DE19521074A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit einer luftgekühlten Reaktoranlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Flüssigmetall-gekühl­ ten Kernreaktor und dessen Luftkühlung. Insbesondere be­ trifft die Erfindung das passive Abführen der Reaktorzer­ fallswärme und der Eigenwärme eines Flüssigmetall-Reaktors sowie die Übertragung der Wärme zu einer Wärmesenke (das ist die atmosphärische Luft) mittels inhärenter Prozesse der Wärmeleitung und -strahlung sowie einer natürlichen Konvektion von Fluiden.

Bei dem weiterentwickelten Flüssigmetall-Reaktor (ALMR von Advanced Liquid Metal Reactor) ist ein Reak­ torkern aus Spaltmaterial in ein heißes Flüssigmetall ein­ getaucht, beispielsweise flüssiges Natrium, das sich in ei­ nem Reaktorbehälter befindet. Das Flüssigmetall wird zum Kühlen des Reaktorkerns benutzt, wobei die darin aufgenom­ mene Wärme zur Energieerzeugung auf eine herkömmliche Art und Weise benutzt wird.

Eine bekannte ALMR-Anlage besitzt eine Betonab­ schirmung, die ringförmig oder kreisförmig ist. Die Ab­ schirmung ist vorzugsweise unterirdisch angeordnet und ent­ hält einen konzentrisch darin angeordneten, ringförmigen Containment-Behälter, in dem ein Reaktorbehälter konzen­ trisch angeordnet ist, der einen Reaktorkern enthält, der in ein Flüssigmetall-Kühlmittel, wie z. B. flüssiges Na­ trium, eingetaucht ist. Der Ringraum zwischen dem Reaktor­ behälter und dem Containment-Behälter ist mit einem inerten Gas, beispielsweise Argon, gefüllt. Der Reaktor- und Con­ tainment-Behälter werden von einem oberen Rahmen getragen oder hängen vertikal an diesem herab, der wiederum an der Betonabschirmung mittels mehrerer herkömmlicher, seismi­ scher Isolatoren getragen wird, die die strukturelle Unversehrtheit des Containment- und Reaktorbehälters wäh­ rend eines Erdbebens bewahren und eine nicht-gekoppelte Be­ wegung zwischen diesen Behältern und dem sie umgebenden Be­ hälter gestatten.

Der Reaktorbetrieb wird durch Neutronen-absorbie­ rende Steuerstäbe geregelt, die selektiv in den Reaktorkern eingeführt oder aus diesem herausgezogen werden. Während des Reaktorbetriebs kann es notwendig sein, die Spaltreak­ tion des Spaltmaterials auf rund eines Notfalls oder des Durchführens einer routinemäßigen Wartung abzustellen. Der Reaktor wird dadurch abgestellt, daß die Steuerstäbe in den Kern des spaltbaren Materials eingesetzt werden, um dem Spaltmaterial die notwendigen spaltungserzeugenden Neutro­ nen zu entziehen. Allerdings wird weiterhin eine restliche Zerfallswärme von dem Kern für eine bestimmte Zeit erzeugt. Diese Wärme muß vom abgestellten Reaktor abgeführt werden.

Die Wärmekapazität des Flüssigmetall-Kühlmittels und der benachbarten Reaktorstruktur helfen dabei, die Restwärme abzuführen. Beispielsweise wird Wärme mittels Wärmestrahlung von dem Reaktorbehälter zum Containment-Be­ hälter übertragen. Demzufolge erhöht sich die Temperatur des Containment-Behälters. Wärme wird auch vom Containment- Behälter nach außen zur Betonabschirmung abgestrahlt, die außerhalb und im Abstand dazu angeordnet ist. Diese Struk­ turen sind möglicherweise nicht in der Lage, hohen Tempera­ turen für längere Zeit zu widerstehen. Beispielsweise kann der Beton, aus dem die Wände der herkömmlichen Abschirmung hergestellt sind, sich ausweiten und rissig werden, wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt sind.

