DE1904200C3 - Mit flüssigem Metall gekühlter schneller Leistungs-Brutreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf mit flüssigem Metall gekühlte schnelle Leistungs-Brutreaktoren mit einem Reaktorkern, der in einem Primärtank in ein Schmelzbad aus einem flüssigen Metall der gleichen Zusammensetzung wie der des Kühlmittels eingetaucht ist, und mit mindestens einem Wärmetauscher und einer Kühlmittel-Umlaufpumpe, die vom Versehlußdeckel eines den Primärtank aufnehmenden Betonbehälters gehalten und ebenfalls in das Schmelzbad eingetaucht sind, wobei der Versehlußdeckel den an seinem Rand befestigten Primärtank dicht verschließt.
Eine Ausführungsform eines solchen Leistungs-Brutreaktors (bekannt als »Schmelzbadtyp«) ist in »Proceedings of the International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, Vol. 3,1955, Seiten 330 bis 344, beschrieben. Solche Leistungs-Brutreaktoren haben zwei besondere Nachteile: Erstens muß eine Abdeckung aus einem inerten Gas über der Oberfläche des Schmelzbades vorgesehen werden, um eine Oxidation des flüssigen Metalls zu verhindern. Bei der aufgewühlten Oberfläche des Schmelzbades während des Reaktorbetriebes kann aber ein Teil des Schutzgases vom

so Schmelzbad-Kühlmittel mitgerissen und anschließend durch die Reaktorbrennstoff-Baugruppe hindurchgetragen werden, wodurch Hohlräume in der Baugruppe erzeugt werden und deren reaktive Stabilität beeinträchtigt wird. Zweitens verursachen Temperaturdifferenzen ernsthafte und komplizierte Spannungen im Primärtank. Beispielsweise beträgt die Temperatur des die Brennstoff-Baugruppe enthaltenden Bereiches des Schmelzbades annähernd 600⁰C, während die des Außenbereiches des Schmelzbades cswa 400⁰C beträgt.

-to Der Primärbehälter ist am Versehlußdeckel des Betonbehälters bei einer Temperatur von etwa 40° C dicht befestigt, so daß eine große Temperaturdifferenz in den oberen Gängen der Wand des Primärtanks, die sich zwischen der Verschlußdeckelbefestigung und dem

•15 Oberflächenspiegel des Schmelzbades erstrecken, vorhanden ist, wobei dieser Spiegel stark veränderlich ist, was zu komplizierten Spannungen führt, die nachfolgend einen Bruch des Tanks mit sich bringen können. Bei einer anderen Ausführungsform von mit flüssigem Metall gekühlten schnellen Leistungs-Brutreaktoren, bekannt als »Geschlossenschleife-Typ«, wie beispielsweise in der DE-AS 1048 363 und FR-PS 15 00 128 beschrieben, ist die Reaktorbrennstoff-Baugruppe in flüssiges Metall als Kühlmittel in einem geschlossenen Tank eingetaucht, und der Tank, die Wärmetauscher und Kühlmittel-Umlaufpumpen sind in einer geschlossenen Kühlmittel-Kreislaufschleife enthalten. Ein ernstes Problem bei dieser Art Kernreaktor ist daj'in zu sehen, daß ein Bruch in der Kühlmittel-Kreislaufschleife ein schnelles Leerlaufen der Brennstoff-Baugruppe mit ersten Folgen verursachen könnte.

Wenn auch solche Schwierigkeiten bei relativ kleinen Konstruktionen von »Schmelzbad«- und »Geschlossenschleifew-Kernreaktoren toleriert werden können, so

fi5 sind sie bei großen Leistungsreaktoren nicht vertretbar. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch sinnvolle Kombination der vorbeschriebenen Reaktortypen die Sicherheit eines mit flüssigem Metall

gekühlten schnellen Leistungs-Brutreaktors bei Ausnutzung der Vorteile und Vermeidung der Nachteile der beiden Reaktortypen zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäB dadurch gelöst, daß der Reaktorkern innerhalb des Primärtanks in einem mit einem Deckel verschlossenen Sekundärtank angeordnet ist, der mit jeweils einem an einer Ausströmleitung angeschlossenen Wärmetauscher und einer durch eint Verbindungsleitung mit dem Wärmetauscher verbundenen und über eine Einströmleitung an den Sekundärtank angeschlossenen Kühlmittel-Umlaufpumpe je eine geschlossene Kühlmittel-Kreislaufschleife bildet, die sämtlich innerhalb des Schmelzbades verlaufen.

In Weiterbildung der Erfindung weist der Sekundärtank eine den Reaktorkern radial umgebende Neutronenabschirmung auf, und dessen Deckel trägt eine oberhalb des Kerns angeordnete Neutronenabschirmung.

Jede geschlossene Kühlmittelkreislaufschleife weist ein Ventil zum Verbinden des Kreislaufs mit dem Schmelzbad im Primärtank auf, um im Falle des Versagens der Kühlmittel-Umlaufpumpe Wärme aus dem Reaktorkern direkt in das Schmelzbad abführen zu können.

Vorteilhaft weist der Verschlußdeckel des Betonbehälters zumindest einen Teil auf, der relativ zum Reaktorkern und koaxial zu diesem drehbar ist, wobei der Deckel des Sekundärtanks mit diesem Teil des Verschlußdeckels drehfest verbunden ist.

Der Deckel des Sekundärtanks kann dem Reaktorkern zugeordnete Einrichtungen und Instrumente tragen, die einen Regelstabmechanismus, Einrichtungen zur Überwachung von beschädigten Brennelementen sowie Thermoelementkabel zur Überwachung der Kühlmittel-Ausströmtemperatur umfassen.

Der drehbare Teil des Verschlußdeckels und des damit verbundenen Deckels des Sekundärtanks sind relativ zum Reaktorkern nach außen bewegbar, so daß die Überwachungseinrichtungen für den Reaktorkern aus dem Kern herausgezogen werden können.

Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal hat der Betonbehälter im Grundriß eine längliche Form, und für den Deckel des Sekundärtanks und den Verschlußdekkel oder einen Teil desselben ist ein Niederhalteaufbau vorgesehen, der den Betonbehälter über die kleinere Breite überspannt.

