DE1764689A1 - Nukleares Energieversorgungssystem mit thermoelektrischem Konverter - Google Patents

Description

WESTINGHOUSE
Electric Corporation East Pittsburgh, PA, USA

1 a JOL! 1968

Erlangen, den
Werner-von-Sieaens-Str. 50

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,Nukleares Energieversorgungssystem mit thermoelektrischea Konverter

für diese Anne1dung wird die Priorität der entsprechenden US-Anmeldung Serial No. 655 364 von 24.7.1967 beansprucht.

Die Erfindung betrifft ein nukleares Energievereorgungssystem mit thermoelektrischem Konverter, das für einen Unterwaasereinsatz geeignet ist.

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Aus wirtschaftlichen, politischen und technischen Gründen richtete sich in jüngerer Vergangenheit die Aufmerksamkeit auf die gewaltigen Wassermassen des Ozeans und den Mseresboden als eine mögliche Nahrungsquelle, als Fundstelle für Bodenschätze und Mineralien und als sichere Basis für Militärische Operationen. Um den Ozean für eine der genannten Zwecke auszubeuten, wird eine von der Atmosphäre unabhängige Energieversorgung für die Aufrechterhaitung der Lebensbedingungen, zum Antrieb und für andere Unterwasserarbeiten benötigt .

Es ber,teht die Aufgabe, ein Energieversorgungnsystem für den Unterwassereinsatz mit kompaktem Aufbau zu schaffen, dem man bei hoher, einstellbarer Leistung viel Energie entnehmen kann, das beim Unterwassereinsatz in großen Tiefen verwendbar ist und bei dem Seewasser als Kühlwasser einsetzbar ist.

Erfindung3gemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in einen im wesentlichen zylindrischen Gehäuse mehrere im allgemeinen zylinderische Kernbrennstoffelemente angeordnet sind, von denen jedes mit einem Thermogenerator versehen ist, daß in der Nähe der Kernbrennstoffelemente Kontrollmittel vorgesehen sind, daß auf die Außenseite des Gehäuses Wärmeaustauscher' aufgesetzt sind, durch die über einen Kreislauf, der auch das Innere des Gehäuses umfaßt, entionisiertes Kühlwasser pumpbar ist, daß am Gehäuse ein Entlüfterstutzen für das Gas vorgesehen ist, das durch Zersetzung des Kühlwassers entsteht und daß Mittel

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zum Entionisieren von Wasser vorgesehen ist, das in den Kreislauf zum Ausgleich von Dichteschwankungen und der Verluste durch die Gasentwicklung einleitbar ist.

Vorzugsweise enthält jedes Kernbrennstoffelement mehrere Brennstoffstäbe, die aufeinanderfolgend in einer Metallröhre angeordnet sind, wobei die Metallröhre mit einer ersten Röhre au3 Bornitrid umgeben ist, die sich über die gesamte Länge der Brennstoffstäbe erstreckt, wobei ein mittleres Teilstück • dieser Röhre aus Bornitrid von einem röhrenförmigen Thermogenerator umgeben ist und der röhrenförmige Thermogenerator von einer zweiten Röhre aus Bornitrid umgeben ist, deren Wandstärke geringer als die Wandstärke der ersten Röhre aus Bornitrid und wobei die zweite Röhre aus Bornitrid von einer Metallröhre umgeben ist, die sich wenigstens über die gesamte Länge der Brennstoffstäbe erstreckt.

Die Thermoelementschenkel des Thermogenerators können ringförmig ausgebildet sein, es können p- und η-leitende Thermo- J elementschenkel alternierend aneinandergereiht sein, wobei zwischen den Thermoelementschenkeln eine elektrisch und thermisch isolierende Schicht angeordnete sein kann und es können durch ringförmige Kontaktbrücken, die am inneren und äußeren Umfang der ringförmigen Thermoelementschenkel angeordnet sind, alle Thermoelementschenkel elektrisch in Reihe geschaltet sein.

Vorteilhaft ist es, als Kontrollmittel zylinderförmige Walzen

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vorzusehen, die drehbar im Gehäuse befestigt sind, wobei die Drehachse zur Achse der Brennstoffelemente parallel ist.

