DE2315820A1

DE2315820A1 - Dampferzeuger fuer einen schnellen brueter

Info

Publication number: DE2315820A1
Application number: DE2315820A
Authority: DE
Inventors: Shoji Iida
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1972-03-31
Filing date: 1973-03-29
Publication date: 1973-10-11
Also published as: US3967591A; JPS5139319B2; FR2179406A5; GB1387527A; DE2315820B2; JPS4898296A; DE2315820C3

Description

ME-123 (193F-IIO9)
lA-470

Mitsubishi Deiüci Eabushiki Kaisha, Tokyo, Japan

Dampferzeuger· für einen schnellen Brüter

Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger für einen schnellen Brüter mit einer doppelwandigen Trennwand, welche heißes Kühlmedium von kaltem Kühlmedium trennt·

Bei herkömmlichen Dampferzeugern (Rohrtyp oder Manteltyp) ist
flüssiges Natrium durch eine Metallwand vom Wasser getrennt.
Ein derartiger Dampferzeuger ist ähnlich wie ein Dampferzeuger mit Wasserkreislauf aufgebaut.

Es muß damit gerechnet werden, daß die Trennwandung des Dampferzeugers zerstört wird, d.h. bricht oder reißt so daß das
radiaktive flüssige Natrium mit dem Wasser reagiert. Aus diesem Grund ist ein zwischengeschalteter Wärmeaustauscher vorgesehen, • elcher mit dem primären Kühlsystem zusammenwirkt und ein sekundäres Kühlsystem bildet wobei das flüssige Natrium in einem geschlossenen Kreislauf umläuft. Dieses sekundäre Natriuakühl-Kreislaufsystem enthält flüssiges Natrium welches nicht radioaktiv ist.

Es wurde vorgeschlagen das radioaktive primäre Kühlsystem auf
Basis von flüssigem Natrium direkt zum Betrieb des Dampferzeugers heranzuziehen. Hierbei wurde ein doppelwandiges Rohr
als Trennwandung vorgeschlagen, wobei ein Außenrohr ein Innenrohr umgibt. Hierbei ist jedoch die Wärmeleitfähigkeit der

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Trennwandung sehr niedrig so daß ein solcher Aufbau sich nicht empfiehlt. Demgemäß wird herkömmlicherweise in der Praxis stets zwischen dem Primärkühlkreislauf und dem Dampferzeuger ein Sekundärkühlkreislauf zwischengeschaltet, so daß bei einem Unfall infolge einer Zerstörung der Trennwandung lediglich nicht radioaktives Natrium in den Dampferzeuger gelangt wodurch der mögliche Schaden herabgesetzt wird. Mit der herkömmlichen Technologie ist es jedoch schwierig einen Dampferzeuger zu bauen bei dem ein Durchtritt oder eine Leckage von flüssigem Natrium völlig vermieden wird. Da somit stets ein sekundäres Kühlkreislaufsystem erforderlich ist so werden die Konstruktionskosten für schnelle Brüter im Vergleich zu mit Wasser betriebenen Reaktoren stark erhöht.

Herkömmliche Dampferzeuger für schnelle Brüter haben die nachstehenden Nachteile:

1) Ein sekundäres Natriumkühlsystem ist erforderlich.

2) Wenn flüssiges Natrium in dem Dampferzeuger während einer langen Zeitdauer verwendet wird so kann die Trennwand durch das flüssige Natrium korrodiert werden und es kommt zu einer Explosion durch Reaktion des Natriums mit dem Wasser. Ein derartiges Vorkommnis wird durch einen großen technischen Aufwand verhindert.

3) Das Reaktorgebäude und die anderen Einrichtungen müssen gegen Explosion geschützt sein. Demgemäß sind die Konstruktionskosten sehr groß.

4) Wenn die Trennwand des Dampferzeugers als doppelwandiges Rohr ausgebildet ist so ist die Betriebssicherheit relativ groß, der thermische Wirkungsgrad ist jedoch gering.

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5) Im allgemeinen ist es schwierig eine Leckage durch die Trennwand vollständig zu verhindern.

6) Ein Detektor für die Feststellung eines Bruchs oder Risses in der Trennwand des Dampferzeugers steht nicht zur Verfügung. Selbst wenn ein solcher Detektor zur Verfügung stünde könnte er doch nicht wirksam eingesetzt werden da die Trennwandung innerhalb einer äußerst kurzen Zeitdauer bricht oder reißt (mehrere Sekunden). Demgemäß kann innerhalb dieser kurzen Zeitdauer keine wirksame Maßnahme zur Verhütung oder zur Beschränkung des Unfalls getroffen werden und der Betrieb wird vollständig lahmgelegt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen einfachen, sicheren Dampferzeuger für einen schnellen Brüter zu schaffen, welcher ohne sekundäres Kühlsystem arbeitet und einen ausgezeichneten thermischen Wirkungsgrad hat und dessen Betriebssicherheit selbst nicht bei einem Bruch in der Trennwand gestört wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden Wände der Trennwand mit Abstand voneinander angeordnet sind und daß der Zwischenraum in eine Vielzahl von Zellen (7) unterteilt ist, in dip ein thermisches XJbertragungsmedium eingeschlossen ist. Der thermische Wirkungsgrad ist um ein Mehrfaches höher als bei Trennwänden welche lediglich aus thermisch leitfähigem Metall bestehen. Die Kosten des erfindungsgemäßen Dampferzeugers sind äußerst gering.

Im Folgenden wird die Erfindung aufgrund von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

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Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dampferzeugers;

Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht des erfindungsgemäßen Dampferzeugers gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III der Fig. 1; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Dampferzeugers.

Fig. 1 zeigt einen Dampferzeuger für einen schnellen Brüter, wobei das Bezugszeichen (l) einen Außenmantel bezeichnet. Ferner sind eine Innenwandung 2 und eine Außenwandung 3 vorgesehen. Ein heßes Strömungsmedium (flüssiges Natrium) ist durch eine dicke Trennwand von einem kalten Strömungsmedium (Wasser) getrennt. Das als heißes Strömungsmedium dienende flüssige Natrium k fließt durch einen Einlaß und durch einen Raum zwischen dem Außenmantel 1 und der Außenwandung 3. Dieses einfließende flüssige Natrium kommt vom Auslaß eines Kernreaktors welcher nicht dargestellt ist und fließt in Richtung des Pfeils A. Gemäß dem Pfeil B strömt das flüssige Natrium sodann zum Einlaß des Kernreaktors. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet Kühlwasser welches als kaltes Strömungsmedium dient. Dieses fließt durch den durch die Innenwandung 2 definierten Strömungskanal. Es entstammt dem Auslaß eines Kondensators (nicht dargestellt) und strömt in Richtung des Pfeils C und verläßt sodann den Dampferzeuger gemäß Pfeil D und tritt in den Einlaß einer Turbine (nicht dargestellt) ein.

Der durch einen strichpunktierten Kreis in Fig. 1 bezeichnete Ausschnitt ist in Fig. 2 vergrößert dargestellt. Eine Vielzahl von Stützstangen oder Stützplatten 6 mit Rippen oder dgl. erstrecken⁵ sich von der Innenwandung 2, welche mit dem kalten Strömungsmedium 5 beaufschlagt wird zur Außenwandung 3, welche

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von dem heißen Strömungsmedium 4 beaufschlagt wird. Auf diese Weise werden eine Vielzahl kleiner Zellen gebildet welche durch die Innenwandung 2, die Außenwandung 3 und die Stangen oder
Platten 6 begrenzt sind. In diesen Zellen befinden sich Packungen 7 aus feiner Edelstahl-Drahtgaze. Diese Drahtgaze 7 ist mit
einer Flüssigkeit imprägniert welche bei der Betriebstemperatur des Dampferzeugers in Dampfform übergeht und nicht siedet. Die Innenwandung 2 und die Außenwandung 3 sind durch Stangen
oder Platten 6 miteinander verbunden. Die imprägnierte Flüssigkeit befindet sich bei niedriger Temperatur im festen Zustand. Gewöhnlich wird ein Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt
eingesetzt. Dieses kann am leichtesten gehandhabt werden. Die Edelstahldrahtgaze 7 wird mit einer geeigneten Menge des niedrigschmelzenden Metalls imprägniert. Die Innenräume der Zellen stehen unter Vakuum oder sie sind mit einem inerten Gas gespült um eine Oxydation des fertigen Dampferzeugers zu verhindern .

Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Dampferzeugers wird
nun gemäß Fig. k erläutert. Es ist allgemein bekannt, daß die Wärmemenge Q pro Flächeneinheit durch die folgende Gleichung
ausgedrückt werden kann:

Q = t/l

wobei die thermische Leitfähigkeit einer Platte der Dicke 1 bedeutet und wobei t die Temperaturdifferenz bedeutet.
Wenn 1 erhöht wird so nimmt Q ab. Wenn erhöht wird so können sowohl Q als auch 1 erhöht werden. Der Wert kann jedoch gewöhnlich nicht erhöht werden da es sich hierbei um einen spezifischen Materialwert handelt.

Man hat jedoch versucht den Wert durch Verwendung eines Materials mit einer großen Wärmeleitfähigkeit in Form eines sogenannten Wärmerohrs zu erhöhen. Gemäß Fig. k ist in einer Zelle

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eine Flüssigkeit eingeschlossen. Die Wandung 30 wird gemäß den Pfeilen 40 mit Wärme beaufschlagt und die Flüssigkeit in der Zelle verdampft.; Die Verdampfungswärme. (Wärme die erforderlich ist um die Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand zu versetzen) wird zur Wandung 20 , welche vom kalten Medium beaufschlagt wird transportiert so daß der Dampf wieder in Flüssigkeit umgewandelt wird. Die Flüssigkeit kehrt zur anderen Wandung 30 entlang den Wandungen 6θ zurück. Durch die Packung aus feiner Drahtgaze kann die Strömung der eingeschlossenen Flüssigkeit verbessert werden. In Fig. *l· bezeichnen die Pfeile 4o und 4-1 die Richtung des Wärmeflusses. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind die Wandungen 60 gemäß Fig. k nicht vorgesehen. Eine Vielzahl von .Stangen 6 unterstützen die heiße Wandung und die kalte Wandung. Diese Stangen sind für den gleichen Zweck vorgesehen und sie tragen auch eine Vielzahl < von Rippen 6a zur Verbesserung des Kühleffekts.

Es ist bekannt, daß die Wärmeleitfähigkeit bei Wärmerohren auf das Mehrfache im Vergleich zu einem Aufbau mit einfachen Platten gesteigert werden kann. Erfindungsgemäß ist es möglich einen Dampferzeuger mit einem bemerkenswert großen Wirkungsgrad im Vergleich zuherkömmlichen Dampferzeugern mit dicken Wandungen zu schaffen wenn die beschriebene Wandung verwendet wird. ,

Die beschriebenen Innenzellen sind relativ großräumig so daß selbst bei einem Bruch der Wandung 3i welche mit geschmolzenem Natrium beaufschlagt wird oder der Wandung 2 welche mit Wasser beaufschlagt wird das Wasser bzw. das Natrium zunächst in die Zellen fließt. Bei der Flüssigkeit in den Zellen handelt es sich vorzugsweise um ein flüssiges Metall wie Quecksilber. In diesem Fall tritt keine Explosion auf wenn Wasser oder Natrium in die Zellen eintritt. Auf diese Weise wird eine Berührung des Wassers mit dem Natrium wirkungsvoll vermieden. Wenn ferner die einzelnen Zellen vollständig voneinander getrennt sind so breitet sich das durch einen Bruch, einen Riß oder dgl.

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eintastend· Vaaser oder NatriuB» nicht über das gesamte Volumen aus, so daß es nicht erforderlich ist den Betrieb des Dampferzeugers zu unterbrechen und es muß jeweils nur eine Zelle repariert werden. Man kann einen Detektor vorsehen um den Eintritt von Wasser oder Natrium in die einzelnen Zellen festzustellen. Es ist jedoch nicht erforderlich den Detektor in Natrium zu tauchen und eine Zerstörung des Detektors durch Korrossion mit Natrium zu berücksichtigen. Bei herkömmlichen Dampferzeugern, bei denen Wasser durch eine einzelne Wandung vom Natrium getrennt ist muß die Störung durch Eintritt von Wasser in das Natrium oder umgekehrt sofort festgestellt werden und das Natrium oder das Wasser des Dampferzeugers müssen sofort abgelassen werden. Es ist jedoch fast unmöglich dies in sehr kurzer Zeit zu vollziehen. Während des Versuchs das Natrium oder das Wasser zu entfernen tritt im allgemeinen eine explosionsartige Reaktion zwischen dem Natrium und dem Wasser ein. Derartige Explosionen können praktisch nicht vermieden werden. Demgemäß wurde bisher ein sekundäres Kühlsystem mit nicht radioaktivem Natrium verwendet um den Schaden herabzusetzen.

Gemäß vorliegender Erfindung kann ein Bruch oder eine andere derartige Störung festgestellt werden bevor das Natrium mit dem Wasser in Berührung gelangen kann und eine zufällige Berührung von Natrium und Wasser tritt praktisch nicht ein so daß es ohne weiteres möglich ist das Primärkühlsystem mit dem Wasser führenden System des Dampferzeugers direkt zu verbinden. Die Kosten des Dampferzeugers gemäß vorliegender Erfindung sind etwas höher als diejenigen eines herkömmlichen Dampferzeugers da die Wandstruktur etwas aufwendig ist. Es ist jedoch möglich ein sekundäres Kühlsystem vollständig zu vermeiden so daß der Wirkungsgrad des Dampferzeugers erhöht wird und die Betriebssicherheit verbessert wird. Die Gesamtkonstruktionskosten werden hierdurch merklich gesenkt.

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Es ist erfindungsgemäß möglich ein sekundäres Natrium Kühlsystem bei schnellen Brütern vollständig zu eliminieren so daß die Konstruktionskosten verringert werden können* Es ist nicht erforderlich den Betrieb der Anlage unmittelbar zu unterbrechen wenn es zu einem Bruch im Dampferzeuger kommt, so daß der Aufbau und die Herstellung des Regelsystems und der übrigen Einrichtungen vereinfacht werden können. Darüber hinaus kann mit dem erfindungsgemäßen Dampferzeuger ein schneller Brüter ebenso einfach aufgebaut werden wie ein mit Wasser betriebener Reaktor.

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Claims

Patentansprüche

!.Dampferzeuger für einen schnellen Brüter mit einer doppelwandigen Trennwand, welche heißes Kühlmedium von kaltem Kühlmedium trennt, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wände (2, 3) der Trennwand mit Abstand voneinander angeordnet sind und daß der Zwischenraum in eine Vielzahl von Zellen (7) unterteilt ist in die ein thermisches Übertragungsmedium eingeschlossen ist.
2. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch geken nzeichnet, daß das thermische Übertragungsmedium durch Zufuhr von Wärme an der heißen Wandung verdampfbar ist und die Verdampfungswärme auf die kalte Wandung überträgt.
3· Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen eine Drahtgazepackung (7) aufweisen.
4. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3) dadurch gekennzeichnet, daß die Zellenwandungen Rippen aufweisen.
5. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er mit heißem flüssigem Natrium und kaltem Wasser betrieben wird.
6. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Übertragungsmedium ein niedrigschmelzendes Metall ist und in die Drahtgaze imprägniert ist.

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