die die abgeführte Wärme nach draußen in die Atmosphäre ausstößt.
• In den Zeichnungen zeigen:
• Figur 1 eine schematische Darstellung von einer Flüssigmetall-gekühlten Kernreaktoranlage im Querschnitt;
• Figur 2 eine schematische Darstellung von einer Flüssigmetall-gekühlten Kernreaktoranlage im Querschnitt und zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
• Figur 3 eine auseinandergezogene Ansicht, die im Detail einen Teil der zusammengesetzten Seitenstruktur des in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiels darstellt.
• Poolartige Flüssigmetall-gekühlte Reaktoren haben ausreichend Oberfläche, um der Abfuhr von Restwärme während Reaktorabschaltereignissen zu genügen. Insgesamt hat das Reaktorsystem eine relativ kleine Wärmekapazität. Das verbleibende Problem besteht darin, die Restwärme abzuführen, ohne die Containment-Strukturen in signifikanter Weise zu beschädigen. Ein vollständig passives Kühlsystem eliminiert das Vertrauen auf durch Energie angetriebene Pumpen und Lüfter und das Erfordernis des Eingriffes einer Bedienungsperson. Zur gleichen Zeit muß der Containment-Behälter selbst nicht strukturell modifiziert werden aufgrund der Größeneinschränkungen von modularen Reaktoren und des Erfordernisses einer glatten, undurchlöcherten Tankstruktur, um irgendwelche Bereiche zu verhindern, wo sich Beanspruchungen konzentrieren könnten. Strikte Inspektionserfordernisse machen es auch notwendig, daß der Containment-Behält er sowohl während der Fertigung als auch des Aufbaues der Struktur einfach zu inspizieren ist.
• Gemäß Figur 1 der Zeichnungen weist ein Ausführungsbeispiel von einer poolartigen, Flüssigmetall-gekühlten Kernreaktoranlage 10 einen Reaktorbehälter 12 auf, der typisch aus einem zylindrischen Tank besteht, dessen Längsachse so positioniert ist, daß sie vertikal aufrecht steht, und der ein offenes oberes Ende aufweist, das mit einem abnehmbaren Deckel versehen ist. Der Reaktorbehälter 12 enthält einen Pool aus Flüssigmetall-Kühlmittel 14, wie beispielsweise Natriummetall, wobei ein wärmeerzeugender Kern aus spaltbarem Brennstoff 16 zur Wärmeübertragung in den Flüssigmetall-Kühlmittelpool 14 im wesentlichen eingetaucht ist. Der Spaltvorgang des Brennstoffes und seine Geschwindigkeit wird durch Neutronen-absorbierende Steuerstäbe 18 geregelt, die in den Brennstoffkern 16 hinein- oder aus diesem herausbewegt werden können.
• Der Reaktorbehälter 12 ist in einem konzentrisch umgebenden Sicherheitsbehälter 20 mit einem Abstand dazwischen umschlossen. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel enthält einen Sammelbehälter 22, der im wesentlichen die Länge des Sicherheitsbehälters 20 mit einem Abstand dazwischen umschließt. Ein Containment-Behälter 24 umgibt konzentrisch den Sammelbehälter 22 mit dem Sicherheitsbehälter 20 und dem Reaktorbehälter 12 im Abstand dazwischen. Ein Betonbehälter 26 nimmt die konzentrisch und im Abstand angeordnete Anordnung aus dem Containment-Behälter 24, dem Sammelzylinder 22, dem Sicherheitsbehälter 20 und dem Reaktorbehälter 12 auf.
• Vorzugsweise ist der Betonbehälter 26 im wesentlichen in die Erde eingegraben bis zu dem Ausmaß, daß sein enthaltener Reaktorbehälter 12 und die angrenzenden Behälter und Zylinder wenigstens unterhalb der Erdoberfläche angeordnet sind, die in den Zeichnungen bei 28 gezeigt ist. Das Anordnen des Flüssigmetall enthaltenden Reaktorbehälters unter der Erdoberfläche verhindert den Austritt von irgendwelchem Flüssigmetall unabhängig von einem Verlust der Unversehrtheit der Anlage.
