DE2514812A1

DE2514812A1 - Atomkernreaktor

Info

Publication number: DE2514812A1
Application number: DE19752514812
Authority: DE
Inventors: Donald Broadley
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1974-04-05
Filing date: 1975-04-04
Publication date: 1975-10-16
Also published as: FR2266940A1; IT1032610B; JPS50140792A; US4062724A; FR2266940B1; JPS5748755B2; GB1464425A; BE827587A

Description

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PATENTANWÄLTE D 59 Siegen

DIPL-ING. ERICH SCHUBERT Marburger Tor 2 - Postfach

DIPL.- ING. ROLF PURCKHAUER ™^ef°"^: (°²⁷¹>⁵⁴⁰⁷⁰

Telegramm-Anschrift: Patschub, Siegen

Anwaltsakte 75 021, Kü/St. 2. April 1975

United Kingdom Atomic Energy Authority, 11 Charles II Street, London SW1Y 4QP, England

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der "britischen Patentanmeldung Nr. 15122/74 vom 5. April 1974 "beansprucht.

Atomkernreaktor

Die Erfindung bezieht sich auf Atomkernreaktoren sowie auf· Sammeltröge für geschmolzene Kernbrennstofftrümmer.

Bei einer Ausführungsform von Kernreaktor ist eine Kernbrennstoff masse, die den Reaktorkern bildet, in ein Schmelzbad aus flüssigem Kühlmittel eingetaucht, welches als Träger für den Wärmetransport vom Reaktorkern nach einer Dampferzeugungseinrichtung dient. Beispiele für Reaktoren dieser Art sind der mit flüssigem Metall gekühlte Schnellbrüterreaktor sowie Siedewasser- und Druckwasserreaktoren. Im Falle eines Verlustes an Kühlmittel aus dem Kern oder einer eingeschränkten Strömung von Kühlmittel durch den Kern hindurch könnte Kernbrennstoff abschmelzen und auf den Boden des das Kühlmittel enthaltenden Behälters fallen. Wegen des hohen Wärmegehaltes-der Brennstofftrümmer, ergänzt durch Spaltprodukt-Zerfallswärme und möglicherweise durch Kritikalität der nuklearen Masse, könnte dem Boden

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des Behälters und dessen Umgebung eine ernsthafte Beschädigung zugefügt werden. Für einen durch flüssiges Metall gekühlten Schnellbrüterreaktor wurden bereits zahlreiche Vorschläge zum Festhalten geschmolzener Brennstofftrümmer gemacht, bevor diese den Boden des Behälters erreichen, wobei ein derartiger Vorschlag das .Vorsehen einer Vielzahl von Lagen aus Sammeltrögen umfaßt, die unterhalb des Kerns angeordnet sind, wobei Tröge in den oberen Lagen so angeordnet sind, daß sie Tröge in den unteren Lagen überlappen. Die Tröge würden jedoch einem solch hohen Wärmefluß ausgesetzt sein, daß eine ernsthafte Verwerfung entstehen könnte.

Bei einem Kernreaktoraufbau mit einem Reaktorkern, der in ein Kühlmittel-Schmelzbad in einem Behälter eingetaucht ist, sowie mit einem Sammeltrog für Kerntrümmer, der in das Schmelzbad von Kühlmittel unterhalb des Kerns eingetaucht und im Abstand vom Boden des Behälters angeordnet ist, weist erfindungsgemäß die Wand des Behälters einen Innenkragen auf, der so angeordnet ist, daß er eine Umfangswand des Troges überlappt, um Kerntrümmer in den Trog zu leiten, und der Sammeltrog weist eine Vielzahl von Kühlrohren auf, die sich zwischen einer Bodenplatte und der Umfangswand erstrecken und durch welche Kühlmittel aus den unteren Bereichen des Schmelzbades aufwärts in Umlauf gebracht werden kann.

Bei Betrieb wird Kühlmittel durch die Kühlrohre so in Umlauf gebracht, daß der Wärmefluß in den Boden des Troges hinein auf einem annehmbaren Pegel gehalten wird. Vorzugsweise erfolgt der Umlauf von Kühlmittel durch die Rohre hindurch aufgrund natürlicher Konvektionsströmung, .um ein völlig passives System vorzusehen, doch kann andererseits das Kühlmittel auch durch die Rohre hindurchgepumpt werden. Die Rohre des Komplexes sind so angeordnet, daß sie innerhalb des Troges gleichmäßig verteilt sind, so daß in einem Notfall, der sich aus dem Abschmelzen von Brennstoff ergibt, die Kühlung im wesentlichen über die gesamte Masse von Brennstofftrümmern einheitlich ist. Biegungen in den Rohren ergeben eine ausreichende Flexibilität, um lineare Wärmeausdehnungen aufzunehmen.

