DE2824293A1

DE2824293A1 - Kernreaktor mit fluessigmetallkuehlung

Info

Publication number: DE2824293A1
Application number: DE19782824293
Authority: DE
Inventors: Sidney Barnes
Original assignee: Nuclear Power Co Ltd
Current assignee: Nuclear Power Co Ltd
Priority date: 1977-06-03
Filing date: 1978-06-02
Publication date: 1978-12-21
Also published as: FR2393405A1; GB1568585A; JPS543684A; JPS622277B2; US4226676A; FR2393405B1

Description

DR. BFRG DiPL ING STAPF DIPL.-ING. SCHWABE DR DR. SANDMAIR

PATENTANWÄLTE Poetfach 860245 · 8000Miinchen86 2824293

Anwaltsakte 29 170 2. Juni 1978

Nuclear Power Company Limited London WlA IEH / Großbritannien

Kernreaktor mit Flüssigmetallkühlung

• (0*9) M «2 72 Tekfnmme: 809851/0771 BMkkoMen: Hypo-Bnic Mtachen 44M122M0

9(8273 BEROSTAPFPATENT München (BLZ 70020011) Swift Code BYPO DE MU

911274 TELEX: B«yec Verein*«* Mtacben «3100 (BLZ 7802027«

9S3310 0524560 BEKO d Potticheck Manches CS343-WI (BLZ 70OfOOW)

Anwaltsakte: 29 170

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit Flussigmetallkühlung.

Ein Kernreaktor mit Flüssigmetallkühlung ist im allgemeinen in einem Stahlbehälter untergebracht, welcher selbst mit einem stahlverkleideten Sicherheits.gewölbe aus Beton umschlossen ist, und um eine Beschädigung des Betons durch von dem Kernreaktor abgestrahlte Wärme zu verhindern, ist im allgemeinen thermisch isolierendes Material zwischen dem den Reaktor aufnehmenden Behälter und der Gewölbeauskleidung angeordnet. In einer üblichen Kernreaktorausführung, die als schneller Brüter oder schneller Brutreaktor mit Flüssigmetallkühlung bekannt ist, ist eine Brennelementanordnung in einen Pool aus flüssigem Natrium eingetaucht, der in einem geschlossenen Hauptbehälter untergebracht ist, und der Hauptbehälter ist an seinem Rand von dem Dach eines Sicherheitsgewölbes aus Beton mit einer Membranauskleidung abgehängt. Die normale Betriebstemperatur des Hauptbehälters liegt etwa bei 400⁰C, so daß thermisch isolierendes Material erforderlich ist, um die Wärmestrahlung an den Beton abzuschwächen. In einem Notfall, beispielsweise bei einem Bruch des Hauptbehälters, wodurch

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es zu einem Ausfließen des Natriums aus dem Pool kommt, wird der Kernreaktor automatisch abgeschaltet und stillgesetzt, aber trotzdem sind Umstände berücksichtigt, bei welchen infolge der Zerfallwärme, die in dem Brennstoffelement erzeugt wird, die Temperatur des Natriums auf einen übermäßig hohen Wert (von etwa 650⁰C) ansteigen könnte, außer wenn die überschüssige Wärme über den Aufbau verteilt wird. Infolgedessen gibt es zwei sich wiedersprechende Forderungen: es wird thermisch isolierendes Material gefor dert, um eine Wärmeübertragung an den Beton während des normalen Betriebs des Reaktors zu verringern, aber im Fall eines Bruches des Hauptbehälters, wobei es dann zu einem Abfließen des Kühlmittels aus der Brennelementanordnung kommt, muß zumindest eine verminderte Wärmeisolation gegeben sein und vorzugsweise muß die Wärmeübertragung an den Gewölbeaufbau erhöht werden.