Um eine übermäßige Erwärmung dieser Komponenten zu vermeiden, wird eine Vorrichtung zur Wärmeabführung ge­ schaffen. Eine der wärmeabführenden Vorrichtungen, die in dem ALMR eingebaut ist, ist gänzlich passiv und arbeitet ununterbrochen mit inhärenten Prozessen einer Wärmeleitung und -strahlung sowie einer natürlichen Konvektion von Fluiden. Diese sicherheitsbezogene Vorrichtung, die als Zu­ satzkühlsystem für den Reaktorbehälter (RVACS von Reactor Vessel Auxiliary Cooling System) bezeichnet ist, ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Wärme wird von dem Reak­ torkern zum Reaktorbehälter 15 mittels natürlicher Konvek­ tion von flüssigem Natrium transportiert. Die Wärme wird anschließend über die Wand des Reaktorbehälters geleitet. Eine Wärmeübertragung von der Außenfläche des Reaktorbehäl­ ters zu dem kälteren Containment-Behälter 7 über einen Zwi­ schenraum 16, der mit einem inerten Gas gefüllt ist, bei­ spielsweise Argon, erfolgt zumeist vollständig durch Wärme­ strahlung. Ein Wärme-Kollektorzylinder 4 ist konzentrisch zwischen dem Containment-Behälter 7 und der Abschirmung 5 angeordnet und bildet eine Heißluft-Steigleitung 6 zwischen dem Containment-Behälter und der Innenfläche des Wärme-Kol­ lektorzylinders sowie eine Kaltluft-Falleitung 3 zwischen der Abschirmung und der Außenfläche des Wärme-Kollektorzy­ linders. Wärme wird von dem Containment-Behälter 7 zur Luft in der Heißluft-Steigleitung 6 übertragen. Die Innenfläche des Wärme-Kollektorzylinders 4 nimmt die Wärmestrahlung vom Containment-Behälter auf, wobei Wärme von dem Containment- Behälter mittels natürlicher Konvektion zu der aufsteigen­ den Luft für eine Aufwärtsströmung übertragen wird, um Wärme über Luftauslässe 9 abzuführen. Eine Wärmeübertragung von der Außenfläche des Containment-Behälters erfolgt zu etwa 50% mittels natürlicher Konvektion zur sich natürlich bewegenden Luft in der Heißluft-Steigleitung 6 und zu 50% durch Strahlung zum Wärme-Kollektorzylinder 4.

Die Lufterwärmung in der Steigleitung 6 über die beiden umgebenden heißen Stahlflächen führt zu einem natür­ lichen Luftzug in dem System, wobei atmosphärische Luft durch vier Lufteinlässe 1 oberhalb des Grundpegels ein­ tritt. Die Luft wird über einen Einlaßraum 2 zur Kaltluft- Falleitung 3 und anschließend zum Boden der Betonabschir­ mung 5 geführt, wo es erwärmt wird und in die Heißluft- Steigleitung 6 eintritt. Die Heißluft wird zu den vier Luftauslässen 9 oberhalb des Grundpegels über den Auslaß­ raum 8 geleitet. Die Außenfläche des Wärme-Kollektorzylin­ ders 4 ist mit einer thermischen Isolation oder Wärmedäm­ mung (nicht dargestellt) beschichtet, um die Wärmeübertra­ gung von dem Wärme-Kollektorzylinder 4 zur Abschirmung 5 und in die in dem Kaltluft-Falleitung 3 abwärts strömende Luft zu verringern. Je größer die Temperaturdifferenz zwi­ schen der relativ kalten Luft in der Falleitung und der re­ lativ heißen Luft in der Steigleitung ist, desto größer ist die natürliche Zirkulation zum passiven Antreiben der Luft­ kühlung, d. h. ohne motorgetriebene Pumpen.

Die gesamte Wärme-Abführrate der RVACS nimmt mit der Temperatur zu und wird zu einem großen Maß in dem Luft­ raum der Steigleitung mittels eines Wärmetransports durch Konvektion von einschließenden Flächen gesteuert. Wenn es also möglich wäre, die konvektive Wärmeübertragung an die­ sen Oberflächen zu erhöhen oder die exponierte Oberfläche zu vergrößern, könnte eine größere Zerfallswärme-Belastung durch die RVACS bei einer beliebigen Reaktor-Baugruppentem­ peratur vermieden werden.

Zwei Verfahren zur Verbesserung der RVACS-Lei­ stungsfähigkeit durch derartige Einrichtungen sind jeweils in der US-PS 5 043 135 von Hunsbedt et al. mit dem Titel "Method for Passive Cooling Liquid Metal Cooled Nuclear Re­ actors and Systems Thereof" und in der US-PS 5 339 340 von Hunsbedt mit dem Titel "Method for Enhancing Air-Side Heat Transfer to Achieve Improved Reactor Air-Cooling System Performance" beschrieben.

In der US-PS 5 043 135 ist ein Verfahren zur Her­ stellung einer luftseitigen Wärmeübertragungs-Oberfläche offenbart, die zu einer höheren Wärmeübertragungsrate durch Luftkonvektion führt. Sie beruht auf der Erzeugung einer Oberflächenrauhigkeit durch Anordnung von Vorsprüngen 10 (s. Fig. 2), die die thermische Grenzschicht in der Nähe der heißen Stahlwände stört.

Ein weiteres verbessertes Verfahren, das in der US-PS 5 339 340 offenbart ist, wendet das verbesserte luftsei­ tige Verfahren der US-PS 5 043 135 in Kombination mit einem zusätzlichen, mit Löchern versehenen Kollektorzylinder 11 an (s. Fig. 2), der in dem Luftstrom angeordnet ist. Der Einsatz eines mit Löchern versehenen Stahlzylinders ist in­ soweit einzigartig, als der Grad und die Form der Löcher derart angepaßt und ausgewählt werden kann, daß eine optimale Wärmeübertragung mittels Luft erzielt wird. Die Zusatzanlage zur Abführung von Zerfallswärme, die Gegenstand der Erfindung ist, kann alleine benutzt wer­ den. Allerdings ist es effektiver, wenn sie in Kombination mit den Verbesserungen gemäß der US-PS 5 043 135 und 5 339 340 benutzt wird. Diese Lösung wird bei der nachfol­ genden Schilderung angenommen.

