DE1161361B

DE1161361B - Kernreaktor fuer ein Hochseeschiff

Info

Publication number: DE1161361B
Application number: DEU6872A
Authority: DE
Inventors: Melvin Francis Sankovich; John Frederick Mumm; Donald Christopher North Jun; Harvey Raymond Rock; Donald Kermite Gestson
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1959-01-29
Filing date: 1960-01-29
Publication date: 1964-01-16
Also published as: US2982713A; BE586969A; GB907816A; FR1246458A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES '/MT<m PATENTAMT Internat. Kl.: G 21

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21g-21/20

Nummer: 1161 361

Aktenzeichen: U 6872 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 29. Januar 1960

Auslegetag: 16. Januar 1964

Kernreaktor für ein Hochseeschiff

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor für ein Hochseeschiff, der einen Reaktorkern mit mehreren langgestreckten, parallel zueinander und im Abstand voneinander angeordneten, durch thermische Neutronen spaltbares Material enthaltenden Brennstoffelementen aufweist, von denen jedes einen Längskanal umschließt, durch den ein Moderator strömt, wobei eine erste und eine zweite Leitwandanordnung einander gegenüber an den Enden des die Spaltstoffelemente enthaltenden Reaktorkerns angeordnet, und wobei die erste Leitwandanordnung den Moderatorstrom in die Längskanäle eines ersten Teiles der Spaltstoffelemente leitet, um einen zweiten Moderatordurchgang zu bilden, und wobei die zweite Leitwandanordnung den aus dem ersten Teil der Spaltstoffelemente austretenden Moderatorstrom in den restlichen Teil der Spaltstoffelemente und der Zwischenräume zwischen diesen einleitet, um einen dritten Moderatordurchgang durch den Kern zu bilden, und wobei eine thermische Abschirmung vorgesehen ist, die den Moderatorstrom längs der Außenseite des Kernes zu der ersten Leitwandanordnung hinleitet, wodurch ein erster Moderatordurchgang durch den Kern gebildet wird.

Ein Kernreaktor in einer Schiffstriebwerksanlage soll klein und gedrängt gebaut sein und eine ausreichende Lebensdauer haben, damit seine Verwendung wirtschaftlich ist. Ferner soll der Reaktor so gebaut sein, daß unter ungünstigen Bedingungen ein leichtes Zusammenbauen und Auseinandernehmen möglich ist, und außerdem soll er wegen der Raumbeschränkung einen großen Sicherheitsspielraum gegen Betriebsstörungen haben.

Reaktoren der eingangs beschriebenen Art erweisen sich durch ihre gedrängte Bauform, durch die gute Ausnutzung des Kühlmittels infolge des mehrfachen Durchlaufs durch den Kern und durch die hohe Leistungsdichte als besonders geeignet. Bei einem Energieinhalt des Kerns von beispielsweise 50 000 Megawatt-Tagen kann ein Hochseeschiff über 3 Jahre oder mehr als 350 000 Seemeilen ohne Brennstoffersatz betrieben werden. Dies ist ein wesentlicher Vorteil.

Kernreaktoren, in deren aktiven Kernen eine Vielzahl von langgestreckten Brennstoffelementen, die von Moderatorfiüssigkeit durchströmt werden, sind an sich bekannt. Ebenfalls bekannt ist es, im Kern Leitwandanordnungen anzuordnen, die bewirken, daß das Kühlmittel den Kern mehrmals in verschiedenen Zonen durchströmt. Es ist auch bereits ein Reaktor bekannt, bei dem das Kühlmittel gleichzeitig die Moderatorflüssigkeit ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,

Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,
München 27, Gaußstr. 6

Als Erfinder benannt:
Melvin Francis Sankovich,
John Frederick Mumm,
Donald Christopher North jun.,
Harvey Raymond Rock,
Donald Kermite Gestson,
Lynchburg, Va. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 29. Januar 1959

(Nr. 790 029)