• Diese Anordnung von diesen kombinierten Komponenten beim Umgeben oder Einschließen und im Abstand angeordneten Positionen sorgt dafür, daß ihre entsprechenden zylindrischen Seitenwände eine Reihe von Trennwänden mit Zwischenräumen bilden. Speziell einen Raum 30 zwischen den Trennwänden, die die Seitenwände des Reaktorbehälters 12 und des Sicherheitsbehälters 20 aufweisen; einen Raum 32 zwischen den Trennwänden, die die Seitenwände des Sicherheitsbehälters 20 und des Sammelzylinders 22 aufweisen; einen Raum 34 zwischen den Trennwänden, die die Seitenwände des Sammelzylinders 22 und den Containment-Behälter 24 aufweisen; und einen Raum 36 zwischen den Trennwänden, die die Seitenwände des Containment-Behälters 24 und den Betonbehälter 26 aufweisen.
• In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die vorstehend kombinierten Komponenten einen kreisförmigen Querschnitt haben und einander konzentrisch umgeben oder umschließen, haben die Zwischenräume 30, 32, 34 und 36 jeweils einen im wesentlichen ringförmigen Querschnitt.
• Der Sicherheitsbehälter 20, der Sammelzylinder 22, der Containment-Behälter 24 und das Betongehäuse 26 sind jeweils mit nach oben vorstehenden Verlängerungen oder Wänden versehen, die sich über den obersten Teil des Reaktorbehälters 12 und über die Erdebene 28 hinaus erstrecken. Somit erstrecken sich die ringförmigen Räume 32, 34 und 36, die zwischen den fortgesetzten Trennwänden gebildet sind, die durch die verlängerten Seitenwände der kombinierten Komponenten gebildet sind, über den Wärme-erzeugenden Reaktor und seinen umschließenden Behälter 12, nämlich eine Wand 38, die sich von dem Sicherheitsbehälter 20 fortsetzt, einer Wand 40, die sich von dem Sammelzylinder 22 fortsetzt, der Wand 42, die sich von dem Containment-Behälter 24 fortsetzt, und dem oberen Abschnitt der Wand 44 des Betonbehälters 26 hinaus.
• Diese Verlängerungen von den Behälterseitenwänden setzen sich fort oder bilden auf andere Weise die Trennwände, die die Zwischenräume 32, 34 und 36 bilden. Der Raum 36 zwischen der verlängerten Wand des Containment-Behälters 24 neben dem oberen Teil des Reaktorbehälters 12 und der sich von dort nach oben erstreckt, und dem oberen Abschnitt der Wand 44 des Betonbehälters 26 ist durch die Trennwand 46 unterteilt, die sich über im wesentlichen die Höhe der oberen Wand 44 des Behälters erstreckt. Die Trennwand 46 bildet eine Strömungsmittelverbindung an ihrem unteren Ende zwischen den unterteilten Abschnitten des Zwischenraumes 36.
• In dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Raum 30 zwischen dem Reaktorbehälter 12 und dem Sicherheitsbehälter 20 mit einem Inertgas, wie beispielsweise Argon, gefüllt und abgedichtet. Der Sicherheitsbehälter 20 und das dazwischen angeordnete Inertgas dient als eine Schutzmaßnahme gegen das Auftreten eines Bruches des Reaktorbehälters 12 und somit eine Leckage von Flüssigmetall- Kühlmittel, wie beispielsweise Natrium.
• Der Raum 32 zwischen dem Sicherheitsbehälter 20 und dem Sammelzylinder 22 ist in Strömungsmittelverbindung mit dem Raum 34 zwischen dem Sammelzylinder 22 und dem Containment- Behälter 24 zwischen sowohl ihren unteren als auch oberen Enden. Diese Anordnung von verbundenen Zwischenräumen 32 und 34 bildet einen geschlossenen zirkulierenden Fluidströmungekreislauf 48 zum Umwälzen des Fluidkühlmittels in einer Rückführungsbahn, die einen Aufwärtskanal 50 mit einem Abschnitt, der mit einer wesentlichen Oberfläche der Seitenwand des Sicherheitsbehälters 20 in Kontakt ist, und einen Strömungsumkehr-Abwärtskanal 52 aufweist. Das Wärme transportierende Strömungsmittel ist vorzugsweise ein Inertgas, wie beispielsweise Stickstoff.