Die Erfindung hat zum Ziel, die Leistungsfähigkeit der bekannten, zuvor beschriebenen, passiven Luftkühlungs­ anlage zu verbessern. Bei dem hierin beschriebenen, verbes­ serten Verfahren zur Abführung von Zerfallswärme wird Wärme aus einem Ringbereich abgeführt, der mit einem inerten Gas zwischen der Außenfläche des Reaktorbehälters und der In­ nenfläche des Containment-Behälters gefüllt ist. Diese Wär­ meabführung erfolgt neben einer Wärmeabführung über die RVACS. Das verbesserte Verfahren ist insoweit einzigartig, als mehrere Kühlleitungen, die in einer Strömungsverbindung mit dem mit inertem Gas gefüllten Zwischenraum stehen, hin­ zugefügt sind, die mehrere Strömungswege für das inerte Gas bilden, das durch Wärmetauscher zirkuliert. Die in dem in­ erten Gas gespeicherte Wärme wird in diesen Wärmetauschern abgeführt, wodurch natürliche Konvektionsströmungen in dem inerten Gas hervorgerufen werden, die wiederum Wärme unmit­ telbar von dem Reaktorbehälter mittels natürlicher Konvek­ tions-Wärmeübertragung absorbiert und im Einklang mit der herkömmlichen Anlage zur Abführung der Zerfallswärme be­ trieben wird. Der gesamte, passive Wärmetransport durch Konvektion der resultierenden Dualanlage zur Abführung von Zerfallswärme wird erhöht, da Wärme unmittelbar sowohl von den Flächen des Reaktorbehälters als auch von den Flächen des Containment-Behälters mittels natürlicher Konvektion abgeführt wird.

Die Anwendung der bekannten Verfahren, die zusammen mit den verbesserten Wärme-Abführeinrichtungen nach der Er­ findung beschrieben werden, können zu verbesserten Tempera­ turgrenzen bei der Reaktorentwicklung führen. Bei einer al­ ternativen Ausführungsform könnte die Reaktorkerngröße für eine bestimmte Behältergröße auf ein Maß vergrößert werden, das andere Entwicklungsschranken zuläßt. Dies könnte zu ei­ ner noch kompakteren und wirtschaftlicheren Reaktorbauform für zukünftige LMR-Anlagen führen. Das Konzept des passiven Kühlsystems könnte auch an künftige großdimensionierte Re­ aktoren angepaßt werden, für die bis zum heutigen Tag ein derartiges passive Wärmeabführsystem aufgrund der relativ niedrigen verfügbaren Wärmeströme völlig unbefriedigend ist.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnungen von Aus­ führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines herkömmlichen Flüssigmetall-gekühlten Kernreaktors, die ein Zusatz-Kühlsystem für den Reaktorbehälter zeigt,

Fig. 2 eine teilweise, azimutale Querschnittsansicht eines detaillierten Abschnitts des in Fig. 1 gezeigten Reaktors,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Flüssigmetall-gekühlten Kernreaktors nach einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine Draufsicht an der oder in der Nähe des RVACS- Auslaßraums, die den Querschnitt der Reaktorbaugruppe und eine vorgeschlagene Leitungsanordnung zeigt, die mit dem Containment- Behälter des Reaktors verbunden ist, der in Fig. 3 dargestellt ist,

Fig. 5 ein Diagramm eines RVACS-Meilers (der im Querschnitt dargestellt ist), der eine Modifikation der Erfindung ist und einen Inertgas-RVACS-Luft- Wärmetauscher enthält, und

Fig. 6 ein Diagramm, das die Strömung eines Inertgases um eine von mehreren Umlenkblechen oder -platten herum darstellt, die in dem mit Inertgas gefüllten Ringraum zwischen dem Reaktorbehälter und dem Containment-Behälter des Reaktors angeordnet ist.

Der Kern der Verbesserungen, der in der US-PS 5 043 135 und der US-PS 5 339 340 offenbart worden ist, bestand in dem Ringraum in dem Luft-Steigleitungs-Zwischen­ raum 6 zwischen der Außenfläche des Containment-Behälters 7 und der Innenfläche des Kollektorzylinders 4, wie dies aus­ führlich in Fig. 2 dargestellt ist. Wärme wird normaler­ weise durch Konvektion von diesen Flächen zum Luftstrom übertragen. Beim Aufbau des herkömmlichen ALMR weisen die glatten Oberflächen eine Rauheit auf, die für einen kommer­ ziell verfügbaren, für einen Kernreaktor geeigneten, korro­ sionsbeständigen Stahl kennzeichnend ist. Gemäß der Lehre nach der US-PS 5 043 135 wurde die Oberflächenrauheit da­ durch erhöht, daß Oberflächenvorsprünge oder Grenzflächen­ wölbungen 10 gebildet wurden, die im wesentlichen senkrecht zur Richtung des Luftstroms ausgerichtet sind, beispiels­ weise verlaufen sie in Umfangsrichtung um die Zylinderflä­ che des Containment-Behälters 7.