Durch die Erfindung wird somit ein für die Energieerzeugung einsetzbarer, mit flüssigem Metall gekühlter schneller Leistungs-Brutreaktor geschaffen, der unter Beibehaltung der Sicherheitsqualität des »Schmelzbudtyps« von Kernreaktor die Schwierigkeiten aufgrund von Gaseinschlüssen und Temperaturdifferenzen im Aufbau vermeidet. Beim erfindungsgemäßen Reaktor braucht das flüssige Metall nur auf einer relativ niedrigen Temperatur zu liegen, die ausreicht, um es im geschmolzenen Zustand zu halten, und der Oberflächenspiegel desselben bleibt relativ konstant, so daß es nicht notwendig ist, einen Primärtank von einer zur Aufnahme variabler Pegel ausreichenden Höhe vorzusehen, und die vom Verschlußdeckel des Betonbehälters herabhängenden Teile können kürzer sein, so daß der Materialaufwand reduziert wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung ausführlicher beschrieben. Dabei f>5 zeigt

Fig. I eine Seitenansicht, teilweise im Mittelschnitt, einer Konstruktion eines großen, mit Flüssigmetall gekühlten schnellen Leistungs-Brutreaktors,

F i g. 2 eine Draufsicht dieses Reaktors,

F i g. 3 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines solchen Kernreaktors,

F i g, 4 einen Schnitt in der kleineren Ebene durch den Primärtank nach F i g. 3 und

F i g. 5 einen Schnitt in der größeren Ebene durch die Hälfte des Tanks nach Fig.3, wobei die nicht dargestellte Hälfte allgemein ein Spiegelbild der dargestellten. Hälfte ist.

Der in den F i g. 1 und 2 dargestellte Kernreaktor ist für eine elektrische Ausgangsleistung von 1300 MW ausgelegt und ist ein natriumgekühlter Schnellbrüter. Kurz ausgedrückt, weist er einen doppelwandigen Primärtank 1 in einem Betonbehälter 2 auf, der durch einen Verschlußdeckel 3 geschlossen wird, welcher über die Behälteröffnung hinweg abgestützt ist

Der Primärtank 1 enthält Natrium bis zu einem Pegel L(F i g. 1). F.r enthält außerdem, in Natrium eingetaucht, den gesamten Primär-Kühlmittelkrei'.iuf des Reaktors, der aus dem Reaktorkern 4, welcher axia!° Brüterberciche an jedem Ende und einen radialen Brüterbereich 5 enthält, aus vier Primär-Wärmetauscherabschnitten 6, aus vier Pumpen 7 sowie aus Leitungen besteht, welche diese Einzelaggregate untereinander verbinden, die nachfolgend beschrieben werden. Um diese Einzelaggregate aufzunehmen, ist der Primärtank 1 rechteckig mit abgerundeten Enden in der Draufsicht (Fig.2) ausgebildet und weist einen abgerundeten Boden auf, wobei etwa folgende Abmessungen vorliegen: Etwa 25 m Länge, etwa 13,25 m Breite und etwa 14,6 m Tiefe. Der Kern und dessen Zubehör befinden sich auf der einen Seite des Tanks 1 (rechte Seite in Fig. 1), wobei sich die Wärmetauscher und zwei Pumpen auf gegenüberliegenden Seite.n befinden und die anderen beiden Pumpen mehr oder weniger zentral angeordnet sind und einen Raum einnehmen, der durch die in Draufsicht allgemein zylindrische Form den Kerns und Zubehörs gebildet wird (siehe F i g. 2).

Der Reaktorkern, der den radialen Brüterbereich enthält, ist durch einen Sekundärtank 50 eingeschlossen, der aus einer zylindrischen Seitenwand 8 mit Wärmeisolierung 9 und Neutronenabschirmung IO auf der Innenseite, einem oberen Deckel 11, der dicht auf der Wand 8 sitzt, sowie aus einer unteren Kern-Endhülle zusammengesetzt ist, welche aus, einer Plattform 12 besteht, die durch Träger 13 abgestützt wird, welche durch Hängebauteile oder, wie dargestellt, durch einen Zylinder 14 am Verschlußdeckel 3 des Betonbehälters hängend angeordnet sind. Leitungen 15 durchdringen die Seitenwand 8 und den Zylinder 14 an einer Reihe von radialen Stellen etwa auf Zweidrittel der Kernhöhe, wobei diese Stellen in F i g. 2 angedeutet sind. Die Leitungen 15 führen zu den Primär-Wärmetauschern 6. und heißes Natriuir, welches durch die Brennstoff- und Braterbereiche gelangt ist, wird zu den Leitungen 15 durch den Widerstand des Deckels 11 und durch entsprechende Leitkörper (nicht dargestellt) am unteren Ende der Abschirmung 10 geleitet. Nach dem Wärmeaustausch wird das Natrium von den Primär-Wärmetauschern den Einlassen der Pumpen 7 durch eine Vielzahl von Leitungen 16 zugeführt. Die Natriumabgabe durch die Pumpen 7 wird über Leitungen 17 dem unteren Ende des Kerns zugeführt, um durch diesen hinouich aufwärts zu strömen.

Ein Gitter 18 wird von der Plattform 12 getragen, und Leitungen 17 erstrecken sich durch die Plattform 12 hindurch bis zu den Einlaßenden von Brennelement-

Halterohren (nicht dargestellt, aber in dem Raum 19 von Fig. I enthalten), die vom Gitter 18 getragen werden, wobei das Natrium durch die Halterohre hindurch und in Brennelement-Untergruppen hinein gelangt, um über die darin enthaltenen Brennstoffstifte oder -stäbe zu strömen. Ein Sammeltank 20 befindet sich unterhalb des Gitters und sammelt jedes Leck oder jeden Rückfluß von Natrium aus den Enden der Leitungen 17 auf. Der Sammeltank 2(1 ist über eine Leitung 21 mit dem Einlaß einer oder mehrerer der Pumpen 7 verbunden, so daß Natrium, welches den Tank 20 erreicht, von den entsprechenden Pumpen zurückgeholt und wieder mit dem Hatiptstrom vereinigt wird.