Vorzugsweise besteht das Gehäuse aus einem Hohlzylinder, der mit einer Bodenplatte und einer Deckplatte verschlossen ist, wobei der Mittelteil der Wandung des Hohlzylinders verstärkt ist und um die gesamte Peripherie verteilte, zylinderförmige Aussparungen aufweist, in denen die Walzen drehbar angeordnet sind, wobei in dem unverstärkten Teil der Wandung des Hohlzylinders Öffnungen vorgesehen sind und U-förmige Röhren an der Außenseite des Hohlzylinders angeordnet sind, deren Enden in den Öffnungen der Wandung des Hohlzylinders befestigt Bind und wobei die U-förmigen Röhren ein Teil des Kreislaufes für das Kühlwasser sind und das Kühlwasser im Inneren des Gehäuses die Kernbrennstoffelemente umspült.

Als Mittel zum Entionisieren von Wasser kann eine um die Außenseite des Gehäuses gelegte Ringröhre vorgesehen sein, die mit Ionenaustauschern für Kationen und Anionen gefüllt ist. Es kann am oberen Ende des verstärkten Teils der Wandung des Hohlzylindere eine mit Durchbrüchen versehene Tragplatte befestigt sein, es kann eine hohle, unten geschlossene Verschlußschraube in der inneren Metallröhre jedes Kernbrennstoffelementes angeordnet sein und aus dieser herausragen, es kann jede Verschlußschraube durch einen Durchbruch der Tragplatte geführt sein und über diese hinausragen, es kann jede Verschlußschraube mit einer Mutter an der Trag-

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platte befestigt sein, wobei ein Abstandshalter zwischen Mutter und Tragplatte vorgesehen sein kann, es kann die Seitenwandung des Abstandshalters und der Verschlußschraube je einen Schlitz aufweiten, wobei die Schlitze miteinander fluchten und es können elektrische Leiter vom Thermogenerator jedes Kernbrennstoffelementes durch den Durchbruch der Tragplatte und die Schlitze in die Verschlußschraube hinein und aus dem oberen Ende der Verschlußschraube herausgeführt

sein. · %

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem beispielhaft anhand der Fig. 1 bis 4 näher beschrieben.

Γη den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Reaktorkern viele Kernbrennstoffelemente enthält, die aus keramischen Brennstoffstäben bestehen, die von Metallröhren und von einem röhrenförmigen Thermogenerator umhüllt sind, wobei beide Enden der Metallröhren mit verschweißten Verschlußschrauben verschlossen sind. Die Kernstoffbrennelemente sind an ihrem oberen Ende an einer Tragplatte befestigt und an ihrem unteren Ende in einer Führungsplatte gleitend gelagert und auf Abstand gehalten, wobei eine axiale Ausdehnung der_ Kernbrennstoffelemente ungehindert bleibt. Die Tragplatte ist am oberen Ende und die Führungsplatte am unteren Ende des verstärkten Mittelteiles der Wandung des als Hohl^ylinder ausgebildeten Gehäusetei 1.3 befestigt. Dieses Gehäuseteil dient sowohl als Neutronen-

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reflektor als auch als eigentliches Tragteil der Reaktorkonstruktion. Der Reaktorbetrieb wird mittels drehbarer Kontrollwalzen gesteuert« die mit ihrer Drehachse parallel zur Achse des Reaktorkernes betest igt sind. Durch Drehung der Walzen kann ein neutronenreflektierendes Material an den Kern angenähert werden, der mit einem Neutronenabsorber versehen ist. Als Reaktorkühlung ist entionisiertes Wasser vorgesehen, das die Außenflächen der Kernstoffbrennelemente umspült und die Röhren eines Wärmeaustauschers durchfließt, der das Reaktorgehäuse umgibt und über den die Wärmeenergie an das umgebende Wasser abgegeben wird. Das Wasser wird mit einer motorbetriebenen Pumpe umgewälzt, die für den Unterwasserbetrieb geeignet ist. Über einen Entlüftungsstutzen kann Gas, das durch Zersetzung des Kühlwassers gebildet wird, in das umgebende Wasser entweichen. Um Dichteänderungen und die Verluste durch die Gasbildung im Kühlwasser auszugleichen, kann Seewasser in das Kühlsystem eingeführt werden. Das eingeführte Seewasser wird beim Durchgang durch ein Kunstharz, der Ionenaustauscher für Kationen und Anionen enthält, gefiltert und entionisiert. Das Kunstharz ist in einer Ringröhre eingefüllt, die den Tragsockel des Reaktorgehäuses umgibt.

Pig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Energieversorgungssystem. Es ist ein Reaktorkern JO. innerhalb eines Hohlzylinders J_2 angeordnet. Die Wandung des Hohlzylinders V2. ^ist relativ dick und aus Nickel hergestellt.