Die Verbesserung nach der US-PS 5 339 340 beruht darauf, einen durchlochten Kollektorzylinder 11 mit vielen Öffnungen oder Löchern 12, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, in der Heißluft-Steigleitung 6 anzuordnen. Die Löcher 12 können eine beliebige Form aufweisen, obwohl eine kreis­ förmige Form vom Standpunkt der Herstellung der wirtschaft­ lichste wäre. Der Durchbohrungsgrad, d. h. die Gesamtfläche der Öffnungen, verglichen mit der Gesamtfläche des durch­ lochten Kollektorzylinders, ist eine Variable und kann so gewählt werden, daß die optimale thermische Leistungsfähig­ keit erzielt wird. Die Löcher 12 erlauben es, daß ein Bruchteil des thermischen Strahlungswärmestroms aus dem Containment-Behälter 7 ausströmen kann, um den Kollektorzy­ linder 4 zu erreichen und von diesem absorbiert zu werden. Der Rest des Strahlungswärmestroms wird durch den durch­ lochten Kollektorzylinder 11 aufgenommen. Daher nehmen die Oberflächen sowohl des Kollektorzylinders 4 als auch die Oberflächen des durchlochten Kollektorzylinders 11 Wärme durch Wärmestrahlung auf. Der Bruchteil, den jeder emp­ fängt, kann durch den Durchlochungsgrad gesteuert werden, der für den durchlochten Kollektorzylinder 11 ausgewählt wird. Der Durchlochungsgrad basiert auf einer Optimierungs­ untersuchung, um eine maximale Gesamtwärmekonvektions- Übertragung von allen wärmeübertragenden Oberflächen in dem Heißluft-Steigleitung 6 zu erreichen. Die Wärmekonvektions- Übertragungsrate zur Luft (die Wärmesenke) hängt von dem Temperaturunterschied zwischen der Stahloberfläche und Luft sowie von dem konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten ab, der wiederum von den Luftströmungsgeschwindigkeiten in den einzelnen Strömungskanälen abhängt, die von dem durch­ lochten Kollektorzylinder 11 gebildet werden, insbesondere der Innenkanal 13 und der Außenkanal 14. Der gesamte Opti­ mierungsprozeß muß die richtige Positionierung des durch­ lochten Kollektorzylinders 11 mit Bezug auf die benachbar­ ten Wände des Containment-Behälters 7 und des Kollektorzy­ linders 4 berücksichtigen, um die gewünschte Luftströmungs­ verteilung zwischen den inneren und äußeren Strömungskanä­ len zu erhalten. Die relative Anordnung des durchlochten Kollektorzylinders 11 hängt auch von der Ausbuchtungskonfi­ guration der Grenzfläche ab, wenn diese in der Wärmeüber­ tragungs-Anlage enthalten sind.

Mit den verbesserten luftseitigen RVACS-Merkmalen gemäß der US-PS 5 043 135 und der US-PS-5 339 340, die in der vorliegenden Bauform enthalten sind, wird der Wärme­ übertragungswiderstand in dem Inertgas-Zwischenraum 16 zwi­ schen dem Reaktorbehälter 15 und dem Containment-Behälter 17 gesteuert. Da fast die gesamte Wärmeübertragung in die­ sem Zwischenraum durch Wärmestrahlung erfolgt, kann eine Verbesserung der gesamten Wärmeabführfähigkeit der RVACS dadurch erreicht werden, daß das thermische Emissionsvermö­ gen der Behälteroberflächen verbessert wird. Allerdings ist eine weitere beträchtliche Verbesserung des thermischen Emissionsvermögens dieser Oberflächen nicht möglich, da sie bereits durch Aufbringen sorgfältig hergestellter Oxid­ schichten verbessert worden sind. Um daher die passive Wär­ meabführfähigkeit zu verbessern, müssen andere Mittel be­ reitgestellt werden.

Gemäß der Erfindung wird eine Verbesserung der pas­ siven Wärmeabführfähigkeit in einem AMLR dadurch erreicht, daß Mittel zum Abführen von Wärme unmittelbar aus dem In­ ertgas im Zwischenraum 16 eingesetzt werden und daß beträchtliche natürliche Konvektionsströmungen in dem Zwi­ schenraum hervorgerufen werden. Die erhöhten Strömungsge­ schwindigkeiten in dem Zwischenraum 16 führen zu einer hö­ heren konvektiven Wärmeübertragung zwischen dem Reaktorbe­ hälter 15 und dem Containment-Behälter 7. Zusätzlich wird die RVACS-Leistungsfähigkeit auf eine indirekte Weise ver­ bessert, da sich eine bessere Saug- oder Zugwirkung und eine damit verbundene bessere RVACS-Luftströmung ergibt, wie dies nachfolgend erklärt wird. Daher wird die Gesamt­ leistungsfähigkeit der zusammengesetzten oder dualen RVACS gemäß der Erfindung verbessert. Das Maß der Verbesserung hängt in einem großen Ausmaß von Investitionen ab, die man bereit ist, an einem Inertgas-RVACS-Luft-Wärmetauscher vor­ zunehmen.