Alternativ (nicht dargestellt) kann die Leitung 21 auch bis /um oberen Ende des Kerns geführt werden, um kühles Natrium vom Natriumhad im lank wegzuspülen, welches sonst in der I .ape wäre, durch cm Leck oder Spiel am Deckel 11 sich mit dem heißen Natrium vom Kern her /u vereinigen und dessen Temperatur hcrab/usei/en. Die Spülstrümung wird Über eine entsprechende Leitung /um Einlaß einer oder mehrerer Pumpen 7 zurückgeführt.

Vom Deckel 11 wird eine Neiitronenabschirmung 22 gehalten und bildet einen Teil desselben, wobei sie von /ugangsrohren durchdrungen ist. und /war zur Ausführung verschiedener Tätigkeiten, einschließlich Regelung, ßrt/nnstoffhandhabiing und Überwachung in den Brennstoff· und Rrüterbereichen des Kerns. So dienen zwei Zugangsrohre 2} zur Förderung von Brennelement-Untergruppen /wischen 'lern Kern und einem Brennstoffspeie her 24. der .in der Seite des Kerns außerhalb des .Sekundärtanks 50. aber innerhalb einer eigenen Teilhülle 25 angeordnet ist. die mit einer Wärmeisolierung 26 versehen und ,in den oberen und unteren Enden offen ist. um eine Konvekiionssträmung des Kühlmittels über darin gespeicherte Brennelement-Untergruppen (von denen eine in F i g. 1 dargestellt und mit 27 bezeichnet ist) vom Haupt-Natriumschmel/bad im Primärtank 1 her vorzusehen. Die Brennstoff-Untergruppen werden im Brennstoffspeicher durch Gitter 28, 29 abgestützt, und es ist eine Einrichtung (nicht dargestellt, aber innerhalb des Raumes 30) /ur Λ h*.rM-Hif»riinu Hpr Λ iifnrallpnpraip unrjpiphrn f'ir rinn

Fall, daß eine Brennelement-Untergruppe unbeabsichtigt in den Brennstoffspeicher von einer Beschickungsmaschine 31 hineinfällt, die nach dem Winden- und Scherenspreizerprinzip arbeite! und da/u dient, neue Brennelement-Untergruppen in den Brcnnstoffspeicher 24 einzubringen und bestrahlte Brennelement-Untergruppen aus diesem herauszunehmen Fin flaschenartiger Korper (nicht dargestellt) zur Abschirmung und Kühlung bestrahlter Brennelement-Untergruppen kann über die Beschickungsmaschine 31 hinweg angeordnet und von dieser abgenommen werden, wenn sie beladen ist. und zu entfernt angeordneten Brennstoff-Handhabungseinrichtungen transportiert werden. Die Zugangsrohrc 23 weisen Brennelement-Untergrjppen-Fördermaschinen (nicht dargestellt) auf. die an ihren oberen Enden zur Ausführung von Brennstoff-Förderarbeiten zwischen dem Kern (einschließlich des Brüterbereiches) und dem Brennstoffspeicher 24 abnehmbar sind. Um eine universelle Positionierung zu ermöglichen, sind die Zugangsrohre 23 in Ausnehmungen einer inneren drehbaren Abschirmung 32 vorgesehen, deren Drehachse koaxial zur Kernachse angeordnet ist. Die innere Abschirmung 32 ist exzentrisch in einer äußeren drehbaren Abschirmung 33 vorgesehen, deren Achse exzentrisch zur Kernachse liegt. Es ist eine Einrichtung (in F i g. 1 bei 34, 35 schematisch dargestellt) zum Befestigen bzw. zur Ausführung einer Drehung der Abschirmungen 32, 33 vorgesehen, wobei sich die äußere Abschirmung 33 im Verschlußdeckel 3 befindet. Darüber hinaus ist eine Einrichtung (nicht dargestellt) zum Hochwinden der inneren Abschirmung 32 relativ zur äußeren Abschirmung 33 vorgesehen, und zwar für einen Zweck, auf den nachfolgend noch näher eingegangen wird. Die Beschickungsmaschine 31 ist in der äußeren Abschirmung 33 befestigt und kann die verschiedenen Positionen im Brennstoffspeicher 24 durch Drehung der äußeren Abschirmung 33 bedienen.

Die innere Abschirmung 32 dient außerdem /um Hallen einer Einrichtung 36 zur Betätigung von Regelelementen 37. die in Regel Zugangsrohren 38 vorgesehen sind, welche sich in der Neutronenabschirmung 22 befinden, wobei die Elemente 37 mit der Einrichtung 36 über Aufhängungen 39 verbunden sind, die in Rohren 40 aufgenommen werden, welche die innere Abschirmung Sl durchdringen. Außerdem !ragt die innere Abschirmung 32 eine Einrichtung 41 zur Überwachung von Kühlmittelproben, die aus dem von jeder Brennelement-Untergruppe im Kern oder einer Gruppe derselben ausströmenden Kühlmittel abgezogen werden. Ein einzelnes Probeentnahmerohr ist der Klarheil wegen dargestellt und mit 42 bezeichnet. Es ist erkennbar, daß dieses Probeentnahmerohr 42 vom Kern zur Überwachungsvorrichtung konvergiert und daß das Rohr ^i leicht in den Kernbereich eindringt. Dadurch soll sichergestellt werden, daß die Probe gerade von der Innenseite der Hülle einer Brennstoff-Untergruppe her oder von einem gemeinsamen Auslaß einer Gruppe von Untergruppen her gesammelt wird, je nach dem. welches Svstern ausgewählt wird. Auf diese Weise repräsentiert die Probe gerade diese Untergruppe oder Gruppe von Untergruppen allein. Das Rohr 42 dient auch zur Führung von Thermoelementkabeln von der I Jntergruppe oder einer Gruppe derselben her; ein "aar solcher Kabel ist bei 43 dargestellt und erstreckt sich '(nicht dargestellt) nach oben durch die Abschirmung 32 hindurch zu einer entsprechenden Anzeige- und Aufzeichnungscinrichiung im Reaktor-Kontrollraum nrliT 711 rinrr StHIc ria/wi*rhi>n

