DE1764057B1 - Fluessigkeitsgekuehlter kernreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten, insbesondere durch ein flüssiges Metall gekühlten Kernreaktor mit mindestens einer Förderpumpe, welche die Flüssigkeit durch den Kern des Reaktors und durch mindestens einen der zur Kühlung der Flüssigkeit dienenden Wärmeaustauscher drückt, wobei die Förderpumpen der Wärmeaustauscher und der Reaktorkern in ein und derselben Masse der Flüssigkeit untergetaucht und jeweils in einem von drei die Masse der Flüssigkeit enthaltenden und an ihrer Oberseite zu ein und derselben Inertgasatmosphäre hin offenen senkrechten Behältern angeordnet sind und diese Behälter eine mindestens teilweise zylindrische Form aufweisen. Ein Kernreaktor dieser Art ist aus der französischen Patentschrift 1456 196 bekannt.

Kernreaktoren dieses Typs, die im allgemeinen als »integrierte Kernreaktoren« bezeichnet werden, stellen für mit schnellen Neutronen arbeitende Kernreaktoren, die durch den Umlauf eines flüssigen Metails, wie Natrium, gekühlt werden, eine besonders günstige Lösung dar, weil die Integration der Wärmeaustauscher und Pumpen zusammen mit dem Reaktorkern in ein und derselben Kühlmittelmasse eine erhebliche Verringerung der Länge der zwischen diesen Elementen erforderlichen Verbindungsleitungen ermöglicht. Es werden dadurch gleichzeitig die Lösung der Abdichtungsprobleme erleichtert und das zur Verflüssigung des als Kühlmittels dienenden Metalls vor dem Anlaufen des Reaktors erforderliche Vorwärmen vereinfacht. Außerdem ist es zur Vereinfachung der Handhabung der Kernbrennstoffstäbe vorteilhaft, den Reaktorkern in einem Behälter anzuordnen, der in seinem oberen Teil offen ist; das gleiche gilt für die anderen Behälter, in welchen die Pumpen und Wärmeaustauscher untergebracht sind, bezüglich einer leichten Zugänglichkeit zu diesen Aggregaten.

Ein Kernreaktor ähnlicher Art ist auch aus »Proceedings of the International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, Vol. 3, 1955. S. 332, F i g. 2 bekannt, jedoch mit dem Unterschied, daß die senkrechten Behälter für Wärmeaustauscher und Förderpumpe zu der über dem Flüssigmetallspiegel liegenden Inertgasatmosphäre nicht offen sind. Diese oben geschlossenen Behälter sind bei Reparaturen oder Austausch der in ihnen enthaltenen Aggregate aber nur schwer zugänglich.

Ähnlich verhält es sich auch bei dem aus der USA.-Patentschrift 2 961393 bekannten Flüssigmetall-gekühlten Kernreaktor, bei dem zwar auch die einzelnen Aggregate, wie Förderpumpen, Wärmeaustauscher und Reaktorkern in ein und derselben Kühlmittelmasse, aber nicht jeweils in einem für den jeweiligen Aggregat-Typ eigens vorgesehenen, senkrechten, mit seinem oberen Rand über den Flüssigkeitsspiegel hinausreichenden, oben offenen Behälter untergebracht sind.

Dagegen scheint es aus »Nuclear Engineering«, Juni 1966, S. 417, Abbildung in der Mitte der Sehe, für einen Flüssigmetall-gekühlten Atomkernreaktor noch zusätzlich bekannt zu sein, die Förderpumpe und den Reaktorkern jeweils in einem eigenen, ebenfalls die Kühlmittelmasse enthaltenden und an seiner Oberseite zu ein und derselben Inertgasatmosphäre hin offenen senkrechten Behälter unterzubringen. Doch sind die in der Kühlmittelmasse untergetauchten, konzentrisch um den Reaktorkern angeordneten Wärmeaustauscher nicht eigens in einem solchen Behälter angeordnet, was insofern nachteilig ist, als keine klar definierten Strömungsverhältnisse am Wärmeaustauscher entstehen.

