DE2449308A1

DE2449308A1 - Reaktorbehaelter-kuehlvorrichtung

Info

Publication number: DE2449308A1
Application number: DE19742449308
Authority: DE
Inventors: Jean-Michel Gama; Jean Lallement; Lucien Pugnet
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1973-10-18
Filing date: 1974-10-16
Publication date: 1975-04-24
Also published as: IT1024612B; SU575046A3; FR2248583B1; JPS5821235B2; DE2449308C2; GB1441539A; FR2248583A1; JPS5082498A; ES431106A1

Description

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410-23-312P 16. 10. 197*»

Commissariat a 1'Energie Atomique, Paris (Frankreich)

Reaktorbehälter-Kühlvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Reaktorbehälter-Kühlvorrichtung, inabesondere bei einem flüssignatriumgekühlten schnellen Integralreaktor.

Unter einem Integralreaktor (Reaktor in integrierter Bauweise) ist dabei ein Kernreaktor zu verstehen, bei dem der Primärkühlkreis sich vollkommen im Inneren des Reaktorhauptbehälters befindet. D.h., daß sich der Primärwärmetauscher ebenso wie die Umwälzpumpen des Primärfluids vollkommen im Reaktorhauptbehälter befinden.

Die Probleme, die durch die Erfindung überwunden werden sollen, sind am besten anhand der Fig. 1 zu erläutern, in der schematisch im Schnitt der Hauptbehälter eines flüssignatriumgekühlten Integralreaktors dargestellt ist.

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In der Pig. 1 ist ein Reaktor-Betonbehälter 2 dargestellt, der durch eine obere Deckplatte 4 mit mehreren Drehverschlüssen 6 und 8 verschlossen ist. Der eigentliche Reaktorbehälter wird durch die Wand des Hauptbehälters 10 gebildet. Innerhalb dieses Hauptbehälters 10 befindet sich das gesamte Primärnatrium. Der Hauptbehälter 10 ist direkt an der oberen Platte 4 angehängt. Der Reaktorkern 12 besteht aus Brennelementbündeln, die an ihrem unteren Teil fest in einem Träger 14 des Reaktorkerns 12 sitzen. Der Träger 14 ruht auf einem seinerseits vom Hauptbehälter 10 getragenen Bodenbelag 16. Innerhalb des Hauptbehälters 10 sind mehrere Primärpumpen 18 und Primärwärmetauscher 20 vorhanden. Die Heißnatriumzone 21 und die Kaltnatriumzone 22 sind durch einen Mantel 34 und eine Vertiefung oder einen Kegelstumpfmantel 24 voneinander getrennt. Das Innere des Mantels 34 bildet den Primärbehälter, in dem sich das heiße Natrium befindet. Zwischen dem Mantel 34, dem Hauptbehälter 10 und dem Bodenbelag 16 befindet sich das kalte Natrium. Dieser Raum oder diese Zone 22 wird allgemein und im folgenden auch als "Zwischenbehälter" bezeichnet.

Das Natrium durchtritt die Brennelementbündel des Kerns 12 von unten nach oben. Es tritt heiß in den Primärbehälter aus. Es tritt dann in den Wärmetauscher 20 ein, wo es bei 26 in den Zwischenbehälter 22 austritt. Dort befindet sich dann das kalte Natrium. Dieses kalte Natrium wird durch die Pumpe 18 angesaugt und unter geringem Druck in den Träger 14 über eine Leitung 28 gedrückt. Der Kreislauf beginnt nun wieder von neuem.

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Um den Deckel oder die obere Platte Ί zu schützen, wird im Oberteil des Hauptbehälters 10 eine druckbeaufschlagte Schicht oder Abdeckung 30 aus Argon angeordnet.

Der Hauptbehälter 10, der alle Einbauten trägt oder haltert, unterliegt sehr beträchtlichen Wärmegradienten. Am Reaktorkern-Eintritt besitzt das Natrium nämlich eine Temperatur von etwa 400 ⁰C (kaltes Natrium) und am Reaktorkern-Austritt eine Temperatur von etwa 560 ⁰C (heißes Natrium). Zum Abkühlen des Hauptbehälters 10 wird ein Teil der Durchflußmenge des kalten Natriums verwendet. Damit das kalte Natrium die Wände des Hauptbehälters 10 nur leicht bespülen kann, werden zwei konzentrische Schirmwände 32, 3¹J angeordnet, die Durchtritte oder Kanäle 36, 38 bilden. Der'Kanal 36 mündet unter den Brennelementbündeln und nimmt einen kleinen Teil der Durchflußmenge des kalten Natriums auf, das in den Träger I¹* am unteren Teil der Brennelementbündel eingespritzt wird. Das kalte Natrium fließt wieder durch den Kanal 38 bis in den Zwischenbehälter 22 hinab. .