Der Deckel 11 und die mit diesem einstückig ausgebildete Neutronenabschirmung 22 sind an der Abschirmung 32 durch eine hohle Säule 44 befestigt, so daß die Kombination aus Neutronenabschirmung 22 und Deckel 11 sich mit der inneren Abschirmung 32 dreht und mit dieser angehoben wird. Aus Vorstehendem ergibt «-ich. daß die ganze Bauteilgruppe, bestehend aus der .-'■ bschirmung 32. der Kombination au¹· Neutronenabschirmung 22 und Deckel 11 ui.ii den Probeentnahmerohren 42. die in der Abschirmung 22 sitzen, den Deckel 11 durchdringen und sich in den Kern in ihren normalen Stellungen erstrecken, angehoben werden muß. um die Bauteilgruppe für eine Drehung relativ zum Kern, der natürlich ortsfest ist, freizumachen. Ein Anheben von etwa 10 cm für die relativen Abmessungen, wie sie in der Zeichnung dargestellt sind, reicht aus. So muß für Brennstoff-Förderarbeiten dieses Anheben jeder Drehung der inneren Abschirmung 32 (und natürlich auch jeder Drehung der äußeren Abschirmung 33. da die Abschirmung 32 exzentrisch darin sitzt) vorangehen, und zusätzlich dazu müssen die Regelelemente 37 aus dem Kern herausgezogen werden. Es ist eine Einrichtung (nicht dargestellt) vorgesehen, um sicherzustellen, daß Abschalteiemente in den Kern während der Beschickungsarbeiten

eingeführt werden können, sollte irgendein Vorkommnis dies erfordern; eine solche Einrichtung hat das Merkmal der NichtZuordnung zu irgendeinem der vorgenannten drehbaren Elemente. Auf diese Weise kann der Reaktor, falls dies für wünschenswert angesehen wird, so betrieben werden, daß er unter Last wiederbeschickbar ist.

Dip Wärmelauscher 6 sind vom U-Rohrtyp, der nur einen fiinzigen Sammelkopf am oberen Ende der Rohre benötigt. Natrium wird als Sekundärmedium verwendet, wobei das Sekundär-Natrium von den Sammelköpfen aus dem Primärtank 1 durch Leitungen (nicht dargestellt) zu Sekundär-Wärmetauschern zur Dampferzeu gung für Turbinen für die Energieerzeugung geführt wird. Zwei Wärmetauscherabschnittc 6 sind in jedem von zwei Behältern 45 enthalten, wobei die Strömung von Primär-Natrium nach außen von einer zentralen Reihe von Einlassen, welche durch die Enden der Leitungen 15 gebildet werden, über die Rohre 46, durch welche das Sekundär-Natrium fließt, und heraus mich den Einlassen der Pumpen 7 über die Leitungen 16 verläuft.

Die Pumpen 7 sind zur Wartung über abgeschirmte Mannlöcher 47 im Verschlußdeckel 3 zugänglich. Sie sind vom Axialstrom-Impeilertyp und werden elektrisch unter Verwendung des .Stationsausgangs angelrieben, sind aber mit Hilfsmotoren ausgestattet, die vun einer garantierten elektrischen Notstromversorgung angetrieben werden. Sie enthalten außerdem Schwungräder, damit sich eine Auslaufkapazität ergibt, die das Umschalten auf Notstroinversorgungen bei minimaler Stö/jng der Natriumzirkulation ermöglicht. Eine Auslaßleitung 48 (F-" i g. 2) jeder Pumpe weist ein Ventil 49 auf und steht direkt mit dem Natrium-Schmelzbad im Primärtank 1 in Verbindung; dies geschieht deshalb, um ein Maß von Austauschbarkeit des Natriums zwischen dem Primärkreislauf, der völlig eingeschlossen ist. abgesehen von den Leckagen und dem Spülstrom, wie vorher erwähnt, und dem Natrium-Schmelzbad zu erhalten. Das Ausmaß der Austauschbarkeit kann durch das Ventil 49 reguliert werden, welches fernbedienbar ist.

Der Raum /wkrhrn Hpm VprcrhltiRHA^L·*»! ^ tinH /1*»m

Natriumspiegel L wird von einer Inertgasabschirmung 53 (zum Beispiel Argon) eingenommen, welche auf einem leicht niedrigeren als atmosphärischen Druck gehalten wird, wodurch jedes Leck nach innen gerichtet sein wird. Spielräume, zum Beispiel jene zwischen den Abschirmungen 32 und 33 und zwischen der Abschirmung 33 und dem Verschlußdeckel 3. werden durch Tauchdichtungen und eine Inertgas-Spülung des Zwischenraumes zwischen Tauchdichtungen bei leichtem Überdruck geschützt, wobei ein Aufwallen des Spülgases nach innen durch die untere Tauchdichtung hindurch hervorgebracht wird.

Bei Betrachtung der Fig. 3 bis 5 fällt zunächst auf. daß es eine Reihe von Ähnlichkeiten zwischen der nun zu beschreibenden Ausführungsform und der zuvor beschriebenen Ausführungsform gibt; entsprechende Bezugszeichen (um 100 erhöht) werden für solche ähnliche Teile verwendet. Die Konstruktion des in den F i g. 3 bis 5 dargestellten Kernreaktors ist ebenfalls für einen elektrischen Ausgang von 1300 MW ausgelegt und ist ebenfalls ein natriumgekühlter Schnellbrüter. Kurz ausgedrückt, weist er einen doppelwandigen Primärtank 101 auf, der in einem Betonbehälter 102 enthalten und durch einen Verschlußdeckel 103 geschlossen ist. welcher über die Behälteröffnung hinweg abgestützt ist. Der Primärtank 101 enthält Natrium bis zu einem Pegel /.'(F i g. 4 und 5). Er enthält außerdem, in das Natrium eingetaucht, den gesamten Primär-Kühlmittelkreislauf des Reaktors, bestehend aus dem Reaktorkern 104 (welcher axiale Brüterbereiche an jedem Ende und einen radialen Brüterbereich 105 enthält), aus vier Primär-Wärmetauscherabschnitten 106, die auf zwei Behältern 152 (F i g. 3 und 5) aufgeteilt sind, aus vier Pumpen 107 sowie aus Leitungen, welche diese im nachfolgenden beschriebenen Einzelaggregate verbinden. Um diese Einzelaggregate aufzunehmen, ist der Primärtank 101 elliptisch ausgebildet (Fig. 3) und hat einen gerundeten Boden mit folgenden annähernden Abmessungen: l^l).65m Lange. 10m Breite und 13.7 m Tiefe. Der Kern und dessen Zubehör befinden sich in der Mitte des größeren Durchmessers des Primärtanks 101. aber aus der Mitte des kleineren Durchmessers versetzt (siehe F i g. 3), wobei sich zwei Wärmetauscherabschnitte und zwei Pumpen auf jeder Seite des Kernabschnittes befinden.