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Der Hohlzylinder J_2 dient als Neutronenreflektor. Der Hohlr,ylinder J_2 wird von einem hohlen Tragsockel 14 getragen, der als konischer Kegelstumpf ausgebildet ist. Der Kern _H) ist aus mehreren, im wesentlichen zylindrischen Kernbrennstofi elementen J_6 aufgebaut, die in'einer hexagonalen Form angeordnet sind. Die Anordnung der Kernbrennstoffelemente J_6 ist deutlicher der Fig. 3 zu entnehmen, in der ein Schnitt längs der Linie IIT—III der Fig. 1 dargestellt ist. Die Kernbrennstoffelemente V^. sind an ihrem oberen Ende an a

einer Tragplatte 18 befestigt. Das untere Ende der Kernbrennstoff elemente J_6 ist in einer Führungsplatte 20 gleitend gelagert und auf Abstand gehalten, wobei eine axiale Ausdehnung der Kernbrennstoffelemente V^. ungehindert bleibt.. Die Tragplatte 18 und die Führungsplatte 20 sind an dem Hohlzylinder _1_2 befestigt.

Der neutronenrefiektierende Hohlzylinder Λ2. umschließt und trägt den Kern IiO^, 'mehrere im wesentlichen zylindrische Walzen 22, die die Kontrollmittel sind, und einen Wärme- \ austauscher 24. Weiterhin trennt der Hohlzylinder _1_2 den Kühlwasserstrom im Kern K) von der umgebenden See oder vom Wasser, in dem der Reaktor aufgestellt ist. Beispielsweise ist der Hohlzylinder J_2 geschmiedet und hat eine Länge von 61 cm, einen äußeren Durchmesser von 54,5 cm und eine Wandstärke von ungefähr 12,7 cm. In der Wandung sind sechs axiale Bohrungen gleichmäßig verteilt angeordnet, die für die Walzen 22 vorgesehen sind. Zur Vervoll-

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ständigung des Gehäuses ist auf den oberen Rand dieses geschmiedeten Hohlzylinders _1_2 ein gewaleter Metallzylinder 26 aufgeschweißt, der mit einem Plansch 28 versehen ist. Am unteren Ende des Hohlzylinders Jj? ist ein Ring 30 angeschweißt, der Y-förmigen Querschnitt hat und in einen gewalzten Metallzylinder 32 ausläuft, der mit einem Plansch 34 versehen ist. Am freien Arm des Ringes 30 mit Y-förmigen Querschnitt ist ein Tragring 36 angeschweißt, an dem eine Ablenkplatte 38 befestigt ist. Die Ablenkplatte 38 ist ein Teil des Kuhlwasserkreislaufes und lenkt den Kühlwasserstrom in das Innere des Reaktors.

Die Hohlzylinder 26 und 32, die eine relativ geringe Wandstärke aufweisen, sind in radialer Richtung mehrmals durchbohrt. In die Bohrungen sind die Enden U-förmiger Röhren des Wärmeaustauschers 2A_ eingesetzt. Die Wärmeaustauschröhren 40 sind von einem dünnen metallischen Hohlzylinder 42* umgeben. Der Hohlzylinder 42 ist ein verlängertes Teil des Tragsockels 14. Durch Eintrittsöffnungen 44 im Hohlzylinder 42 gelangt Seewasser in den Wärmeaustauscher 2Λ. Die Enden der Röhren 40 sind in den öffnungen der gewalzten Metallzylinder 26 und 32 verschweißt. Nach Fertigstellung der Schweißnähte werden die Aussparung für den Kern, die Bohrungen für die Walzen 22 und deren Lager maschinell fertiggestellt. Eine Deckplatte 46 wird am oberen Flansch 28 mittels eines Befestigungeringes 48 befestigt. An

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unteren Plansch 34 wird eine Bodenplatte 50 befestigt. Diese Bodenplatte 50 kann auch in der Schweißnaht zwischen dem Tragsockel 14 und dem Hohlzylinder 42 befestigt sein.

Der Reaktor wird durch eine Änderung der Neutronenreflektion des neutronenreflektierenden Hohlzylinders Jj? gesteuert, der aus Nickel hergestellt i3t. Diese Änderung der Neutronenreflektion wird durch eine Drehung der Walzen 22 erreicht, die mit ihren Drehachsen parallel zur Achse des Kerns befestigt sind. Die Walzen 22 sind drehbar in einem oberen Lager 94 und einem unteren Lager 96 gehalten. Die Walzen sind so beschaffen, daß bei ihrer Drehung ein neutronenreflektierendes Material, beispielsweise Nickel, dem Kern genähert wird. Der Kern enthält ein neutronenabsorbierendes Material, beispielsweise Hafnium, oder einen Moderator, beispielsweise Beryllium, falls der Kern selbst eine größere Menge Materials enthält, das thermische Neutronen absorbiert und damit sein Arbeitspunkt am Ende größerer Geschwindigkeit des Neutronenenergiespektrums liegt. Die Stellung jeder Walze ist gesonder mit einem Motor stufenweise einstellbar. Die Motoren 98 sind an der Bodenplatte 50 innerhalb des Trocksockels 14 befestigt. Jeder Motors ist mit einer Walze 22 über eine feste, verkeilte Kupplung 100 und eine Welle 102 verbunden. Jede Welle 102 durchsetzt eine Bohrung des Tragringes 36. Die Bohrung ist mit einer Labyrinthdichtung 104 abgedichtet.