• Der Raum 36 zwischen der verlängerten Wand 42 des Containment-Behälters und dem oberen Wandabschnitt 44 des Betonbehälters, der durch die Trennwand 46 unterteilt ist, bildet einen zweiten zirkulierenden Fluidströmungskreislauf 54, der zur umgebenden Atmosphäre offen ist. Der zirkulierende Fluidströmungskreislauf weist einen Aufwärtskanal 56, der an einen Abschnitt des geschlossenen zirkulierenden Fluidströmungskreislaufes 48 angrenzt, wie beispielsweise dem oberen Abschnitt des Abwärtskanals 52 zur Wärmeübertragung, und einen Abwärtskanal 58 auf. Der Abwärtskanal 58 ist mit einer Öffnung 62 zur umgebenden Atmosphäre versehen, und der Aufwärtskanal ist mit einer Öffnung 60 zur umgebenden Atmosphäre versehen, wodurch Umgebungsluft durch die Öffnung 62 eingezogen werden kann, durch den Kanal 58 strömt und dann zurück durch den Kanal 56, der an einen oberen Abschnitt des geschlossenen Fluidströmungskreislaufes 48 angrenzt, und nach außen durch die Öffnung 60.
• Im Betrieb wird durch den Brennstoff erzeugte Wärme zum Reaktorbehälter 12 transportiert durch die natürliche Konvektion des Flüssigmetall-Kühlmittels und wird dann vorwiegend durch thermische Strahlung über den Inertgas enthaltenden Raum 30 auf den Sicherheitsbehälter 20 übertragen. Die Wärme wird durch das Inertgas absorbiert, das in dem Aufwärtskanal 50 enthalten ist, der mit der äußeren Oberfläche von einem Teil des Sicherheitsbehälters 20 in Kontakt ist, und wird in dem geschlossenen zirkulierenden Fluidströmungskreislauf 48 mitgeführt aufgrund der zugeführten Wärme, die einen natürlichen Zug in dem Aufwärtskanal 50 hervorruft. Das zirkulierende Strömungsmittel mit der zusätzlichen Wärme setzt sich fort durch den Abwärtskanal 52, der an den offenen zirkulierenden Fluidströmungskreislauf 54 angrenzt, und gibt die Wärme an die kältere Luft in dem Aufwärtskanal 56 ab. Somit ruft die vergrößerte Wärme einen natürlichen Zug in dem Aufwärtskanal 56 des offenen zirkulierenden Fluidströmungskreislaufes 54 hervor, wodurch die vermehrte Wärme aufweisende Luft durch die Öffnung(en) 60 in die Atmosphäre abgegeben und Wärme ausgestoßen wird, während kalte Ersatzluft durch die Öffnung 62 eingezogen und durch den Abwärtskanal 58 nach unten und dann durch den Aufwärtskanal 56 geleitet wird, um den Wärmetransportprozeß fortzusetzen. Zur gleichen Zeit setzen fortwährende Emissionen von Wärme aus dem Brennstoffkern und die Übertragung auf die Inertgasgehalte des geschlossenen zirkulierenden Fluidströmungskreislaufes 48 den Zyklus des wärmeführenden Strömungsmittel durch den geschlossenen Kreislauf fort und führen kontinuierlich die Wärme ab und leiten sie weiter zu der Luft in dem offenen zirkulierenden Fluidströmungskreislauf 54 für eine Abgabe in die umgebende Atmosphäre.
• Untersuchungen der thermischen Leistungsfähigkeit des Systems geben an, daß die maximalen mittleren Natriumauslaßtemperaturen des Kerns für eine transiente Abklingwärmeabfuhr etwa 615ºC (1140ºF) beträgt, die gut unterhalb des derzeitigen ASME Servicepegel-Temperaturgrenzwertes von 650ºC (1200ºF) liegt, der auf nominalen Berechnungen basiert.
• Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren 2 und 3 der Zeichnungen dargestellt. Die konzentrisch und im Abstand angeordnete Kombination der Komponenten weist einen Reaktorbehälter 12 auf, der von dem Sicherheitsbehälter 20 umgeben ist, der seinerseits von dem Containment-Behälter 24 umgeben ist, und alle sind in dem Betonbehälter 26 eingeschlossen.
• Der Raum 30A zwischen dem Reaktorbehälter 12 und dem Sicherheitsbehälter 20 enthält eine Vielzahl von Leitanordnungen 64, die sich zwischen der Trennwand, die durch die Seitenwand des Reaktorbehälters gebildet ist, und der Trennwand erstrecken, die durch die Seitenwand des Sicherheitsbehälters gebildet ist. Die Leitanordnungen 64, die im wesentlichen radial oder senkrecht zu den Trennwänden ausgerichtet sind, die durch die Behälterwände gebildet sind, unterteilen den Zwischenraum 30A in mehrere Kanäle 66, die an ihrem untersten Ende miteinander in Verbindung stehen.
• Der geschlossene zirkulierende Fluidströmungskreislauf 48 gemäß diesem Ausführungsbeispiel enthält die Kanäle 66, die sich zwischen den Trennwänden, die durch die Seitenwände des Reaktorbehälters 12 und des Sicherheitsbehälters 20 gebildet sind, und den Leitanordnungen 64 erstrecken. Abwechselnde Kanäle 66A weisen Aufwärtskanäle 50 und abwechselnde Kanäle 66B weisen Abwärtskanäle 52 auf, die auf entsprechende Weise durch Blendenöffnungen 68 und 70 in Fluidverbindung sind mit ihren entsprechenden Segmenten des geschlossenen zirkulierenden Fluidströmungskreislaufes 48.
• Somit strömt das Inertgas in diesem Ausführungsbeispiel durch den geschlossenen zirkulierenden Fluidströmungskreislauf 48, indem es durch den Abwärtskanal 52 nach unten, durch Strömungsöffnungen oder Blenden 68 in eine Anzahl abwechselnder Kanäle 66B und unter Leitanordnungen 64 und nach oben in Kanäle 66A strömt. Wärme wird von der Reaktorbehälterwand absorbiert, die einen natürlichen Zug hervorruft, und die Fluidströmung führt die Wärme nach oben in den abwechselnden Kanälen 66A, durch Blendenöffnungen 70 und weiter nach oben durch den Aufwärtskanal 50, wo die mitgeführte Wärme an den angrenzenden offenen zirkulierenden Fluidströmungskreislauf 54 abgegeben wird, und strömt dann durch den Abwärtskanal 52. Der angrenzende offene zirkulierende Strömungsmittelkreislauf 54 gibt dann die transportierte Wärme in die Atmosphäre nach draußen ab.
• Dieses Ausführungsbeispiel sorgt für eine effizientere Wärmeübertragung von dem Reaktorbehälter 12 auf den geschlossenen zirkulierenden Strömungsmittelkreislauf 48 durch die Eliminierung des relativ großen thermischen Widerstandes, die dem Inertgaskörper zuzurechnen ist, wodurch der primäre Mechanismus der Wärmeübertragung durch Strahlung erfolgt.
• Die beschriebenen Konstruktionen schaffen somit eine effektive Barriere oder schützende "Wand" aus Inertgas zwischen dem flüssigen Natriumkühlmittel und irgendwelchen darin mitgeführten radioaktiven Verunreinigungen und der zirkulierenden Umgebungskühlluft, die Wärme zur Abfuhr abtransportiert, die nach außen in die Atmosphäre abgegeben wird. Somit verhindert im Falle eines Bruches des doppelwandigen Reaktorbehälters, wobei eine Leckage des flüssigen Natriumkühlmittels auftreten kann, die Inertgas-Zwischenbarriere eine Freisetzung von radioaktivem Material nach außen in die Atmosphäre durch die zirkulierende Luft und die Gefahr für große und nicht attraktive Energiefreisetzungen aus einer Reaktion des stark reaktiven flüssigen Natriums mit Luft und Wasserdampf.