Der Reaktorkern 104. einschließlich des radialen Rrüterabschnittes 105, ist von einem .Sekundärtank 150 umschlossen, der aus einer zylindrischen Seitenwand 108 mit einer Wärmeisolierung 109 und einer Abschirmung 110 an der Innenfläche, einem Deckel 111, der auf der Wand 108 sitzt, und einer unteren Kern-Endhülle besteht, die von einer Plattform 112 gebildet wird, welche durch Träger 113 abgestützt wird, die durch Aufhänger oder, wie dargestellt, einen Zylinder 114 am Verschlußdeckel 103 des Betonbehälters hängend angeordnet sind. Leitungen 115 durchdringen die Seitenwand 108 und den Zylinder 114 an vier radialen Stellen, die der oberen Hälfte des Kerns gegenüberliegen, wobei diese Stellen in den F i g. 3 und 5 angedeutet sind. Die Leitungen 115 führen zu den Primär-Wärmetauschern 106, und heißes Natrium, welches durch die Brennstoff- und Brüterbereiche hindurchgelangt ist. wird den Leitungen 115 durch die Niederhaltung des Deckels 111 und durch entsprechende Leitkorper 151 (Fig. 4 und 5) am oberen Ende der Abschirmung 110 zugeleitet. Nach dem Wärmeaustausch gelangt da^ Natrium von den Primär-Wärmetauschern zu den

Behälter 152 wie die entsprechenden Wärmetauscherabschnitte enthalten sind. Der Natriumausstoö der Pumpen 107 wird durch Leitungen 117 dem unteren Ende des Kerns zugeführt, um durch diesen hindurch aufwärts zu strömen.

Ein Haltegitter 118 wird von der Plattform 112 getragen, und die Lctungen 117 erstrecken sich durch die Plattform 112 hindurch bis zu den Einlaßenden von Brennelement-F4alterohren (nicht dargestellt, aber in dem Raum 119. Fig. 4 und 5. enthalten), die vom H^ltegitter 118 getragen werden, wobei Natrium durch die Halterohre und in Brennstoffelement-Untergruppen gelangt, um über die darin enthaltenen Brennstoffstäbe zu strömen. Ein Sammeltank 120 befindet sich unterhalb des Haltegitters und dient dazu, jedes Leck oder jede Rückströmung von Natrium von den Enden der Leitungen 117 her zu sammeln. Der SammeKank 120 steht mit einer Leitung 121 in Verbindung, die zum Eingang einer oder mehrerer der Pumpen 107 zurückführt (nicht dargestellt), so daß Natrium, welches den Tank 120 erreicht, von der oder den entsprechenden Pumpen zurückgeholt und wieder mit der Hauptströmung vereinigt wird.

Alternativ (nicht dargestellt) kann die Leitung 121 auch bis zum oberen Ende des Kerns eeführt werden.

um kühles Natrium vom Natrium-Schmclzbad im Tank wegzuspülen, welches sich sonst durch Leck oder Spiel am Deckel IfI mit dem heißen Natrium vom Kern her vereinigen und dessen Temperatur herabsetzen könnte. Die Spülströmung wird durch eine entsprechende -, Leitung zum Einlaß einer oder mehrerer Pumpen 107 zurückgeführt.

