DE1551024A1

DE1551024A1 - Atomreaktor

Info

Publication number: DE1551024A1
Application number: DE19671551024
Authority: DE
Inventors: Masao Nozawa; Kiyoshi Sako; Hiroshi Ueda
Original assignee: Nippon Kohkan K K; Japan Atomic Energy Research Institute
Current assignee: Nippon Kohkan K K; Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 1966-01-14
Filing date: 1967-01-12
Publication date: 1970-03-05
Also published as: GB1177533A; FR1508471A; US3446188A

Description

Ill

Potmtanwalt Oipl.-Phys. GERHARD LThUL · o-muntnen *_t, Steinsdorf straße 22

[ Elf fön 79 84 6? Fernschreiber 05.77 30t

3111

Japan Atomic Energy Research Institute, No. 1-3, Shinfrtehl 1-chome, Mlnato-ku, Tokio/Japan

und

Nippon Kohkan Kabushlkl Kalsha, No. 2, Ohtemachi 1-chome, Chiyoda-ku Tokio/Japan Atomreaktor

Die Erfindung betrifft einen Atomreaktor, der mit einem flüssigen Metall gekühlt wird und bei dem die Wärmeleistung von dem metallischen Kühlmittel über Wärmeaustauscher an ein Arbeitsmedium übertragen wird, das turn Antrieb von nachgeschalteten Turbinen dient.

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Es ist bekannt, zur Kühlung von Atomreaktoren flüssige Metalle zu ver wenden, die in der Regel aus Natrium- oder Kalfmlegierungen bestehen, Ein derartiger Atomreaktor besteht gewöhnlich aus dem eigentlichen ren Reaktionsraum, einem Zwischenwärmeaustauscher, einem Dampfer zeuger, einem Turbogenerator sowie den entsprechenden Rohrsystpmpn. Bei einem derartigen Atomreaktor kommt dem Zwischenwärmeaustausc hu r besondere Bedeutung zu, da auf jeden Fall ein auch nur geringfügiger Defekt desselben vermieden werden muß, da sonst radioaktives Natrium aus dem Dampferzeuger austritt und außerdem die Gefahr besteht, daß Wasserstoff, der sehr reaktionsfreudig ist, eine Explosion verursacht, was eine Verseuchung durch radioaktives Natrium zur Folge haben würde. Aus Sicherheitsgründen wird demzufolge der Zwischenwätrme&dstauecher an besonderer Stelle angeordnet. Weiterhin sind gesonderte und komplizierte Pump- und Rohr einrichtungen erforderlich.

Aufgrund der Tatsache, daß Natrium tine sehr gute Wirmeübertragungsfähigkeit aufweist, besteht die Gefahr, daß bei einem plötzlichen Wechsel der Natriumtemperatur große Temperaturdifferenzen und somit große Temperatur spannungen entstehen, die einen Defekt der dampf seitigen Rohrleitung verursachen können. Ein weiterer Nachteil der bekannten Atomreaktoren ist darin zu sehen, daß aufgrund des aus wirtschaftlichen Gründen

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bedingten Wärmeübertragungsgefälleävon ca. 30 C im Überhitzerteil ein großer Temperaturverlust auftritt.

Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik ist es nun Aufgabe de ι Erfindung, einen mit flüssigem Metall gekühlten Atomreaktor dahingehend zu verbessern, daß der bisher übliche Zwischenwarmeaustauseher einge spart werden kann. Außerdem sollen die Temperaturdifferenzen und Thermo spannungen im Dampferzeuger an den thermisch hochbelasteten Stellen, dh.

werden z.B. im Überhitzerteil möglichst klein gehalten wk*4. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wärmeübertragung von dem flüssigen Metall auf das Arbe^ u, '!um in einem Behälter erfolgt, der mit einem flüssif an Metall ganz oder teilweise gefüllt ist, welches einerseits mit e^; ν·"α primärseitigen Rohrsystem, das von dem metallischen Kühlmittel durcnströmt wird und andererseits mit einem sekundär seitigen Rohrsystem, das ve u Aioeitsmedium durchströmt wird, in Berührung steht.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der nachfolgen- ^r'?.n Beschreibung eines Ausführungsbeispieles und anhand der beiliegenden Zeichnung ersichtlich.

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Es zeigen:

Fig. 1 Diagrammdarstellungen von bekannten mit flüssigem Metall und 2.

Kühlten Atomreaktoren;

Fig. 3 eine Diagramrndarstellung eines erfindungsgemäßen Atomreaktors;

Fig. 4 eine se. nematische Darstellung eines eriindungsgemäßen Dampferzeugers;

. 5 eine graphische Darstellung des Temperaturverlaufes bei einem bekannten Dampferzeuger und Wärmeaustauscher;

Fig. 6 eine graphische Darstellung des Temperaturverlaufes bei einem erfindungsgemäßen Dampferzeuger und Wärmeaustauscher.

Ein in Fig. 1 der Zeichnung dargestellter Atomreaktor 21 ist mit einem Reaktionsgefäß 22 versehen und mit einem Zwischenwärmeaustauscher 23 verbunden, der entweder neben dem Atomreaktor 21, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, angeordnet sein kann oder innerhalb des Atomreaktors 21

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wie dies gemäß Figur 2 dargestellt ist. Dem Zwischenwärmeaustauscher 23 sind ein Dampierzeuger 24 und eint» Dampfturbine 25 nachgeschaltet.

Bei Verwendung eines natriumgekühlten Atomreaktors muß der Zwischenwärmetauscher 23 frei von jeglichen Defekten sein, da sonst die Gefahr btsteht, daß radioaktives Natrium aus dem Dampferzeuger ausströmt, was ζ. B. dadurch verursacht werden kann, wenn eines der von Dampf und Natrium umgebenden Rohre undicht wird. Weiterhin besteht in einem derartigen Fall die Gefahr, daß Wasserstoff, der sehr reaktionsfreudig ist, explodiert und daß das radioaktive Natrium weit verstreut wird. Es ist demzufolge erforderlich, für den Wärmeaustauscher einen besonderen Raum rowie besondere Sicherheitsvorschriften vorzusehen, weshalb die ganze Apparatur, insbesondere die Pumpen und Rohrleitungen, sehr aufwendig und Ί^ιψ*liiert wird.

Aufgrund der Tatsache, daß Natrium eine hohe Wärmeübertragungsfähigkeit aufweist, ergibt sich in der Wandung der Verdampferrohre bei einem plötzlichen Wechsel der Natriumtemperatur eine große Temperaturdiffeit-nz, die hohe thermische Spannungen verursacht, so daß die Gefahr von Rissen in den Wandungen der Rohre gegeben ist.

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■ BADORIG«NAU

Bei den bekannten Atomreaktoren wird aus Wiitschaftlichkeitsgrimdcn f.mρ Wärmeübertragungstemperaturdifferenz von ca. 30 C in Kauf genomnun, was im Überhitzerteil des Dampf generators 24 einen großen Temper at ui ν* r lust bedeutet, worauf nachfolgend noch näher eingegangen ist.

Wie Fig. 3 der Zeichnung zu entnehmen, ist ein erfindungsgemäßer Atom · reaktor so aufgebaut, daß das zur Kühlung des Atomreaktors benutzte flüssige Natrium primärseitig durch Rohre 27 durch den Dampferzeuger 24 geleitet wird, während Wasser und Dampf auf der Sekundärseite durch Rohre 28 den Dampferzeuger 24 durchströmen. Das Innere des Dampferzeugers 24 ist mit flüssigem Natrium 26 gefüllt, das zur Übertragung der Wärme von der Primärseite 27 auf die Sekundärseite 28 dient.

Bei dem in Fig. 4 der Zeichnung näher dargestellten Dampferzeufer wird durch eine Düse flüssiges Natrium zugeführt, das nach dem Durchströmen einer Vielzahl von vertikal angeordneten Rohren 2 durch eine Düse 3 wieder aus dem Dampferzeuger austritt. Wasser wird mittels einer Düse 4 in den unteren Teil des Dampferz eugers eingeleitet und durchströmt sodann eine Vielzahl von schraubenförmig angeordneten Rohren. Hierbei wird das Warbstin überhitzten Dampf überführt, der aus dem Dampferzeuger durch eine Im oberen Teil desselben angeordnete Düse 6 austritt.

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Anstelle des vorgenannten GegHis'ifmprlnzipes kann auch das Gleich sir or l>rir\£ip benutzt werden.

Das /ur Warnieübertragung benut?tf- ilusslgf- Natrium wird dem Dampfe rzeuger 7 durch eine Düse 9 zugeführt und mittels einer weiteren Düse 10 er geleitet. Es besteht die Möglichkeit, entweder das zur Wärmeübertragung dienende Natrium 8 ständig in gewisser Menge durch den Dampferzeuget zirkulieren zu lassen oder lediglich den Dampferzeuger einmal mit ihis&igem Natrium zu füllen. In beiden Fällen kann die Höhe des Natriumspiegt-1 s 11 im Dampferzeuger entsprechend der Menge der zu übertragenden Wärnu variiert werden.

Durch eine Düse 13 wird ein inertes Gas 12 geeigneten Druckes dem Dampferzeuger zugeführt und aus demselben durch eine Düse 14 abgezogen. Mit Hilfe des flüssigen Natriums 8 und des inerten Gases 12 ist es möglirh, einen Defekt im Leitungssystem anzuzeigen. Wenn ein derartiger Defekt auf der Primärseite auftritt,wird eine gewisse Radioaktivität festgestellt. Wenn der Defekt auf der Sekundärseite auftritt, wird er durch das Wasser und das Natrium angezeigt. Aus Sicherheitsgründen ist eine Scheibe 15 vorgesehen, deren Festigkeit so bestimmt wird, daß sie bei Bruch eines Dampf ι ohTes bricht und der Dampf in c'as Gefäß stiömt. Der Druck erhöht sich

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sodann über den festgelegten Wert, so daß Wasser oder Dampf mit dem Natrium reagieren. Um die primärseitigen und sekundärseitigen Rohre im Falle einer Explosion zu schützen, sind sie von einem relativ dUnnen Schutz rohr umgeben. Weiterhin ist es möglich, eine Trennwand zwischen den primärseitigen und den sekundärseitigen Rohren einzuziehen.

Bei dem in Fig. 5 schematisch dargestellten, bekannten Arbeitsverfahren bedeuten die gestrichelte Linie die reaktorseitige Natriumtemperatur, wobei der Einlaß (z.B. 500⁰C) mit A' und der Auslaß (z.B. 35O⁰C) mit B' bezeichnet sind. Die Temperatur des Natriums, das durch den Zwischenwärmeaustauscher, und den Dampferzeuger strömt, ist ca. 30 C niedriger als die vorgenannte Temperatur, wie dies den Temperaturen A und B zu entnehmen ist. Auf der Dampfseite wird Wasser mit einer Temperatur C, die z. B. 280 C betragen kann, zugeführt. Der Verdampfungspunkt liegt

ο bei einer Temperatur D, z. B. 310 C. Die Verdampfung erfolgt zwischen D und E. Die Überhitzung erfolgt zwischen E und F, d.h. es wird überhitzter Dampf mit einer Temperatur F erzeugt, die z. B. 45O°C betragen kann.

In der Darstellung nach Fig. 6 der Zeichnung ist der Temperaturverlauf eines erfindungsgemäßen Atomreaktors dargestellt, wobei von denselben

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Verhältnissen bezüglich Wassereintrittstemperatur und Natriumtemperatur, wie bei dem Beispiel nach Fig. 5, ausgegangen wurde. Die Einlaßtemperatur A auf der Dampfseite ist gleich der Reaktorauslaßtemperatur (entsprechend A' in Fig. 5), die Auslaßtemperatur B ist gleich der Reaktoreinlaßtempeiatur (entpsrechend B' in Fig. 5). Die gestrichelt dargestellten Flächen in Fig, zeigen den Temperaturabfall in den primär- und sekundär seitigen Rohrwandungen an.

Bei einem Vergleich der Figuren 5 und 6 fällt auf, daß die thermischen Spannungen im dampf seitigen Teil beim Verdampfen gemäß der Anordnung nach Fig. 5 hoch sind, während bei der Anordnung nach Fig. 6 wesentlich kleinere Spannungen vorliegen, was auf die Aufteilung zurückzuführen ist. Die Temperaturdifferenz zwischen der Dampfrohrwandung und dem überhitzten Dampf nimmt entgegengesetzt zu der nach Fig. 6 zu. Es wird somit ein einheitlicher WftrmefiuB erzeugt und es ist möglich, das dampfseitige Rohrsystem klein zu halten. Weiterhin besteht die Möglichkeit, sogar Dampf entsprechend der Reaktorkühltemperatur zu erzeugen.

Es ist möglich, die Temperaturdifferenz des natriumseitigen Rohres und des dampf seitigen Rohres durch eine Veränderung der Temperaturwerte der primärseitigen Rohre zu verändern. Eine weitere Einflußnahme ist

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durch eLne Änderung der Roh/wand stärkt- od«-r dfs Znisthenraumes sehen den Rnbre-n mögliru Sfwif¹ duri h die Anbringung von Zwischenwände'! r»der durch die Bt^'utzung eines anderen flüssigen Mt fallt s zur Wärnifütf: t raging.

Bei der Austühi imgslorm nach Fig. 4 sind die piimäi seit igen Rohre vertikal und die sekundär seitigen Rohre schraubenförmig ausgebildet, was jedoch ηtcht verbindlich ist. In weiterer Abänderung der Erfindung können zwei oder mehr Düsen auf der Primär- und Sekundär seit e benutzt werden, was dann von Vorteil ist, wenn ein Rohr oder ein anderes Teil brechen. Weiter hin ist es möglich, einen Teil des dampf seitigen Rohres in gleicher Weise für einen Dampferhitzer zu verwenden.

Wenn ein Sekunda rseitiges Dampf rohr bricht, besteht bei dem erfindungsgemäßen Atomreaktor keinerlei Gefahr, daß der Dampf direkt mit dem primär seitigen Natrium reagiert. Neben dem Vorteil der Einsparung des bisher üblichen Zwischenwärmeaustauschers weist ein erfindungsgemäßer Atomreaktor den Vorteil auf, daß auch bei einem plötzlichen primäreeitigen Temperaturwechsel In den dampfseitigen Rohren kein großer Thermoschock auftritt.

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Ein weiterer Vorteil eines erfindungsgemäßen Atomreaktors ist darin zu sehen, daß die thermisch hoch beanspruchten Teile des Dampferzeugers, d.h. der Teil der Rohre, in dem die Überhitzung des Dampfes stattfindet, nur geringen Temperaturdifferenzen und somit Thermospannungen ausgesetzt Bind.

Eine Verwendung des erfindungsgemäßen Atomreaktors kommt sowohl für unter- als auch für überkritische Drücke in Betracht.

Anstelle von Wasserdampf kann auch ein anderes geeignetes gasförmiges Medium benutzt werden, auf das die atomar erzeugte Wärmeleistung mittels eines flüssigen Metalles übertragen wird.

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Claims

Patentansprüche

l.i Atomreaktor, der mit einem flüssigen Metall gekühlt wird und bei dem die Wärmeleistung von dem metallischen Kühlmittel über Wärmeaustauscher an ein Arbeitsmedium übertragen wird, das zum Antrieb von nachgeschalteten Turbinen dient, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragung von dem flüssigen Metall auf das Arbeitsmedium in einem Behälter (24) erfolgt, der mit einem flüssigen Metall (26) ganz oder teilweise gefdllt ist, welches einerseits mit einem primärseitigen Rohrsystem (27), r¹ _ts von dem metallischen Kühlmittel durchströmt wird und andererseits

it einem sekundärseitigen Rohrsystem (28), das vom Arbeitsmedium durchströmt wird, in Berührung steht.
2. Atomreaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeltsmedium Wasser benutzt wird, das in dem als Dampfer zeuger dienende. Behälter (24) durch die von dem primärseitigen Rohrsystem (27) auf das sekundärseitige Rohrsystem (28) übertragene Wärme verdampft und überhitzt wird.

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3. Atomreaktor gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Kühlung des Reaktionsraumes (22) des Atomreaktors flüssiges
Natrium benutzt wird.
4. Atomreaktor gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet» daß das in dem Dampferzeuger (24) angeordnete flüssige Metall (26) Natrium ist.
5. Atomreaktor gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Dampferzeuger (24) außer dem
flüssigen Natrium (26) ein inertes Gas (12) vorgesehen ist.
6. Atomreaktor gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf erzeuger (24, 7 ) von dem flüssigen Natrium sowie von dem Walser und Wasserdampf in Gegen- oder Gleichstromprinzip durchströmt wird.
7. Atomreaktor gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß In dem Dampferzeuger (24, 7) Dampf mit über- oder unterkritischem Druck erzeugt wird.

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8. Atomreaktor gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Anspiürbe, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Dampferzeuger (7) eine Scheibe (15) vorgesehen ist, die beim Bruch eines Dampfrohres brtrhL
9. Atomreaktor gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (15) entweder im oberen und mit dem inerten Gas (12) gefüllten Teil des Dampferzeugers (7) oder im unteren mit dem flüssigen Metall (26) gefüllten Teil des Dampferzeugers (24) angeordnet ist.

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