DE3877703T2

DE3877703T2 - System fuer waermetransport fuer natriumgekuehlten reaktor.

Info

Publication number: DE3877703T2
Application number: DE8888310424T
Authority: DE
Inventors: Charles Edward Boardman; John Paul Maurer John P Maurer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1987-11-06
Filing date: 1988-11-04
Publication date: 1993-08-12
Anticipated expiration: 2008-11-05
Also published as: JPH0271196A; DE3877703D1; EP0316120A1; JPH0585040B2; EP0316120B1; US4905757A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmetransportsystem zur Verwendung mit einem Natrium-gekühlten Kernreaktor.
Natrium-gekühlte Reaktoren sind bekannt. Ein Beispiel eines Natrium-gekühlten Reaktors ist von Hunsbedt in der US- Patentanmeldung Serial Nr. 051,332, angemeldet 19. Mai 1987, mit dem Titel "Control of Reactor Coolant Flow Path During Reactor Decay Heat Removal" und in der entsprechenden GB-A-2204988 offenbart, die am 23. November 1988 veröffentlicht wurde. Dieser Reaktor erfordert zwei getrennte Flüssignatrium-Kreisläufe für die Extraktion von Wärme aus der atomaren Reaktion, die in den Reaktor abläuft.
Der erste Natriumkreislauf ist radioaktiv und ist etwa auf Atmosphärendruck gehalten. Dieser radioaktive Primärkreislauf wird durch elektromagnetische Tauchpumpen angetrieben. Flüssiges Natrium wird nach oben und zentral durch Reaktorkern gepumpt, wobei der Fern konzentrisch zu einem großen aufrecht stehenden zylindrischen Reaktorbehälter angeordnet ist. Das erwärmte Primärnatrium transportiert dann die Wärme der atomaren Reaktion zu nierenförmigen Zwischenwärmetauschern. Das Primärnatrium strömt durch die nierenförmigen Zwischenwärmetauscher nach unten auf der Außenseite des Reaktorbehälters. Das gekühlte radioaktive Natrium strömt dann nach unten zum Boden des Reaktorbehälters, zum Einlaß der elektromagnetischen Pumpen. Diese Pumpen pumpen dann das kalte radioaktive Natrium nach oben und durch den Fern des Reaktors für eine endlose Wiederholung des Wärmeübertragungszyklus.
Der sekundäre Natriumkreislauf ist nicht radioaktiv. Dieser Kreislauf hat die Funktion, dem Natrium-gekühlten Reaktor Wärme zu entziehen und diese Wärme zu dem Dampferzeugungssystem zu transportieren, wo Dampf erzeugt werden kann.
Das Natrium in diesem zweiten Kreislauf, das ebenfalls etwa auf Atmorphärendruck gehalten ist, strömt außerhalb des Reaktors zu dem Dampfgenerator. Die Wärme des Natriums wird an Speisewasser freigegeben, um Dampf zu erzeugen. Danach strömt das gekühlte Natrium zu einer typischerweise mechanischen Pumpe. An der Pumpe wird das nun gekühlte Natrium zu dem Reaktor zurückgeleitet für eine endlose Wiederholung des Zyklus.
Es leuchtet ein, daß Natrium und die metallischen Behälter, die Natrium enthalten, unterschiedlich expandieren. Somit müssen die sekundären Natriumkreisläufe Expansionsbehälter haben. Diese Behälter sind gewöhnlich in der Nähe des Dampfgenerators angeordnet.
Weiterhin hatte der Sekundärkreislauf für Natrium-gekühlte Reaktoren bisher drei getrennte Einheiten. Diese Einheiten beinhalteten den Dampfgenerator, die Pumpe und den Expansionstank.
Es ist vorgeschlagen worden, Wärmetauscher Seite-an-Seite zu den Kernreaktoren anzuordnen. Diesbezüglich wird auf die US-Patentschrift 3,425,907 von Bonsel et al verwiesen. Diese Einheit enthält die primären und sekundären Natriumkreisläufe und dazwischen den Wärmetauscher. Diese Patentschrift befaßt sich nicht mit der Dampferzeugung.
Die US-Patentschrift 3,882,933 von Kube beschreibt einen gasgekühlten Reaktor. Der Reaktor enthält wendelförmige Spulen.
Ein Wärmetauscher und ein Natrium-gekühlter Dampfgenerator sind in der US-Patentschrift 4,307,685 von Robin et al beschrieben. In diesem Reaktor werden wendelförmige Spulen zwischen einem inneren und äußeren Behälter verwendet. Hier wird jedoch der innere Behälter als ein Strömungsverteiler benutzt, um den Wärmeaustausch zu erleichtern. Ein ähnliches Schema wird in der US-Patentschrift 4, 515,109 von Jullien benutzt, wo der zentrale Behälter so aufgebaut ist, daß er Natrium-Wasser-Übergängen widersteht.
Die US-Patentschrift 4,056,439 von Robin mit dem Titel "Secondary Heat Transfer Circuits for Nuclear Reaction Plant", erteilt am 1. November 1977, beschreibt einen Wärmetauscher mit ersten und zweiten konzentrischen Behältern. Der eine Behälter ist der äußere. Der verbleibende Behälter ist der innere, offen an der Unterseite und kleiner und konzentrisch zu dem größeren Behälter.
In dem Zwischenvolumen zwischen dem größeren Außenbehälter und dem kleineren, konzentrischen Innenbehälter sind Dampferzeugungsrohre wendelförmig gewickelt. Diese Dampferzeugungsrohre beginnen an einer Rohrplatte, die in das flüssige Natrium an der Unterseite des Zwischenvolumens zwischen dem Innen- und Außenbehälter eingetaucht ist. Diese gleichen Rohre enden in einer Rohrplatte, die in das flüssige Natrium an dem Oberteil des Zwischenvolumens zwischen dem Innen- und Außenbehälter eingetaucht ist.
Das Pumpen wird in zwei Formaten vorgeschlagen.
Erstens ist eine Pumpe am Oberteil des kleinen Behälters angebracht. Diese Pumpe saugt das flüssige Natrium über die gesamte Länge des kleinen, konzentrischen Innenbehälters.
Zweitens wird auch ein Pumpen durch ein Flügelrad beschrieben, das an dem Ende von einer langen umlaufenden Welle angebracht ist. Diese lange umlaufende Welle ermöglicht, daß das Flügelrad innerhalb des konzentrischen Innenbehälters angeordnet werden kann, wo die Pumpe effizienter angeordnet ist.