Durch den D"ckel 111 wird eine Neutronenabschirmung 122 abgestützt und bildet einen Teil desselben, wobei die Abschirmung von Zugangsrohren durchdrun- m gen ist, und zwar zur Ausführung verschiedener Tätigkeiten, wie Regelung. Brennsioffhandhabung und Überwachung an den Brennstoff- und Brüterbereichen des Kerns. So dienen zwei Zugangsrohre 123 (Fig. 4) zur Förderung von Brennelemeni-Untergruppen zwisehen dem Kern und einem Brrnnstoffspeicher 124, der seitlich vom Kern außerhalb des Sekundärtanks 150, aber innerhalb einer eigenen Teilumhüllung 125 angeordnet ist, die mit einer Wärmeisolierung 126 versehen und am oberen und unteren Ende offen ist. um >u eine Konvektionsstromung von Kühlmittel über die darin gespeicherten Brennelement-Untergruppen (von denen eine in Γ-" i g. 4 bei 127 dlrgestellt ist) vom Haupt-Natriumschmelzbad im Primärtank 101 her /u erzeugen. Die Brennstoff-Untergruppen werden im r> Brennstoffspeicher durch Gitter 128, 129 abgestützt, und es ist eine Einrichtung (nicht dargestellt, aber im Raum 130 angeordnet) für das Absorbieren der Stoßenergie vorgesehen, für den Fall, daß eine Brennelement-Untergruppe unbeabsichtigt in den in Brennstoffspeicher von einer Beschickungsmaschine 131 hinabfällt, die nach dem Winden-und Scherenspreizerprinzip arbeitet und dazu dient, neue Brennelement-Untergruppen in den Brennstoffspeicher 124 einzubringen und bestrahlte Brennelenient-Untergrup- ü pen aus diesem herauszunehmen. Ein flaschenartiges Gebilde (nicht dargestellt) zur Abschirmung und Kühlung bestrahlte.· Brennelement-Untergruppen kann über der Beschickungsmaschine 131 angeordnet und von dieser, wenn beladen, abgenommen werden, und -to nach entfernt angeordneten Brennstoff-Handhabungseinrichtungen befördert werden. Die Zugangsrohre 123 "'Sl-C" ^.rCrir^CCmCnt ^ΠΐνΓβΓυρρνΓι-ι ^ivjwimaaviiiiicli (nicht dargestellt) auf. die an deren oberen Enden abnehmbar angeordnet sind, um Brennstoff-Förderar- <"> betten zwischen dem Kern (einschließlich des Brüterbereiches) und dem Brennstoffspeicher 124 auszuführen. Um eine universelle Positionierung zu ermöglichen, sind die Zugangsrohre 123 in Aussparungen einer inneren drehbaren Abschirmung 132 vorgesehen, deren Dreh- » achse koaxial zur Kernachse verläuft. Die Brennstoff-Fördermaschinen werden durch die Abschirmung 132 getragen. Die innere Abschirmung 132 ist exzentrisch in einer äußeren drehbaren Abschirmung 133 angeordnet, deren Achse exzentrisch zur Kernachse verläuft. Es ist eine Einrichtung (schematisch in Fig. 4 bei 134, 135 dargestellt) zum Befestigen und Drehen der Abschirmungen 132, 133 vorgesehen, wobei die äußere Abschirmung 133 im Verschlußdecke! 103 befestigt ist. Darüber hinaus ist eine Einrichtung (nicht dargestellt) feo zum Anheben bzw. Hochwinder, der inneren Abschirmung 132 relativ zur äußeren Abschirmung 133 für einen Zweck, der sich nachfolgend noch ergibt vorgesehen. Die Beschickungsmaschine 131 ist in der äußeren Abschirmung 133 angebracht und kann die verschiedenen Positionen im Brennstoffspeicher 124 durch Drehen der äußeren Abschirmung 133 bedienen.
Die innere Abschirmung 132 dient außerdem zum Tragen einer Einrichtung 136 zum Betatigen von Regelelementen /37, die in Regel-Zugangsrohren 138 vorgesehen sind, welche in der Neutronenabschirmung 122 sitzen, wobei die Elemente 137 mit der Einrichtung 136 durch Aufhängungen 139 verbunden sind, welche in Rohren 140 untergebracht sind, die die innere Abschirmung 132 durchdringen. Außerdem trägt die innere Abschirmung 132 eine Einrichtung 141 zur Überwachung von Kühlmittelproben, die aus dem herausströmenden Kühlmittel von jeder Brennelement-Untergruppe im Kern oder einer Gruppe davon abgezogen werden. Ein einziges Probeentnahmerohr ist der Klarheit wegen dargestellt und mit 142 bezeichnet. Es ist ersichtlich, daß dieses Probeentnahmerohr 142 vom Kern zur Überwachungseinrichtung konvergierend verläuft und daß das Rohr 142 leicht in den Kernbereich hineinragt. Dadurch wird sichergestellt, daß die Probe gerade aus der Innenseite der Umhüllung einer Brennstoff-Untergruppe oder von einem gemeinsamen Auslaß einer Gruppe von Untergruppen her gesammelt wird, je nachdem, welches System ausgewählt wird. Auf diese Weise ist die Probe für diese Untergruppe oder Gruppe von Untergruppen allein repräsentativ. Das Rohr 142 dient außerdem zum Führen von Thermoelementkabeln von der Untergruppe oder einer Gruppe derselben her; ein Paar solcher Kabel ist bei 143 dargestellt und erstreckt sich (nicht dargestellt) nach oben durch die Abschirmung 132 hindurch zu einer entsprechenden Anzeige- und Registriereinrichtung im Reaktor-Kontrollraum oder zu einer Stelle dazwischen.

Die Kombination von Neutronenabschirmung 122 und Deckel 111 ist an der Abschirmung 132 durch eine hohle Säule 144 befestigt, so daß sich die Kombination aus Neutronenabschirmung 122 und Deckel 111 mit der inneren Abschirmung 132 dreht und mit dieser angehoben wird. Aus Vorstehendem ergibt sich, daß die Bauteilgruppe, bestehend aus der Abschirmung 132. der Kombination aus Neutronenabschirmung 122 und Deckel 111 und den Probeentnahmerohren 142. die in der Abschirmung 122 sitzen, den Deckel 111 durchdringen und sich in den Kern hinein in ihren normalen

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Bauteilgruppe für die Drehung relativ zum Kern, der natürlich ortsfest angeordnet ist. frei zu machen. Ein Anheben von etwa 10 cm für die in der Zeichnung dargestellten Relativabmessungen reicht aus. So muß für Brennstoff-Fördertätigkeiten dieses Anheben jeder Drehung der inneren Abschirmung 132 (und natürlich auch jeder Drehung der äußeren Abschirmung 133. da die Abschirmung 132 exzentrisch darin sitzt) vorangehen, und zusätzlich dazu müssen Regelelemente 137 aus dem Kern herausgezogen werden. Es ist eine Einrichtung (nicht dargestellt) vorgesehen, um sicherzustellen, daß Abschaltelemente in den Kern während der Wiederbeschickung eingeführt werden können, sollte irgendein Vorkommnis dies erfordern: eine entsprechende Einrichtung hat das Merkmal der Nichtzuordnung zu irgendeinem der vorerwähnten drehbaren Elemente. So kann, falls es als wünschenswert angesehen wird, der Reaktor so betrieben werden, daß er unter Last wiederbeschickbar ist

Es ergibt sich ferner, daß. da der Deckel 111 das Kühlmittel, welches durch den Kern 104, 105 hindurchgelangt ist zwingt zu den Leitungen 115 zu strömen, L üd dabei die Aufwärtsströmung am !80° mit Hilfe der Prall- oder Leitkörper 151 dreht eine große, aufwärtsgerichtete Kraft am Deckel 111 vorhanden ist die über

die Neutronenabschirmung 122 und die Säule 144 auf die Abschirmung 132 übertragen wird. Es besteht daher eine Notwendigkeit, die Abschirmung 132 niederzuhalten, was durch Balken (nicht dargestellt) geschieht, die sich über die kleinere Breite des Betonbehälters 102 hinweg erstrecken, wobei die Konstruktion der Balken durch die Mindest-Balkenlängsabmessung vereinfacht wird, welche durch die elliptische Form des Primärtanks 101 möglich wird. Diese Anforderung für das Niederhalten entgegen Kühlmittelkräften ist jedoch eine relativ geringe im Vergleich zu der Anforderung für ein Niederhalten, um einen Widersland gegen eine Fixkursion einer explosiven Heftigkeit innerhalb des Primärtanks 101 vorzusehen. Die Möglichkeit, den Niederhaltebalken eine ausreichende Festigkeit zu geben, um eine Niederhaltung gegen explosive Kräfte vorzusehen, wird weitgehend durch die genannte Mindestbalkenlänge unterstützt. Wenn auch die elliptische For™ des »r'itr.Hrlsr.kr, !01 eine wCsc-niliCMe Unterstützung beim Niederhalten und für eine /weckmäßige Verteilung der Hauptkomponenten des Kerns, des Brennstoffspeichers, der Wärmetauscher und Umlaufpumpen bildet, können auch andere als elliptische Formen verwendet werden, die eine größere und eine kleinere Breitenabmessung haben. Beispiele hierfür sind der rechteckige Tank mit abgerundeten Ecken, der bei der mit Bezug auf die Fig. I und 2 beschriebenen Konstruktion verwendet wird, sowie ein ovaler Tank.

Die Wärmetauscherabschnitte '06 (F ig. 3 und 5) sind mit zwei Abschnitten in jedem Behälter 152 angeordnet, wobei jeder Abschnitt seine eigene Pumpe 107 aufweist. Die Anordnung ist so, daß heißes Natrium vom Kern und von den radialen Brüterbereichen in jedem Behälter 152 durch ein Paar von Leitungen 115 eingebracht wird, wobei jeweils eine Leitung 115 jedem Wärmetauscherabschnitt 106 zugeordnet ist. Jeder Abschnitt 106 weist einen Einlaß-Sammelraum 154 auf, der mit dem oberen Ende von Einmaldurchgangs-Wärmetauscherrohren 135 in Verbindung steht, die jeweils in oberen und unteren Rohrplatten 156, 157 gehalten werden. Das untere Ende der Rohre 155 ist zu einer unteren .Sammelkammer 158 hin offen, in welcher die Einlasse 159 der jeweiligen Pumpe 107 angeordnet sind, die vom Doppeleinlaß-Radialströmungs-Impellertyp ist. wobei die Pumpenauslässe 160 mit den Leitungen 117 für die Rückkehr zum Kern in Verbindung stehen. Sekundärnatrium, welches sich im Kreislauf mit Sekundär-Wärmetauschern (nicht dargestellt) außerhalb des Primärtanks 101 befindet und zur Dampferzeugung für elektrische Energieerzeugungsturbinen verwendet wird, gelangt in jeden Behälter 152 über Leitungen 161 am unteren Ende in der Nähe und oberhalb der Rohrplatte 157 jedes Abschnittes 106 und tritt über eine Leitung 162 aus, welche Sekundärnatriurc; am unteren Ende der Kammer 163 abzieht, die zwischen den Rohrplatten 156, 157 gebildet ist. Auf diese Weise fließt das Primärnatrium vom Kern durch die Rohre 155, während das Sekundärnatrium im Gegenstrom über die Rohre 155 fließt.

Die Pumpen 107 sind je in einem Rohr 164 angeordnet, welches sich durch jeden Behälter 152 hindurch erstreckt und zur Wartung über abgeschirmte Mannlöcher 147 im Verschlußdeckel 103 zugänglich ist Die Wärmetauscherabschnitte 106 können in ähnlicher Weise durch abgeschirmte Mannlöcher 165 erreicht werden. Die Pumpen 107 werden elektrisch angetriesen, wobei der Stationsausgang verwendet wird, sind iber mit Hilfsmotoren ausgerüstet, die von einer

garantierten Notstromversorgung her angetrieben werden. Sie enthalten außerdem Schwungräder, damit sich eine Auslaufkapazität ergibt, um das Umschalten auf Notstromversorgungen zu ermöglichen, was bei kleinstmöglicher Störung des Natrium-Umli yfs erfolgt. Zweckmäßig weist eine Ausgangsleitjng (nicht dargestellt) von jeder Pumpe ein Ventil auf und steht direkt mit dem Natrium-Schmelzbad im Primärtank 101 in Verbindung; dies geschieht deshalb, um ein Maß von Austauschbarkeit des Natriums zwischen dem Primärkreislauf, der, abgesehen von Lecks und Spülströmung, wie vorher erwähnt, völlig eingeschlossen ist, und dem Natrium-Schmelzbad zu erlangen. Das Ausmaß der Austauschbarkeit kann durch das Ventil reguliert werden, welches fernbedienbar is«.

Bei einer Abänderungsform kann um dem Natrium-Schmelzbad eine bessere Möglichkeit zu geben, als eine Wärmeschleuse für Zerfallswärme aus dem Kern im f'a'lc des Versugci'i!> einci oder mehrerer Nairiumpumpen zu »virken, die Verbindung zwischen jedem eingeschlossenen Kreislauf und dem Schmelzbad statt wie vorerwähnt aufgebaut zu sein, ein manuell betätigbares Ventil mit einem zusätzlichen Hilfsventil am höchsten Teil jeder Kühlmittelschleife sowie ein manuell betätigbares Ventil mit einem zusätzlichen Hilfsventil an der Einlaßseite jeder Natrium-Umlaufpumpe aufweisen.

Der Raum zwischen dem Verschlußdeckel 103 und dem Natriumpegel /.'wird von einem Inertgaspolster 153 (z. B. Argon) eingenommen, welches auf einem leicht geringeren als atmosphärischen Druck gehalten wird, wodurch jedrs Leck nach innen verlaufen wird. Spielräume, z. B. jene zwischen den Abschirmungen 132 und 133 und zwischen der Abschirmung 133 und dem Verschlußdeckel 103, werden durch Tauchdichtungen und eine Inertgas-Spülung des Zwischenraumes zwischen Tauchdichtungen mit leichtem Überdruck geschützt, wodurch ein Aufwallen des Spülgases nach innen durch die untere Tauchelichtung hindurch hervorgebracht wird.

Aus F i g. 3 geht hervor, daß der Brennstoffspeicher

124 zentrisch um die klpinprp Arhsp Hps Primänanlrc 101 und in der Nähe der Wandung des*.~lben angeordnet ist. Ferner ist aus F i g. 3 ersichtlich, daß die Achse 166 des Kerns zum Schnittpunkt 167 der größeren und kleineren Achse des elliptischen Primärtanks 101 versetzt ist. Dies bedeutet, daß der Kern näher diesem Teil der Wandung des Primärtanks 101 als dem gegenüberliegenden Teil der Wandung liegt, wobei letztere in der Nähe des Brennstoffspeichers liegt. Diese nahe Anordnung ist vorteilhaft insofern, als eine nukleare Instrumentation außerhalb des Tanks und von der Aktivierung durch bestrahlten Brennstoff entfernt angeordnet werden kann, der vorübergehend im Brennstoffspeicher 124 gespeichert ist. Ferner bedeutet die Anordnung des Brennstoffspeichers 124 auf der einen Seite des kleineren Durchmessers, daß ein beträchtlicher Abstand von anderen Hauptkomponenten, insbesondere Pumpen, besteht, so daß eine Aktivierung von dem gespeicherten bestrahlten Brennstoff her auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird.

Der eingeschlossene Kühlmittelkreislauf, der beiden beschriebenen Konstruktionen gemeinsam ist. ist insofern vorteilhaft, als nur ein einziger Natriumpegel (L L') im Primärtank (1, 101) vorhanden ist. der weitgehend ungestört ist. wobei auf diese Weise das Problem des Gas-Mitreißens vom Polster her auf vernachlässiebar eerinee Pronnrtinnen rpHiiviprt wirr!

Als Folge davon besteht keine Notwendigkeit, eine Tankhöhe vorzusehen, die Änderungen im Natriumpege! gestattet, und daher kann die Länge der Bauteile, die von den Abschirmungen und dem Verschlußdeckel (3, 103) in das Natrium hineinhängen, reduziert werden, was in mechanischer Hinsicht vorteilhaft ist und Einsparungen an Material bewirkt Außerdem steht die einzige statische Natriumoberfläche auf relativ niedriger Temperatur, wodurch die Wärmebeanspruchung, die Natrium-Dampfprobleme und das Reduzieren von Wärmeisoliererfordernissen vereinfacht werden. Der geschlossene Kreislauf gestattet außerdem die Verwendung von druckbeaufschlagten Wärmetauschern. Darüber hinaus bedeutet das Vorhandensein der inneren

Neutronenabschirmung, die einen Teil des Deckels (11, 111) des Sekundärtanks bildet, daß das für die Abschirmungen (32,33; 132,133) notwendige Absehirsr.ungsmaterial im Vergleich zu früheren Konstruktionen reduziert wird, was die räumliche Abmessung sowie die Kosten reduziert Ferner ergibt sich eine reduzierte Aktivität des Gaspolsters. Die Kombination aus Deckel und Neutronenabschirmung bildet einen zweckmäßigen Halteaufbau für Einzelaggregate, die Jer Regelung und Instrumentation zugeordnet sind, z.B. die Regelelement-Zugangsrohren (38, 138), die Kühlmittel-Probeentnahmerohre (42, 142) und die Thermoelementkabel (43,143).

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Mit flüssigem Metall gekühlter schneller Leistungs-Brutreaktor mit einem Reaktorkern, der in einem Primärtank in ein Schmelzbad aus einem flüssigen Metall der gleichen Zusammensetzung wie der des Kühlmittels eingetaucht ist, und mit mindestens einem Wärmetauscher und einer Kühlmittel-Umlaufpumpe, die vom Verschlußdeckel eines den Primärtank aufnehmenden Betonbehälters gehalten und ebenfalls in das Schmelzbad eingetaucht sind, wobei der Verschlußdeckel den an seinem Rand befestigten Primärtank dicht verschließt, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorkern (4) innerhalb des Primärtanks (1) in einem mit einem Deckel (11) verschlossenen Sekundärtank (50) angeordnet ist, der mit jeweils einem an einer Ausströmleitung (15) angeschiossenen Wärmetauscher (6) und einer durch eine Verbindung:deitung (16) mit dem Wärmetauscher verbundenen und über eine Einströmleitung (17) an den Sekundärtank angeschlossenen Kühlmittel-Umlaufpumpe (7) je eine geschlossene Kühlmittel-Kreislaufschleife (50, 15, 6, 16, 7, 17) bildet, die sämtlich innerhalb des Schmelzbades verlaufen.

2. Brutreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärtank (50) eine den Reaktorkern (4) radial umgebende Neutronenabschirmung (10) aufweist und daß dessen Deckel (11) eine oberhalb des Kerns angeordnete Neutronenabschirmung (22) trägt.

3. Brutreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede geschlossene Kühlmittelkreislaufschleife (50, 15, 6, 16, 7_: 17) ein Ventil (49) zum Verbinden des Kreislaufs Ti.it dem Schmelzbad im Primärtank (1) aufweist, um im Falle des Versagens der Kühlmittel-Umlaufpumpe (7) Wärme aus dem Reaktorkern (4) direkt in das Schmelzbad abführen zu können.

4. Brutreaktor nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschlußdeckel (3) des Betonbehälters zumindest einen Teil (32) aufweist, der relativ zum Reaktorkern (4) und koaxial zu diesem drehbar ist, und daß der Deckel (11) des Sekundärtanks (50) mit diesem Teil (32) des Verschlußdeckels (3) drehfest verbunden ist.

5. Brutreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (11) des Sekundärtanks (50) dem Reaktorkern (4) zugeordnete Einrichtungen und Instrumente trägt, die einen Regelstabmechanismus (36, 37), Einrichtungen (41, 42) zur Überwachung von beschädigten Brennelementen sowie Thermoelementkabel (43) zur Überwachung der Kühlmittel-Ausströmtemperatur umfassen.

6. Brutreaktor nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Teil (32) des Verschlußdeckels (3) und des damit verbundenen Deckels (11) des Sekundärtanks (50) relativ zum Reaktorkern (4) nach außen bewegbar sind, so daß die Überwachungseinrichtungen für den Reaktorkern (4) aus dem Kern herausgezogen werden können.

7. Brutreaktor nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Betonbehälter (102) im Grundriß eine längliche Form aufweist, und daß für den Deckel (111) des Sekundärtanks (150) und den Verschlußdeckel (103) oder einen Teil (132)

desselben ein Niederhalteaufbau vorgesehen ist, der den Betonbehälter (102) über die kleinere Breite überspannt