Diese Kühlvorrichtung reicht aus für schnelle Kernreaktoren (Reaktoren mit schnellen Neutronen) mittlerer Leistung, ist jedoch vollkommen ungenügend für Reaktoren großer Leistungen, z. B. 1000 MW-elektrisch. Wegen der Änderungen der Reaktorverhältnisse ändert eich nämlich der Stand oder Pegel des heißen Natriums. Das gleiche erfolgt beim Stand des kalten Natriums in den Kanälen 36 und 38.

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Die Verbindung zwischen den Kanälen 36 und 38 ist am oberen TSnde nicht verschlossen und lediglich durch die Argonschicht 30 begrenzt, die den gesamten Hauptbehälter 10 überdeckt. Bei einer Anhebung des Heißnatriumstands steigt auch der Kaltnatriumstand zwischen dem Hauptbehälter 10 und dem Mantel 34. Im Oberteil des kalten Natriums ist daher eine beträchtliche Schicht oder Lage vorhanden, die nicht umgewälzt wird. Diese beträchtliche, nicht erneuerte Schicht wird durch die vom heißen Natrium abgegebene Strahlung erhitzt, weshalb dadurch keine Abkühlung des Hauptbehälters 10 mehr in der Zone, in der es diese unbewegliche Natriumschicht berührt, erfolgt. Nun entspricht aber diese Zone genau dem oberen Bereich des Hauptbehälters 10 dort, wo die Beanspruchung des Behälters am höchsten ist. Wenn nun im Gegenteil der Kaltnatriumstand absinkt, entsteht ein Ableit- oder Ausflußphänomen beim Durchtritt des kalten Natriums unter dem Mantel bzw. der Schirmwand 32. Bei dieser Ableitung besteht die Gefahr,in das durch den Kanal 38 entnommene Natrium Argonblasen einzuführen. Diese Gefahr ist sicherlich äußerst störend, da ja das Natrium zum Abkühlen der Brennelementbündel des Reaktors dient. Nun ist aber bekannt, daß Argon im Natrium die spezifische Wärme von Plüssignatrium beträchtlich erniedrigt.

Ee ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Abkühlvorrichtung des Hauptbehälters eines schnellen Kernreaktors zu schaffen, der die genannten Nachteile überwindet und insbesondere eine ungestörte Kühlung des Kernreaktors ermöglicht.

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Diese Aufgabe wird bei einer Kühlvorrichtung des Hauptbehälters eines flüssignatriumgekühlten schnellen Integralreaktors , bei dem das Flüssignatrium die Brennelementbündel des Reaktorkerns, bevor es in mindestens einen Primärwärmetauscher eintritt, von unten nach oben durchströmt, von dem das kalte Natrium in eine Zone oder einen Zwischenbehälter unterhalb des Reaktorhauptbehälters abgesaugt wird, der vom übrigen Behälter durch einen Mantel getrennt ist, wobei das der Zone entnommene kalte Natrium unter Druck mittels Pumpen am unteren Teil der Brennelementbündel des Reaktorkerns wieder eingespritzt wird, erfindungsgemäß gelöst durch

mindestens eine Anordnung von zylindrischen Mänteln, die die gleiche Achse wie der Hauptbehälter besitzen und einen Siphon mit zwei Zweigen bilden, der zwischen dem heißen Natrium und der Wand des Hauptbehälters zumindest am oberen Teil angeordnet ist, wobei

die beiden Zweige des Siphons im Reaktor nach unten gerichtet sind,

der der Wand des Hauptbehälters am nächsten liegende Zweig von einem Teil des unten am Reaktorkern eingespritzten kalten Natriums versorgt ist, und

der zweite Zweig in den Zwischenbehälter mündet.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 im Schnitt und in Seitenansicht einen herkömmlichen Kernreaktor;

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Siphon im oberen Teil eine Kammer enthält, das ein Druckgas sowie Auslöseeinrichtungen des Siphons enthält;

Fig. 3 eine erste Weiterbildung, bei der der Siphon keine Gaskammer enthält;

Fig. k eine zweite Weiterbildung, bei der der Siphon direkt an die Wand des Hauptbehälters plattiert ist.

Die Fig. 1 zeigt den bereits erläuterten herkömmlichen Kernreaktor.