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Das Kühlmittel des Reaktors ist entionisiertes Wasser, das im Vorbeiströmen die äußere Oberfläche der Kernbrennstoffeleräente JJ) und die kalten Lötstellen des Thermogenerators kühlt. Das Kühlwasser gibt die aufgenommene Wärmeenergie über die Röhrenwandungen des Wärmeaustauschers 24 an das Seewasser ab. Die hierfür notwendige Durchflußrate kann mittels einer entsprechenden Pumpe 106 erzeugt werden, die an der Bodenplatte 50 befestigt ist. Die Pumpe ist von einem Gehäuse 108 umgeben, das durch die Ablenkplatte 38 hindurchragt und über einen Plansch an der Bodenplatte befestigt ist. Auf der Motorwelle des Drehstrommotors 114 ist ein Flügelrad 112 befestigt. Der Drehstrommotor 114 ist für den Unterwassereinsatz geeignet. Da von dem Thermogenerator ein Gleichstrom erzeugt wird, ist ein Umformer vorzusehen, der den vom Motor benötigten■Drehstrom erzeugt. Dieser Umformer ist jedoch für andere zu betreibende elektrische Geräte häufig ebenfalls nötig.

Für das Kühlsystem ist kein Drucksystem mit regelbarem Druck vorgesehen. Es ist jedoch mit dem umgebenden Seewasser auf zwei Wegen direkt verbunden. Oben am Gehäuse des Reaktors ist ein Luftloch oder ein Entlüftungsstutzen 116 vorgesehen, über den Gas in das Seewasser entweichen kann, das durch Strahlungszersetzung des Kühlwassers entsteht. An der Bodenplatte des Reaktors ist ein Flüssigkeitse inlai3stut;:en 110 vorgesehen, dem ein Kunstharz vorgeschaltet ist, das Anionen- und Kationentauscher enthält, über den Flüssig-

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keitseinlaßstutzen 118 kann Seewasser in das Reaktorinnere gelangen, um die Verluste durch Gasentwicklung und Dichteschwankungen auszugleichen. Das über den Plüssigkeitseinlaßotutzen 118 einströmende Wasser ist sowohl gefiltert als auch ent ionisiert. Das Kunstharz 120 ist in einer Ringröhre 1?? enthalten, die um den Tragsockel 14 des Reaktors gelegt ist. Die Ringröhre 122 ist mit Klammern 124 an' dem Tragsockel 14 befestigt. Das Seewasser fließt in das entionisierende Kunstharz 120 über ein siebendes Filter 138 ein, das an der Ringröhre 122 befestigt ist. %

Das entionisierte Wasser wird mittels der Pumpe 106 durch Öffnungen 126 in der Führungsplatte 20 und der Tragplatte 18 gepumpt. Diese Öffnungen 126 sind in Fig. 4 dargestellt, die einen Schnitt längs der Linie IV-IV der Fig. 1 zeigt. Der Kühlwasserstrom umspült die Kernbrennstoffelemente 16 und fließt in eine Kammer 128, die zwischen der Tragplatte 18 und einer Ablenkplatte 130 angeordnet ist. Geführt von der Ablankplatte 130 fließt das Wasser von der Kammer 128 über die Röhren 40 des Wärmeaustauschers 24 in eine Kammer 132 zwischen der Ablankplatte 38 und der Bodenplatte 50. Mittels des Flügelrades 112 wird das Wasser aus der Kammer 132 durch die Öffnung 134 im Pumpengehäuse 108 gepumpt und fließt in die Kammer 136 zwischen der Ablankplatte 38 und der Führungsplatte 20, von dieser Kammer aus tritt es wieder in den bereits beschriebenen Kreislauf ein.

