DE2315820B2 - Dampferzeuger für einen schnellen Brüter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger für einen schnellen Brüter, bei dem die zur Trennung des heißen Kühlmediums vom kalten Kühlmedium vorgesehene Trennwandung des Dampferzeugers aus Zvvei im Abstand voneinander angeordneten und durch eine Vielzahl von Stützstangen oder -platten miteinander verbundenen Wänden besteht, und die durch die Stiitzstangen oder -platten seitlich begrenzten Innenzellen der Trennwandung eine Füllung mit einem Wärmeübertragungsmedium aufweisen.

Bei herkömmlichen Dampferzeugern für schnelle Brüter muß die Wärme von flüssigem Natrium auf Wasser übertragen werden. Dabei ergibt sich ein erhebliches Sicherheitsrisiko, da die Trennwandungen defekt werden können und somit das äußerst reaktive flüssige Natrium mit Wasser zur Reaktion kommen kann. Man hat daher aus Sicherheitsgründen einen sekundären Natriumkühlkreislauf zwischen dem primären Natriumkühlkreislauf und dem Dampf kreislauf vorgesehen. Der sekundäre Natriumkühlkreislauf enthält flüssiges Natrium, welches nicht radioaktiv ist. Ein solches Kühlsystem ist zwar relativ sicher, da im Falle eines Unfalles lediglich nicht-radioaktives Natrium in den Dampferzeuger gelangt und somit der mögliche Schaden begrenzt bleibt. Ein Kühlsystem mit einem primären und einem sekundären Natriumkühlkreislauf ist jedoch relativ aufwendig und erhöht daher die Kosten für schnelle Brüter erheblich.

Man verwendet bei einem Kühlsystem mit einem sekundären und primären Natriumkühlkreislauf einfache Trennwände zur Verbesserung des Wärmeübergangs. Es kommt jedoch während eines längeren Betriebs zu einer Korrosion einer solchen Trennwand ϊ durch das flüssige Natrium, so daß explosionsartige Reaktionen zwischen Natrium und Wasser nur durch einen großen technischen Aufwand verhindert werden können. Insbesondere müssen die Reaktorgebäude und die anderen Einrichtungen des Reak'ors gegen ι» Explosionen geschützt werden.

Wenn man zur Erhöhung der Betriebssicherheit die Trennwandung des Dampferzeugers doppelwandig ausbildet, so sinkt der thermische Wirkungsgrad erheblich.

r. Die DE-OS 1501512 beschreibt einen doppelwandigen Wärmeaustauscher für einen schnellen Brüter, bei dem die Wärmeübertragung zwischen den beiden Außenwandungen durch Querplatten vermittelt wird. Ein solcher Wärmeaustauscher hat jedoch ebenfalls _'(i eine unzureichende Wärmeübertragungswirksamkeit.

Aus der US-PS 3 085 626 ist ein Wärmeaustauscher bekannt, bei dem der Wärmeübergang durch Quecksilberdampf vermittelt wird. Das Quecksilber verdampft an den heißen Teilen, und der Quecksilberr > dampf wird zu den kühlen Teilen transportiert, wo er kondensiert, worauf das flüssige Quecksilber aufgrund der Schwerkraft wieder zu lien heißen Teilen zurückfließt. Eine solche Einrichtung ist bei einem schnellen Brüter nicht verwendbar. Die DE-OS in 1 551 454 beschreibt die Verwendung von Wärmeröhren. Dabei beruht der Flüssigkeitstransport auf Kapillarkräften. Einrichtungen dieser Art haben eine geringe Wärmeübertragungswirksamkeit, welche ihre Verwendung auf dem Gebiet der schnellen Brüter γ, ausschließt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen einfachen, betriebssicheren Dampferzeuger für einen schnellen Brüter zu schaffen, welcher keinen sekundären Kühlkreislauf aufweisen muß und bei hohem in thermischem Wirkungsgrad derrnoch eine ausgezeichnete Betriebssicherheit zeigt, und zwar selbst bei einem Bruch der mit Natrium in Berührung stehenden Trennwand.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen r, Dampferzeuger der eingangs genannten Art gelöst, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß die Innenzellen der Trennwandung als Wärmeübertragungsmedium eine Drahtgazepackung enthalten, die mit einem bei der Temperatur des heißen Mediums -.(ι verdampfbaren, niedrigschmelzenden, vorzugsweise flüssigen Metall imprägniert ist.

Der thermische Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers ist um ein Mehrfaches höher als der Wirkungsgrad einer Trennwand, bei der -Γ· die Wärmeübertragung lediglich durch ein wärmeleitendes Metall vermittelt wird. Darüber hinaus sind die Kosten für die Erstellung des Dampferzeugers äußerst gering.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von μ» Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig, 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dampferzeugers,

Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht des erfindungsgemäßen Dampferzeugers gemäß Fig. 1,
h-, Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie HI-III der Fig. 1, und

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

Fig. ΐ zeigt einen Dampferzeuger für einen schnellen Brüter, wobei das Bezugszeichen 1 einen Außenmantel bezeichnet. Ferner sind eine Innenwandung 2 und eine Außenwandung 3 vorgesehen. Ein heißes Strömungsmedium, wie z. B. flüssiges Natrium, ist durch eine dicke Trennwand von einem kalten Strömungsmedium, wie z. B. Wasser, getrennt. Das als heißes Strömungsmedium dienende flüssige Natrium 4 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 od. dgl. erstrecken sich von der Innenwandung 2, welche mit dem kalten Strömungsmedium 5 beaufschlagt wird, zur Außenwandung 3, weiche 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. 4 erläutert. Es ist allgemein bekannt, daß die Wärmemenge Q pro Flächeneinheit durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden kann:

Q=CL-AtIl

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

Man hat jedoch versucht, den Wert α durch Verwendung eines Materials mit einer großen Wärmeleitfähigkeit in Form eines sogenannten Wärmerohrs zu erhöhen. Gemäß Fig. 4 ist in einer Zelle eine Flüssig-

keit eingeschlossen. Die Wandung 30 wird gemäß den Pfeilen 40 mit Wärme beaufschlagt und die Flüssigkeil in der Zelle verdampft. Die Verdampfungswiirme, d. h. diejenige 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 60 zurück. Durch die Packung aus feiner Drahtgaze kann die Strömung der eingeschlossenen Flüssigkeit verbessert werden. In Fig. 4 bezeichnen die Pfeile 40 und 41 die Richtung des Wärmeflusses. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind die Wandungen 60 gemäß Fig. 4 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 W/melekfähigkeit 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 zu herkömmlichen 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 3, 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, eir.;n Riß od. dgl. eintretende Wasser oder Natrium 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 Korrosion mit Natrium zu berücksichtigen. Bei herkömmlichen Dampferzeugern, bei denen Wasser durch eine einzelne Wandung vom Natrium getrennt ist, muß die Störung durch Eintri" 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.

Bei dem erfindungsgemäßen Dampferzeuger 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 Natriumi 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 Kühlsy stem vollständig /u vermeiden, so dall der Wirkungsgrad des Dampferzeugers erhöht wird und die Betriebssicherheit verlx.'ssert wird. Die Gesamtkonstriiktionskostcn werden hierdurch merklich gesenkt.

Bei dem erfindungsgemäßen Dampferzeuger ist es möglich, ein sekundäres Natrium-Kühlsystem bei schnellen Brütern vollständig zu eliminieren, so daß die Konstruktionskosten verringert weiden 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 lictriebener Reaktor.

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Claims (5)

Patentansprüche:

1. Dampferzeuger für einen schnellen Brüter, bei dem die zur Trennung des heißen Kühlmediums vom kalten Kühlmedium vorgesehene Trennwandung des Dampferzeugers aus zwei im Abstand voneinander angeordneten und durch eine Vielzahl von Stützstangen oder -platten miteinander verbundenen Wänden besteht, und die durch die Stützstangen oder -platten seitlich begrenzten Innenzellen der Trennwandung eine Füllung mit einem Wärmeübertragungsmedium aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenzellen der Trennwandung (2, 3; 20, 30) als Wärmeübertragungsmedium eine Drahtgazepackung (7) enthalten, die mit einem bei der Temperatur des heißen Mediums verdampfbaren, niedrigschmelzenden, vorzugsweise flüssigen Metall imprägniert ist.

2. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als flüssiges Metall Quecksilber verwendet ist.

3. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Stützplatten (6, 60) seitlich begrenzten Innenzellen vollständig voneinander getrennt sind.

4. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützstangen oder -platten (6, 60) Rippen (6a) aufweisen.

5. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dauurch gekennzeichnet, daß als heißes Kühlmedium Natrium unc als kaltes Kühlmedium Wasser verwendet i-t.