Reaktor mit der oben definierten Leitwandanordnung so auszubilden, daß er für die Verwendung in einem Hochseeschiff geeignet ist. Dabei ist insbesondere das Problem der Abdichtung des thermischen Schildes von der ersten Leitwandanordnung im Hinblick darauf zu lösen, daß sowohl durch das Rollen als auch durch das Stampfen des Schiffes Relativbewegungen der genannten Teile in allen Richtungen gegeneinander stattfinden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die erste Leitwandanordnung mit einer form- und kraftschlüssigen Dichtung versehen ist, um eine Verbindung des ersten Moderatordurchstroms mit dem dritten Moderatordurchstrom zu vermeiden, und daß diese Dichtung aus einem ringförmigen Dichtungsring und mehreren Druckfedern besteht, die längs dieses Ringes angeordnet sind, um während einer Bewegung des Reaktors den Dichtungsring kontinuierlich in einer dichtenden Stellung zu halten. Hierdurch wird erreicht, daß bei der Bewegung des Schiffes in der bewegten See die Masse des aktiven Reaktorkerns innerhalb des Reaktorbehälters schwingen kann und die damit verbundene Relativbewegung der thermischen Abschirmung und der mit dem aktiven Teil verbundenen ersten Leitwandanordnung ohne Verschlechterung der notwendigen Dichtung

309 779/169

zwischen dem ersten und dem dritten Durchstrom des aus Wasser bestehenden Moderatorkühlmittels möglich ist.

An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen senkrechten Schnitt durch den Reaktor gemäß der Erfindung, wobei der aktive Teil schematisch dargestellt ist;

F i g. 2 zeigt einen Teilschnitt durch die Dichtung, die den inneren Wärmeschildhohlraum von der Hauptkühlmittelströmung abdichtet.

Der in F i g. 1 gezeigte Reaktor 10 gemäß der Erfindung weist ein in senkrechter Richtung langgestrecktes Druckgefäß 12 von kreisförmigem Querschnitt auf, das an seinem unteren Ende mit zwei Einlaßdüsen 14 für das primäre Kühlmittel und zwei Kühlmittelauslaßdüsen 16 an seinem oberen Ende versehen ist. Das Gefäß 12 weist einen halbkugelförmigen Boden 18 und eine zylindrische Wand 22 auf, die sich an ihrem oberen Ende unter Bildung eines oberen Verschlußflansches 24 verengt. Zur Verbindung eines halbkugelförmigen Verschlusses 28 mit dem Flansch 24, so daß eine druckdichte Verbindung und ein oberes Plenum 25 erhalten wird, sind eine Anzahl Gewindebolzen 26 vorgesehen. Eine Omegadichtung 29, welche am Verschluß 28 und am Flansch 24 angeschweißt ist, gewährleistet eine lecksichere Verbindung. Das Gefäß 12 sowie der Verschluß 28 bestehen aus Kohlenstoffstahl, wobei an den Innenflächen eine Plattierung 32 aus korrosionsbeständigem Stahl vorgesehen ist.

Innerhalb des Gefäßes 12 sind der aktive Kern 34. die Abschirmungen 36, 38 und 42, welche den Kern 34 umgeben, eine Leitwandanordnung 44 für das untere Plenum, eine schematisch gezeigte Leitwandanordnung 46 für das obere Plenum und eine obere Gitterplattenanordnung 48, die ebenfalls schematisch dargestellt und zwischen dem Kern 34 und der Anordnung 46 befindlich gezeigt ist, angeordnet.

Wie ebenfalls in F i g. 1 gezeigt, sind in der Gitterplattenanordnung 48 eine Anzahl von Düsen vorgesehen, an denen nicht gezeigte Hebeeinrichtungen befestigt sind, welche sich in den Reaktor 10 durch den Verschluß 28 erstrecken und eine nicht gezeigte Anordnung aufweisen, um die Bewegungen der Regelstäbe 52 zu steuern, die sich in dem Kern 34 erstrecken, wie gezeigt, und die nachstehend näher beschrieben werden. Die nicht gezeigten Hebeeinrichtungen bilden keinen Teil der Erfindung und können in der üblichen Weise mit Elektromotoren und entsprechenden Getrieben entsprechend den allgemeinen Konstruktionsmerkmalen ausgerüstet sein, welche in der Zeitschrift NUCLEONICS, Bd. 13, Nr. 6, vom Juni 1955, S. 48 bis 51, gegeben sind.