Der Aufbau und die Funktion der verbesserten Wär­ meabführeinrichtungen gemäß der bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3-6 erläutert.

Erfindungsgemäß verlaufen vier Inertgas-Einlaßlei­ tungen 21 horizontal in den Auslaßraum, die mit der Wand des Containment-Behälters 7 verbunden sind, wie dies in Fig. 3 und 4 dargestellt ist. Die Einlaßleitungen 21 stehen über vier Einlaßöffnungen 22 (s. Fig. 4) in Strömungsver­ bindung mit dem Inertgas-gefüllten Zwischenraum 16 (s. Fig. 2). Auf ähnliche Weise sind auch vier Inertgas-Auslaßlei­ tungen 23 mit dem Containment-Behälter in etwa der gleichen Höhe wie die Einlaßleitungen 21 verbunden, die mit dem In­ ertgas-gefüllten Zwischenraum 16 über vier Auslaßöffnungen 24 kommunizieren, die jeweils in einer Winkelstellung ange­ ordnet sind, die im wesentlichen 90° von den entsprechenden Einlaßöffnungen 22 entfernt sind, wie man dies am besten in Fig. 4 sieht. Jeder Quadrant der Reaktorbaugruppe besitzt eine Einlaßöffnung 22 und eine Auslaßöffnung 24. Die Bau­ form wird weiter dadurch verändert, daß vier vertikale In­ ertgas-Steigleitungen 25 vorhanden sind, die benachbart zu den vier RVACS-Meilern entlang der gesamten Länge des Mei­ lers angeordnet sind, der in der Brennstoff-Umhüllung 28 angeordnet ist. Jede Inertgas-Steigleitung 25 steht an ihrem unteren Ende mit einer entsprechenden der vier Inert­ gas-Auslaßleitungen 23 in einer Strömungsverbindung, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Wie in Fig. 5 dargestellt, ist die entsprechende Inertgas-Auslaßleitung 23 mit einer Wärmedämmung 26 beschichtet. Außerdem verläuft jede Steigleitung 25 am oberen Ende horizontal durch die Wand des zugeordneten RVACS-Meilers 27 in die RVACS-Einlaßlei­ tungen 29 und ist mit einer Längsseite der rechteckigen RVACS-Auslaßleitungen 30 verbunden, wie dies in Fig. 3 und 5 dargestellt ist.

Inertgas-Falleitungen 31 werden gebildet durch eine Längsseite der RVACS-Auslaßleitungen 30, die nunmehr als Inertgas-RVACS-Luft-Wärmetauscher 32 fungiern, durch einen Teil der Vorderwand des RVACS-Einlaßrohres 29 in der Nähe und gegenüber dem Wärmetauscher 32 und durch die Seitenwän­ den 33, die durch Verlängung der beiden kurzen Seitenwände der RVACS-Auslaßleitungen 30 gebildet werden, bis sie mit der gegenüberliegenden Wand der RVACS-Einlaßleitung 29 Zu­ sammentreffen, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Jede Falleitung 31 erstreckt sich über die gesamte Länge des zu­ geordneten RVACS-Schachtes 27. Die Unterseite jeder Fallei­ tung 31 steht in einer Strömungs-Verbindung mit der zuge­ ordneten Inertgas-Einlaßleitung 21, wie dies in Fig. 3 dar­ gestellt ist. Die bevorzugte Ausführungsform des Inertgas- RVACS-Luft-Wärmetauschers 32, die hierin beschrieben ist, ist nur eine von vielen möglichen Bauformen, die berück­ sichtigt werden können und die aus einem strukturellen Ge­ sichtspunkt akzeptiert werden könnten. Allerdings gilt die offenbarte, bevorzugte Ausführungsform als die beste Aus­ führungsform, da sie den Modifikationsgrad minimiert, der zum Einbau des Inertgas-RVACS-Luft-Wärmetauscher nach der Erfindung in eine herkömmliche Anlage notwendig ist.

Erfindungsgemäß werden Änderungen an der herkömmli­ chen Reaktorbaugruppe vorgenommen, wie dies in Fig. 4 und 6 dargestellt ist. Vier Strömungs-Umlenkplatten 34 sind in dem mit Inertgas gefüllten Zwischenraum 16 in 90°-Interval­ len entlang des Umfangs angeordnet. Diese Leit- oder Um­ lenkplatten erstrecken sich etwa von der Oberseite des Reaktorbehälters 15 und des Containment-Behälters 7 bis in die Nähe des Bodens der zylindrischen Teile der Behälter. Daher definieren diese Strömungs-Umlenkplatten vier Qua­ dranten, von denen zwei als Abstrom-Zonen 35 und die beiden anderen als Steigstrom-Zonen 36 bezeichnet sind. Die Ab­ strom-Zonen 35 sind an Umfangsstellen angeordnet, die den Einlaßöffnungen 22 entsprechen, wobei die Steigstrom-Zonen 36 an Umfangsstellen angeordnet sind, die den Auslaßöffnun­ gen 24 entsprechen. Man beachte in Fig. 4, daß die Abstrom- Zonen 35 außerhalb der beiden Sätze von elektromagnetischen Pumpen 37 radial angeordnet sind, wohingegen die Steig­ strom-Zonen 36 außerhalb der Zwischenwärmetauscher 38 ra­ dial angeordnet sind. (Pumpen 37 und Wärmetauscher 38 sind herkömmliche Komponenten, die beispielsweise in der US-PS 4 882 514 von Brynsvold et al. offenbart sind.) Der Grund für diese Anordnung ist der, daß die Bereiche des Reaktor­ behälters 15 außerhalb der Zwischenwärmetauscher 38 norma­ lerweise heißer sind als die Bereiche außerhalb der elek­ tromagnetischen Pumpen 37, die dazu neigen, Strömungsmuster des Inertgases um die Unterseite jeder Umlenkplatte herum zu fördern, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist.