Die Erfindung soll daher einen Kernreaktor mit Flüssigmetallkühlung schaffen, bei welchem ein Sicherheitsgewölbe aus Beton mit einer Wärmeisolierung ausgekleidet ist, um das Gewölbe gegenüber der von dem Reaktor abgegebenen Wärmestrahlung während des normalen Betriebs des Reaktors zu schützen, bei welchem aber die Wirksamkeit und Leistungsfähigkeit der Wärmeisolierung bei einem Notfall verringert wird, damit übermäßige Wärme von dem Reaktor über das Gewölbe verteilt werden kann.

Gemäß der Erfindung hat in einem Kernreaktor mit Flüssigmetallkühlung und mit einer Brennelementanordnung in einem ein Kühlmittel

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enthaltenden Hauptbehälter, der in einem Sicherheitsgewölbe aus Beton untergebracht ist und thermisch isolierendes Material aufweist, das zwischen dem Behälter und dem Beton angeordnet ist, das thermisch isolierende Material zwei Lagen, von denen eine erste Lage, welche die Oberfläche der inneren Wandung des Gewölbes überzieht, für ein Flüssigmetallkühlmittel undurchlässig ist, während eine zweite Lage über der ersten Lage für das Flüssigmetallkühlmittel durchlässig ist. Bei normalem Betrieb dienen die beiden Lagen des thermisch isolierenden Materials dazu, den Beton vor Wärme zu schützen, die von dem Pool des eine hohe Temperatur aufweisenden Kühlmittels in dem Behälter abgestrahlt wird; bei einem Bruch des Behälters, wobei es dann zu einem Ausfließen des Kühlmittels kommt, durchdringt dann das Flüssigmetall die zweite Lage und füllt sie aus, so daß auf diese Weise ein Träger für eine Wärmeübertragung durch Leitung über die zweite Lage des isolierenden Materials geschaffen wird und dadurch insgesamt die Isoliereigenschaft der zwei Lagen vermindert wird. Die erste Lage, die im allgemeinen für Flüssigmetall undurchlässig ist, schützt die Wandungsoberfläche des Gewölbes davor, in unmittelbaren Kontakt mit dem Flüssigmetall zu kommen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die erste Lage des thermisch isolierenden Materials keramische Platten, wie beispielsweise aus Magnesium- oder Aluminiumoxyd aufweisen,und die zweite Lage des thermisch isolierenden Materials kann Fasermaterial sein, beispielsweise Glas- oder Alumosilikatfasern oder Gasporen festlegende Metallplatten.

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Die Erfindung betrifft ferner einen Kernreaktor mit Flüssigmetallkühlung in Form eines schnellen Brüters mit einer Kernbrennstoffanordnung, die in einen Flüssigmetall-Kühlmittelpool in einem oben offenen Hauptbehälter eingetaucht ist, und welcher von den Dachaufbau eines Sicherheitsgewölbes aus Beton mit einer Auskleidung mit Kühleinrichtungen abgehängt ist, wobei thermisch isolierendes Material in dem Zwischenraum zwischen dem Behälter und dem Beton angeordnet ist; bei diesem Kernreaktor weist gemäß der Erfindung das thermisch isolierende Material zwei Lagen auf, von welchen eine erste Lage auf der Oberfläche der Innenwandung des Gewölbes für ein Flüssigmetallkühlmittel im allgemeinen undurchlässig ist und eine zweite Lage auf der ersten Lage für ein Flüssigmetallkühlmittel im allgemeinen durchlässig ist, wobei ein undurchlässiger Überzug die zweite Lage des thermisch isolierenden Materials bedeckt, und ferner sind Steuereinrichtungen vorgesehen, um die zweite Lage des thermisch isolierenden Materials und den Zwischenraum zwischen dem undurchlässigen Überzug und dem Hauptbehälter mit dem Flüssigmetallkühlmittel zu überfluten, um eine Wärmeübertragung zwischen dem Hauptbehälter und der ersten Lage des thermisch isolierenden Materials zu bewirken.