Das Innere des Reaktorgefäßes 12 ist so angeordnet und ausgebildet, daß drei Strömungsdurchläufe des primären Kühlmittels bzw. der Leichtwassermoderatorflüssigkeit, wie nachstehend beschrieben, möglich sind. Das äußere Wärmeschild 42 besteht aus einer sich senkrecht erstreckenden Wand aus korrosionsbeständigem Stahl, die einen geraden Zylinder von kreisförmigem Querschnitt bildet, der an seinem unteren Ende offen ist und der an seinem oberen Ende durch beliebige geeignete Mittel an einem Haupttragring 54 für die inneren Einrichtungen bleibend befestigt ist, der mit der Innenseite der Wand 22, wie dargestellt, verschweißt ist. Ein äußeres Wärmeschild 42 erstreckt sich oberhalb und unterhalb von zwei voneinander in Abstand befindlichen imaginären waagerechten Ebenen χ und v. welche die obere bzw. die untere Begrenzung des aktiven Brennstoffbereichs des Kerns 24 bilden. Das Wärmeschild ist mit Öffnungen 56 in der Nähe seines oberen Endes versehen, um den Durchtritt einer Flüssigkeitsströmung zu ermöglichen, wie nachstehend noch näher beschrieben wird. Das mittlere Wärmeschild 39 ist im wesentlichen zylindrisch und

ίο trägt einen Flansch 58. der mit seinem oberen Rand verschweißt ist. Das Wärmeschild 38 ist im Reaktorgefäß 12 dadurch befestigt, daß sein Flansch 58 mit einem Kerntragring 62 verschraubt wird, der mit der Oberkante eines kegelstumpfförmigen Stützmantels 64 verschweißt ist, welcher seinerseits an seinem unteren Ende mit dem Haupttragring 54 für die inneren Einrichtungen verschweißt ist, wie dargestellt. Das mittlere Wärmeschild 38 besteht aus drei Abschnitten, nämlich einem oberen, sich senkrecht erstreckenden, geraden Zylinder 66 von kreisförmigem Querschnitt aus korrosionsbeständigem Stahl, mit dessen unterem Ende ein Flansch 68 verschweißt ist, einem mittleren geraden Zylinder 72 von kreisförmigem Querschnitt aus korrosionsbeständigem Stahl.

mit dem ein Flansch 74 benachbart dem Flansch 68 verschweißt ist, und aus einem unteren Abschnitt 76 von halbkugelartigem Querschnitt, der an seinem Rand 78 mit dem mittleren Zylinder 72 verschweißt ist. Die Flansche 68 und 74 sind miteinander durch eine Anzahl nicht gezeigter Bolzen verschraubt, um die Schildabschnitte 66 und 72 miteinander zu verbinden. Der untere Abschnitt 76 von halbkugelartigem Querschnitt des Schildes 38 dient als Abschluß des Innenraums des Schildes 38 oder des unteren Plenums 77 vom ersten Durchlauf des primären Kühlmittels, das durch die Düsen 14 eintritt und außerhalb des Schildes 38 nach oben strömt, wie nachstehend näher beschrieben wird. Der obere Zylinder 66 des Schildes 38 ist mit Öffnungen 82 und 84 am oberen bzw. am unteren Ende versehen, um den Durchtritt der primären Kühlmittelflüssigkeit zu ermöglichen. Im Plenum 77, das durch den Abschnitt 76 des Schildes 38 gebildet wird, kann, wenn erforderlich, eine sternförmige Strömungsleitwand 86 verwendet werden, um das Kühlmittel, das aus den Brennstoffelementen des zweiten Durchlaufs nach unten strömt, nach oben in die Brennstoffelemente des dritten Umlaufs umzulenken und gleichmäßig zu verteilen, wie nachstehend näher beschrieben wird.