Weiterhin sind aus der französischen Patentschrift 1451883, insbesondere der Figur, und aus »Directory of Nuclear Reactors«, Vol. IV, 1962, S. 321, Flüssigmetall-gekühlte Kernreaktoren mit mindestens einer Förderpumpe, welche die Flüssigkeit durch den Kern des Reaktors und mindestens einen der Kühlung dieses Flüssigmetalls dienenden Wärmeaustauscher drückt, bekannt, wobei die Förderpumpe, der Wärmeaustauscher und der Reaktorkern in ein und derselben Flüssigmetallmasse untergetaucht sind und über dem Flüssigmetallspiegel eine Inertgasatmosphäre angeordnet ist. Dabei sind Förderpumpe, Wärmeaustauscher und Reaktorkern nicht noch einmal in jeweils einem eigenen senkrechten Behälter angeordnet; vielmehr befinden sich die Wärmeaustauscher in einer konzentrischen Anordnung um den Reaktorkern, während die Förderpumpe axial unter dem Reaktorkern angeordnet und mit letzterem durch eine Rohrleitung verbunden bzw. direkt in der Einlaßöffnung angeordnet ist. Bei dieser Art von Kernreaktoren wird um die Wärmeaustauscher keine definierte Strömung erzielt, so daß der Wärmeaustausch nicht optimal ist.

Die Erfindung bezweckt, bei Kernreaktoren der eingangs genannten Gattung die Verbindungsleitungen in noch stärkerem Maße zu verkürzen oder ganz zu vermeiden und sowohl den Rauminhalt der dichten Kammer, welche wie üblich die Masse des flüssigen Metalls und eine darüber befindliche inerte Gasschicht enthält, als auch die erforderliche Masse an flüssigem Metall zu verringern. Diese Verringerung von Rauminhalt und Metallmasse und eine geeignete Anordnung der verschiedenen Elemente des Reaktors relativ zueinander erleichern auch die Unterstützung der darüber befindlichen Bauteile und Aufbauten.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Kernreaktor dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die Behälter im wesentlichen gleiche Durchmesser haben und sich paarweise überschneiden.

Vorzugsweise liegen die Achsen dieser zylindrischen Behälter in einer Ebene. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den nachfolgenden Unteransprüchen.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Reaktors liegen in einer Verringerung der infolge Abstrahlung eintretenden Wärmeverluste durch eine erhebliche Verringerung der freien Flüssigkeitsoberfläche. Die Trennfläche zwischen dem heißen und kalten Natrium ist erheblich geringer, wodurch die Wärmeverluste durch Leitung verringert werden. Auch die Außenfläche der Behälter und das Flüssigkeitsvolumen sind geringer.

Im folgenden sind nur als Beispiele zwei besondere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kernreaktors beschrieben, ohne daß diese Beschreibung als Begrenzung der Erfindung zu verstehen ist. Die Beschreibung bezieht sich auf die F i g. 1 bis 4. Darin zeigt

F i g. 1 einen senkrechten Schnitt einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kernreaktors, bei der der Wärmeaustauscherbehälter zwischen dem Reaktorbehälter und dem Pumpenbehälter angeordnet ist,

F i g. 2 schematisch den Einbau der verschiedenen Bauelemente im Kernreaktor der F i g. 1,

F i g. 3 eine zweite Ausführungsform des Kernreaktors, bei der der Pumpenbehälter zwischen dem Reaktorbehälter und dem Wärmeaustauscherbehälter angeordnet ist, und

F i g. 4 das dieser zweiten Ausführungsform entsprechende Einbauschema.

Bei den im folgenden beschriebenen besonderen Ausführungsformen ist der Kernreaktor ein mit schnellen Neutronen betriebener und durch Umlauf von flüssigem Natrium gekühlter Kernreaktor. Dieser Umlauf erfolgt durch den Reaktorkern 1 des Kernreaktors im aufsteigenden Sinn und wird durch Förderpumpen 2 aufrechterhalten, welche das kalte Natrium zur Unterseite des Reaktorkerns zurückführen.

Das flüssige Natrium, das sich beim Durchgang durch den Kern erhitzt, wird anschließend in den Wärmeaustauschern 4 durch Austausch mit in einem Sekundärkreislauf strömenden flüssigen Natrium gekühlt. In den Figuren sind die Ein- und Auslaßleitungen des Sekundärnatriumkreislaufs nur schematisch wiedergegeben und mit 5 bezeichnet.

Der Kern 1, die Förderpumpen 2 und die Wärmeaustauscher 4 sind jede in einem der drei senkrechten Behälter 6, 7 und 8 angeordnet. Diese drei Behälter sind in der Hauptsache durch jeweils drei Zylinder begrenzt, deren Achsen in einer Ebene liegen. Der den Mittelbehälter begrenzende Zylinder, der je nach der Ausführungsform entweder die Wärmeaustauscher oder die Förderpumpen enthält, wird von den beiden anderen Zylindern geschnitten. An den Schnittlinien, wo er mit den benachbarten Zylindern verbunden ist, wird der Kräfteausgleich durch eine ebene Verbindungswand 9 erhalten. Durch diese Ausbildung werden die von den drei Behältern eingenommene Grundfläche sowie das Gesamtvolumen verringert.