In einer bevorzugten Ausführungsform des schnellen Brüters mit Flüssigmetallkühlung weist die erste Lage des thermisch isolierenden Materials keramische Blöcke aus Magnesium-oder Aluminiumoxyd auf, und die zweite Lage des thermisch isolierenden Materials weist Gasporen festlegende Metallplatten auf.

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Die Ausführung des erfindungsgemäßen Kernreaktors hat den Vorteil, daß während des normalen Dauerbetriebs der Beton des Sicherheitsgewölbes nicht durch eine übermäßige Hitze beschädigt werden kann, die von der Kernbrennstoffanordnung abgestrahlt wird, daß aber in einem Notfall ,in welchem übermäßige Wärme von der Kernbrennstoffelementanordnung abgestrählt wird, die Wärmekonzentration durch eine Wärmeübertragung an den Beton und an das Kühlmittel entsprechend gemildert und abgeschwächt werden kann.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig.1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungs-

form;

Fig.2 einen Teil einer Schnittansicht durch thermisch

isolierendes Material.das in der in Fig.1 wiedergegebenen Ausführungsform verwendet ist;

Fig.3 · eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform; und

Fig.4 einen Teil einer Schnittansicht von thermisch

isolierendem Material, das in der in Fig.3 wiedergegebenen Ausführungsform verwendet ist.

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Der in Fig.1 dargestellte Aufbau weist eine Brennelementanordnvmg 1 auf, die in einen Pool 2 eines Flüssigmetall-(Natrium-)Kühlmittels in einem Hauptbehälter 3 eingetaucht ist. Der Hauptbehälter ist an seinem Rand von dem Dach eines Sicherheitsgewölbes 4 aus Beton abgehängt, welches mit einer Stahlhaut oder -membran 5 ausgekleidet ist. Die Stahlhaut ist auf dessen Innenfläche, d.h. auf die zu dem Hauptbehälter hinweisende Fläche, aufgebracht und ist mit einem thermisch isolierenden Material 6 versehen, um den Beton vor der Hitze zu schützen, die von dem Flüssigmetallpool abgestrahlt wird. Die Brennelementanordnung ist auf einem Tragrost 7 angeordnet, der von der Wandung des Hauptbehälters 3 getragen wird, und ist von einem Kernbehälter 8 umgeben, welcher den Kühlmittelpool in innere und äußere Bereiche 9 und 10 aufteilt. Eine Pumpe 11 (es ist nur eine Pumpe dargestellt, obwohl in Wirklichkeit mehrere vorgesehen sind) ist angeordnet, um Kühlmittel aus dem äußeren Bereich nach oben durch die Brennelementanordnung 1 und über den Tragrost 2 zu einem Wärmeaustauscher 12·· (wobei wieder nur einer von mehreren Wärmeaustauschern dargestellt ist) zu pumpen, der in dem inneren Bereich 9 des Flüssigmetallpools angeordnet ist. Der Wärmeaustauscher 12 gibt Flüssigmetall an den äußeren Bereich 10 ab, wodurch Wärmeenergie von dem die Brennelementanordnung durchfließenden Kühlmittel an ein Sekundärkühlmittel übertragen wird, das durch einen sekundären Wärmeaustauschkreis mit dem Wärmeaustauscher umgewälzt wird. Infolgedessen enthält während des Betriebs des Kernreaktors der äußere Bereich 10 verhältnismäßig kühles Flüssigmetall mit etwa 400⁰C, während der

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innere Bereich 9 verhältnismäßig heißes Flüssigmetall von etwa 600⁰C aufweist. Durch das Dach des Betongewölbes 4 gehen Steuerstäbe 13 und eine Meßgerätezuführung 14 hindurch, welche die Brennelementanordnung mit Anzeige- und Steuereinrichtungen außerhalb des Gewölbes verbindet. In den Bodenbereichen des Gewölbes

4 ist ein konkav gewölbter Behälter 15 vorgesehen, um (im Fall einer Undichtigkeit) Flüssigmetall aufzunehmen, das an der Außenfläche des Hauptbehälters abläuft, und dem Behälter 15 ist eine (nicht dargestellte) Flüssigmetall-Fühleinrichtung zugeordnet, um das Vorhandensein von Flüssigmetall anzuzeigen. Die Brennelementanordnung ist von einem Neutronenschild 16 umgeben.

Das thermisch isolierende Material 6 ist genauer in Fig.2 dargestellt. Die Auskleidung 5 des Gewölbes ist an dem Beton mittels strichpunktiert dargestellter Schraubbolzen 16 befestigt, und wasserleitende Rohre 17 sind mit der Außenfläche der Auskleidung

5 verschweißt und in den Beton eingebettet. Das thermisch isolierende Material 6 wird von einer Anzahl Schraubbolzen 18 getragen, die mit der Stahlauskleidung verschweißt sind. Eine erste, die Auskleidung bedeckende Lage 6a des thermisch isolierenden Materials weist eine Anordnung von keramischen Ziegeln oder Platten 19 auf, welche für Flüssigmetall undurchlässig sind. Durch die Platten gehen jeweils zwei Schraubbolzen 18 hindurch, deren Schraubmuttern in zylinderförmigen Ausnehmungen 20 aufgenommen sind, die durch eine Abdeckplatte 20 aus einem ähnlichen keramischen Material verschlossen sind.Das keramische Material der be-

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schriebenen Ausführung weist Magnesia bzw. Magnesiumoxyd auf, könnte aber auch Aluminiumoxyd sein, und die Platten 19 sind in einen hitzebeständigen Zement 22 . gelegt. Die Platten können auch Vertiefungen 23 aufweisen, in welchen mit Gewinde versehene Buchsen 24 eingesetzt sind, in welche zum Halten und Tragen einer zweiten Lage 6b des thermisch isolierenden Materials Schraubbolzen 25 eingeschraubt sind. Die zweite Lage besteht aus Fasermaterial, das im Aufbau Glas aufweist, könnte aber genau so gut auch Alumosilikat aufweisen und ist in drei Lagen 26 angeordent, zwischen welchen perforierte Zwischenlagen oder Membrane 27 angeordnet sind. Die zweite Lage 6b ist durch eine Anordnung von perforierten Abdeckplatten 28 geschützt, die durch Schraubbolzen 25 gehalten und angeordnet sind, um das Material an den Platten 19 festzuklemmen. Um ein Zusammenfallen des Fasermaterials der zweiten Lage 6b zu verhindern, sind eine Anzahl nach oben schräg verlaufender Tragteile 29 vorgesehen, die jeweils so angeordnet sind, daß sie von der ersten Lage des thermisch isolierenden Materials getragen werden und durch die zweite Lage hindurchgehen. Die Tragteile 29 sind so ausgebildet, daß sie Auflageflächen 30 aufweisen, auf welchen die Lagen 26 gehalten sind, und Schraubbolzen 31 zum Halten der Tragteile 29 sind wieder in Gewindebuchsen 32 eingeschraubt, welche in Ausnehmungen 33 in den Platten aufgenommen sind.

Bei normalem Betrieb liegen Temperaturstufen quer durch die Isolation von etwa 350⁰C an den Abdeckplatten 28 über 6O⁰C an der Zwi-