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Pig. 2 zeigt eine vergrößerte Teilansicht von Kernbrennetoffelementen Jj>, von denen eines im Schnitt dargestellt ist. Es sind Brennstoffstäbe 52 übereinander in einer Metallröhre 54 angeordnet. Die Brennstoffstäbe 52 sind aus gesintertem, angereichertem Urandioxyd (UO₂) hergestellt Das Material der Metallröhre 54 ist eine Hochtemperatur-Nickellegierung, wie sie beispielsweise unter dem Handelsnamen "Hastelloy" erhältlich ist. Das obere Ende der Metallröhre 54 ist mit einer hohlen Verschlußschraube 56 verschlossen, die aus Metall hergestellt ist und unten verschlossen 1st. Zwischen dem oberen Brennstoffstab 52 und der Verschlußschraube 56 ist thermisch isolierendes Material 58 angeordnet. Es kann ein Material verwendet werden, wie es beispielsweise unter dem Namen "Zirkonia" erhältlich ist. Das untere Ende jeder Metallröhre 54 ist von einer metallischen Verschlußschraube 60 verschlossen, die als Pührungsstift des Kernbrennstoffelementes JNj in der Führungsplatte 20 dient. Zwischen dem Ende des unteren Brennstoffstabes 52 und der Verschlußschraube 60 ist ebenfalls wieder thermisch isolierendes Material angeordnet.

Jedes Kernbrennstoffelement _f6 wird von der Verschlußschraube 56 getragen, die durch eine Bohrung der Tragplatte 18 hindurchragt und Über die ein Abstandshalter 62 gesteckt ist. Mit einer Schraubeutter 64, die auf das obere Ende der Verschlußschraube 56 aufgeschraubt ist,

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ist das Kernbrennstoffelement _1_6 mit der Tragplatte 18 verschraubt, wobei der Abstandshalter 62 zwischen die Schraubmutter 64 und die Tragplatte 18 eingepreßt ist.

In der Verschlußschraube 56 und dem Abstandshalter 62 sind miteinander fluchtende Schlitze 66 und 68 vorgesehen.

Durch diese Schlitze 66 und 68 werden Leiter 70 in das Innere der Verschlußschraube 56 eingeführt. Die Leiter 70 sind von dem Kernbrennstoffelement J_6 ausgehend durch die Tragplatte 18 hindurchgeführt. Die Leiter 70 ragen aus dem J oberen Ende der Verschlußschraube·56 heraus.

Die Metallröhre 54 dient als innere Wandung eines Thermogenerators 7_2, der ein mittleres Teiletück der Metallröhre 54 umgibt. Der verwendete Thermogenerator 22, *^8t ausführlich in der US-Patentschrift 3 117 913 beschrieben. ^Λυβ Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Metallröhre 54 von einer relativ dicken, isolierenden Röhre 74 umgeben ist, die sich über die gesamte Länge der Brennatoffstäbe 52 erstreckt. Das Material der Röhre 74 ist Bornitrid. Dabei " wird pyrolytisch abgeschiedenes Bornitrid gegenüber gesintertes Bornitrid bevorzugt. Die thermische Leitfähigkeit dieses Materials ist anisotrop und die Röhre ist so geformt, daß die thermische Leitfähigkeit in axialer Richtung 40mal größer ist als die thermische Leitfähigkeit in radialer Richtung. Die Röhre 74 wirkt daher als Wärmepfad, über den die thermische Energie in axialer Richtung von den axial übereinander gestapelten Brennstoffstäben 52, auch von den

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Brennstoffstäben am Ende des Brennstoffelementes JjS, zu dem Thermogenerator JJj? transportiert wird und dort einen angenähert gleichmäßigen, radial gerichteten Wärmestrom durch das thermoelektrisch wirksame Material erzeugt.

Der Thermogenerator 7_£ wird von einer Metallröhre 76 umschlossen, die sich wenigstens über die gesamte Länge der-Brennstoffstäbe 52 erstreckt. Das Material dieser Metallröhre 76 muß korrosionsbeständig sein. Es kann beispielsweise antimagnetischer Stahl sein. Zum Aufbau des thermoelektrischen Generators 7_2 sind mehrere relativ schmale Metallzylinder oder Kreisringstücke 78 als innere Kontaktbrücken für die Thermoelementschenkel 86 und 88 auf der Röhre 74 aus Bornitrid angeordnet. Die Kontaktbrücken 78 sind in axialer Richtung voneinander gentrennt* Mehrere Hohlzylinder oder Kreieringetücke 80 mit größerem Durchmesser sind koaxial und in axialer Richtung voneinander getrennt über den inneren Kontaktbrücken 78 als äußere Kontaktbrücken für die Thermoelementschenkel 86 und 88 angeordnet. Die äußeren Kontaktbrücken 80 sind so eingebaut, daß sie den Spalt zwischen den inneren Kontaktbrücken 78 überbrücken und zusätzlich über Teile gleicher Abmessung der inneren Kontaktbrücke 78 liegen, die durch den Spalt getrennt sind.

Zwischen jedem solchen Paar übereinanderliegenden sich überlappender Teile der inneren und äußeren Kontaktbrücken

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und 80 sind jeweils; in alternierender Reihenfolge p- und η-leitende Hohlzylinder 86 und 88 als ringförmige Thermoelementschenkel angeordnet. Die ringförmigen Thermoelementschenkel 86 und 88 sind aus geeignetem, thermoelektrisch wirksamem Material entgegengesetzter Leitfähigkeit hergestellt. Durch die Kontaktbrücken 78 und 80, die aus Metall hergestellt sind, sind alle Thermoelementschenkel 86 und elektrisch in Reihe geschaltet. Im thermischen Stromweg liegen die Thermoelementschenkel 86 und 88 parallel. Die Thermo- ä eleraentschenkel 86 können beispielsweise aus Eisensulfid hergestellt sein, welches überwiegend Eisen (ITI)-Sulfid (Pe₀S,) enthält. Die Thermoelementschenkel 88 sind aus einem thermoelektrisch wirksamen Material entgegengesetzter Leitfähigkeit, beispielsweise aus Eisensulfid hergestellt, das überwiegend Eisen (H)-SuIfid (FeS) enthält. Zwischen den äußeren Kontaktbrücken 80 und der Metall röhre 76 ist eine dünne Röhre 82 aus Bornitrid vorgesehen. In den Spalten zwischen den Kontaktbrücken 78 und 80 und den Thermoelementachenkeln 86 und 88 sind Schichten 83 aus "

thermisch und elektrisch isolierendem Material eingefügt. Als Isolation kann ein Material verwendet werden, das unter den Namen "Mica" im Handel erhältlich ist. Zusammengefaßt ist also der The regenerator 72 aus inneren, ringförmigen Kontaktbrücken 78, die die heißen Lötstellen der Thermoelementschenkel 86 und 88 repräsentieren und aua den äußeren ringförmigen Kontaktbrücken 80 aufgebaut, die die kalten Lötstellen der Thermoelementschenkel 86

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und 88 repräsentieren. Die zwischen die Kontaktbrücken und 80 alternierend eingefügten p- und η-leitenden Thermoelementschenkel 86 und 88 sind vermittels der Kontaktbrücken elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet

Damit die Leitungen 70 zur Abnahme der elektrischen Energie aus dem gleichen Ende des Thermogenerators 7_2 herausgeführt werden können, kann dieser radial halbiert werden. Hierzu sind die Kontaktbrücken 78 und 80 jnd die Thermoelementschenkel 86 und 88 zu halbieren, wobei die letzte Kontaktbrücke von der Teilung auszunehmen ist. Die beiden Hälften sind mit einer geeigneten Isolation, beispielsweise mit Mica getrennt. Die beiden Hälften liegen elektrisch in Serie und an Verbindungspunkten 84 lassen sich elektrische Leiter 70 an jede der Hälften legen. Die Leiter 70 sind durch eine Bohrung in einer Isolationsröhre 90 geführt, die den Spalt zwischen der inneren Netallröhre 34 und der äußeren Metallröhre 76 ausfüllt. Diese Röhre 90 au3 isolierendem Material ist mit einem Endstück 92 befestigt, das am Ende der Metallröhre 76 befestigt ist.

Das Verfahren zur Herstellung des nuklearen Energieversorgungssystems bietet keine unlösbaren_Probleme. Nach , der bereits geschilderten maschinellen Fertigstellung des Hohlzylinders Jj? wird die Führungsplatte 20 befestigt. Anschließend werden die Kontrollwalzen 22 angebracht und