Claims (7)

1. Passives Kühlsystem für Flüssigmetall-gekühlte Kernreaktoren (10) mit einem Pool (14) aus Flüssigmetall- Kühlmittel, wobei der wärmeerzeugende spaltbare Brennstoffkern (16) im wesentlichen in den Pool eingetaucht ist, wobei das passive Kühlsystem eine Kombination von im Abstand angeordneten Seite-an-Seite Trennwänden (20,22,24,26) in einer im allgemeinen konzentrischen Anordnung aufweist und für eine Zwischenzirkulation des Fluids und Wärmeübertragung dazwischen sorgt, enthaltend:

einen Reaktorbehälter (12), der den Pool aus Flüssigmetall-Kühlmittel enthält, wobei der Brennstoffkern darin im wesentlichen eingetaucht ist, wobei eine Seitenwand des Reaktorbehälters (12) eine innerste erste Trenwand bildet,

einen Sicherheitsbehälter (20), der den Reaktorbehälter (12) im Abstand im wesentlichen umgibt und eine Seitenwand aufweist, die eine zweite Trennwand bildet,

einen Containment-Behälter (24), der den Sicherheitsbehälter (20) im Abstand im wesentlichen umgibt und eine Seitenwand aufweist, die eine dritte Trennwand bildet,

einen Betonbehälter (26), der den Containment-Behälter (24) im Abstand im wesentlichen umgibt, gekennzeichnet durch

einen ersten geschlossenen zirkulierenden Fluidströmungskreislauf (48) zum Umwälzen des Fluidkühlmittels in einer Rückführungsbahn zwischen wenigstens zwei der Trennwände und der sich von dort nach oben über den Reaktorbehälter erstreckt,

und einen zweiten zirkulierenden Fluidströmungskreislauf (54), der zu der umgebenden Atmosphäre offen ist, wenigstens an einen Teil des ersten geschlossenen zirkulierenden Kreislaufs (48), der sich über den Reaktorbehälter erstreckt, angrenzt und aus wenigstens einem Abwärtskanal (58), der eine Öffnung (62) zur Atmosphäre in seinem oberen Bereich besteht, und wenigstens einen benachbarten Aufwärtskanal (56) aufweist, der eine Öffnung (60) zur Atmosphäre in seinem oberen Bereich aufweist, wobei der Aufwärtskanal (56) an wenigstens einem Teil des geschlossenen zirkulierenden Strömungskreislaufes (48) anliegt, der sich über den Reaktorbehälter erstreckt, wobei die benachbarten Abwärts- und Aufwärtskanäle (58,56) in ihren unteren Bereichen miteinander in Fluidverbindung stehen, um einen offenen Kreis für den Durchtritt von Umgebungsluft aus der Atmosphäre in und nach unten durch den Abwärtskanal und wieder zurück durch den Aufwärtskanal und nach draußen zur Atmosphäre zu sorgen.

2. Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei ferner ein Kollektorzylinder (22) vorgesehen ist, der den Sicherheitsbehälter (20) im Abstand im wesentlichen umschließt und eine Umschließungswand aufweist, die eine weitere Trennwand zwischen den Sicherheits- und Containmentbehältern (20,24) bildet.

3. Kühlsystem nach Anspruch 2, wobei der Reaktorbehälter (12), der Sicherheitsbehälter (20), der Kollektorzylinder (22) und der Containmentbehälter (24) jeweils einen kreisförmigen Querschnitt mit entsprechend zunehmendem Durchmesser und in einer konzentrischen Anordnung aufweisen, wobei ihre Seitenwände im Abstand angeordnete Trennwände bilden, die dazwischen ringförmige Zwischenbereiche (30,32,34,36) bilden.

4. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, enthaltend:

mehrer Leitanordnungen (64), die sich zwischen den ersten und zweiten Trennwänden erstrecken, die durch die Seitenwände der im Abstand angeordneten Reaktor- und Sicherheitsbehälter (12,20) gebildet sind und den Raum (30) zwischen den Trennwänden in mehrere Kanäle (66) für eine Fluidzirkulation und eine offene Verbindung neben dem untersten Abschnitt der Behälter teilen, wodurch die Fluidzirkulationskanäle miteinander verbunden sind.

5. Kühlsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Reaktorbehälter (12) im wesentlichen vergraben unterhalb der Erdoberfläche (25) angeordnet ist.

6. Kühlsystem nach Anspruch 5, wobei der Betonbehälter (26), der den vergrabenen Reaktorbehälter im wesentlichen umgibt, sich über die Erdoberfläche hinaus erstreckt.

7. Kühlsystem nach Anspruch 6, wobei der Containmentbehälter (24) eine Wand (42) aufweist, die sich über die Erdoberfläche hinaus erstreckt und einen Verschlußdeckel über dem vergrabenen Reaktorbehälter aufweist.