Insgesamt sind die drei Behälter von einem Wärmeisolationsmantel 10 umgeben. Die Betonschicht 11 gewährleistet den biologischen Schutz.

In den Behältern 6, 7 und 8 befindet sich flüssiges Natrium, in das der Kernreaktor selbst, die Förderpumpen und die Wärmeaustauscher untergetaucht sind. Die drei Behälter sind an ihren oberen Enden zu einer Inertgasatmosphäre, welche über der freien Flüssigkeitsoberfläche des Natriums steht, offen. Sie sind durch einen Dichtungsbalgen 13 mit einem oberen Aufbau 12 verbunden.

Der Reaktorkernbrennstofl 1 des Reaktors besteht aus senkrechten Kernbrennstoffelementen, zwischen denen das flüssige Natrium in aufsteigender Richtung strömt. Dieser Reaktorkern wird von einem Traggerüst 14 getragen, durch das er von einer Ringsammelleitung 16 her mit flüssigem Natrium versorgt wird. Dieses Traggerüst wird selbst von einem auf dem Boden des Behälters 6 ruhenden zylindrischen Unterbau 17 gestützt. Das den Reaktorkern verlassende flüssige Natrium strömt durch eine obere Abschirmung 18, aus der es durch öffnungen 19 austritt und in den Behälter 6 fließt.

Die Brennstoffelemente sind von oberen Aufbauten her leicht zugänglich, indem man zu diesem Zweck ein übliches System zweier exzentrischer Drehverschlüsse benutzt. In den Figuren ist nur der große Drehverschluß 20 gezeigt.

Jeder Wärmeaustauscher 4 besteht aus einem Rohrbündel, in welches das sekundäre Natrium strömt.

Dieses Rohrbündel befindet sich in einem zylindrischen Mantel 22, der an seinen beiden Enden mit Fenstern 23 und 24 für den Eintritt des heißen Natriums und den Austritt des nach Berührung mit dem Rohrbündel gekühlten Natriums versehen ist (s. insbesondere F i g. 1).

Zu jedem Wärmeaustauscher gehört ein abnehmbarer Verschluß 26, durch den der Wärmeaustauscher von den oberen Aufbauten her zugänglich ist und durch den er gegebenenfalls aus dem Reaktor herausgezogen werden kann. Durch diesen Verschluß sind die Einlaß- und Auslaßleitungen 5 des sekundären Natriumkreislaufs geführt.

Der die Wärmeaustauscher 4 enthaltende Behälter 8 ist durch eine Trennwand 28 in zwei Abteilungen geteilt, welche durch die Wärmeaustauscher miteinander in Verbindung stehen. Das in der oberen Abteilung enthaltene Natrium gelangt durch die öffnungen 23 in jeden Wärmeaustauscher und tritt aus diesem durch die Öffnungen 24 in die untere Abteilung aus.

Jede im Behälter 7 untergetauchte Förderpumpe 2 saugt das flüssige Natrium unmittelbar in diesem Behälter an und drückt es axial in eine Leitung 30, die das Natrium bis zum Traggerüst des Reaktors leitet. Jede Förderpumpe wird von einem oberhalb der oberen Aufbauten angeordneten Motor 32 angetrieben. Die Antriebswelle ist durch einen abnehmbaren Verschluß 33 geführt, der den Zugang zur Pumpe ermöglicht.

Bei der in den F i g. 1 und 2 gezeigten ersten Ausführungsform ist der mittlere Behälter der die Wärmeaustauscher enthaltende Behälter 8. Dieser Behälter 8 besitzt daher einen gemeinsamen Wandabschnitt 34 mit dem Reaktorbehälter 6. Dieser Wandabschnitt ist an seinem oberen Ende mit einer großen Ausnehmung versehen, die ein Überlaufwehr 35 bildet, über welches das heiße Natrium des Behälters 6 sich ohne wesentlichen Druckverlust frei in den Austauscherbehälter 8 ergießt. In diesen beiden Behältern stellt sich also der freie Natriumspiegel gleich hoch ein.