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die Kernbrennstoffelemente JJ> in dem Hohlzylinder _1_2 angeordnet. Nachdem alle Kernbrennstoffelemente j_6 an ihren Platz gebracht sind, wird die Tragplatte 18 über die Verschlußschrauben 56 gesteckt und am Hohlzylinder J_2 befestigt. Danach werden die geschlitzten Abstandshalter angebracht und jedes Kernbrennstoffelement _H> an der Tragplatte 20 mit einer Mutter 64' verschraubt. Dabei stehen die elektrischen Leitungen 70 nach oben heraus. Die elektrischen Leitungen 70 werden durch Bohrungen der gewölbten % Ablenkplatte 130 gesteckt und anschließend in der aus einem Schaltplan ersichtlichen Weise miteinander verbunden. Die verbundenen Leitungen sind an ein Kabel HO angeschlossen, das durch die Deckplatte 46 mit Hilfe eines Isolierstoffes, beispielsweise eines Epoxykunstharzes geführt ist. Nach 4er Befestigung der Deckplatte 46 wird der Reaktor umgedreht und die Bodenplatte 50 befestigt. Anschließend werden die Motoren 98 zur Bewegung der Kontrollwalzen 22 und die Pumpe 106 installiert und elektrisch ver- _Λ

drahtet. Das fertiggestellte Energieversorgungssystem wird dann mit der Schutzröhre 42 versehen und auf dem Tragsockel 14 befestigt. Ein Auetausch des Reaktorbrennstoffes dürfte wahrscheinlich während der Verwendung auf See nicht nötig sein. Wegen des kompakten Aufbaus des Versorgungssystems kann es leicht eingeholt und ausgewechselt werden. Die ausgebrannte Einheit kann dann in einem heißen Laboratorium, das für Arbeiten mit Nuklear-

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stoffen geeignet und beispielsweise mit einem Manipulator ausgerüstet ist, auf dem Festland auseinandergenommen werden. Diese Arbeitsweise ist besonders für Schiffe und Arbeitseinrichtungen geeignet, die zum Einsatz in tiefem Wasser vorgesehen sind, da damit ein ununterbrochener Betrieb sichergestellt ist. Sollte ein Auswechseln der Motoren zum Antrieb der Kontrollwalzen 22 oder der Pumpe 106 nötig sein, so kann dies leicht sogar unter Wasser * geschehen. Dazu wird ein Arbeitsraum benötigt, der mit ent ionisiertem Wasser gefüllt ist, um das Eindringen von Seewasser in das Kühlsystem zu verhindern.

Zusammenfassend sei nochmale darauf hingewiesen, daß das nukleare Energieversorungssyetem besonders für den Unterwassereinsatz geeignet ist. Es wird ein einziger Hohlzylinder benötigt, der den Kern (erster Wärmeaustauscher), den zweiten Wärmeaustauscher und das Steuersystem trägt und als Neutronenreflektor dient. Ein Druckausgleichsyatem ist zwischen dem Kühlwassersystem und dem Seewaseer vorgesehen, da eine Verbindung über den porösen Kunststoff vorgesehen ist, durch den der Durchfluß herabgesetzt* das durchfließende Wasser gefiltert und die Zusammensetzung jies durchfließenden Wassers modifiziert wird* Die Verwendung von Bornitrid als Wärmepfad verringert die axiale Veränderung und eine Erwärmung, die aus der axialen Veränderung im Neutronenflufl des Reaktors resultiert.

4 Figuren Patentansprüche

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Claims (1)

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   JCI

   Patentansprüche

   ( 1.JNukleares Energieversorgungssystem mit thermoelektrische!)! Konverter, das für einen Unterwassereinsatz geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse (Jj?» 50, 46) mehrere im allgemeinen zylindrische Kernbrennstoffelemente (JJ>) angeordnet sind, von denen jedes mit einem Thermogenerator (£2) versehen ist, daß in der Nähe der Kernbrennstoffelemente Kontroll- ^ mittel (22) vorgesehen sind, daß auf die Außenseite des Gehäuses Wärmeaustauscher (2A) aufgesetzt sind, durch die über einen Kreislauf, der auch das Innere des Gehäuses umfaiat, entionieiertes Kühlwasser pumpbar ist, daß am Gehäuse ein Entlüfterstutzen (116) für Gas vorgesehen ist, das durch Zersetzung des Kühlwassers entsteht und "daß Mittel (120) zum Entionisieren von Wasser vorgesehen sind, da3 in den^ Kreislauf zum Ausgleich von Dichteschwankungen und der Verluste durch die Gasentwicklung einleitbar ist.

   2. Nukleares Energieveraorgungsayste» nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kernbrennstoffelement (16) mehrere Brennstoffstäbe (52) enthält, die aufeinander folgend in einer Metallröhre (54) angeordnet sind, daß die Metallröhre mit einer ersten Röhre (74) aus Bornitrid umgeben ist, die sich über die gesamte Länge der Brenn-

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   stoffstäbe erstreckt, daß ein mittleres Teilstück dieser Röhre aus Bornitrid von einem röhrenförmigen Thermogenerator (72) umgeben ist, daß der röhrenförmige Thermogenerator von einer zweiten Röhre (82) aus Bornitrid umgeben ist, deren Wandstärke geringer ist als die Wandstärke der ersten Röhre aus Bornitrid und daß die zweite Röhre aus Bornitrid von einer Metallröhre (76) umgeben ist, die sich wenigstens über die gesamte Länge der Brennfc stoffstäbe erstreckt.