In Fig. 2 sind im Teilquerschnitt ein Reaktorbehälter mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung dargestellt. Der Gesamtreaktor ist ein rotationssymmetrischer Körper um eine in der Fig. 2 nicht dargestellte Achse. Alle im folgenden beschriebenen Hülsen oder Mäntel sind rotationssymmetrische zylindrische Mäntel um die Achse des Reaktorbehälters.

In der Fig. 2 ist ein Hauptbehälter 10 dargestellt, der an einem Verschluß oder einer Deckplatte ¹I hängend befestigt ist. Der Hauptbehälter 10 ist von einem doppelwandi-

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gen Gehäuse 40 umschlossen, der das Natrium im Unglücksfall aufsammelt, ohne eine beträchtliche Absenkung des Natrium pegels oder -Standes hervorzurufen. Weiter ist der Kern 12 dargestellt, der von einer Zylinderwand 42 umgeben und von dem mit dem Hauptbehälter 10 mittels einer Trennwand 44 fest verbundenen Bodenbelag 16 getragen ist. Der Primärbehälter ist durch den zylindrischen Mantel 34 und dem konischen Mantel 24 eingeschlossen, der mit dem Gehäuse bzw. der Wand 42 verbunden ist und der darin das heiße Natrium enthält. Der Mantel 24 ist selbstverständlich von dem Wärmetauscher 20 und den Pumpen 18 durchsetzt.

Die eigentliche Kühlvorrichtung wird durch eine Folge untereinander paralleler zylindrischer Mäntel gebildet, die als gemeinsame Achse die Achse des Reaktorhauptbehälters besitzen. Von außen nach innen enthält der Behälter 10 aufeinanderfolgend einen an seinem oberen Ende mit der oberen Verschlußplatte 4 des Reaktors verbundenen ersten Mantel 50. Ein am oberen Ende 54 offener zweiter Mantel 52 ist an seinem unteren Ende mit dem Behälter 10 verbunden. Ein dritter Mantel 56 ist an seinem oberen Ende mit dem Mantel 50 so verbunden, daß die Wände 50, 52 und 56 einen Siphon bilden, der durch die Ringräume oder -kanäle 58 und 60 gebildet ist, die untereinander an ihrem oberen Ende durch die Kammer 62 verbunden sind. Der Kanal 58 mündet direkt zum Bodenbelag 16 und deshalb zum Träger 14 des Reaktorkerns 12, während der Kanal 60 in den Zwischenbehälter 22 mündet. Schließlich ist der den Primärbehälter begrenzende Mantel 34 um einen zylindrischen. Mantel 64 verlängert. Die Ringkammer 62 enthält mehrere Abzweig-Zuleitungen 66, 66', die gleichmäßig über ihre Länge verteilt sind. Die Abzweig-

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Zuleitungen 66, 66* mUnden in einen Zentralsammler 68, der mit einer die Deckplatte *J des Reaktors durchsetzenden Zuleitung 70 verbunden ist. Die Funktionsweise der Zuleitungen wird im folgenden erläutert.

Alle Zuleitungen 66, 66', 70 und der Sammler 68 enthalten Druckargon und eine Argonmengen-Steuer- oder Regeleinrichtung für das in sie eingeführte Argon. Dieser Argonkreis ist unabhängig von dem, der die obere Abdeckung 30 des Reaktorprimärbehälters versorgt.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende:

Beim Einschalten oder Inbetriebsetzen des Reaktors wird im Sammler 68 und in der Zuleitung 70 ein geringer Argondruck gehalten. Dadurch wird ein gewisser Unterdruck in der Ringkammer 62 erzeugt. Die Ringkanäle 58, 62, 60 bilden einen Siphon, der durch den in der Ringkammer 62 erzeugten Unterdruck zum Ansaugen gebracht wird. Der Siphon wird von dem aus dem Träger 14 des Reaktorkerns 12 kommenden kalten Natrium versorgt, das deshalb unter geringem Druck steht. Wenn einmal der Siphon zum Ansaugen gebracht ist, wird die Argonmenge in den Zuleitungen 66, 66', 70 und dem Sammler 68 gesteuert oder geregelt, um den Stand des kalten Natriums in der Kammer 62 auf einem Sollwert zu halten. Dabei ist festzustellen, daß das in dem durch den Hauptbehälter 10 und den Mantel 50 gebildeten Kanal 72 enthaltene kalte Natrium durch die doppelte Dicke des im Siphon umgewälzten kalten Natriums (Kanäle 58 und 60) von dem

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heißen Natrium getrennt ist, das in dem Primärbehälter 21 enthalten ist. Das ständig im Siphon umgewälzte kalte Natrium wird durch Strahlung von dem im Primärbehälter 21 enthaltenen heißen Natrium nicht aufgeheizt, ebenso auch nicht das im Ringraum oder -kanal 72 gespeicherte Natrium, das den Reaktorhauptbehälter 10 direkt berührt. Die Pegeloder Standerhöhung des kalten Natriums in der Ringkammer 62 aufgrund einer Pegel- oder Standerhöhung des heißen Natriums im Primärbehälter wird durch die Druckerhöhung des in der Ringkammer 62 enthaltenen Argons begrenzt, da die Standerhöhung des kalten Natriums das verfügbare Volumen für die konstante Argonmenge verringert. In gleicher Weise bewirkt eine Standabsenkung des heißen Natriume im Primärbehälter eine Standabsenkung des kalten Natriums in der Ringkammer 62. Diese Standabsenkung ist durch die Druckabsenkung des in der Ringkammer 62 enthaltenen Argons begrenzt. Auf diese Weise wird eine Eigen- oder Selbstregelung des Natriumstandes in der Ringkammer erreicht.

Die Fig. 3 zeigt eine erste Weiterbildung der Hauptbehälter-Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung. In der Fig. haben die bereits in der Fig. 2 dargestellten Teile die gleichen Bezugszeichen. Der Mantel 50', der die gleiche Wirkungsweise wie der Mantel 50 der Fig. 2 besitzt, ist nicht mehr direkt mit der Verschlußplatte ¹I verbunden. Er ist mit dem Mantel 56 durch einen Halbtorus 74 verbunden. Bei dieser Weiterbildung sind die Mäntel 50' und 56 nicht mehr fest mit dem Verschluß des Reaktors verbunden. Um sie an Ort und Stelle zu halten, können sie auf Radialrippen oder -stiften 76 und 78 angeschweißt sein, die

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ihrerseits am Hauptbehälter 10 angeschweißt sind. Nicht dargestellt sind in dieser Figur die Zusatz-Zuleitungen, die in den oberen Teil des Siphons durch den Halbtorus 74 münden, und durch die durch Erzeugen eines Teilvakuums das Ansaugen des Siphons ermöglicht wird.

Dieses Ausführungsbeispiel hat selbstverständlich die gleiche Wirkungsweise wie das in Fig. 2 dargestellte. Es ist einfacher als dieses, jedoch erlaubt es keine Regelung oder Steuerung der Gasmenge in der oberen Ringkammer (Ringkammer 62 der Fig. 2). Die Pegel oder Stände werden nämlich im wesentlichen konstant gehalten durch Freilassen eines vergleichsweise verringerten Kanalabschnittes zwischen dem oberen Teil des Mantels 54 und dem den Halbtorus 74 bildenden Wandteil. Dadurch wird die Bildung einer oberen, stillstehenden Schicht oder Lage vermieden.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Mantel 50 bzw. 50» entfernt und die Wirkungsweise dieses Mantels 50, 50' von der Wand des Hauptbehälters 10 selbst übernommen. D.h., daß der Kanal 72 entfernt ist. Wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist der Mantel 56 am oberen Teil mit dem Hauptbehälter 10 verbunden. Dadurch wird am oberen Teil des Siphons (der durch die Ringkanäle oder -räume 58' und 6O¹ gebildet ist, die durch die zylindrischen Mäntel 10, 5*1 und 56 gebildet sind) eine Ringkammer 62' gebildet. Das vom Träger 14 und Reaktorkern 12 kommende kalte Natrium steigt durch den Ringkanal 58* in die Ringkammer 62' und sinkt durch den Ringkanal 60'

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wieder in den Zwischenbehälter 22 ab. Anfänglich wird die in der Ringkammer 62' enthaltene Argonmenge geregelt oder gesteuert. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel erlauben die Verdichtungen und Ausdehnungen der in der Ringkammer 62' eingeschlossenen Argonmenge die ungefähre oder annähernde Regelung des Kaltnatriumstandes in der Ringkammer 62', abhängig von den LastSchwankungen des Reaktors, d.h. abhängig von den Pegel- oder Standschwankungen des heißen Natriums im Reaktorhauptbehälter 21.

Selbstverständlich sind noch weitere Ausgestaltungen möglich; die Erfindung betrifft nämlich Einrichtungen, die zwischen der Wand des Hauptbehälters und dem das heiße Natrium enthaltenden Primärbehälter angeordnet sind, wobei die Einrichtung im wesentlichen gebildet ist durch einen Ring-Siphon, der den gesamten Teil dee Hauptbehälters umgibt, der ohne Siphon das heiße Natrium berühren würde, d.h. den gesamten Teil des Hauptbehälters, der sich oberhalb des Zwischenbehälters befindet.

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Claims

Patentansprüche

( l.yKühlvorrichtung des Hauptbehälters eines flüssignatriumgekühlten schnellen Integralreaktors, bei dem das Flüssignatrium die Brennelementbündel des Reaktorkerns, bevor es in mindestens einen Primärwärmetauscher eintritt, von unten nach oben durchströmt, von dem das kalte Natrium in eine Zone oder einen Zwischenbehälter unterhalb des Reaktorhauptbehälters abgesaugt wird, der vom übrigen Behälter durch einen Mantel getrennt ist, wobei das der Zone entnommene kalte Natrium unter Druck mittels Pumpen am unteren Teil der Brennelementbündel des Reaktorkerns wieder eingespritzt wird, gekennzeichnet durch

mindestens eine Anordnung von zylindrischen Mänteln (50, 50' 52, 56), die die gleiche Achse wie der Hauptbehälter (10) besitzen und einen Siphon mit zwei Zweigen (58, 58', 60, 6O¹) bilden, der zwischen dem heißen Natrium und der Wand des Hauptbehälters (10) zumindest am oberen Teil angeordnet ist, wobei

die beiden Zweige (58, 58¹, 60, 6O¹) des Siphons im Reaktor nach unten gerichtet sind,

der der Wand des Hauptbehälters (10) am nächsten liegende Zweig (58, 58¹) von einem Teil des unten am Reaktorkern (12) eingespritzten kalten Natriums versorgt ist, und

der zweite Zweig (60, 60^f) in den Zwischenbehälter (22) mündet.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Siphon gebildet ist:

durch einen ersten Mantel (56), dessen oberer Teil mit der Wand des Hauptbehälters (10) verbunden ist und dessen unterer Teil frei ist und in den Zwischenbehälter (22) ragt, und

durch einen zweiten, zylindrischen Mantel (5¹O, der zwischen der Wand des Hauptbehälters (10) und dem ersten Mantel (56) angeordnet zwei Ringräume (5ß^!, 60·) bildet, der ferner mit dem oberen Rand so frei ist, daß ein Kanal (62·) zwischen den beiden Ringräumen (58', 60') gebildet ist, und der mit dem unteren Rand mit einer Halterung (14, 16, 42, 4M) des Reaktorkerns (12) verbunden ist (Pig. 4).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Siphon gebildet ist:

durch einen ersten, zylindrischen Mantel (50), dessen oberer Rand fest mit der oberen Reaktordeekplatte (4) verbunden und dessen unterer Rand frei ist,

durch einen zweiten, zylindrischen Mantel (56), dessen oberer Rand sich zum ersten Mantel (50) hin erweitert und mit der ersten Wand (50) verbunden ist und dessen unterer Rand frei ist und in den Zwischenbehälter (22) ragt, und

durch einen dritten, zylindrischen Mantel (52), der zwischen dem ersten und dem zweiten Mantel (50, 56) angeordnet mit

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diesen zwei Ringräume (58, 60) bildet, der ferner mit dem oberen Rand (54) so frei ist, daß ein Kanal (62) zwischen den beiden Ringräumen (58, 6O) gebildet ist, und der'mit dem unteren Rand mit einer Halterung (14, 16, 42, 44) des Reaktorkerns (12) verbunden ist (Fig. 2).
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Mantel (54 bzw. 56) in einem ausbauchenden Teil Zuleitungen (66, 66') enthält, die an gleichmäßig über den äußeren Umfang des Mantels (54 bzw. 56) verteilten Stellen münden und mit einem Sammler (68) zur Druckgaszufuhr verbunden sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Siphon gebildet ist:

durch einen ersten, rotationssymmetrischen Mantel (50·, 56, 74) um die Achse des Hauptbehälters (10), der in seiner Durchmesserhalbebene einen nach unten offenen U-Schnitt aufweist, und

durch einen zweiten, zylindrischen Mantel (52), der zwischen den beiden Zweigen des U-Mantels (50·, 56, 74) angeordnet zwei Ringräume (58, 60) im Inneren des ersten Mantels (50¹, 56, 74) bildet, der ferner mit dem oberen Rand (54) so frei ist, daß ein Kanal (62) zwischen den beiden Ringräumen (58, 60) gebildet ist, und der mit dem unteren Rand mit einer Halterung (14, 16_$ 42, 4*5) des Reaktors verbunden ist (Fig. 3)»

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