Während des Betriebs der verbesserten Wärmeabführ­ einrichtungen gemäß der Erfindung steigt das Inertgas in den beiden Steigstrom-Zonen 36 auf, da die Behälter-Ober­ flächentemperaturen in diesen Zonen höher sind. Das Inert­ gas strömt anschließend weiter durch die vier Auslaßöffnun­ gen 24 in die vier Inertgas-Auslaßrohre 23 und anschließend in die vier Inertgas-Steigleitungen 25. Jedes Inertgas- Steigleitung ist in der Nähe eines entsprechenden der vier RVACS-Schächte 27 angeordnet, wie dies in Fig. 3 und 5 dar­ gestellt ist. Von dort strömt das heiße Inertgas in die vier Inertgas-Falleitungen 31, in denen das Inertgas durch die Inertgas-RVACS-Luft-Wärmetauscher 32 gekühlt wird. Das gekühlte Inertgas strömt danach nacheinander durch die vier Inertgas-Einlaßrohre 21, die beiden Abstrom-Zonen 35 und danach durch die vier Einlaßöffnungen 22. Das gekühlte In­ ertgas wird, während es abwärts strömt, erhitzt, aber der dadurch hervorgerufene Auftrieb wird durch die viel größere, positive Saugwirkung in den hochliegenden Inert­ gas-RVACS-Luft-Wärmetauschern 32 beseitigt. Das Inertgas strömt an der Unterseite der Reaktorbaugruppe in Querrich­ tung, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, und zwar in den offe­ nen Raum unterhalb der Endpunkte der Strömungs-Umlenkplat­ ten 34 und dringt danach in die beiden Steigstrom-Zonen 36 ein. Das Inertgas wird weiter erhitzt, während es nach oben in die Steigstrom-Zonen strömt und anschließend durchläuft es den gesamten Inertgas-Strömungsweg erneut.

Der Betrieb der beiden RVACS erhöht die Abführfä­ higkeit von Zerfallswärme auf drei verschiedenen Wegen. Er­ stens wird die Wärme unmittelbar von der Außenfläche des Reaktorbehälters durch das zirkulierende Inertgas abgeführt und zur RVACS-Auslaßluft 39 in jedem Inertgas-RVACS-Luft- Wärmetauscher 32 übertragen. Dieser Beitrag zur Verbesse­ rung der RVACS-Leistungsfähigkeit ist bei weitem der größte, vielleicht sogar größer als 90% der gesamten Lei­ stungsfähigkeit, wenn die Oberfläche (A) des Wärmetauschers groß ist. Zweitens wird Wärme zum Containment-Behälter 7 mittels einer kräftigen natürlichen Konvektionsströmung übertragen, die in dem mit Inertgas gefüllten Zwischenraum 16 hervorgerufen wird, wobei die Wärme wiederum durch den herkömmlichen RVACS-Luftstrom übertragen wird. Letztendlich wird die RVACS-Luftströmungsrate und dadurch ihre Lei­ stungsfähigkeit verbessert, da Wärme der RVACS-Auslaßluft 39 in dem Inertgas-RVACS-Luft-Wärmetauschern 32 hinzugefügt wird, die eine gesteigerte natürliche Zirkulationssaugwir­ kung und eine verbesserte RVACS-Strömungsrate liefern, wo­ durch sich die luftseitigen Wärmeübertragungskoeffizienten sowie die Fläche-zu-Luft-Temperaturdifferenzen erhöhen.

Bei bestimmten vorläufigen Analysefällen, die für das Dual-RVACS-Konzept betrachtet worden sind, die die in der US-PS 5 043 135 und der US-PS-5 339 340 beschriebenen verbesserungsverfahren anwenden und einen UA-Produktparame­ terwert (UA ist das Produkt des Gesamt-Wärmeübertragungsko­ effizienten U und die Oberfläche A des Wärmetauschers) von 837 kcal/h°F (3320 BTu/h°F) entsprechend einer Benutzung einer Längsseite des RVACS-Luftauslaßrohrs 30 für den Inertgas-RVACS-Luft-Wärmetauscher verwenden, wie dies in Fig. 3 und 5 dargestellt ist, nahm die Gesamtleistungsfä­ higkeit der beiden RVACS um etwa 13% zu. Die entsprechende Reaktorkernleistung, die ohne Verringerung der RVACS-Tempe­ raturgrenze möglich wäre, liegt bei etwa 950 MW_t, die einer geschätzten Nettoreduktion der Anlagekosten von 4 mills/kWh entspricht. Weitere Verbesserungen sind dadurch möglich, daß einfach größere Oberflächen für den Wärmetauscher be­ reitgestellt werden. Für den anderen betrachteten Analy­ sefall, bei dem die gesamte RVACS-Luft-Auslaßleitung als Fläche des Inertgas-RVACS-Luft-Wärmetauschers benutzt wurde, hat man festgestellt, daß unter Verwendung der Dual- RVACS gemäß der Erfindung die Reaktorkernleistung von 840 auf 985 MW_t (das ist eine Verbesserung um 17,5%) gestei­ gert werden kann, was zu einer geschätzten Verringerung der Anlagekosten von 5 mills/kWh führt. Eine derartige Lei­ stungssteigerung muß mit anderen Entwicklungsbeschränkungen in Einklang stehen, die bei der gegenwärtigen ALMR bestehen könnten. Wenn allerdings diese Leistungssteigerung imple­ mentiert werden könnte, könnte eine beträchtliche Nettore­ duktion der elektrischen Energieerzeugungskosten verwirk­ licht werden.

Dabei liegt das Grundkonzept der Erfindung darin, Wärme unmittelbar von der Außenfläche des Reaktorbehälters durch Zirkulation des Inertgas abzuführen. Das erhitzte In­ ertgas zirkuliert dann über mehrere Strömungspfade durch Wärmetauscher, die Wärme aus dem Inertgas entfernen. Das gekühlte Inertgas strömt anschließend durch eine natürliche Zirkulation zurück zum Ringraum zwischen dem Reaktorbehäl­ ter und dem Containment-Behälter. Dieses Konzept wurde un­ ter Beschreibung der vorstehenden bevorzugten Ausführungs­ form erläutert. Allerdings versteht sich dabei, daß dieses neuartige Konzept nach Überlegungen hinsichtlich Kompromiß­ lösungen und detaillierter thermischer Leistungsfähigkeit geändert werden kann, ohne vom Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Ebenso sind routi­ nemäßige Änderungen und Modifikationen der offenbarten Vor­ richtung ohne weiteres für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet passiver Luftkühlungsanlagen in ALMRs möglich. Beispielsweise könnten die Wärmetauscher auch derart ange­ ordnet sein, daß sie Wärme unmittelbar zur der atmosphäri­ schen Luft abführen, die nicht Teil des RVACS-Luftkühlungs­ stromes ist. All diese Änderungen und Modifikationen werden durch die nachstehenden Ansprüche erfaßt.

Claims (10)

1. Flüssigmetall-gekühlter Kernreaktor mit einem Containment-Behälter (7), einem Reaktorbehälter (15), der von dem Containment-Behälter umgeben ist und mit diesem einen mit inertem Gas gefüllten Zwischenraum (16) bildet,
einem Spaltmaterialkern, der in dem Reaktorbehälter (15) angeordnet ist,
einem Wärmekollektorzylinder (11), der den Containment- Behälter (7) umgibt und mit diesem einen Zwischenraum (6) bildet,
einer Abschirmung, die den Wärmekollektorzylinder (11) umgibt,
Lufteinlaß- und Luftauslaßeinrichtungen (21, 23), die mit atmosphärischer Luft außerhalb des Reaktors in Strömungsverbindung stehen,
einer ersten Reaktorbehälter-Hilfskühleinrichtung mit einem ersten Gaszirkulations-Strömungsweg, der in Strömungsverbindung mit der Lufteinlaßeinrichtung und der Luftauslaßeinrichtung steht, wobei der erste Gaszirkulations-Strömungsweg abwärts zwischen dem Containment-Behälter und der Abschirmung verläuft, um mittels einer passiven Luftkühlung Wärme von ihnen abzuführen, wobei der Reaktor ferner eine zweite Reaktorbehälter-Hilfskühleinrichtung mit Inertgas- Einlaßeinrichtungen und -Auslaßeinrichtungen aufweist, die mit dem mit inertem Gas gefülltem Zwischenraum in Strömungsverbindung stehen, und
einem zweiten Gaszirkulations-Strömungsweg, der in Strömungsverbindung mit den Inertgas- Einlaßeinrichtungen und -Auslaßeinrichtungen steht und außerhalb des Containment-Behälters verläuft, wobei der zweite Gaszirkulations-Strömungsweg einen ersten Abschnitt aufweist, der in einer Wärmeaustauschbeziehung mit einem ersten Abschnitt des ersten Gaszirkulations-Strömungswegs steht und Wärme aus dem inerten Gas durch Wärmeaustausch mit der atmosphärischen Luft abführt.

2. Flüssigmetall-gekühlter Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt des zweiten Gaszirkulations-Strömungswegs eine erste vertikale Leitung und der erste Abschnitt des ersten Gaszirkulations-Strömungswegs eine zweite vertikale Leitung aufweist, wobei die erste und zweite vertikale Leitung eine gemeinsame wärmeleitfähige Wand besitzen.

3. Flüssigmetall-gekühlter Kernreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Umlenkeinrichtung innerhalb des mit inertem Gas gefüllten Zwischenraums, die sich vom höchsten Punkt des mit inertem Gas gefüllten Zwischenraums zu einem Endpunkt erstreckt, der sich oberhalb des tiefsten Punktes des mit inertem Gas gefüllten Zwischenraums befindet und derart angeordnet ist, daß das inerte Gas unterhalb des Endpunktes der Umlenkeinrichtung strömen muß, um von der ersten Inertgas-Einlaßeinrichtung zur Inertgas- Auslaßeinrichtung zu strömen.

4. Flüssigmetall-gekühlter Kernreaktor mit einem Containment-Behälter, einem Reaktorbehälter, der von dem Containment-Behälter umgeben ist und mit diesem einen mit inertem Gas gefüllten Zwischenraum bildet, einem Spaltmaterialkern, der in dem Reaktorbehälter angeordnet ist,
einem Luftzirkulations-Strömungsweg, der in Strömungsverbindung mit der atmosphärischen Luft außerhalb des Reaktors steht,
einer Einlaßeinrichtung und Auslaßeinrichtung für inertes Gas, die mit dem mit inertem Gas gefüllten Zwischenraum in Strömungsverbindung stehen, und einem Zirkulations-Strömungsweg für inertes Gas außerhalb des Containment-Behälters, der in Strömungsverbindung mit der Inertgas-Einlaßeinrichtung und -Auslaßeinrichtung steht, wobei der Zirkulations- Strömungsweg für inertes Gas einen ersten Abschnitt aufweist, der mit einem ersten Abschnitt des Luftzirkulations-Strömungswegs in einer Wärmeaustauschbeziehung steht und Wärme aus dem inerten Gas über einen Wärmeaustausch mit der atmosphärischen Luft abführt.

5. Flüssigmetall-gekühlter Kernreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftzirkulations- Strömungsweg einen zweiten Abschnitt aufweist, der mit einer Außenfläche des Containment-Behälters in einer Wärmeaustauschbeziehung steht.

6. Flüssigmetall-gekühlter Kernreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt des Zirkulations-Strömungswegs für inertes Gas und der zweite Abschnitt des Luftzirkulations-Strömungswegs durch eine gemeinsame wärmeleitfähige Wand getrennt sind.

7. Vorrichtung zum Abführen von Wärme aus einem Flüssigmetall-gekühlten Kernreaktor, in dem ein Reaktorbehälter von einem Containment-Behälter umgeben ist und einen Fluid-gefüllten Zwischenraum bilden, mit folgenden Merkmalen:
eine Fluid-Auslaßeinrichtung, die mit dem Fluid­ gefüllten Zwischenraum in einer Strömungsverbindung steht,
eine Fluid-Einlaßeinrichtung, die mit dem Fluid­ gefüllten Zwischenraum in einer Strömungsverbindung steht,
ein Fluidzirkulations-Strömungsweg außerhalb des Containment-Behälters, dessen eine Ende in einer Strömungsverbindung mit der Fluid-Auslaßeinrichtung und dessen andere Ende in einer Strömungsverbindung mit der Fluid-Einlaßeinrichtung steht, und
ein Luftzirkulations-Strömungsweg, der mit der atmosphärischen Luft außerhalb des Reaktors in einer Strömungsverbindung steht, wobei der Luftzirkulations- Strömungsweg einen ersten Abschnitt aufweist, der in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem Containment- Behälter steht, und einen zweiten Abschnitt aufweist, der in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem Fluidzirkulations-Strömungsweg steht, wobei Wärme aus dem Fluid in dem Fluidzirkulations-Strömungsweg und von dem Containment-Behälter mittels eines Wärmeaustauschs mit der atmosphärischen Luft in dem Luftzirkulations- Strömungsweg abgeführt wird.

8. Wärmeabführ-Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidzirkulations- Strömungsweg und der Luftzirkulations-Strömungsweg eine gemeinsame Grenze benutzen, die aus einem wärmeleitenden Material besteht.

9. Wärmeabführ-Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidzirkulations- Strömungsweg aufweist:
eine erste vertikale Leitung in Strömungsverbindung mit der Fluid-Auslaßeinrichtung,
eine zweite vertikale Leitung in Strömungsverbindung mit der Fluid-Einlaßeinrichtung und
eine Strömungs-Rückleitung, deren eines Ende in Strömungsverbindung mit der ersten vertikalen Leitung und deren anderes Ende in Strömungsverbindung mit der zweiten vertikalen Leitung steht, wobei der Luftzirkulations-Strömungsweg eine dritte vertikale Leitung aufweist und die zweite und dritte vertikale Leitung sich eine gemeinsame wärmeleitfähige Wand teilen.

10. Verfahren zum Kühlen eines Reaktors mit einem ringförmigen Raum zwischen einem Reaktorbehälter und einem Containment-Behälter mit folgenden Schritten: Füllen des ringförmigen Raumes mit inertem Gas und Zirkulieren lassen des inerten Gases zwischen dem ringförmigen Raum und einem Wärmetauscher, der die Wärme aus dem inerten Gas zur atmosphärischen Luft leitet.