   3. Nukleares Energieversorgungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelementschenkel (86, 88) des Thermogenerators (j[2) ringförmig ausgebildet sind, daß p- und η-leitende Thermoelementschenkel alternierend aneinandergereiht sind und zwischen den Thermoelementschenkeln eine elektrisch und thermisch isolierende Schicht (83) angeordnet int und daß durch ringförmige Kontaktbrücken (78, 80), die am inneren und äußeren " Umfang der ringförmigen Thermoelementschenkel angeordnet sind, die Thermoelementschenkel elektrisch in Reihe geschaltet sind.

   4. Nukleares Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bie 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kontrollmittel zylInderförmige Walzen (22) vorgeaehen sind, die drehbar im Gehäuse befestigt sind, wobei die Drehachse zur Achse der Brennstoffelemente (VS) parallel ist.

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   5. Nukleares Energieversorgungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Motor (98) zum stufenweise Einstellen der drehbaren Walzen (22) vorgesehen ist.

   6. Nukleares Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus einem Hohlzylinder [V2) besteht, der mit einer Bodenplatte (50) und einer Deckplatte (46) verschlossen ist, daß der Mittelteil der Wandung des Hohlzylinders verstärkt ist und um ™ die gesamte Peripherie verteilte, zylinderförmige Aussparungen aufweist, in denen die Walzen (22) drehbar angeordnet sind, daß in den unverstärkten Teilen (26, 32) der Wandung des Hohlzylinders Öffnungen vorgesehen sind, daß U-förmige Röhren (40) an der Außenseite des Hohlzylinders angeordnet sind, deren Enden in den Öffnungen der Wandung des Hohlzylinders befestigt sind, daß die U-förmigen Röhren ein Teil des Kreislaufes für das Kühlwasser sind und daß das Kühlwasser im Inneren des Gehäuses die Kernbrennstoff elemente (_H>) umspült.

   7. Nukleares Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Kreislauf für das Kühlwasser der KühlwaeserstTo* durch Ablenkplatten (38, 1^0) in das Innere des Gehäuses hinein und von diesem weggeführt wird» daß die Ablenkplatten jeweils zwischen der Boden- (50) und der Deckplatte (46) und den Enden der

   Soe/Hü BADORIGINAL

   PU 68/8240

   Kernbrennatoffeleaente (Jjj») angeordnet sind und daß eine motorbetriebene Pumpe (106) zum Umpumpen des Kühlwassers vorgesehen iet.

   8; Nukleares Energieversorgungssystem nach einen der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zum Entionisieren von Wasser eine um die Außenseite des Gehäuses gelegte Kingröhre (122) vorgesehen ist, die Bit Ionenaustauschern (120) für Kationen und Anionen gefüllt ist.

   9. Nukleares Energieversorgungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse mit eine« hohlen Tragsockel (U) versehen ist« daß die mit Ionenaustauschern (120) gefüllte Ringröhre (122) um den Tragsockel gelegt und daß die Pumpe (1Q$) im Tragaookel angeordnet iat.

   10. Nukleares Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß am oberen Bnde des verstärkten Teile· der Wandung des Hohlzylindera (JL2) eine mit Durchbrücben versehene Tragplatte (18) befestigt ist, daß eine hohle« unten geschlossene Verschlußschraube (56) in der inneren Metallröhre (§4) jedes Kernbrennetoffelementes (V6) angeordnet ist und au· dieser heraueragt, daß Jede Verschlußschraube «türen einen Durchbruch der Tragplatte geführt iet und Über dieee hinausragt, daß jede *>r*ohlluftschraube mit einer Mutter (€4) an der Tragplatte befestigt ist, wobei «la Ab·tandehalter (62) «wischen

   - Soe/HÜ

   )0M42/Q4S.3. .

   PLA 68/8240

   Mutter und Tragplatte vorgesehen ist, daß die Seitenwandung des Abstandshalter und der Verschlußschraube je einen Schlitz (66, 68) aufweisen, wobei die Schlitze aiteinander fluchten und daß elektrische Leiter (70) voe Thermogenerator (J72) jedes Kernbrennstoffelementes (1_6) durch den Durchbruch der Tragplatte und die Schlitze in die Verschlußschraube hinein und aus dem oberen Ende der Verschlußochraube herausgeführt sind.

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