Das innere Wärmeschild 36 ist ein gerader Zylinder mit kreisförmigem Querschnitt und offenen Enden aus korrosionsbeständigem Stahl, an dessen unterem Ende ein Flansch 88 angeschweißt ist. Der Flansch 88 ist mit einer Grundplatte 154 verschraubt.

Der Reaktorkern 34 besteht aus zweiunddreißig voneinander in Abstand befindlichen, langgestreckten, in Längsrichtung einander benachbarten quadratischen, brennstoffhaltigen Gebilden 92, die geometrisch in einem »Eierkisien'<-Gitter angeordnet sind, um einer gesteuerten Kettenreaktion unterzogen zu werden. Die Bezeichnung »A«- und »B«-Gebilde gibt die Richtung oder die »Durchläufe« der Kühlmittelströmung an. Die »A^-Gebilde sind diejenigen, in welchen das Kühlmittel bei seinem zweiten Durchlauf durch den Reaktor nach unten fließt, während die »B«-Gebilde diejenigen sind, in welchen das Kühlmittel bei seinem dritten Durchlauf nach oben fließt.

5 6

Ein scheibenartiger Dichtungsring 166, der sehe- NUCLEONICS, Volume 6, Nr. 2, 1950, S. 58 bis 65, matisch in Fig. 1 gezeigt und mit näheren Einzel- beschrieben. Ein Regelsystem für einen Hochflußheiten in F i g. 2 dargestellt ist, dient zur Abdichtung reaktor, das auf den Reaktor gemäß der Erfindung des Inneren des Kerns 34 zwischen der Oberkante anwendbar ist, ist in der USA.-Patentschrift 2 985 574 des zylindrischen Wärmeschildes 36 und im Außen- 5 beschrieben, obwohl die Regelstäbe und manche umfang der unteren Platte 172 der oberen Gitter- mechanische Einzelheiten der Hebeeinrichtungen verplattenanordnung48. Für diesen Zweck ist ein Halte- schieden sind. Das Verfahren zum Anfahren eines ring 174 vorgesehen, der durch Schrauben 176 am Reaktors ist in NUCLEONICS, Volume 6, Nr. 2, Außenumfang der Platte 172 befestigt ist, sowie ein 1950, S. 59, sowie in NUCLEAR ENGINEERING, flacher Dichtungsring 178, der auf dem Wärmeschild io Part I, Chemical Engineering Progress Symposium 36 und auf dem Haltering 174 aufruht. Zur zwang- Series, Volume 50, Nr. 11, 1954, S. 221, 223, beläufigen Abdichtung des Dichtungsringes 178 wird der schrieben.

letztere durch zwei Schraubenfedern 187 niedergehal- Zur weiteren Darstellung der bevorzugten Ausführen, die an zwanzig Stellen um den Umfang des Rin- rungsform der Erfindung gibt die Tabelle die Einzelges 178 herum angeordnet sind und sich in Gehäusen 15 ^{heiten des} vorangehend beschriebenen Reaktors: 184 abstützen, welche zu diesem Zweck an ihrem Solldruck 141 atü einen Ende mit der Platte 172 verschweißt sind. Gesamtlänge des Kerns ....... 229,23 cm

Die Strömung des primären Kühlmittels durch den Länge des aktiven Brennstoffs .. 167,64 cm

in Fig. 1 und 2 gezeigten Reaktor ist wie folgt: Das Äquivalenter Kerndurchmesser 157,63 cm

gesamte Leichtwasserkühlmittel tritt in das Reaktor- ²⁰ _π _M „. , ...

gefäß 12 durch die Einlaßdüsen 14 ein und strömt für Brennstoffelementmatenahen

den ersten Durchlauf in den Kanälen zwischen dem (^a) Brennstoff UO₂

Schild 36 und der Druckgefäßwand 22, welche durch

die Schilde 38 und 42 benachbart den Öffnungen 56 <W Plattierung korrosionsgebildet werden, nach oben und gelangt in den äuße- 25 beständiger Stahl

ren Teil der Anordnung 48 durch die Öffnungen 82 (^c) Abstandsnnge korrosions-

im Schild 38, in welchem sich das Kühlmittel mit beständiger Stahl

dem Kühlmittel aus dem Kanal zwischen den Schil- (^d) Federn Nickel-Chrom-

den 36 und 38 vereinigt. Das Kühlmittel strömt nach Eisen-Legierung

unten in die »A«-Brennstoffelementgebilde 92, wobei 30 (^e) ^HüIle korrosions-

es seinen zweiten Durchlauf durch den Reaktor 10 beständiger Stahl

ausführt. Am unteren Ende des Kerns 34 tritt das Brennstoffpelletdurchmesser,

Kühlmittel in die äußeren Rohre der Anordnung 44 Nennmaß 10,7823 mm

ein und tritt dann unter dem unteren Plenum 77 aus. Außendurchmesser der Plattie-

Durch die untere Plenumkammer 77 erfährt das 35 rung, Nennmaß 12,7 mm

Kühlmittel eine Strömungsrichtungsumkehrung von Dicke der Plattierung, Nennmaß 0,889 mm

180° und mindestens 85 »/0 des Kühlmittels fließen in _{Zahl der Brennstoffe}i_{emente im}

das Innere der »BÄ-Brennstoffelementgebilde 92 fur Kern 32

den dritten Durchlauf. Die Kühlmittelströme ver- _.. . , ' _ '"', ''.''," .,„,

einigen sich wieder im oberen Plenum 25 und erfahren ₄° ^{Dicke der} Brennstoffelementhulle 2,3876 mm,

eine Richtungsumkehrung um volle 180°, so daß sie Z,/ö«ömm

wieder nach unten zu den Austrittsdüsen 16 fließen, Wärmeübergangsfläche 350,97 m²

an welchen das Kühlmittel das Reaktorgefäß 12 ver- Verhältnis von Metall zu Wasser

läßt. (homogenisiert) 0,76

Der Kern 34 und die inneren Einrichtungen des 45 Volumprozentsätze

Gefäßes 12 werden gegen den nach oben gerichteten Wasser 56 76

Schub des Kühlmittels durch die Niederhaltefeder 266 Reeelstäbe 397

der oberen Leitwand gehalten. Die inneren Einrich- HeHumspalt 064

tungen sind so ausgebildet, daß eine Bewegung des Brennstoff 24'55

Kerns 34 unter den ungünstigsten Bedingungen beim 50 Korrosionsbeständiger Stahl''.'. 14'o8

Schlingern und Stampfen des Schiffes verhindert wird. „ . , . „. ,„.,,

Die inneren Einrichtungen sind ferner so ausgebildet, Reaktorleistung 74 MW

daß eine Relativbewegung des Kerns 34 auf ein Min- Betriebsdruck 123 atü

destmaß herabgesetzt wird, wenn das Schiff kentern Gesamtdurchfluß pro Stunde im

und sinken sollte. 55 Reaktor 3,63 · 10⁶ kg/h

Das Anfahren des Reaktors 10 und dessen Rege- Gesamtdurchfluß des zweiten

lung unter Betriebsbedingungen erfolgt in der üblichen Durchlaufs pro Stunde 3,447 · 10⁶ kg/h

Weise. Die hierfür erforderlichen Mittel sind an sich Gesamtdurchfluß des dritten

bekannt und bilden keinen Teil der Erfindung. Eine Durchlaufs pro Stunde 3,084 · 10⁶ kg/h

allgemeine Beschreibung der Verfahren zur Reaktor- 60 _,,,., , , _c „ ,_r. , „,..

regelung sind im THE SCIENCE AND ENGINEE- ReaktordruckabfaU (Einlaßduse

RING OF NUCLEAR POWER, Addison-Weley ^mr Anlaßdüse) 1,47 kg/cm^

Press, 1947, Chapter 8, und in Fermi & Szilard, Geschwindigkeit (Sollwert)

USA.-Patentschrift 2 708 656, Spalten 51 bis 56, zu (zweiter Durchlauf) 2,8315 m/sec

finden. Geeignete Instrumente und Bauelemente für 65 Geschwindigkeit (Sollwert)

ein Reaktorregelsystem sind in NUCLEONICS, (dritter Durchlauf) 5,6083 m/sec

Volume 2, Nr. 6, 1953, S. 35 bis 40, angegeben. Die Leckströmung

selbsttätige Regelung von Leistungsreaktoren ist in (zweiter Durchlauf) 5%

Leckströmung

(dritter Durchlauf) 10 %

Gesamtleckströmung 15 %

Zahl der Durchläufe durch den

]£_ern ->

mittels bei voller Leistung ... 256,99-C
Austrittstemperatur des Kühl-

mittels bei voller Leistung ... 271,87- C
Mittlere Reaktortemperatur bei

voller Leistung 264,40⁰C

Kühlmittelaustrittstemperatur

Maximale Oberflächentemperatur
Durchschnitt

beim dritten Durchlauf ... 321,l^c C
Sättigungstemperatur

bei 123 atü 325° C

Maximale Brennstoffstabinnentemperatur
Durchschnitt 2191,11° C

Claims

Patentanspriiche: 25

1. Kernreaktor für ein Hochseeschiff, der einen Reaktorkern mit mehreren langgestreckten, parallel zueinander und im Abstand voneinander angeordneten, durch thermische Neutronen spaltbares Material enthaltenden Brennstoffelementen aufweist, von denen jedes einen Längskanal umschließt, durch den ein Moderator strömt, wobei eine erste und eine zweite Leitwandanordnung einander gegenüber an dem ersten bzw. an dem zweiten Ende des die Spaltstoffelemente enthaltenden Reaktorkerns angeordnet sind, und wobei die erste Leitwandanordnung den Moderatorstrom in die Längskanäle eines ersten Teiles der Spaltstoffelemente leitet, um einen zweiten Mode-

ratordurchgang zu bilden, und wobei die zweite Leitwandanordnung den aus dem ersten Teil der Spaltstoffelemente austretenden Moderatorstrom ^{in den} restlichen Teil der Spaltstoffelemente und der Zwischenräume zwischen diesen einleitet, um

schirmung vorgesehen ist, die den Moderator_{strom längs der} Außenseite des Kernes zu der _ersten Leitwandanordnung hin leitet, wodurch ein erster Moderatordurchgang durch den Kern gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, ^{daß die erste} Leitwandanordnung mit einer form-

Stroms mit dem dritten Moderatordurchstrom zu vermeiden, und daß diese Dichtung aus einem ringförmigen Dichtungsring und mehreren Druckfedern besteht, die längs dieses Ringes angeord^{net si}*^d' «£ *nd einer Bewegung des Reak^tors Dichtungsring kontinuierlich in einer

dichtenden Stellung zu halten.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Moderatordurchgang durch die untere Platte der ersten Leitwandanordnung und einer äußeren zylindrischen, thermischen Abschirmung begrenzt ist, die sich von dieser Platte aus nach unten erstreckt, und daß der Dichtungsring sich von dem Umfang der Platte aus zu dem oberen Rand der thermischen Abschirmung erstreckt, wodurch die Moderatorströme gegeneinander während einer Relativverschiebung der Platte und der Abschirmung abgedichtet werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 048 363;
britische Patentschrift Nr. 806 757;
belgische Patentschriften Nr. 550 599, 563 693;
USA.-Patentschrift Nr. 2 825 688.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen