DE1514992A1 - Kernreaktor - Google Patents

Description

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Abs.: Patentanwalt Dipl.-Ing. SCHUBERT, 5? Siegen, Eiserner Straße!»*"""™" Filialen Siegen u. Oberhausen (RhId.)

Postfach 325

65 128 liü/Schm 6. Dez. 1965

United Kingdom Atomic Energy Authority, 11 - 12, Charles II Street, London·, S¹JITI, England

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung vom 8. Dezember 1964 in Anspruch genommen.

Kern¹ reaktor

Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktoren und Brennstoffelemente für diese.

Wenn es erwünscht ist, hohe Kühlmittel-Auslaßtemperaturen von einem Kernreaktor her auszunutzen, beispielsweise dadurch, daß überhitzter Hochtemperatur dampf oder verdampftes flüssiges Metall geliefert wird, dann können Betriebssohwierigkeiten auftreten, und zwar infolge der notwendigen hohen Brennstoffelement-Oberflächentemperaturen und insbesondere der Maximal-Temperatur, dem die Mitte des Brenri

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stoffelementes ohne schädliche Auswirkungen standzuhalten vermag. Verschiedene Methoden zur Überwindung dieser Schwierigkeiten, d.he durch Verbesserung der Wärmeübertragungseigenschaften innerhalb des Brennstoffelementes und von diesem aus, sind vorgeschlagen worden= Keiner dieser Vorschläge hat sich bisher als völlig erfolgreich erwiesen, und es ist Aufgabe der Arfindung, eine Hochleistungs-Reaktoranlage zu schaffen, bei welcher die urennstoffelement-V/ärmeübertragungsschwierigkeiten auf einem iuiniiüalwert herabgesetzt werden.

G-emäß der Erfindung sind in einem Kernreaktor die Brennstoffelemente porös ausgebildet, und ein flüssiges Kühlmittel wird dem Element zugeführt, derart, daß das Kühlmittel uurch das Element diffundiert und das Element als Dampf verläßt.

Vorzugsweise ist das Brennstoffelement ein hohle zylindrischer Körper, und das Kühlmittel diffundiert radial durch das Element hindurch.

Das Kühlmittel kann Wasser oder ein flüssiges Metali sein und kann der Mitte des Elementes zugeführt werden, um αarm radial nach außen zu. diffundieren, z.B. in einer Druckrohranordnung, oder das Kühlmittel kann als eine Flüssigkeit dem Äußeren bzw. Außenbereich des Elementes zugeführt werden, um radial nacn innen zu diffundieren, d.h. in einer Druckbehälteranordnung.

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Vorzugsweise wird die Porosität des Elementes durch die raaiale Dicke oder Schichtstärke des Elementes hindurch nicht einheitlich gewählt, sondern sie nimmt in Richtung der radialen Strömung des Kühlmittels zu. Verschiedene AusfUhrungsforiaen sind für das Element möglich:

(a) Das Element wird aus einer Vielzahl von konzentrischen Lagen oder Rohren aus gesintertem Brennstoff mit sich geregelt ändernden Porositäten gebildet.

(b) Das Element weist einen Stapel von ringförmigen Brennst off scheiben auf, die durch poröse Metallscheiben von- ™ einander getrennt sind und auf einem zentralen, mit Aussparungen versehenen Rohr sitzen.

(c) Das Element besteht aus zwei porösen Rohren, die einen Ringraum bilden, der mit überzogenen Brennstoffteilchen bepackt ist, wobei die Teilchen so angeordnet sind, daß sie in ihrer ü-röße variieren, um dadurch die erwünschte radiale Porositätsänderung zu schaffen.

(d) Das Element weist eine innere poröse, Brennstoff enthaltende Schicht, eine Wärmeisolierschicht und eine äußere . t Brennstoff enthaltende Schicht auf, wobei die eine dieser Brennstoff enthaltenden Schichten eine Siede- oder Verdampfungszone bildet, während die andere eine Überhitzungszone bildet. Die Wärmeisolierschicht kann die Form eines radialen Gaaspaltes haben, oder die Schicht kann Aluminiumoxydpulver oder abgereichertes Uran aufweisen, während die Brennstoff enthaltenden Schichten außen mit einem durchlässigen Material umhüllt sein können.

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Bei Verwendung von Natriumkühlmittel kann der Reaktor über eine Quecksilber-Zwischenschleife arbeiten, die eine Quecksilberturbine und eine herkömmliche Dampfschleife enthalt, oder das Natriumkühlmittel kann dazu verwendet werden, eine sekundäre Argon- oder Heliumschleife auf Temperaturen zu bringen, die für einen kHD-Generator /M.H.D. generator/ geeignet sind.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung ausführlicher beschrieben, und zwar zeigt bzw. zeigen

Pig. 1 im liängsmittelsohnitt ein poröses Brennstoffelement, welches innerhalb eines Druckrohres angeordnet ist, die
j?ign. 2, 5, 4, 5 und 6 Schnitte von Teilstüoken eines porösen

Brennstoffelementes in Alternativausführungsformen, Fig. 7 eine schematisohe Anordnung einer natriumgekühlten

Re akt ο r anlage, währenä

jpig. 8 eine schematische Anordnung einer Reaktoranlage w in Kombination mit einem MHD-Generator und einer

Dampfturbine wiedergibt.

Wie aus Pig. 1 hervorgeht, weist ein Brennstoffelement einen langgestreckten porösen Körper 1 auf, der aus einem Kernbrennst off material hergestellt ist. Das Brennstoffmaterial kann Urankarbid in überzogener Partikel- bzw. Teilohenform sein, welches in porösem Graphit dispergiert bzw. fein verteilt ist, oder UOp in einer porösen Zirkoniumoxydmatrix. Die Bprengröße kann

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ässigkeit* von 5x1 θ"⁷

annähernd 40 - 80 Mikron sein, waa eine Durchi "bis 5x10"* oi ergibt. Das Element ist axial innurhalo eines Druckrohres 2 angeordnet, so daß eine ringförmige Kühlmittelführung 3 den porösen Körper umgibt, und die Innenbohrung 4 des Körpers steht mit einer weiteren Führung 5 in Verbindung. Die Führung 5 erstreckt sich von beiden Enden des Körpers her und weist einen doppelwandigen Aufbau ^i t einem statischen Gasspalt 6 auf, um eine Wärmeisolierung zwischen den Führungen 3 und 5 zu bilden.

Im Betrieb wird flüssiges Kühlmittel durch eine der Führungen zugeführt und diffundiert radial durch den porösen Korper hindurch, um alsdann in der anderen Führung auszutreten. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird Wasser unter Druck dem Inneren des Körpers über die Führung 5 zugeführt und diffundiert radial nach außen in die ringförmige Führung 3, wobei es als Dampf austritt. Der Phasenweohsel im Kühlmittel findet an einer Zwischenfläche statt, deren radiale Lage durch Regelung der Druckbedingungen des Dampfes verändert werden kann, Vorzugsweise wird das Wasser in den inneren Bereichen des Elementes verdampft und gelangt in die ringförmige Führung als überhitzter Dampf. Es versteht sich, daß die Temperaturen des Brennstoffes und des Kühlmittels im wesentlichen wahrend des Reaktorbetriebes gleich sind, so daß die Möglichkeit geschaffen wird, höhere Kahlmitteltemperaturen als bisher auszunutzen.

Bei einer Alternativanordnung (nicht dargestellt) kann das flüssige Kühlmittel über die Führung 3 zugeführt werden, μ radial

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nach innen durch das Element hindurch in die zentrale Führung zu diffundieren. Das poröse Element kann ohne ein Druckrohr verwendet werden, z_eB. in einem Siedewasserreaktor. Bei einem solchen wassermoderierten Reaktor kann der Moderator als Kühlmittel verwendet werden, und dem Wasser kann die Möglichkeit gegeben werden, radial nach innen durch die Brennstoffelemente hindurch zu gelangen, um in die Innenbohrung des Elementes als überhitzter Dampf zu gelangen. Der Kern ist innerhalb eines Druckbehälters eingeschlossen, und es versteht sich, daß der Behälter bei der relativ niedrigen iioderatortemperatur arbeiten wird.

Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung von Leichtoder Scherwasaerkühlmittel beschränkt, es können vielmehr andere Flüssigkeiten verwendet werden, z.B. ist flüssiges Natrium geeignet, und eine Anordnung, bei der flüssiges Iiatrium verwendet wird, wird im Nachfolgenden beschrieben.

Verschiedene Ausführungsformen des porösen Körpers sind möglich, und es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Porosität des Körpers so einzurichten bzw, einzuregeln, daß diese in Richtung auf die Oberfläche hin zunimmt, von welcher der Kühlmitteldampf abgeht bzw. ausgeht.

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Figur 2 zeigt eine Ausführungsforiu, bei welcher ein Kernbrennstoff in Form von überzogenen Partikeln aus Urankarbid in eine Reihe von konzentrischen Rohren 7 hinein gesintert ist, wobei die Porosität der Rohre so ist, daß beim Zusammenbau der Körper 1 Poren 8 aufweist, die im wesentlichen einheitlich in ihrer Querschnittsflache zwischen der inneren und äußeren Oberfläche des Körpers zunehmen.

Figur 3 zeigt ein Brennstoffelement, bei dem abwechselnde Schichten eines -kernbrennstoff es 9 und poröser Met all scheiben auf einem zentralen, mit Aussparungen versehenen FlUssigkünlmittelrohr 11 angebracht sind. Das Rohr kanrfaus Edelstahl bestehen.

In Fig. 4 ist ein -Brennstoffelement dargestellt, welches zwei poröse Rohre 12 und 13 aufweist, die koaxial angeordnet sind, um so einen Ringraum 14 zu bilden, der mit überzogenen .kernbrennstoff part ikeln bzw. «teilchen 15 bepackt ist, wobei die Größe der Partikel oder T.eilohen in radialer Richtung graduiert bzw. abgestuft ist, und zwar so, daß die Teilchen in der' lfohe ^: des äußeren Rohres größer sind als diejenigen in der Nähe des inneren Rohres. Die Teilchen können mit irgendwelchen herkömm- ^; liehen, die Spaltung bindenden Schichten, z.B. mit pyrolytischem Kohlenstoff, überzogen werden.

Bei einigen Betriebsformen hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, das Brennstoffelement in zwei thermisch isolierte Zonen aufzuteilen, eine Siede- oder Verdampfungszone und eine

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tjberhitzungszone. Die Zonen können duroh einen ü-asspalt voneinander getrennt werden, oder eine Schicht aua einem Wärmedämmmaterial kann zwischen die Zonen eingefügt werden. Durch daa Vorsehen siner Wärmedämmung zwiaohen den Zonen wird sichergestellt, daß die Überhitzung3ζone mit einer höheren Temperatur arbeitet als die Verdampfungazone, und jeglicher Tendenz dea Elementes wird entgegengewirkt, eine einheitliche Temperatur infolge der Wärmeleitfähigkeit der Elementwerkstoffe anzunehmen. Zweckmäßige AuafUhrungsformen des Elementes sind in den Mgn. " und 6 dargestellt, jedoch ist darauf hinzuweisen, daß die Relativlagen der Ver dampf ungazone und der Überhitzungszone von der Richtung der Kühlmit te 1st römung abhängig sind, tie 1st außerdem zu berücksichtigen, daß die Siede- oder V'erdampfungszone und die Überhitzungszone axial im Abstand voneinander angeordnet werden - können, und zwar derart, daß die Kühlflüssigkeit duroh die eine Zone hindurch diffundiert und daß dann durch Vorsehen geeigneter Prallkörper das Strömungsmittel so geleitet werden kann, daß es durch die andere Zone hinduroh diffundiert.

Wie sich zunächst aus Fig. 5 ergibt, weist ein Brennstoffelement ein inneres poröses, Brennstoff enthaltendes Rohr 41 von gesintertem Aufbau, der eine Siede- oder Verdampfungszone bildet, eine poröse Wärmeschicht 16, sowie einen äußeren, Brennstoff enthaltenden Ring 42 auf, der eine Überhit zunge ζ one bildet. Der äußere Ring 42, der eine Gruppe von gesinterten Brennetoffteilchen aufweist, ist in einer porösen Umhüllung oder einem Mantel 43 enthalten. Die Wärmedämmung 41 besteht aus Aluminiumoxydpulver

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— Q —

AIgO,, oder es kann alternativ abgereiohertes Uran verwendet werden.

Figur 6 zeigt ein Brennstoffelement, daß im wesentlichen demjenigen naoh Fig. 1 ähnlich ist, indem das Brennstoffelement ein längliches hohles Element aufweist, welches durch zwei ringförmige, Brennstoff enthaltende Körper 61, 62 gebildet wird, die in Abstand voneinander angeordnet sind, um so einen ringförmigen G-asraum oder -spalt 60 zu bilden. Die Brennstoffkörper sind axial innerhalb eines Druokrohres 72 angeordnet, so daß eine ringförmige KühlmitteIführung 73 die Körper umgibt, und üie Irmenbohrung 74 des Elementes steht mit einer weiteren Führung 75 in Verbindung. Die Führung 75 besteht aus einem doppelwandigen Aufbau, der einen statischen Gasspalt 76 bildet und eine Wärmeisolierung zwischen den Führungen 73 und 75 herbeiführt. Das flüssige Kühlmittel strömt 'vorzugsweise nach innen von der Führung 73 aus, wobei es während seines Durchganges durch den Brennstoff enthaltenden Körper 62 verdampft und dann überhitzt wird,, wenn es durch den Körper 61 hindurch in die Auslaßführung 75 gelangt. Das Radialspiel zwischen den Körpern ist vorzugsweise groß im Ver- " gleich zu den Körperporenabmessungen.

Eine Reaktoranlage, bei der poröse Elemente mit flüssigem Natriumkühlmittel verwendet werden, ist in Figo 7 dargestellt und weist drei separate Strömungsmittelkreise, z„B. Natrium,

1h

Quecksilber und Wasser, auf. Der Reaktor/wird durch Natriumflüssigkeit gekühlt, die in den porösen Brennstoffelementen, wie

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vorher beschrieben, verdampft wird, wobei der Natriuindampf durch eine Turbine 18, einen Wärmetauscher 19 und eine Pumpe 20 zirkuliert. Der Wärmetauscher 19 überträgt Wärme auf" einen Quecksilberkreislauf, der eine Quecksilberdamofturbine 21, einen Quecksilber/Wasser-Wärmetauscner 22 und eine Pumpe 23 aufweist» Der Wasserkreislauf enthält eine i)ampf tür bine 24, einen Kondensator 25 und eine Speiseoumoe 26. xde T'urbinen 1ö, 21 und 24 sina mit- bzw. untereinander verbunden, um so einen Generator 27 anzutreiben«

Bei der beschriebenen Anlage sind hohe /jüilmittelteiuperaturen möglich, und es ist vorteilhaft, einen QuecksilDer-Ziwiscnenkreislauf zu verwenden, da durch die thermodynamischen Eigenschaften von Uatrium und x)ampf ein Temperaturspalt bzw. -bereich gebildet wird, der leicht durch die Verwendung eines eine Quecksilberturbine entnaltenden .Kreislaufes ausgeglichen werden

In beiden ^M/äriiietausüi:ern erfolgt die .Väriue übertragung durcn Kondensation und /erdamofung, und somit können die "lärmeaustausch

" flächen relativ klein sein.

Fig. 8 zeigt eine schematische Anordnung, bei der ein Reaktor, bei welchem poröse Brennstoffelemente mit flüssigem Katriumkühlmittel verwendet werden, mit einem magnetotnermodynamischen Generator kombiniert ist.

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Um einen nützlichen b^w. brauchbaren thermodynamiBChen Gesamtwirkungsgrad zu erreichen, wird eine Damp>tu:rbine vorgesehen, um Wärme, die von dem magnetothermodynamischen Generator abgewiesen wird, auszunutzen. Der Primärkreislauf weist einen durch flüssiges Natrium gekühlten ReakoUr 28, eine Natrium-Kiihlmittelschleife 2'9» einen Primär-Wärmetauscher 50 und eine Pumpe auf. Der Sekundärkreislauf, der vorzugsweise Argon oder Helium enthält, liefert Ga.s mit annähernd 1000⁰O nach dem MHD-Generator 51, wobei das Gas vorher mit Kalium geiiaoft /seeded/ worden ist. " Nach Durchgang durch den Generator tritt das Gas in einen Gas/ Wasser-Wärmetauscher 52 ein, wird entimpft und in einem Kompressor 55 koiiinrimiert, "bevor es wieder in den Primär-Wärme tauscher gelangt. Das wiedergewonnene iCäUum wird über eine Leitung 54- und eine Pumpe 55 wieder in Umlauf gebracht.

Der Wärmetauscher 52 überträgt Wärme auf die herkömmliche Wasser/Dampf-Scbleife 56, die eine Turbine 57, einen Kondensator 58 und eine Speisepumpe 59 aufweist. Die Turbine treibt Vorzugs:- λ weise den Kompressor 55 und einen elektrischen Generator 40 an.

Es ergibt sich, daß es durch Verwendung eines indirekten. Kühlsystems mit flüssigem Natrium möglich ist, höhere Kühlmitteltemperatur en im Reaktor und gute Kern-Nennleistungen /core ratings/ ohne übermäßige Brennstoffelementtemperaturen zu verwenden.

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Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausf dhrungsforin und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungemerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der- geeamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Patentansprüche

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Claims (1)

1. PATENTANWALT

   DIPL-ING. ERICH SCHUBERT 13 ^{Telefoni(0271}>³²⁴⁰⁹

   Telegramm-Adr.: Patschub, Siegen Postscheckkonten ι Köln 106931, Essen 20362 Bankkonten: Deutsche Bank AG.,

   Abs.! Patentanwalt Dipl.-Ing. SCHUBERT, 59 Siegen, Eiserner Straße 227 Filialen Siegen u. Oberhausen (RhId.)

   Postfach 325

   65 128 Kü/Sb 6.12.1965

   Patentansprüche

   f 1J Kernreaktor, bei welchem die den Kernbrennstoff enthaltenden lOlemente porös ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein flüssiges Kühlmittel der einen deite des Elementes (1) zugeführt und als Dampf auf der anderen Seite abgeführt wird, wobei der Kühlmittelphasenwechsel vor-sich geht, während das Kühlmittel durch das Clement hindurch diffundiert.

   2. Kernreaktor nach Anspruch 1, wobei die Porosität deo Elementes nicht einheitlich ist und in Richtung der Kühlmituel- (

   I /

   Strömung durch das Element hindurch zunimmt.

   3. Kernreaktor, bei dem jedes Brennstoff enthaltende element einen hohlen zylindrischen Körper von porösem Wandaufbau aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlmittel der einen oeite des iilemciites zugeführt und an der anderen üeite abgeführt wird, wobei das Kühlmittel von einer flüssigen in eine dampfförmige Phase übergeht, wenn eu durch die iiilementwand diffundiert.

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   4. Kernreaktor, bei dem jedes Brennstoff enthaltende Element einen länglichen hohlen zylindrischen Bauteil von porösem V/andaufbvu aufweist und ein flüssigkeitsdiclites Gehäuse das Element einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel für die Zufuhr eines flüssigen "Kühlmittels nach diesem Gehäuse vorgesehen 3ind und daß Führungen mit dem Innern des Elementes verbunden sind, v/odurch ein dampfförmiges Kühlmittel aus dem Inneren des Elementes abgeführt wird, wobei das Kühlmittel von einer flüssigen in eine dampfförmige Phase beim Hindurchdiffundieren durch das JjIement übergeht.

   5. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

   daß das Brennstoff enthaltende Clement eine Vielzahl von konzentrischen ochiehten aus einer porösen gesinterten 3rennstoffm^!?.tri:c be3 fceht.

   ΰ. Kernreaktor nacu Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoff enthaltende element einen otapel von ringförmigen Jrynnstoffscheiben aufweint, die durch pcrö^e ^letallsciieiben voneinander getrennt und auf einem zentralen, mit Aussparungen versehenen Rohr angebracht sind.

   7. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch'gekennzeichnet, da.3 das Element zwei poröse Honre aufweist, die einen „tuum bilden, v/elcher i-iit überzogenen Brennstoff teilchen bepackt ist, wobei die Abmessung dex' Teilcl'en so ablest aft ist, daß die ■Jtilchen in cer „Ihe des eineii Rohres größer sind als diejenigen in der IJähe des anderen tiohres,

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   BAD

   3. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das xilement eine innere poröse, Brennstoff enthaltende Jchicht, eine Väriüeläolierachicht und eine äußere Brennstoff enthaltende bchicht aufweist, wobei die eine der Brennstoff enthaltenden Schichten eine Kühlmittelverdampfungszone und die andere eine Überhitzurigszone bildet»

   9. Kernreaktor lr-ujh Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die V/ärineisolierschicht im Jäleuient einen mit Gas gefüllten

   enthält. %

   1Oo Kernreaktor nach Lnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dal=; das Kühlmittel Natrium iat und der ITatriumkreislauf in v/ärmeaustauschbeZiehung mit einem vaecksilberkreislcuf steht, wobei der ^uecksilberkreislauf eine ^uecksilberdampfturbine und einen /uecksilber/v/asser-./^rmetauscher enthält, wodurch Dampf erzeugt wird, um eine Dampfturbine zu betreiben.

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   BAD ORIGINAL

   Leerseite