Leider sind jedoch für beide Pumpprinzipien rotierende Lager erforderlich, die in flüssiges Natrium eingetaucht sind. Diese Lager erfordern die Einführung von unter hohem Druck stehenden Natrium zur Schmierung. Weiterhin sind diese Lager beim Starten und Stoppen einer hochgradigen Abnutzung unterworfen.
Gemäß der US-Patentschrift 4,056,439 von Robin sind die Rohrplatten an den Dampfausgangsenden der dampferzeugenden Spulen direkt dem flüssigen Natrium ausgesetzt. Diese Anordnung kann aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit des flüssigen Natriums die Rohrplatten an dem Dampfausgang thermischen Schocks aussetzen, wenn in dem Natriumkreislauf thermische transiente Vorgänge auftreten. Ein derartiger thermischer Schock kann zu einer Beschädigung der fluiddichten Dichtung über den Natrium-Wasser-Übergängen und zur Rißbildung an den Rohrplatten selbst führen.
Schließlich erfordert die US-Patentschrift 4,056,439 von Robin, daß ein Pumpmotor zu der Gesamthöhe des entstehenden Dampfgenerators hinzugefügt wird. Es wird vertikaler Raum verbraucht für den Motor und seine erforderlichen zusätzlichen Lager, Dichtungen, Flanschplatten und ähnliches.
Die EP-A-0200989 beschreibt einen Wärmetauscher zur Verwendung mit einem Natrium-gekühlten Kernreaktor, der konzentrische zylindrische Innen- und Außenbehälter aufweist, die aufrecht stehen.
Eine Speisewassereinlaßkammer und eine Dampfauslaßkammer sind beide am Oberteil des Außenbehälters vorgesehen. Dampfrohre, die die Einlaß- und Auslaßkammern verbinden, erstrecken sich von der Einlaßkammer nach unten zum Boden des Innenbehälters und verlaufen dann wendelförmig nach oben um den Innenbehälter herum zu der Auslaßkammer. Heißes flüssiges Natrium aus dem Reaktor tritt in den Außenbehälter zwischen seinem Oberteil und Unterteil ein und strömt über die Dampfleitungen.
Der Innenbehälter ist an dem Unterteil offen, um flüssiges Natrium aufzunehmen, das durch die Dampfleitungen gekühlt wird. Eine Pumpe im Innenbehälter pumpt das gekühlte flüssige Natrium in dem Innenbehälter durch eine Strahldüse an dem Unterteil des Außenbehälters, um das Natrium zu dem Reaktor zurückzuleiten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmetransportsystem zur Verwendung mit einem Natrium-gekühlten Kernrekator geschaffen, das enthält: Erste und zweite aufrechte, zylindrsiche Behälter, von denen einer ein äußerer geschlossener Behälter ist und der andere ein innerer, kleinerer Behälter konzentrisch zu dem äußeren Behälter ist, um so zwischen der Innenseite des größeren Behälters und der Außenseite des kleineren Behälters ein ringförmiges Zwischenvolumen zu bilden; wenigstens eine Speisewasser-Einlaßkammer, die mit dem ringförmigen Zwischenvolumen in Verbindung steht, wenigstens eine Dampf- Auslaßkammer an der Oberseite des äußeren Behälters und in Verbindung mit dem ringförmigen Zwischenvolumen; mehrere Röhren, die mit der Speisewasser-Einlaßkammer und der Dampf-Auslaßkammer in Verbindung stehen, damit in die Speisewasser-Einlaßkammer strömendes Speisewasser in den Röhren zu Dampf gemacht wird, der aus der Dampf-Auslaßkammer herausströmt; eine erste Leitung zum Aufnehmen von heißem Natrium aus dem Reaktor und in Verbindung über den äußeren Behälter mit dem Zwischenvolumen, wobei das heiße Natrium das Wasser in den Röhren erhitzt, um Dampf zu erzeugen; wobei der innere Behälter sich zu dem äußeren Behälter an dessen Boden öffnet, wodurch durch die Röhren gekühltes Natrium in den inneren Behälter eintreten kann; eine Pumpeinrichtung zum Bewegen von Natrium und eine zweite Leitung, die mit dem inneren Behälter in Verbindung steht und den äußeren Behälter durchdringt zum Abgeben des gekühlten Natriums von der Pumpeinrichtung an den Reaktor; dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Speisewasser-Einlaßkammer sich am Unterteil des äußeren Behälters befindet und die wenigstens eine Dampf- Auslaßkammer sich am Oberteil des äußeren Behälters befindet, die erste Leitung über den äußeren Behälter mit dem Oberteil des Zwischenvolumens in Verbindung steht, wodurch sich heißes Natrium nach unten durch das Zwischenvolumen bewegt in Gegenströmung zum Wasser, um Dampf in den Röhren zu erzeugen, und die Pumpeinrichtung Natrium von dem Unterteil des äußeren Behälters nach oben in den Innenraum des inneren Behälters bewegt und eine einzelne, eintauchbare elektromagnetische Pumpe, die in der Mitte von dem inneren Behälter angeordnet ist, und eine Strahlpumpe aufweist, die ein Venturi-Rohr und einen Diffusor-Auslaß zu der zweiten Leitung und einen Einlaß hat zur Aufnahme von flüsssigem Natrium, das von der elektromagnetischen Pumpe abgegeben wird, und von flüssigem Natrium aus dem Außenraum des Stators der elektromagnetischen Pumpe, wodurch gekühltes Natrium über die Außenseite des Stators der elektromagnetischen Pumpe gezogen wird zum Kühlen der elektromagnetischen Pumpe.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung weist einen einzelnen einheitlichen Modul auf, der konzentrische und zylindrische aufrechtstehende Außen- und Innenbehälter aufweist. Heißes Natrium aus einem Zwischenwärmetauscher von einem mit flüssigem Natrium gekühlten Reaktor wird an der Oberseite des größeren Außenbehälters aufgenommen und strömt in dem Zwischenvolumen zwischen dem kleineren inneren und dem größeren äußeren Behälter nach unten. Dieses heiße Natrium strömt in Gegenrichtung zu Speisewasser, das in Rohrbündeln fließt. Diese Rohrbündel sind wendelförmig gewickelt in dem Zwischenvolumen zwischen den zwei Behältern. Die wendelförmigen Spulen erstrecken sich beispielsweise auf zwei Drittel der Höhe des zylindrischen Behälters zwischen unteren Speisewasser-Einlässen und oberen Dampf-Auslässen. In dem Oberteil, beispielsweise ein Drittel, des Behälters verlaufen die Rohrbündel vertikal nach oben, um einen Teil von einem Stoßvolumen zu bilden. Die Einführung von flüssigem Natrium in den Innenbehälter erfolgt an der Unterseite des Innenbehälters. Gekühltes Natrium strömt nach oben und konzentrisch durch eine elektromagnetische Pumpe zu dem verbleibenden erforderlichen Stoßvolumen am Oberteil des inneren Behälters. Anschließend strömt das gekühlte Natrium aus dem Reaktor heraus für eine endlose Wiederholung des Wärmeübertragungszyklus.
Ein Vorteil des beispielhaften einzelnen Moduls ist, daß er kompakt ist und das Erfordernis für zwei zusätzliche, Natrium enthaltende Behälter (Pumpe und Expansionstank) eliminiert, die die Kosten und die Komplexität des Wärmetransportsystems vergrößern. Beispielsweise kann der Modul Seite-an-Seite zu dem Reaktor und gleichzeitig seismisch getrennt von dem Reaktor angeordnet werden.
Ein weiterer Vorteil des beispielhaften Moduls besteht darin, daß er den gleichen Typ von elektromagnetischer Pumpe verwenden kann, der in dem Reaktor verwendet ist. Ersatzpumpen sind somit zwischen dem Reaktor und dem Modul austauschbar.
Ein Vorteil des beispielhaften Moduls besteht auch darin, daß die wendelförmigen Rohrbündel einfach aufgenommen werden. Diese Rohrbündel können in Länge und Durchmesser verändert werden, um die Wärmeübertragung für die Dampferzeugung nach Erfordernis aufzunehmen.
Ein zusätzlicher Vorteil des beispielhaften Moduls besteht darin, daß die wendelförmigen Spulen auf natürliche Weise ihre Spirale um den inneren Behälter herum bilden können. Gleichzeitig kann dieser Abschnitt des Wärmeaustauschers, der in einigen Beispielen des Standes der Technik leer ist, die elektromagnetische Pumpe aufnehmen. Somit entsteht ein extrem Volumen-effizienter Aufbau.
Ein zusätzlicher Vorteil des beispielhaften Moduls besteht darin, daß die Natriumpumpe nur gekühltes Natrium pumpt. Somit sorgt das strömende gekühlte Natrium für eine einfache Abfuhr von Wirbelstromverlusten und Wicklungsverlusten in der Pumpe. Diese Wärmeverluste können zum Teil als in Dampf umgewandelze Leistung zurückgewonnen werden.
Ein weiterer Vorteil des beispielhaften Moduls besteht darin, daß er auf natürliche Weise das erforderliche Stoßvolumen bildet für eine unterschiedliche Expansion von Natrium und dem Einschlußbehälter.
In dem beispielhaften Modul ist der innere Behälter vorzugsweise in bezug auf den äußeren Behälter an einer Faltenbalgdichtung abgedichtet. Eine unterschiedliche Expansion des inneren Behälters in bezug auf den äußeren Behälter kann dann auf einfache Weise aufgenommen werden. Weiterhin sind durch die Ausbildung von Einströmung und Ausströmung von Natrium in konzentrischen Leitungen die Öffnungen durch die Behälterwand gleichfalls für eine unterschiedliche Expansion geeignet.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der innere Behälter von dem Oberteil des äußeren Behälters gehaltert, und der innere Behälter weist getrennte innere und äußere Wände auf, die räumlich getrennt sind, um für eine thermische Isolation des kalten Natriums in dem Innenraum des inneren Behälters von dem heißen Natrium in dem Zwischenvolumen zu sorgen.
Ein Vorteil eines derartigen doppelwandigen Aufbaues des inneren Behälters besteht darin, daß er eine thermnische Isolation des kalten Zweigs des von dem inneren Behälter nach oben strömenden Natriums von dem heißen Zweig des Natriums ermöglicht, das in dem Zwischenvolumen zwischen dem inneren und äußeren Behälter nach unten strömt. Diese Trennung - nicht vollständig unähnlich derjenigen, die in einer Dewar Flaske auftritt - ermöglicht eine thermische Isolation der heißen und kalten Zweige des Natriums. Diese Trennung ist besonders wichtig, wo Flüssignatrium-Pumpen verwendet werden. Diese Pumpen müssen, um innerhalb notwendiger thermnischer Grenzen zu arbeiten, auf die kalten Zweige von Natriumkreisläufen beschränkt sein - und können nicht die Wärme der heißen Zweige von Natriumkreisläufen tolerieren.
Ein zusätzlicher Vorteil des beispielhaften Moduls ist die Anordnung der oberen Rohrplatten, die die dampferzeugenden Rohre in einer Inertgasdichtung abschließen. Diese Anordnung verhindert, daß der Natriumkreislauf mit seiner hohen thermischen Leitfähigkeit die empfindlichen Rohrplatten thermischen Schocks aussetzt bei transienten Vorgängen in der Temperatur des zirkulierenden Natriums. Da das flüssige Natrium nicht mit der oberen Rohrplatte in Kontakt ist und nur das Inertgas mit der oberen Rohrplatte direkt in Kontakt ist, sind thermische transiente Vorgänge bei der Wärmeübertragung vermindert.
Der beispielhafte Modul gemäß der Erfindung verwendet eine einzige große elektromagnetische Pumpe, die zentral zu dem inneren konzentrischen Behälter angeordnet ist. Diese große, einzige elektromagnetische Pumpe sorgt für eine Hochdruckströmung mit relativ geringem Volumen zu der Düse einer Strahlpumpe, die dazu verwendet wird, eine Niederdruckströmung mit großem Volumen mitzureißen. Diese Strahlpumpe ermöglicht eine effizientere Ausnutzung des großen Druckerzeugungsvermögens der elektromagnetischen Pumpe, während eine Flüssignatriumströmung mit großem Volumen und niedrigem Druck in dem sekundären Natriumkreislauf ausgebildet wird.
Ein Vorteil der großen einzigen und zentralen eingetauchten Natriumpumpe besteht darin, daß der Durchmesser der gesamten Einheit vermindert ist. Beispielsweise kann der Durchmesser des zentralen Behälters um mehr als die Hälfte von über 2,6 m (8 1/2 Fuß) auf 1,2 m (4 Fuß) verkleinert werden. Entsprechend kann der äußere Durchmesser des beschriebenen Wärmetauschers in ähnlicher Weise von 4,6 m (15 Fuß) auf 3,6 m (12 Fuß) verkleinert werden. Somit entsteht eine mehr zylindrische, kompakte Einheit.
Ein weiterer und überrschender Vorteil dieser großen einzelnen Strahlpumpe ist der, daß die erforderliche Kühlung der elektromagnetischen Pumpe, insbesondere an der äußeren Oberfläche des Stators, auf einfache Weise herbeigeführt werden kann. Die Strömung des gepumpten Natriums durch die Mitte der Pumpe kühlt den Innenraum des Stators. Gleichzeitig sorgt die Strömung des mitgerissenen Natriums, das in die Strahlpumpe über das Äußere des Pumpenstators eintritt, für eine erforderliche Kühlung des Äußeren des Pumpenstators. Somit entsteht eine verbesserte und gekühlte Betriebsumgebung für die eingetauchte Flüssignatriumpumpe.
Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der folgenden Beschreibung, die sich auf die folgenden Zeichnungen bezieht, in denen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht von einem bekannten Dampfgeneratorpumpen- und Expansionstanksystem ist;
Fig. 2 eine schematische Darstellung von einem Wärmetauscher neben einem Natrium-gekühlten Reaktor ist und als Hintergrund für die vorliegende Erfindung dient;
Fig. 3A ein Seitenschnitt des modularen Wärmetauschers gemäß Fig. 2 ist;
Fig. 3B eine Draufsicht entlang den Linien 3A-3A in Fig. 3A ist;
Fig. 3C eine Detaildarstellung von einer typischen Rohrplattenkammer für die Einströmung von Speisenwasser oder die Ausströmung von Dampf ist;
Fig. 4A eine Detaildarstellung von einer Faltenbalg- Expansionsverbindung an dem oberen Abschnitt des Moduls in den Zwischenräumen zwischen den inneren und äußeren konzentrischen Behältern des Wärmetauschers gemäß Fig. 2. ist;
Fig. 4B eine Detaildarstellung ist und die konzentrischen Einströmungs- und Ausströmungsleitungen und ihre entsprechenden Verbindungen mit den äußeren und inneren Behältern zeigt;
Fig. 5A und 5B einen Wärmetauscher gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen, wobei der Wärmetauscher eine Abwandlung des Wärmetauschers gemäß den Fig. 2 bis 4B ist;
Fig. 5A eine Seitenansicht von einem modularen Zwischenwärmetauscher gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
Fig. 5B eine Drauf sicht entlang den Linien 5B-5B in Fig. 5A ist und einen Abschnitt der Pumpe an dem Strahlpumendiffusor darstellt.
In Fig. 1 ist ein bekanntes Reaktorsystem schematisch dargestellt. Ein Natrium-Reaktor R ist mit einem Zwischenwärmetauscher 20 gezeigt. Es wird deutlich, daß der primäre und radioaktive Natrium-Kreislauf vollständig in dem Reaktor R enthalten ist.
Der Reaktor R enthält einen Zwischenwärmetauscher 20. Der Wärmetauscher 20 gibt heißes Natrium über eine Leitung 21 an einen Dampfgenerator S ab. Der Dampfgenerator S erzeugt intern Dampf durch einen im wesentlichen in Gegenströmung erfolgenden Wärmeaustausch. Das Speisewasser tritt an der Leitung 30 in den Generator ein, und Dampf strömt an der Leitung 32 aus dem Generator heraus. Gekühltes Natrium, dem Wärme entzogen ist, tritt an der Leitung 22 aus dem Generator aus und strömt zur Pumpe P. Die Leitung 22 und die Pumpe P stehen durch eine Leitung 24 mit einem Expansionstank E in Verbindung. Der Expansionstank E hält den erforderlichen Natriumpegel, so daß die Pumpe P zu allen Zeiten mit Natrium gefüllt ist. Anschließend wird das gekühlte Natrium wieder in den Zwischenwärmetauscher 20 in den Reaktor R entlang der Leitung 25 eingeführt.
Aus Fig. 1 wird deutlich, daß drei getrennte stehende Moduln verwendet werden. Der erste ist ein Dampfgenerator S. Der zweite ist der Expansionstank E und der dritte ist die Pumpe P.
Wie Fig. 2 zeigt, ist ein Reaktor R durch konzentrische Leitungen 40, 42 mit einem Modul M verbunden, in den Speisewasser über Einlässe 50 einströmt, und heraus strömt gesättigter oder überhitzter Dampf an Auslässen 52. Die Dampferzeugung in der dem Modul M erfolgt in wendelförmigen Spulen 60', die sich über die unteren zwei Drittel des Moduls M erstrecken. Erforderliche Stoßvolumina V liegen über dem flüssigen Natrium. Die Dampferzeugung erfolgt in einer Gegenströmung mit heißem Natrium, das von der Leitung 40 nach unten in entgegengesetzter Strömung zu dem nach oben strömenden Speisewasser strömt. Anschließend pumpen Pumpen Q das Natrium nach oben und durch die konzentrische Leitung 42, wo es nach und durch den Zwischenwärmetauscher 20 in dem Reaktor R strömt.
Gemäß den Fig. 3A und 3B weist der Modul M zwei konzentrische und zylindrische Behälter auf. Der erste dieser Behälter ist ein äußerer größerer Behälter 60. Der zweite dieser Behälter ist ein innerer, kleinerer Behälter 62, der innerhalb des äußeren, größeren Behälters 60 steht. Der innere Behälter 62 ist konzentrisch mit dem äußeren Behälter 60 und ist von dem äußeren Behälter 60 an der oberen Grenzfläche in dem oberen Kopf des äußeren Behälters abgehängt.
Gemäß Fig. 3C wird Speisewasser in den Behälter an einer oder mehreren Speisewasser-Einlaßkammern 71, 74 eingelassen. Typisch gibt es vier derartige Kammern. Jede Kammer endet in einer Rohrplatte 75, mit der etwa 150 Röhren verbunden sind. Die Röhren stehen mit einer Röhrenwendel 76 in Verbindung. Die Wendel 76 erstreckt sich über die unteren zwei Drittel des zylindrischen Zwischenvolumens 78, das an Zwischenräumen zwischen dem inneren Behälter 62 und dem äußeren Behälter 60 gebildet ist. Von dem Volumen 78 erstrecken sich die Röhrenbündel direkt vertikal nach oben zu Dampfröhrenplattenkammern 81, 82, 83 und 84 (s. Fig. 3B) über das obere Drittel des zylindrischen Zwischenvolumens.
Wie aus der nachfolgenden Beschreibung noch deutlicher wird, ist der Modul ein Gegenströmungs-Wärmetauscher. Heißes Natrium strömt nach unten. Speisewasser, das in Dampf umzuwandeln ist, strömt nach oben. Das Speisewasser wird an Speisewasser-Rohrplattenkammern 71, 74 eingelassen und an oberen Kammern 81, 82, 83 und 84 ausgelassen. Für den Leser wird deutlich, daß nur zwei derartige untere Kammern gezeigt sind. Tatsächlich sind vier Speisewasser- Einlaßkammern vorhanden (s. Fig. 3B).
Der Natrium-Strömungsweg kann nun weiter erläutert werden.
Gemäß Fig. 3A strömt heißes Natrium durch eine äußere konzentrische Leitung 40 hinein. Das Natrium trifft auf eine Verteilungs-Leitanordnung 80. Die Leitanordnung 80 erstreckt sich um die Innenseite des äußeren Behälters 60 und verteilt das Natrium gleichmäßig um die Seitenwände des äußeren zylindrischen Behälters in die Zwischenräume, die zwischen den äußeren und inneren zylindrischen Behältern gebildet sind.
Das Natrium strömt anschließend nach unten. Es strömt nach unten in das Zwischenvolumen zwischen dem äußeren Behälter 60 und dem inneren Behälter 62. Bei einem derartigen Durchfluß geht Wärme verloren.
Wärme geht an das entgegengesetzt strömende Speisewasser verloren. Insbesondere wird in dem wendelförmigen Abschnitt der Spulen 76 Wärme aus dem heißen Natrium durch die Erzeugung von Dampf entzogen.
Nachdem das Natrium zwischen den Seitenwänden der äußeren und inneren zylindrischen Behälter 60, 62 nach unten geströmt ist, tritt es in eine Kammer 90 ein. An der Kammer 90 kehrt das Natrium seine Strömungsrichtung um und strömt in der Mitte von dem inneren Behälter 62 nach oben.
In dem Innenraum des Behälters 62 gelangt das Natrium zu einer elektromagnetischen Pumpe Q. In der Praxis können eine oder mehrere derartige Pumpen Q1, Q2 und Q3 verwendet werden.
Derartige Pumpen sind bekannt. Insbesondere durch fließende Magnetströme in ihren Statorwicklungen drückt eine elektromotorische Kraft im Inneren der Pumpe Natrium in der Mitte nach oben durch die Pumpe.
Natrium strömt nach oben zu dem inneren, auf einem höheren Druck liegenden Stoßvolumen 92, das oberhalb des oberen Pegels der Pumpen gebildet ist. Dieses Stoßvolumen befindet sich innerhalb des inneren zylindrischen Behälters 62 oberhalb der Pumpen Q. Dieses Stoßvolumen ist zusätzlich zu dem Stoßvolumen in dem Zwischenvolumen oberhalb des Pegels des vorhandenen flüssigen Natriums.
Es sei darauf hingewiesen, daß vor einem Durchtritt durch die Pumpe das Natrium gekühlt wird. Deshalb können sowohl Wirbelstromverluste in dem Natrium als auch die Kühlung der Wicklungen von der Pumpe in dem strömenden gekühlten Natrium erfolgen. Diese Wärmeenergie wird zu wenigstens einem Drittel in dem nachfolgenden Dampfzyklus zurückgewonnen.
In Fig. 4A ist die Expansion des inneren zylindrischen Behälters 62 relativ zu dem äußeren zylindrischen Behälter 60 dargestellt. Der innere zylindrische Behälter 60 weist einen ersten herabhängenden, zylindrischen Außenmantel 100 und einen zweiten herabhängenden, konzentrischen, zylindrischen Innenmantel 102 auf. Die Mäntel 100 und 102 sind kreisförmig und konzentrisch nach Plan und erstrecken sich um den oberen Abschnitt des Behälters.
Die obere Wand des Innenzylinders macht bei 100 einen Ausläufer in und aus dem Zwischenraum heraus, der zwischen den herabhängenden, konzentrischen, zylindrischen Mänteln 100, 102 gebildet ist. In einem derartigen Ausläufer expandiert und kontraktiert ein Expansionsfaltenbalg 105. Der Faltenbalg 105 ist an der Wand 100 des Innenbehälters 62 am unteren Ende und an dem Mantel 102 an dem äußeren Behälter 60 an dem oberen Ende befestigt. Somit sorgt die hier dargestellte Konstruktion von Natur aus für eine Relativbewegung des kalten oder inneren Behälters relativ zu dem heißeren, äußeren Behälter, während die erforderliche Trennung des Natriums und eine effiziente thermische Trennwand beibehalten wird, die mit stehendem, hermetisch eingeschlossenem Inertgas gefüllt werden kann.
In Fig. 4B ist ein Detail des Moduls M in der Nähe der konzentrischen Natriumeinströmungsleitung 40 gezeigt, die von einer konzentrischen Ausströmungsleitung 42 umgeben ist. Typisch ist die Leitung 42 von einer Isolierschicht 120 überdeckt. Die Isolierschicht hat die Funktion, einen Wärmeverlust von dem heißen Natrium, das in der Leitung 40 hineinströmt, auf das gekühlte Natrium zu verhindern, das in der Leitung 42 herausströmt. Heißes Natrium, das in der Leitung 40 hineinströmt, strömt in eine Leitanordnung 122. Die Leitanordnung 122 führt um das Innere des Behälters 60 herum und verteilt das heiße Natrium entlang der Seite der Wand des äußeren und größeren zylindrischen Behälters 60. Anschließend strömt das Natrium nach unten in den Zwischenbereich zwischen dem zylindrischen Außenbehälter 60 und dem zylindrischen Innenbehälter 62. Es wird deutlich, daß die konzentrische Rohranordnung der Leitungen 40, 42 wiederum für eine unterschiedliche Ausdehnung sorgt, die eine Bewegung zwischen den zwei Behältern gestattet. Weiterhin erlaubt die konzentrische Rohranordnung vereinfachte Eingangs- und Ausgangsöffnungen durch den Außenbehälter 60 und den Innenbehälter 62.
Es ist ein typisches Detailbild für die Halterung von einer der elektromagnetischen Pumpen dargestellt. Die Pumpe besitzt eine Lage relativ zu einem Ring 130, wobei die Pumpeneinheit von dem Oberteil des Innenbehälters 62 abgehängt ist. Es wird deutlich, daß der Innenbehälter 62 seinerseits von dem Oberteil des Außenbehälters 64 gehaltert wird. Die Pumpe gibt Natrium nach oben in Richtung des Pfeiles 135 ab.
Der Leser wird verstehen, daß sich der Pegel 140 innerhalb des Behälters 62 bis zu einem Pegel oberhalb eines Pegels 146 in dem Zwischenraum zwischen dem Behälter 60 und dem Innenbehälter 62 ändert. In beiden Fällen wird eine Inertgaskammer 144 im Fall des Innenbehälters 62 und 148 im Fall des Außenbehälters 60 geschaffen, so daß eine unterschiedliche Ausdehnung aufgenommen worden kann.
Bezüglich des in Fig. 3A dargestellten Aufbaues sei daran erinnert, daß die Rohrplatten in Säulen 81, 84 enthalten sind. Da sie innerhalb dieser Säulen 81, 84 enthalten sind, werden die Rohrplatten gut oberhalb des Natriumpegels bei 146 gehalten. Dies gibt dem beschriebenen Dampfgenerator eine verbesserte Chance, einen thermischen Schock der Dampfausgangsrohrfläche zu verhindern.
Diese Erscheinung kann leicht verstanden werden.
Es kann erwartet werden, daß während der Lebensdauer des Natrium-gekühlten Reaktors (nicht gezeigt) thermische transiente Vorgänge in dem zirkulierenden Natrium auftreten. Wenn beispielsweise der Reaktor schnell von der Leitung abgeworfen wird, könnte man einen raschen Abfall in der Temperatur des zirkulierenden Natriums erwarten.
Rohrplatten erscheinen an zwei Stellen. Rohrplatten werden an Wassereinlässen 71-74 angeordnet. (s. Fig.3A und die schematische Darstellung in Fig. 3C). Alternativ befinden sich die Rohrplatten für die Dampfausgangsseite innerhalb der Säulen 81-84.
Es sei daran erinnert, daß der Wärmeaustausch hier in Gegenströmung erfolgt. Das soll besagen, daß erhitztes Natrium durch die Einlaßleitung 40 nach unten in das Zwischenvolumen zwischen dem inneren Zylinder 62 und dem äußeren Zylinder 60 strömt.
Die Strömung des Speisewassers ist entgegengesetzt zu der Strömung des Natriums. Speziell strömt das Speisewasser von dem Einlaß 71-74 zu Auslässen 81-84.
Es wird einleuchten, daß der erhitzte Teil des Natriums den oberen Abschnitt der Röhren sieht, der zwischen den Speisewassereinlässen 71-74 und den Auslässen 81-84 spiralförmig verläuft. Infolgedessen wird ein thermischer Schock an dem oberen Abschnitt der Rohrplatten deutlicher in Erscheinung treten.
Wie aus Fig. 3A ersichtlich ist, sind die Rohrplatten in den Säulen 81-84 gut oberhalb des hohen Natriumpegels angeordnet. Diese Rohrplatten innerhalb der Säulen 81-84 werden nicht mit dem flüssigen Natrium in Kontakt kommen; die Rohrplatten sind mit dem Inertgas in Kontakt. Da dies so ist, sind die Rohrplatten dem Inertgas ausgesetzt und nicht dem Natrium.
Natrium hat eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit. Dies soll bedeuten, daß sein Wärmeübertragungsvermögen hervorrragend ist. Es ist insbesondere hoch, wenn es mit Inertgasen verglichen wird.
Indem die Rohrplatte und die kritische innere Verbindung zwischen den Rohren und der Rohrplatte in dem Inertgasabschnitt des oberen Pegels des beschriebenen Wärmetauschers gehalten werden, wird die Möglichkeit eines thermischen Schocks der Rohrplattenverbindung vermieden.
Es sei daran erinnert, daß der beschriebene Wärmetauscher ein Gegenstrom-Wärmetauscher ist; deshalb wird verständlich, daß die Temperaturen neben den Rohrplatten in dem Speisewassereinlaß 71-74 mehr oder weniger ausgeglichen sind. Wenn dies der Fall ist, werden die unteren Rohrplatten einem kleineren Grad an thermischen Schock ausgesetzt. Ihre Entfernung aus einem direkten Kontakt mit dem Natrium zum Vermeiden eines thermischen Schocks ist nicht erforderlich.
Weiterhin und in Verbindung mit Fig. 4B wird deutlich, daß die Konstruktion des inneren Behälters 62 relativ zu dem äußeren Behälter 60 für eine besonders nützliche Isolation sorgt. Es sei kurz in Verbindung mit Fig. 3A daran erinnert, daß das Zwischenvolumen zwischen dem Außenbehälter 60 und dem Innenbehälter 62 den heißen Zweig des Natriums trennt. Dieses Natrium strömt nach unten und in den Einlaß 64 an dem unteren Teil der Wärmetauschereinheit.
An dem Einlaß 64 beginnt der sogenannte "kalte" Zweig des sekundären Natriumkreislaufes.
Elektromagnetische Pumpen Q1 sind ausführlicher von 0lich et al in der US-Patentanmeldung 203,179 vom 7. Juni 1988 beschrieben, die die Bezeichnung "Submersible Sodium Pump" hat und von der sich eine Kopie beim Europäischen Patentamt befindet. Diese Pumpen erfordern für ihre Betriebsumgebung eine Lage in den kalten Zweigen von Natriumkreisläufen. Diese Lage in den kalten Zweigen ist erforderlich, weil diese Pumpen ihre Widerstandserwärmung an das Natrium abgeben müssen, in das sie eingetaucht sind. Damit diese Wärme richtig abgeführt werden kann, muß eine Temperaturdifferenz zwischen der eintauchbaren Natriumpumpe einerseits und dem strömenden flüssigen Natrium andererseits aufrechterhalten werden.
Es ist wichtig, daß diese Temperaturdifferenz an zwei Orten besteht.
Erstens besteht die Temperaturdifferenz in bezug auf das gepumpte und strömende Natrium im Inneren der Pumpe.
Zweitens muß diese Temperaturdifferenz auch in bezug auf das Äußere der Pumpe bestehen. Dieses Äußere umfaßt den Stator dieser Pumpen auf der äußeren Oberfläche.
Aus Fig. 4B ist ersichtlich, daß ein Dewar-Zylinder in dem Innenbehälter 62 gebildet ist. Aus Fig. 4B ist an den Wänden 120 ersichtlich, daß die Wände an einem Spalt zwischen der innenseitigen Wand 120 des größeren Außenbehälters 60 und der Außenwand des inneren Behälters 62 räumlich getrennt sind. Diese Konstruktion setzt sich nach unten und bis zu dem Eingang fort, der an dem unteren Ende des innenseitigen Behälters 62 gebildet ist (s. Fig. 4A).