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selenschicht zwischen den ersten und zweiten Lagen bis auf 45°C an der Auskleidung vor. Der Auskleidung wird die Wärme durch Wasser entzogen, das durch die Rohre 18 fließt, so daß dieBetriebstemperatur des Betons nicht hoch genug ist, um die Beschaffenheit des Betons zu verschlechtern. Jedoch ist vorgesehen, daß im Falle eines sehr unwahrscheinlichen Notfalls, bei welchem es zu einem schweren Bruch des Hauptbehälters kommt, ausfließendes Flüssigmetall in die zweite Lage des thermisch isolierenden Materials eindringt, um dadurch einen Träger für eine Wärmeübertragung durch Leitung zu der ersten Lage des thermisch isolierenden Materials zu schaffen, wodurch insgesamt die Isoliereigenschaft der Lagen geringer wird. Es ist berechnet worden, daß die Temperatur des Flüssigmetalls an den Abdeckplatten bei einem solchen Unglücksfall bei 650⁰C liegen würde, und infolgedessen eine im wesentlichen ähnliche Temperatur an den Flächen zwischen ersten und zweiten Lagen erhalten würde, während an der Auskleidung die Temperatur bei 200⁰C liegen würde, wobei die Wärme durch das durch die Rohre 17 fließende Kühlmittel verteilt würde.

Eine in Fig.3 dargestellte Ausführungsform eines Kernreaktors in Form eines schnellen Brüters mit Flüssigmetallkühlungisfeder in Fig.1 dargestellten Ausführungsform ähnlich, außer daß der Hauptbehälter 3 oben offen ist, um thermische Beanspruchungen an der Dachhalterung zu vermeiden, und daß er von dem Dachaufbau des Gewölbes 5 durch eine ringförmig angeordnete Reihe von Verbindungsbügeln 41 getragen ist. Der Hauptbehälter weist ein ringförmiges Joch 42 mit ¹K'-Querschnitt auf, wobei die Verbindungsbügel an dem nach oben

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ausgerichteten Schenkel des Querschnitts angebracht sind. Der nach oben schräg verlaufende Schenkel und der vertikal nach unten ausgerichtete Schenkel sind durch obere und untere Umläufe (strakes) des Behälters verlängert, während die Brennelementanordnung von dem schräg nach unten verlaufenden Schenkel getragen ist.

Bei dieser Ausführungsform sind Rohrleitungen (von denen nur eine durch gestrichelte Linien dargestellt und in Fig.3 mit 43 bezeichnet ist) mit normalerweise geschlossenen Steuerventilen 44 vorgesehen, durch welche die sekundären Flüssigmetall-Kühlmittelkreise mit dem Zwischenraum zwischen dem Hauptbehälter und derWandung des Betongewölbes verbunden sind; die Steuerventile werden bei Anliegen eines einen Unglücksfall anzeigenden Signals geöffnet, um den Zwischenraum mit Kühlmittel zu überfluten. Das Gewölbe enthält eine Gasatmosphäre (Argon), wodurch ein Schutzgas für den Kühlmittelpool geschaffen ist. Die zweite Lage der thermischen Isolation hat eine herkömmliche Metallfolienart, welche im allgemeinen eine Reihe von im Abstand voneinander angeordneter Membrane 45 aus rostfreiem Stahl aufweist, zwischen denen mit Vertiefungen versehene Abstandsplatten 46 angeordnet sind,wie in Fig.4 dargestellt ist. Eine Wärmeübertragung an die Metallplatten ist durch die dazwischen ausgebildeten Gaszwischenschichten verhindert. Die zweite Isolierlage ist durch einen undurchlässigen überzug 47 geschützt, der in ähnlicher Weise wie der Überzug 28 der ersten Ausführungsform durch Schraubbolzen 25 ge-

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halten ist; der überzug 47 der zweiten Ausführungsform dient dazu, die zweite Lage des thermisch isolierenden Materials vor einem Natriumdampfniederschlag aus dem Hauptbehälter zu schützen. Der überzug 47 ist in vertikaler und horizontaler Richtung für eine thermische Oberflächenausdehnung mit Rippen versehen.

Bei einem Unglücksfall, bei welchem die Temperatur des Kühlmittels in dem äußeren Bereich des Kühlmittelpools in dem Hauptbehälter übermäßig ansteigen würde, werden die Steuerventile automatisch geöffnet, um den Zwischenraum (einschließlich der zweiten Lage des thermisch isolierenden Materials) mit einem Sekundärkühlmittel zu überfluten, wodurch ein Wärmeleitungsträger zu der ersten Isolierschicht und infolgedessen zu der ausgekleideten Oberfläche des Betongewölbes geschaffen würde, so daß die Wärme durch den Wasserkühlmittelkreis ,der die Rohre 17 aufweist, entzogen und damit abgeführt werden könnte.

Ende der Beschreibung

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Claims

Patentansprüche

M./Kernreaktor mit Flüssigmetallkühlung, mit einer Brennelementanordnung in einem ein Kühlmittel enthaltenden Hauptbehälter, der in einem Sicherheitsgewölbe aus Beton untergebracht ist und thermisch isolierendes Material aufweist, das zwischen dem Behälter und dem Beton angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch isolierende Material (6) zwei Lagen hat, von denen eine erste Lage (6a), welche die Oberfläche der inneren Wandung des Gewölbes (4) überzieht_/für ein Flüssigmetallkühlmittel undurchlässig ist, während eine zweite Lage (6b), die die erste Lage überzieht, für das Flüssigmetallkühlmittel durchlässig ist.
2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lage (6a) des thermisch isolierenden Materials keramisches Material aufweist.

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• (0*9)988272 idcsisnuiMt 988273 BERGSTAPFFATENT München 988274 TELEX: 983310 0524560 BERG d

Bankkonten: Hypo-Btnk München 4410122850 (BLZ 70020011) Swift Code: HYPO DE MM Btyec Vereinjbuik München 453100 (BLZ 70020270) Portfcheck München 65343-808 (BLZ 70010080)

ORIGINAL
3. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lage (6b) des thermisch isolierenden Materials Fasermaterial ist.
4. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lage (6a) des thermisch isolierenden Materials keramische Platten (19) aus Magnesium oder Aluminiumoxyd aufweist, und daß die zweite Lage (6b) des thermisch isolierenden Materials Glasfasern, Alumosilikat-Fasern oder Gasporen festlegende Metallplatten (45, 46) aufweist.
5. Kernreaktor mit Flüssigmetallkühlung in Form eines schnellen Brüters, mit einer Kernbrennstoffanordnung, die in einen Flüssigmetall-Kühlmittelpool in einem Hauptbehälter mit einer offenen Oberseite eingetaucht ist und welcher von dem Dachaufbau eines Sicherheitsgewölbes aus Beton mit einer Auskleidung mit Kühleinrichtungen abgehängt ist, wobei thermisch isolierendes Material in dem Zwischenraum zwischen dem Behälter und dem Beton angeordnet ist, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch isolierende Material (6) zwei Lagen aufweist, von welchen eine erste Lage (6a) die Oberfläche der Innenwandung des Gewölbes überzieht und für ein Flüssigmetallkühlmittel im allgemeinen undurchlässig ist, und eine zweite Lage (6b) die erste Lage überzieht und für ein Flüssigmetallkühlmittel im allgemeinen durchlässig ist, wobei ein undurchlässiger Überzug (47) die zweite Lage (6b) des thermisch isolierenden Ma-

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terials bedeckt, und daß Steuereinrichtungen (44) vorgesehen sind, um die zweite Lage (6b) des thermisch isolierenden Materials und den Zwischenraum zwischen dem undurchlässigen Überzug (47) und dem Hauptbehälter (3) mit einem Flüssigmetallkühlmittel zu überfluten, um eine Wärmeübertragung zwischen dem Hauptbehälter (3) und der ersten Lage (6a) des thermisch isolierenden Materials zu bewirken.
6. Kernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lage (6a) des thermisch isolierenden Materials keramische Platten (19) aus Magnesium oder Aluminiumoxyd aufweist, und daß die zweite Lage des thermisch isolierenden Materials Gasporen festlegende Metallplatten (45, 46) aufweist.

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