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Die Erfindung umfaßt auch einen Sammeltrog für einen Atomkernreaktor gemäß dem vorangehenden Absatz, wobei der Sammeltrog eine Bodenplatte aufweist, in welcher das eine offene Ende jedes Rohres eines Komplexes von Kühlrohren aufgenommen wird, und eine Umfangswand aufweist, in welcher das andere offene Ende jedes Rohres des Komplexes von Kühlrohren aufgenommen wird.

Ausführungsformen von Kernreaktoren nach der Erfindung werden nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung "beschrieben, und zwar zeigt

Pig. 1 einen Schnitt durch einen Atomkernreaktoraufbau,

während
Pig. 2 einen Schnitt durch ein Alternativmerkmal für einen zweiten Aufbau wiedergibt.

Der in Pig. 1 dargestellte Atomkernreaktor ist ein mit flüssigem Natrium gekühlter Schnellbrüter, der eine Masse aus Kernbrennstoff 1 aufweist, welcher den Reaktorkern bildet, der in ein Schmelzbad 2 aus flüssigem Natrium eingetaucht ist, welches in einem Behälter 3 enthalten ist.

Der Behälter 3 ist innerhalb eines Betongewölbes 4 am Dach oder Deckel 5 hängend angeordnet, und der Kern 1 wird auf einem Haltegitter 6 abgestützt, das ebenfalls am Dach hängt. Der Kern 1 ist von einem Mantel 7 umschlossen, der mit einem Wärmetauschereinlaß 8 verbunden ist, wobei der Wärmetauscherauslaß in das Schmelzbad mündet. Eine Natriumpumpe 10, die Natrium aus dem Schmelzbad 2 herauszieht, ist mit dem Haltegitter 6 so verbunden, daß beim Betrieb des Kernreaktors Natrium-Kühlmittel aus dem Schmelzbad nach dem Haltegitter, aufwärts durch den Kern 1 hindurch und von dort durch den Mantel 7 nach dem Wärmetauschereinlaß 8 und zurück in das Schmelzbad gepumpt wird. Ein Sammeltrog für geschmolzenen Kernbrennstoff ist mit 11 bezeichnet und weist eine Bodenplatte 12 auf, die einen ebenen Rohrboden bildet, in welchem das eine Ende jedes Rohres eines Komplexes von Kühlrohren 13 aufgenommen wird. Eine Umfangswand 14 des Troges bildet einen ringförmigen Rohrboden, in welchem

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das andere offene Ende jedes Rohres des Komplexes aufgenommen wird. Die Rohrverbindungen mit dem ebenen Rohrboden sind auf konzentrischen Teilkreisen angeordnet, und die Rohrverbindungen mit dem ringförmigen Rohrboden sind in tagen angeordnet, um dadurch eine gleichmäßige Verteilung von Kühlrohren über den ganzen Trog hinweg zu bewirken, so daß im Falle eines Abschmelzens des Kerns die geschmolzene Masse im wesentlichen gleichmäßig durch Natrium gekühlt wird, welches durch die Rohre infolge natürlicher Konvektion strömt.

Der Umfang des Troges erstreckt sich nahezu bis zur Wand des Behälters, die einen Innenkragen 15 trägt, der so angeordnet ist, daß er den Umfang des Sammeltroges überlappt, so daß Brennstofftrümmer, die durch Kühlmittelströmung durch den Mantel hindurch und von dort nach de*n äußeren Bereichen des Schmelzbades mitgerissen werden, in den Trog geleitet werden, anstatt auf den Boden des Behälters. Wärme-Syphonrohre 16 durchdringen den Kragen und erstrecken sich nach oberen Bereichen des Schmelzbades aus flüssigem Natrium, damit Kühlmittel unterhalb des Kragens und des Troges in obere Bereiche des Kühlmittel-Schmelzbades fließen kann.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel eines Kernreaktors, der im allgemeinen ähnlich dem erstbeschriebenen ist, ist der Sammeltrog 21 wie in Fig. 2 dargestellt ausgebildet, sieht eine erhöhte natürliche Kühlmittelströmung vor und erhöht den örtlichen Wärmeübertragungskoeffizienten. Der Trog weist eine ringförmige Bodenplatte 22 auf, die einen ebenen Rohrboden bildet, in welchem das eine offene Ende jedes Rohres 23 eines Komplexes von Kühlrohren aufgenommen wird. Eine vertikale Umfangswand 24 bildet einen ringförmigen Rohrboden, in welchem das andere offene Ende jedes Rohres des Komplexes aufgenommen wird. Die Rohrverbindungen mit dem ebenen Rohrboden sind auf konzentrischen Teilkreisen angeordnet, und die Rohrverbindungen mit dem ringförmigen Rohrboden sind in lagen angeordnet, um dadurch eine gleichmäßige Verteilung von Kühlrohren über den gesamten Trog hinweg zu bewirken. Die Bodenplatte 22 weist eine innere, ringförmige senkrechte Wand 25 auf, über der sich ein · konisches Teilstück 26 befindet, dessen Spitze sich auf der

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senkrechten Achse de-s Reaktorkerns befindet. Die Wand des konischen Teilstücks 26 und eine obere Wandverlängerung 27 der Wand 24 sind in einem Winkel geneigt, der größer ist als der Ablage- bzw. Böschungswinkel von Brennstoff (z.B. Uranoxid) im Natrium, so daß Trümmer aus dem Kern in die Wand gerichtet werden, welche durch die Innen- und Umfangswand des Troges gebildet wird.

Ein grundlegendes Merkmal der zweiten Ausführungsform besteht darin, daß der Trog für Niedertemperatur-Festbrennstoff (welcher Urandioxid sein könnte) auf der Bodenplatte bis zu einer Höhe gebildet wird, die durch die Redundanzbedingungen der Kühlrohre bestimmt wird, und es kann sich dann eine unbegrenzte Menge von geschmolzenem Brennstoff oben auf dieser festen Schicht ansammeln,, ohne daß das Temperaturgefälle über die Bodenplatte hinweg beeinträchtigt wird.

Die beschriebenen Ausführungsformen für einen Atomkernreaktor haben den Vorteil, daß in einem Notfall die Vorrichtungen zum Sammeln von geschmolzenen Brennstofftrümmern völlig passiv sind, wobei der Umlauf von Kühlmittel durch natürliche Konvektionsströmung erfolgen kann. Durch Unterbrechen der Masse von Brennstofftrümmern durch die Kühlrohre wird die nukleare Kritikalität der Masse ebenfalls reduziert. Außer einer kleinen Menge von feinverteilten Brennstofftrümmern, die durch die niedrigen Geschwindigkeiten, welche einer natürlichen Konvektionsströmung innewohnen, getragen werden können, werden alle vom Kühlmittel ausgehenden Trümmer in den Sammeltrog abgeleitet.

Patentansprüche.

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Claims

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75 021KÜ/3

Patentansprüche

i 1.JAtomkernreaktor mit einem Reaktorkern, der in ein Kühlmittel-Schmelzbad eingetaucht ist, sowie mit einem Sammeltrog für Kerntrümmer, der in das Schmelzbad aus Kühlmittel unterhlab des Kerns eingetaucht und im Abstand vom Boden des Behälters angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des Behälters (3) einen Innenkragen (15) aufweist, der eine Umfangswand (14,2*1) des Troges überlappt, um Kerntrümmer in den Trog zu leiten, und daß der Sammeltrog eine Vielzahl von Rohren (13,23) aufweist, die sich zwischen einer Bodenplatte (12,22) und einer Umfangswand erstrecken und durch welche Kühlmittel aus den unteren Bereichen des Schmelzbades nach oben in Umlauf gebracht werden kann.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Bodenplatte (12,22) des Troges einen ebenen Rohrboden bildet, in welchem das eine Ende jedes Rohres (12,23) eines Komplexes von Kühlrohren aufgenommen wird, während die Umfangswand (14,24) einen ringförmigen Rohrboden bildet, in welchem das andere offene Ende jedes Rohres des Komplexes aufgenommen wird, wobei die Rohrverbindungen mit dem ebenen Rohrboden auf konzentrischen Teilkreisen angeordnet sind, während die Rohrverbindungen mit dem ringförmigen Rohrboden in Lagen angeordnet sind, um dadurch eine gleichmäßige Verteilung· von Kühlrohren über den gesamten Trog hinweg zu bewirken.
3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (22) ringförmig ist und eine vertikale innere Ringwand (25) aufweist, über der sich ein konisches Teilstück (26) befindet, dessen Spitze auf der Vertikalachse des Reaktorkerns liegt, und daß die Umfangswand (24) eine geneigte obere Verlängerung (27) aufweist.

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4. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3» gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Pumpen von Kühlmittel aus dem Schmelzbad des Kühlmittels nach oben durch die Rohre hindurch.

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