Somit ist ersichtlich, daß das Natrium, in das die Pumpen Q1-Q3 in dem kalten Zweig des Reaktors eingetaucht sind, thermisch von dem Natrium des heißen Zweigs getrennt sind.
Weiterhin wird deutlich, daß die Aufhängung der Pumpen Q1- Q3 in besonderer Weise mit dem mechanischen Aufbau dieser Einheit zusammenarbeitet.
Insbesondere ist der Innenbehälter 62 auf dem Oberteil des Außenhehälters 60 gehaltert.
Gleichzeitig sind die Pumpen Q1-Q3 an dem Oberteil des Innenbehälters hängend gehaltert. Alle Reaktionskräfte, die durch die Pumpen Q1-Q3 beim Pumpen von flüssigem Natrium verursacht werden, wirken nach oben gegen die hängende Halterung der Pumpen.
Es wird nun das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß den Fig. 5A und 5B erläutert, das eine Abwandlung des Wärmetauschers gemäß den Fig. 2 bis 4B ist, wo eine einzige Pumpe verwendet ist.
Zum Verständnis der Brauchbarkeit dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung kann eine Analyse von beispielhaften Natrium-Strömungsgeschwindigkeiten bei Durchtritt durch die Wärmetauschereinheit hilfreich sein.
Bei dem in Fig. 5A dargestellten Wärmetauscher wird eine Gesamtströmungsgeschwindigkeit von 2650 l/s (42000 Gallonen/Minute (gpm)) erreicht. Diese Strömungsgeschwindigkeit benötigt jedoch nur einen relativ kleinen Druck in der Größenordnung von 2,1 kg/cm² (30 Pounds pro Quadratzoll (psi)).
Elektromagnetische Pumpen der Art, wie sie in der bereits erwähnten US-Patentanmeldung Nr. 203,179 beschrieben sind, die am 7. Juni 1988 angemeldet wurde und die Bezeichnung Submersible Sodium Pump hat, arbeiten mit dem höchsten Wirkungsgrad bei Austrittsgeschwindigkeiten von 662 l/s (10 500 gpm) und Drucken in der Größenordnung von 16,2 kg/cm² (230 psi). Es wird deutlich, daß die Verwendung einer derartigen Pumpe in einer Strahlpumpenkapazität die Drucksäule einer eingetauchten Natriumpumpe effizienter ausnutzt und den überraschenden Vorteil hat, daß für eine verbesserte Kühlung der Pumpe gesorgt wird.
In Fig. 5A ist eine eingetauchte Natriumpumpe Q' dargestellt. Die Pumpe Q' hat einen Ausgang 200 und einen Eingang 201.
Die Pumpe selbst ist von dem Oberteil eines inneren Behälters 62 abgehängt. Diese Befestigung erfolgt entlang einem Dewar-Rohr mit einer Wand 120, die die Innenseite des Außenbehälters 60 von dem Umfang des Innenbehälters 62 trennt.
Die Ausströmung der elektromagnetischen Pumpe Q' wird als ein Strahl verwendet. Dieser Strahl tritt in das Venturi-Rohr 220 ein.
Hier ist ein einzelner Strahl gezeigt. Der Leser wird verstehen, daß die hier gezeigte einzelne Pumpe auch eine Vielzahl von Ausgangsstrahlen haben könnte.
Es ist ersichtlich, daß das Venturi-Rohr 210 sich zu dem Außenraum des Stators S der Strahlpumpe öffnet. Infolgedessen steigt das Natrium in dem kalten Zweig des Wärmetauschers außerhalb des Stators in einer kontinuierlichen Strömung hoch. Dieses Natrium wird dann in das Venturi-Rohr 210 der Strahlpumpe mitgerissen. Das Natrium strömt dann durch den Strahlpumpendiffusor 220 und tritt zu einer Ausgangskammer 230 aus.
Unter der Annahme, daß die Pumpe Q' 662 l/s (10,500 gpm) Natrium bei einer entwickelten Drucksäule von 16,2 kg/cm² (230 psi) pumpt, liegt die Gesamtströmung durch die Strahlpumpe und den Diffusor in der Größenordnung von 2650 l/s (42 000 gpm) bei einer entwickelten Drucksäule von 2,1 kg/cm² (30 psi). Somit übersteigt die Gesamströmung durch die Strahlpumpe um einen Faktor von etwa 4 die Gesamtströmung durch die elektromagnetische Pumpe Q'.
Dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung sorgt für zwei überraschende Vorteile der beschriebenen Konstruktion.
Erstens kann der Durchmesser des Innenbehälters 62 stark verkleinert werden. In dem Ausführungsbeipiel nach Fig. 3A war der Durchmesser des Innenbehälters in der Größenordnung von 8 Fuß, 7 Zoll. Mit der Eliminierung von zwei der drei elektromagnetischen Pumpen kann der Gesamtdurchmesser des Innenbehälters auf 1,2 m (4 Fuß) verkleinert werden. Somit wird die für den Dampfgenerator erforderliche Abmessung stark verkleinert. Beispielsweise kann der Gesamtdurchmesser des Außenbehälters 60 von 4,6 m (15 Fuß) auf 3,6 m (12 Fuß) verkleinert werden. Dies hat eine wesentliche Verkleinerung sowohl der Größe als auch der Kosten der modularen Wärmetauschereinheit zur Folge.
Ferner verbessert das Natrium, das außerhalb der elektromagnetischen Pumpe strömt, die erforderliche Kühlung des Stators S der Pumpe Q'.
Indem noch einmal kurz auf Fig. 3A eingegangen wird, wird deutlich, daß das Natrium, in das Pumpen eingetaucht sind, weitgehend statisch ist. Somit wird das Äußere des Stators von Pumpen Q1-Q4 nicht so effizient gekühlt wie die einzelne Pumpe Q', die in Fig. 5A gezeigt ist. Wie aus Fig. 5A hervorgeht, hat eine kontinuierliche Strömung über die äußere Oberfläche des Stators S eine Strahlpumpenabwandlung gemäß Fig. 5A zur Folge.
Es leuchtet ohne weiteres ein, daß die Aufhängung der Pumpe Q' verändert worden ist. Genauer gesagt, werden Halterungen 240 für die Halterung der Strahlpumpe und Halterungen 250 zur Halterung der Pumpen Q' an intermittierenden Intervallen benutzt, um eine konzentrische und stabile Halterung der Pumpe sicherzustellen.
Es wird weiterhin deutlich, daß Mittel vorgesehen sind zur Zufuhr elektrischer Energie zu der Pumpe (oder den Pumpen) in dem Innenbehälter 62. Diese Mittel führen durch das Natrium in dem Innenbehälter 62.

Claims

1. Wärmetransportsystem zur Verwendung mit einem Natriumgekühlten Kernreaktor, enthaltend:

erste und zweite aufrechte, zylindrische Behälter (60,62), von denen einer ein äußerer geschlossener Behälter (60) ist und der andere ein innerer, kleinerer Behälter (62) konzentrisch zu dem äußeren Behälter ist, um so zwischen der Innenseite des größeren Behälters und der Außenseite des kleineren Behälters ein ringförmiges Zwischenvolumen zu bilden,

wenigstens eine Speisewasser-Einlaßkammer (71,74), die mit dem ringförmigen Zwischenvolumen in Verbindung steht,

wenigstens eine Dampf-Auslaßkammer (81,84) an der Oberseite des äußeren Behälters und in Verbindung mit dem ringförmigen Zwischenvolumen,

mehrere Röhren (75), die mit der Speisewasser- Einlaßkammer und der Dampf-Auslaßkammer in Verbindung stehen, damit in die Speisewasser-Einlaßkammer (71,41) strömendes Speisewasser in den Röhren zu Dampf gemacht wird, der aus der Dampf-Auslaßkammer (81,84) herausströmt,

eine erste Leitung (40) zum Aufnehmen von heißem Natrium aus dem Reaktor und in Verbindung über den äußeren Behälter mit dem Zwischenvolumen, wobei das heiße Natrium das Wasser in den Röhren erhitzt, um Dampf zu erzeugen,

wobei der innere Behälter (62) sich zu dem äußeren Behälter (60) an dessen Boden öffnet, wodurch durch die Röhren gekühltes Natrium in den inneren Behälter eintreten kann,

eine Pumpeinrichtung (Q') zum Bewegen von Natrium,

und eine zweite Leitung (42), die mit dem inneren Behälter in Verbindung steht und den äußeren Behälter durchdringt zum Abgeben des gekühlten Natriums von der Pumpeinrichtung an den Reaktor, dadurch gekennzeichnet, daß

die wenigstens eine Speisewasser-Einlaßkammer (71,74) sich am Unterteil des äußeren Behälters befindet und die wenigstens eine Dampf-Auslaßkammer (81,84) sich am Oberteil des äußeren Behälters befindet,

die erste Leitung (40) über den äußeren Behälter (60) mit dem Oberteil des Zwischenvolumens in Verbindung steht, wodurch sich heißes Natrium nach unten durch das Zwischenvolumen bewegt in Gegenströmung zum Wasser, um Dampf in den Röhren zu erzeugen, und

die Pumpeinrichtung (Q') Natrium von dem Unterteil des äußeren Behälters nach oben in den Innenraum des inneren Behälters bewegt und eine einzelne, untertauchbare elektromagnetische Pumpe (Q'), die in der Mitte von dem inneren Behälter (62) angeordnet ist, und eine Strahlpumpe aufweist, die ein Venturi-Rohr (210) und einen Diffusor- Auslaß (220) zu der zweiten Leitung (230) und einen Einlaß hat zur Aufnahme von flüssigem Natrium, das von der elektromagnetischen Pumpe abgegeben wird, und von flüssigem Natrium aus dem Außenraum des Stators der elektromagnetischen Pumpe, wodurch gekühltes Natrium über die Außenseite des Stators der elektromagnetischen Pumpe gezogen wird zum Kühlen der elektromagnetischen Pumpe.

2. System nach Anspruch 1, wobei der innere Behälter (62) von dem Oberteil des äußeren Behälters (60) gehaltert ist und der innere Behälter getrennte innere (62) und äußere Wände (100) aufweist, die räumlich getrennt sind, um für eine thermische Isolation des kalten Natriums in dem Innenraum des inneren Behälters von dem heißen Natrium in dem Zwischenvolumen zu sorgen.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mehreren Röhren Röhrenabschnitte, die an einem unteren Teil des Zwischenvolumens wendelförmig gewickelt sind, und Röhrenabschnitte aufweisen, die sich an einem oberen Teil des Zwischenvolumens vertikal nach oben erstrecken, um ein Stoßvolumen für flüssiges Natrium an dem oberen Teil zu bilden.