Außerdem steht die unterhalb der Trennwand 28 gelegene untere Abteilung des Behälters 8 mit dem Pumpenbehälter 7 durch eine öffnung 36 in ihrer gemeinsamen Wand in Verbindung. Wegen der Ansaugwirkung der Pumpen liegt der Flüssigkeitsspiegel des flüssigen Natriums im Pumpenbehälter niedriger als der gemeinsame Flüssigkeitsspiegel der Behälter 6 und 8.

Die Förderleitungen (Druckleitungen) der verschiedenen Pumpen münden in eine einzige Verbindungsleitung 38, welche durch die Öffnung 36 und den Behälter 8 verläuft und durch eine dichte Durchführung in den Behälter 6 eingeführt ist, wo sie stromabwärts vom Reaktorkern in die Ringsammelleitung 16 mündet.

Bei dieser Ausführungsform, die den Vorteil besitzt, daß zwischen dem Kernreaktor und den Austauschern kein Druckverlust entsteht, verläuft der Natriumkühlkreislauf wie folgt: Das von den Förderpumpen und der Verbindungsleitung 38 zugeführte Natrium strömt durch den Reaktorkern 1, fließt durch das Überlaufwehr 35 vom Reaktorbehälter 6 in den Austauscherbehälter 8, durchläuft die Wärmeaustauscher 4 und gelangt abgekühlt aus dem Austauscherbehälter 8 durch die öffnungen 36 in den Pumpenbehälter 7, wo es von den Pumpen wieder angesaugt wird.

Bei der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsform ist der mittlere Behälter der Pumpenbehälter 7. Diese Ausführung besitzt den Vorteil, daß die Pumpen sich näher am Reaktorkern befinden, wodurch die Länge der Verbindungsleitungen verringert werden kann. Die Förderleitungen (Druckleitungen) 30 sind einzeln durch die den Behältern 6 und 7 gemeinsame Wand 34 geführt und münden unmittelbar in das Traggerüst 14.

Die Verbindung zwischen dem Reaktorbehälter 6 und der oberen Abteilung des Austauscherbehälters 8 erfolgt bei dieser Ausführung durch eine abgedichtet durch den Pumpenbehälter 7 geführte Verbindungsleitung 40. Diese Verbindungsleitung ist zwar mit einem großen Durchmesser ausgeführt, bewirkt aber dennoch einen geringen Druckabfall zwischen den beiden Behältern.

Bei dieser Ausführung strömt das von den Förderpumpen 2 zugeführte Natrium durch den Reaktorkern 1, wo es wieder erhitzt wird, gelangt vom Reaktorbehälter 6 durch die Verbindungsleitung 40 zum Austauscherbehälter 8, durchströmt die Wärmeaustauscher 4 und gelangt abgekühlt aus der unteren Abteilung des Austauscherbehälters 8 durch eine Öffnung 41 der gemeinsamen Wand des Austauscherbehälters und des Pumpenbehälters in den Pumpenbehälter 7.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Flüssigkeitsgekühlter, insbesondere durch ein flüssiges Metall gekühlter Kernreaktor mit mindestens einer Förderpumpe, welche die Flüssigkeit durch den Kern des Reaktors und durch mindestens einen der Kühlung der Flüssigkeit dienenden Wärmeaustauscher drückt, wobei die Förderpumpe, der Wärmeaustauscher und der Reaktorkern in ein und derselben Masse der Flüssigkeit untergetaucht und jeweils in einem von drei die Masse der Flüssigkeit enthaltenden und an ihrer Oberseite zu ein und derselben Inertgasatmosphäre hin offenen senkrechten Behältern angeordnet sind, wobei diese Behälter eine mindestens teilweise zylindrische Form aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälter (6, 7, 8) im wesentlichen gleiche Durchmesser haben und sich paarweise überschneiden.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Behälter (6,7,8) in einer Ebene liegen.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Förderpumpe (2) durch eine besondere Verbindungsleitung (30) mit einem ersten, den Reaktorkern (1) enthaltenden Reaktorbehälter (6) stromaufwärts vom Reaktorkern verbunden ist.

4. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der den Wärmeaustauscher (4) enthaltende Behälter (8) zwischen dem Reaktorbehälter (6) und dem Förderpumpenbehälter(7) angeordnet ist (Fig. 1).

5. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Förderpumpenbehälter (7) zwischen dem Reaktorbehälter (6) und dem Wärmeaustauscherbehälter (8) angeordnet ist und eine Verbindungsleitung (40) zur Verbindung des Reaktorbehälters mit dem Wärmeaustauscherbehälter durch den Förderpumpenbehälter (7) hindurchgeführt ist (Fig. 4).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen