DE1274750B

DE1274750B - Thermionisches Konverter-Brennelement

Info

Publication number: DE1274750B
Application number: DEB87104A
Authority: DE
Inventors: Dr Reinhart Langpape; Dr Ned Rasor; Dr Kurt Stahl
Original assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; Brown Boveri und Cie AG Germany
Current assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1966-05-13
Filing date: 1966-05-13
Publication date: 1968-08-08
Also published as: GB1160469A; US3440455A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G 21h

H02n

Deutsche Kl.: 21g-21/30

Nummer: 1274750

Aktenzeichen: P 12 74 750.1-33 (B 87104)

Anmeldetag: 13. Mai 1966

Auslegetag: 8. August 1968

Die Erfindung betrifft ein thermionisches Konverter-Brennelement mit im Emitter angeordnetem Kernbrennstoff für einen durch Isolierkörper in Zellen unterteilten moderierten Reaktor, der durch Stege gegeneinander isolierte Kühler an der Mantelfläche aufweist.

Es gibt prinzipiell zwei verschiedene Möglichkeiten, die thermionischen Konverter in das Reaktorsystem einzubeziehen, nämlich das Konzept die Konverter innerhalb des Reaktorkerns und das Konzept die Konverter außerhalb des Reaktors anzuordnen. Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine neuartige Anordnung der Konverter im Reaktorkern.

Die bekannten Anordnungen (deutsche Auslegeschrift 1213 905) haben die nachfolgenden Merkmale gemeinsam. Die Brennstäbe des Reaktors bestehen aus mehreren elektrisch in Reihe geschalteten thermionischen Konvertern, deren Emitter den Kernbrennstoff enthalten. Alle thermionischen Konverter eines Brennstabes sind an ein einziges Cäsium-Vorratsgefäß angeschlossen und werden von einem gemeinsamen Kühlkreislauf umströmt. Diesen Kernreaktoren mit thermionischen Konvertern haften die folgenden Nachteile an. Die Kollektoren der thermionischen Konverter müssen nicht nur gegeneinander sondern auch gegen das Kühlmedium, das im allgemeinen ein Metall ist, elektrisch isoliert sein. Derartige Isolierungen sind technisch schwierig herzustellen. Außerdem bedingen sie einen unerwünscht hohen Temperaturunterschied zwischen Kollektor und Kühlmedium. Wenn durch ein Leck in einem der Konverter Cäsiumdampf entweicht oder wenn aus einem anderen Grunde einer der Konverter für den Stromdurchgang gesperrt wird, fallen alle Konverter des Brennstabes für die Energieerzeugung aus. Weiter ist es schwierig, die bei der Kernspaltung entstehenden, gasförmigen Spaltprodukte aus dem Reaktorcore zu entfernen, ohne die einzelnen Konverter elektrisch miteinander zu verbinden.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die oben beschriebenen Nachteile durch die besondere Ausbildung eines Kernreaktors mit thermionischen Konvertern zur direkten Umwandlung von Spaltwärme in elektrische Energie zu beseitigen und insbesondere den Ausfall des Brennelementes nach Ausfall eines Konverters zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch zwei koaxial ausgebildete und spiegelbildlich zueinander angeordnete axialsymmetrisch ausgebildete thermionische Wandler, deren Emitter gegeneinander vakuumdicht abgeschlossen und elektrisch isoliert sind. In jedem Thermionisches Konverter-Brennelement

Anmelder:

Brown, Boveri & Cie. Aktiengesellschaft,

6800 Mannheim-Käfertal, Kallstadter Str. 1

Als Erfinder benannt:
Dr. Kurt Stahl, 6941 Hohensachsen;
Dr. Reinhart Langpape, 6800 Mannheim;
Dr. Ned Rasor, 6903 Neckargemünd

Wandler ist ein Austrittsrohr vorgesehen, das in den im Emitter eingebetteten Kernbrennstoff hinein-

ao ragt und durch die Rohrwand radial hindurchgehende Abzugskanäle für die Aufnahme und Weiterleitung der Spaltgase aufweist. Der Zwischenraum zwischen Austrittsrohr und Kollektor ist durch einen Keramikkörper gasdicht abgeschlossen. Der Kollektor ist unter Ausbildung eines Ringspaltes doppelwandig ausgebildet, in dem eine Umlenkfläche für das Kühlmittel angeordnet ist. Der Kollektor ist durch ein Kühlmittel führendes Rohr mit mindestens einem der auf der Mantelaußenfläche des Reaktors angeordneten Kühler verbunden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen beide ein Brennelement bildende Wandler einen gemeinsamen Kollektor auf.
Die elektrischen Isolierungen innerhalb und/oder außerhalb des Reaktorkerns bestehen aus Berylliumoxyd, die Kollektoren der thermionischen Wandler aus Zirkonium oder Beryllium.

Die Erfindung geht von der bekannten Zelleneinteilung eines Reaktors (Atomkernenergie, 10. Jg., 1965, H. 9/10, S. 334) und der Unterteilung der Mantelfläche zum Abstrahlen der Wärme (Atomkernenergie, 10. Jg., 1965, H. 9/10, Seite 402) aus.

Die Zeichnung gibt in den Fig. 1 bis 4 je ein besonderes Ausführungsbeispiel wieder. Es zeigt

F i g. 1 einen Kernreaktor für die Verwendung bei der Raumfahrt mit einem Reaktorkern, dessen Reflektordeckel zur Sichtbarmachung eines Teiles der thermionischen Konverter ausgebrochen ist, in perspektivischer Ansicht,

F i g. 2 einen Kernreaktor mit zwei Reaktorkernen, die durch einen Zwischenring miteinander verbunden sind, ebenfalls in perspektivischer Ansicht,

809 589/384

Claims

3 4

F i g. 3 einen Reaktorkern mit koaxial und spiegel- rohren 6 angeordnete Keramikkörper 27 gegenüber bildlich zueinander angeordneten thermionischen den Kollektormantelflächen 21 isoliert gehalten. Da-Konvertern in einer Ausführungsform und in der bei sind die Keramikkörper 27 so angeordnet, daß

Fig.4 die thermionischen Konverter in einer deren Temperatur nur wenig höher liegt als die anderen Ausfuhrungsform, beide Male in einer ver- 5 höchste Temperatur, welche die Vorratsgefäße 24,

größerten Darstellung im Schnitt. 25 für Cäsium und Additive erreichen können.

In F i g. 1 sind in dem von einem Reflektor 1 um- Die in F i g. 4 wiedergegebenen koaxial und spie-

schlossenen Reaktorkern 2 zu dessen Mittelebene 3 gelbildlich zueinander angeordneten thermionischen

senkrecht und spiegelbildlich zueinander, vakuum- Konverter 5 unterscheiden sich gegenüber denjenigen dicht gegeneinander abgeschlossen thermionische io nach der Fig. 3 dadurch, daß für jeden der beiden

Konverter 4 bzw. 5 (Fig. 3 und 4) mit Austritts- Konverter 5 eigene Kollektoren28 vorgesehen wur-

rohren 6 für die Spaltgase angeordnet. An der einen den, die durch eine Platte 29 voneinander getrennt

Stirnseite des Reaktorkerns 2 befinden sich für die sind. Diese ist zusammen mit dem Isolierkörper 10

thermionischen Konverter 4 bzw. 5 Kühler 7, die aus einem Stück gefertigt. Für jeden der thermioni-

durch Stege 8 elektrisch voneinander getrennt sind. 15 sehen Konverter 5 ist ein besonderer Wärmeaus-

Die senkrecht und spiegelbildlich zueinander ange- tauscher 19 vorgesehen, der jeweils einen Kollektor

ordneten thermionischen Konverter 4 bzw. 5 (Fig. 3 28 umschließt. Die Wärmeaustauscher 19 sind über

und 4) sind von sechseckigen Isolierkörpern 9 bzw. getrennte Rohrleitungen 17 mit voneinander isoliert

10 (Fig. 3 und 4) umschlossen, die auch gleich- angeordneten Kühlern 7 (Fig. 2) verbunden. Die

zeitig den Moderator 11 in einzelne Zellen unter- 20 Teile der Fig. 4, welche mit denjenigen der Fig. 3

teilen. übereinstimmen, sind mit den gleichen Bezugszahlen

In Fig.2 sind beiderseits eines Zwischenringes versehen und, um Wiederholungen zu vermeiden, 12, der aus Reflektormaterial bestehen kann, Reak- nicht nochmals beschrieben worden,
torkerne 2 mit ihren Stirnflächen angeordnet, an In den aus Wärmeaustauschern 18 und 19, Kühdenen sich Kühler 7 befinden. Aus dem Zwischen- 25 lern 7 und den Rohrleitungen 17 bestehenden Kühlring 12 treten die elektrisch gegeneinander isolier- kreisläufen können nicht dargestellte Pumpen beten Austrittsrohre 6 von den Emittern 13 derjenigen kannter Bauart eingebaut sein. Es ist aber auch thermionischen Konverter 4 bzw. 5 (Fig. 3 und 4) möglich, die Kühlkreisläufe als »heat-pipes« (Wärmeaus, die dem Zwischenring 12 benachbart sind. Die Ieitungsrohre nach dem Kapillarprinzip) auszunach den Kühlern 7 gerichteten Austrittsrohre 6 von 3° bilden.

den Emittern 13 der anderen spiegelbildlich ange- Mit dieser Ausbildung der thermionischen Kon-

ordneten Konverter 4 bzw. 5 (F i g. 3 und 4) enden verter in einem Reaktorkern werden die folgenden

in den von den Kühlern 7 gebildeten Hohlräumen. Vorteile erzielt. Vor der Inbetriebnahme des Kern-

Durch die Austrittsrohre 6 können die von den sich reaktors lassen sich durch die Austrittsrohre der

in den Emittern 13 befindlichen Kernbrennstoffen 35 Emitter elektrische Heizkörper in diese einführen,

14 herrührenden gasförmigen Spaltprodukte ent- so daß alle thermionischen Konverter bereits vor der weichen. Über die Durchführung 15 sind die elek- Inbetriebnahme des Kernreaktors bei Betriebstempetrischen Anschlußleitungen 16 der thermionischen ratur getestet werden können. Wenn der Kernreaktor Konverter 4 bzw. 5 herausgeführt. Der Zwischenring in Betrieb ist, wird eine Ansammlung von gasförmi-12 hat nur eine solche Breite, daß die Durchführung 40 gen Spaltprodukten in den Emittern verhindert. Die

15 und die Austrittsrohre 6 untergebracht werden bei den bisher bekannten Anordnungen der thermiokönnen. Die Rohrleitungen 17 bilden jeweils mit nischen Konverter in Kernreaktoren erforderlichen einem Kühler 7 und einem Wärmeaustauscher 18 elektrischen Isolierungen zwischen den Kollektoren bzw. 19 der thermionischen Konverter 4 bzw. 5 und den Wärmeaustauschern entfallen. Dadurch wird (Fig. 3 bzw. 4) Kühlkreisläufe, die ebenfalls elek- 45 eine höhere Kühlmitteltemperatur erreicht. Das ist irisch gegeneinander isoliert sind. insbesondere bei der Verwendung der Kernreaktoren

Die in Fig. 3 gezeigten koaxial und spiegelbild- ^m der Raumfahrt vorteilhaft, bei der die Verlustlich zueinander angeordneten thermionischen Kon- wärme durch Strahlung abgegeben werden muß. Die verter 4 haben einen gemeinsamen Kollektorboden Kernreaktoren nach der Erfindung sind äußerst be-20, an den sich beiderseits Kollektormantelflächen 5<> triebssicher, da jeder thermionische Konverter gegen-21 anschließen, die über Ringteile 22 in Bunde 23 über den anderen Konvertern vakuumdicht abgeübergehen. Die Kollektormantelflächen 21 und der schlossen ist und außerdem die thermionischen Konfür beide thermionischen Konverter 4 vorgesehene verter mit ihren Kühlkreisläufen elektrisch gegengemeinsame Wärmeaustauscher 18 sind aus einem einander isoliert sind. Insbesondere fällt bei Ausfall Stück hergestellt. Der Wärmeaustauscher ist über 55 ^e™es thermionischen Konverters nicht das gesamte eine Rohrleitung 17 (F i g. 2) mit einem der Kühler 7 Brennelement aus.
(F i g. 2) verbunden. Um den Wärmeaustauscher 18

ist mit Abstand ein Isolierkörper 9 angeordnet. Zwi- Patentansprüche:
sehen diesem und dem Wärmeaustauscher 18 befindet sich der Moderator 11. An den Ringteilen 22 60 1. Thermionisches Konverter-Brennelement sind für den thermionischen Konverter 4 Vorrats- mit im Emitter angeordnetem Kernbrennstoff für gefäße 24, 25 für Cäsium und Additive vorgesehen. einen durch Isolierkörper in Zellen unterteilten Innerhalb der Emitter 13 sind in Form von Hohl- moderierten Reaktor, der durch Stege gegeneinzylindern die Kernbrennstoffe 14 untergebracht, ander isolierte Kühler an seiner Mantelfläche aufderen gasförmige Spaltprodukte durch Ausnehmun- 65 weist, gekennzeichnet durch zwei kogen 26 über die Austrittsrohre 6 aus den thermioni- axial ausgebildete und spiegelbildlich zueinanschen Konvertern 4 entweichen. Die Emitter 13 sind der angeordnete axialsymmetrisch ausgebildete über zwischen den Bunden 23 und den Austritts- thermionische Wandler, deren Emitter gegenein-

I 274

ander vakuumdicht abgeschlossen und elektrisch isoliert sind.

2. Thermionisches Konverter-Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide ein Brennelement bildende Wandler einen gemeinsamen Kollektor (21) aufweisen.

3. Termionisches Konverter-Brennelement nach Anspuch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Wandler ein Austrittsrohr (6) vorgesehen ist, daß in den im Emitter eingebetteten Kernbrennstoff (14) hineinragt und durch die Rohrwand radial hindurchgehende Abzugskanäle (26) für die Aufnahme und Weiterleitung der Spaltgase aufweist.

4. Thermionisches Konverter-Brennelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen Austrittsrohr und Kollektor durch einen Keramikkörper (27) gasdicht abgeschlossen ist.

5. Thermionisches Konverter-Brennelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor unter Ausbildung eines Ringspaltes doppelwandig ausgebildet ist, in dem eine Umlenkfläche für das Kühlmittel angeordnet ist. as

6. Thermionisches Konverter-Brennelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (21, 28) durch ein Kühlmittel führendes Rohr (17) mit mindestens einem der auf der Mantelaußenfläche des Reaktors angeordneten Kühler (7) verbunden ist.

7. Thermionisches Konverter-Brennelement nach Anspruchö, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel führende Rohr (17) als Wärmeübertragungsrohr ausgebildet ist, in dessen Inneren am heißen Rohrende eine Substanz verdampft, am kalten Rohrende kondensiert und in einer auf der Rohrinnenwand aufgebrachten Schicht durch Kapillarkräfte zum heißen Ende zurücktransportiert wird.

8. Termionisches Konverter-Brennelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Isolierungen innerhalb und/oder außerhalb des Reaktorkerns (2) aus Berylliumoxyd bestehen.

9. Thermionisches Konverter-Brennelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoren (21, 28) der thermionischen Wandler aus Zirkonium oder Beryllium bestehen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 213 905;
Atomkernenergie, 1965, S. 334 und 402.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

809 589/384 7.68 © Bundesdruckerei Berlin