[54] Modulaire structuur van een hol torusvermig samenstel voor een thermische kernreactor.

Transcriptie

1 Octrooiraad Nederland [19J NL [54] Modulaire structuur van een hol torusvermig samenstel voor een thermische kernreactor. [51] Int.Cl 2. 1 G21B1/00. [71] Aanvrager: Europese Ge'meenschap voor Atoomenergie (Euratom) te Luxemburg. [74] Gem : Mr.lr. L.B. Chavannes c.s. Vereenigde Octrooibureaux Bezuidenhoutseweg 105 's-gravenhage. [21] Aanvrage Nr [22] Ingediend 29 oktober 1974.' [32] Voorrang vanaf 5 november [33] Land van voorrang - Groot-Brittannie (G8). i 1311 Nummer van da voorrang saanvrage: 51300/73. [23] -- [61] -- [62] -- [43] Ter inzage gelegd 7 mei De aan dit blad gehechte afdruk van de beschrijving met conclusïe(s) en eventuele tekening(en) bevat afwijkingen ten opzichte van ds oorspronkelijk ingediende stukken; deze laatste kunnen bij de Octrooiraad op verzoek worden ingezien.

2 TO 2685 Europeese Gemeenschap TO or Atoomenergie (EURATOM) LUXEMBURG. Uitvinders: Flaviano Farfaletti-Casali, Friedrich G.Peter, Peter G.Gritzmanr, Modulaire structuur van een hol torusvormig samenstel voor een ; thermische kernreactor De uitvinding heeft betrekking op kernreactoren en op de modulaire structuur van een hol torusvormig samenstel, bij voorbeeld een torusvormige deken voor een thermische kernreactor. Ein van de technologische problemen die aan de constructie van kernfusiereaotoren van het torusvormige type gepaard gaan is de realisatie van een geschikte onderverdeling van de torusvormige deken die de plasmaholte omringt in een voldoend groot aantal afzonderlijke modulen. De constructie moet in het geval van een grote fusiereactor aan de bijzondere mechanische en bedrijfseisen voldoen. Tolgens bestaande voorstellen, kan de deken worden uitgevoerd als een holle torusvormige structuur, waarin hoofdzakelijke i vloeibaar lithium de plasmareactiekamer omringt en deze wordt j voorzien van een koelsysteem voor de in de deken ontwikkelde warmte a Het schijnt niet raadzaam te zijn en tenminste uiterst moeilijk 1 1 j i j i om een deken van monolit'ische of enkelvoudige structuur te hebben wanneer de diameter ervan, bij, voorbeeld tussen m ligt. Toorts zou de breuk of beschadiging van een dergelijke deken de hele kernreactor buiten gebruik stellen.. Een benadering van de modulaire onderverdeling van de torus- vormige deken zou zijn hem in een eindig aantal gelijke radiale t j sectoren te verdelen die hier schijven genoemd zullen worden. In de- { ze oplossing zullen de modulen zelve nog steeds aanzienlijke afme- j tingen hebben met bij voorbeeld een diameter liggend tussen 6 en 7 j m. Bovendien kan de onderverdeling in modulen niet tot een extreem i i aantal modulen worden uitgestrekt» Tanuit een mechanisch oogpunt zou het dekensamenstel mogelijk * * o > kunnen bestaan uit een aantal van zegge 10 (hoekbreedte 36 ) tot 40 (hoekbreedte 9 ) modulen, de hoekbreedte vanuit de hartlijn van de plasmakamer gemetèn is Tanuit een oogpunt van warmt e ëxt rac - tie echter, zou elke moduul vérder in een stel cellen of submodulen ,

3 moeten worden onderverdeeld. Ofschoon de verkregen submodulen gelijk van vorm zouden zijn, zouden ze toch te groot van diameter zijn zoals hierboven vermeld, en hun coniciteit zou een nadeel voor een gemakkelijke fabrikatie zijn. Derhalve zou een verdere onderverdeling van de 5 submodulen in omtrekszin.nodig zijn. Dit betekent dat elke ringvormige submoduul dan uit een opeenvolging van kleine ringvormige secties zou zijn samengesteld» Eet totale effect van al deze modulen zou een uiterst gecompliceerde dekenstructuur, bestaande uit een groot aantal elementen van verschil» 10 lende geometrische vorm, zijn. Toor het hierboven gegeven voorbeeld, kan de torusvormige ring gedacht worden te zijn onderverdeeld in tenminste 120 schijven (elk van hen met een hoekbreedte van 3 indien gezien vanuit het middelpunt van de torus), en elke schijf zou tenminste 36 omtrekssecties omvatten (elke sectie met een hoekbreedte van 10, ge- 15 zien vanuit de hartlijn van de plasmaholts). Derhalve zou de torusvormige deken uit 4320 elementen zijn samengesteld. Eén hoofdnadeel van deze veel-elementen structuur zou zijn dat elk element van de moduul onder een dubbele coniciteit gebukt zou gaan - radiaal en volgens de om» trek - zodat het dwarsdoorsneden zou hebben die in elk punt en langs 20 alle richtingen verschillend zijn«het koelprobleem zou ook vergroot worden. De uitvinding heeft betrekking op een nieuw/onderverdeling van een torusvormige deken waarin de bovengenoemde moeilijkheden en problemen worden voorkomen of tenminste aanzienlijk verminderd» Globaal gezegd worden in deze deken 25 de submodulen ( of in het algemeen gesproken modulen) rondom de plasmakamer m het geheel niet van coniciteit, maar van een normale axiale symmetrie voorzien. Verder worden de modulen radiaal opgesteld om een cirkelvormig samenstel te vormen, elke moduul tenslotte in omtreksrichting in submodulen is onderverdeeld. 30 Volgens de uitvinding is een hol torusvormig samenstel verschaft beslaande uit tenminste twee typep. ringvormige modulen die nauwaansluitend afwisselend gemonteerd zijn, elke moduul in omtreksrichting onderverdeeld is in submodulen en een uniforme dwarsdoorsnede heeft, de twee typen modulen verschillend in dwarsdoorsnede en corresponderende 35 diameter zijn, het type modujil van kleinere diameter tenminste bij de ~ n.»

4 buitenomtreksz i j de Tan de moduul conisch convergerend is terwijl de modulen van grotere diameter tenminste bij de binnenomtrekszijde van de moduul conisch convergerend zijn, en dat de conisch toelopende randen van de modulen, in het samenstel tegen elkaar aanliggen langs 5 een cirkelvormige baan, waarvan de middenhartlijn radiaal naar het middelpunt van de torus is verplaatst ten opzichte van de hartlijn van de torusvormige kamer. De uitvinding omvat ook de modulen die de torusvormige deken kunnen vormen en omvat voorts een kernreactor die het torusvormige 10 samenstel of modulen die de plasmareactieholte omringen, omvat. Bij voorkeur zijn de oppervlakken van de aaneenliggende delen van de modulen van kleiner diameter iets concaaf, terwijl de corresponderende delen van de grotere modulen iets convex zijn. Het torusvormige samenstel is bij voorkeur geschikt voor gebruik 15 als een warmte- en stralingsdeken om de plasmaholte van een torusvormige kernfusiereactor te omringen* Op doelmatige wijze is elke moduul voorzien van koelorganen die bestaan kunnen uit êen aantal koèlpijpen die langs de lengte van de moduul zijn geplaatst voor het transport van een koelfluidum, bijvoor- 20 beeld helium door de moduul. In termen van de hoofdconceptie die aan deze nieuwe configuratieten grondslag ligt kan worden gezegd dat het systeem lijkt op een samengesteld systeem van convexe en concave lenzen, zoals in optisch gebied, die torusvormig zijn opgesteld» 25 De uitvinding zal nu slechts bij wijze van voorbeeld onder verwijzing naar de bijgaande tekeningen worden beschreven, te weten: figuur 1 is een horizontale radiale doorsnede over een aantal modulen die de torusvormige deken vormen (de twee verschillende typen modulen A(1) en B(2) genoemd =zijnj, 30 figuur 2 is een horizontale radiale doorsnede over een aantal modulen die de torusvormige deken,vormen (de moduul typen A(1), B1^6), B2(7) en B5(8) zijn", waarbij alleen modulen A en moduuisecties B1 en B2 gesneden schijnen)} figuur 3 is een verticale doorsnede over de torusvormige deken 35 rondom de plasmakamer, waarbij de deken is samengesteld uit,de in

5 figuur 1 weergegeven modulen; figuur 3A is een doorsnede volgens IIIA-IIIA in fig. 3» figuur 4 is een verticale doorsnede over de torusvormige deken rondom de plasmakamer, waarbij de deken is samengesteld uit de in figuur 2 weergegeven modulen; figuren hk-g zijn doorsneden volgens de resp. in figuur h aangeduide vlakken, waarbij de deken is samengesteld uit de in figuur 2 weergegeven modulen (waarbij moduul A en alle moduiilsecties B1, B2 en B3 zich doorgesneden voordoen); en figuur 5 is een perspectivisch aanzicht van een vereenvoudigde moduul van type A of B voorzien van een warmteêxtractieinrichting of [ koelsysteem. Te zien is, dat in de in de respectieve figuren 2, 4 en UA-G weergegeven dekenstructuren de moduul B is onderverdeeld in secties B1, B2 en B3, waarvan B1 en B2 een andere doorsnede hebben en bij de binnenrespectievelijk buitenomtrek van de torus gelegen zijn, terwijl de sectie j B3 tweemaal voorkomt en vel bij de beneden- en bij de bovenzijde van de torus (in de omtreksruimten tussen B1 en B2) J De pijpen 12 van het koelcircuit kunnen in het geval dat een flui-j duin wordt gebracht dat anders is (bij voorbeeld hëlium) dan dat gebruikt j voor het vullen van de deken (bij voorbeeld lithium), in de in figuur 5, weergegeven moduul worden geplaatst. Voorts is het bij deze uitvoerings- j vorm mogelijk, het oppervlak dat de wand 14 van de moduul vormt en direkt aan de plasmakolom is blootgesteld, waar de koeling efficienter moet zijn,! samen te stellen uit een bundel koelpijpen 12 die evenwijdig, naast el- I kaar en volgens een beschrijvende lijn aan elkaar gesoldeerd zijn. De moduul is deelbaar door middel van concentrische cylindrische oppervlakken, in verscheidene'concentrische lagen die lithium 3 en grafiet 4 bevatten en gemakkelijk door bundels evenwijdige pijpen 12 kunnen worden gekoeld. Het koelcircuit, bijvoorbeeld met helium, kan 4* worden gemaakt als geillustreerd is; het helium komt binnen bij een uiteinde van de moduul via inlaatverzamelpijpen 10, beweegt langs de lengte van de moduul 1 of 2 en gaat naar buiten bij he andere uiteinde via uitlaatverzamelpijpen 11. Een belangrijk doel van 'de uitvinding is het samenstel van modulen;

6 m ^ «* met een axiaal-symmetrische geometrie, en een deken met torusvorm en een cirkelvormige doorsnede? en het "bepalen van de vorm van die modulen voor het maken, van een continue deken die de torusvormige plasmaholte omringt door benutting van het kleinste aantal verschillende modulen.. 5 Zoals verder toegelicht zal worden, zijn twee oplossingen gevonden, respectievelijk met 2 en 4 verschillende typen modulen of ringen wat voldoende is voor de geometrie van de deken en voor zijn onderhoud en werking. In figuur 1 is weergegeven de realisatie van de deken met twee ver- 1q schillende soorten modulen of ringen A en B, afwisselend geplaatst naast elkaar en met hun zijdelingse oppervlakken in contact. Qua afmeting is de straal van de hartlijn van de holte 10 m en de diameter van de holte is 5 m Deze uitvoeringsvorm van modulaire onderverdeling bevat ringen van type A en 100 ringen van type B voor de hele deken. Elke ring A en. B is vervolgens verdeeld in vier kwadrantsectoren of modulen, van $0 (zie figuur 3) maar andere verdelingen in sectoren zijn mogelijk. In. deze uitvoeringsvorm zal de deken samengesteld zijn uit 4 0 modulen van type A en 400 modulen, van type B wat een totaal van 800 modulen 20 geeft wat vanuit de meeste oogpunten zeker voldoende is voor een goede modulaire verdeling^ Om een vrije thermische uitzetting mogelijk te maken en de demontage van de deken te vergemakkelijken is een kleine tussenruimte 5 tussen aangrenzende modulen in dezelfde ring aangehouden. Hetzelfde vacuum 25 dat in de plasmaholte 9 bestaat is in de tussenruimte 5 aanwezig. De thermische isolatie tussen aangrenzende modulen wordt ook doelmatigheidshalve verzekerd en de geometrische vorm van de modulen is vereenvoudigd omdat de zijdelingse bolvormige oppervlakken, die geen contact maken, dank zij de grote straal van de ring door conische opper- 30 vlakken kunnen worden benaderd. Het is duidelijk dat elke moduul onafhankelijk kan worden ondersteund door een uitwendige op een bekende wijze * * vastgemaakte steunstructuur. Een type B-moduul, zoals in figuur 1 te zien is, kan gemakkelijk uit de deken gedemonteerd worden, en een type A-moduul kan gedemonteerd 35worden door verwijdering van de twee aangrenzende modulen B en dit wordt

7 vergemakkelijkt door het feit dat de ringen in sectoren zijn verdeeld. In figuur 2 is een andere uitvoeringsvorm weergegeven die vier inplaats van twee verschillende typen modulen gebruikt. Het totale aantal gebruikte modulen is steeds 800 maar in dit ge- 5 val, waar het type A-modulen van dezelfde soort zijn, zijn de type B-> modulen nu van drie verschillende soorten, en dit maakt een grotere uniformiteit en een nauwkeuriger geometrie van de deken mogelijk. Zoals in de voorgaande uitvoeringsvorm is de deken verdeeld in 4 secties, één die de binnensector vormt, één de buitensector en de an- 10 dere twee de tussensectoren, symmetrisch opgesteld. Deze sectoren zijn samengesteld uit modulen van de respectieve typen, B1, B2 en BJo De doorsnede van deze modulen is een weinig verschillend van die van de voorgaande uitvoeringsvorm, en dit feit maakt de meest gunstige voor de deken te bereiken geofflètrie mogelijk. ïerwijl er 100 modulen van het 15 type B1 en B2 zijn, zijn er 200 modulen B3. Zoals uit figuur 2 en 4 te zien is 9 liggen de type B1-modulen tegen»» over de type B2-modulen, en de twee typen B3=modulen liggen in dezelfde ring tegenover elkaar. In figuur 6 is een voorbeeld gegeven van een geschikte moduul die een gegeven hoek rondom de plasmaholte bedekt. In dit geval wordt dei moduul beschreven door de draaiing over een hoek { van zijn dwarsdoorsnede B rondom een hartlijn a tangentiaal ten opzichte van de hartlijn van de plasmakolom. De zijden van de doorsnede B, die de sector beschrijven, maken deel uit van cylindrische of conische oppervlakken en het ge- 2 5volg is dat de moduul in elk punt van zijn ontwikkeling een dwarsdoorsnede heeft die gelijk is aan de doorsnede waaruit de moduul is ontwikkeld. 30 # r 35 t»

8 CONCLUSIES. 1. Hol torusvormig samenstel, gekenmerkt door tenminste twee typen 5 ringvormige modulen die nauwaansluitend op afwisselende wijze gemonteerd zijn, elke moduul in omtreksrichting is onderverdeeld in subaio -,dulen die een uniforme doorsnede hebben, de twee typen modulen verschillend in doorsnede en bijbehorende diameter zijn, het moduultype van. de kleinere diameter tenminste bij de buitenomtrekszijde van. de moduul JOeonisch. convergerend is terwijl de modulen van grotere diameter tenminste bij de binnenomtrekszijde van de moduul conisch convergerend zijn, en dat de conisch, toelopende randen van de modulen in het samenstel tegen elkaar aanliggen langs een cirkelvormige baan, de middenhartlijn ervan radiaal naar het middelpunt van de torus is verplaatst ten opzichte van 15de hartlijn van de torusvormige kamero 2 e Torusvormig samenstel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de oppervlakken van de aanliggende delen van de modulen van kleinere diameter iets concaaf zijn, terwijl de corresponderende delen, van de grotere modulen iets convex zijn «Torusvormig samenstel volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat elke moduul van koelorganen is voorzien. 4-. Torusvormig samenstel volgens conclusie met het kenmerk, dat de koelorganen bestaan uit een aantal koelpijpen die in de lengte van de moduul voor het transport van een koelflufdum zijn opgesteld Torusvormig samenstel volgens conclusie 4, met het kenmerk, \dat het koelfluïdum helium is. 6 e Torusvormig samenstel volgens een der conclusies 1-5 met het kenmerk, dat tenminste één type moduul in vier kwadrantsubmodulen is onderverdeeld Torusvormig samenstel volgens een der voorgaande conclusies gekenmerkt door de geschiktheid voor gebruik als een warmte- eg. stralingsdeken om de plasmaholte van een torusvormige kernfusiereactor te omringen. 8» Kernreactor, gekenmerkt door een torusvormig samenstel volgens 35 een der conclusies 1-7 da.1; een torusvormige plasmareactieholte omringt.»?

9 ' VEREENfGDE OCTROOfBUREAUX S-GRAVENHAGE (HOLLAND) O.A. Nr. 17 Ned. Beh. bij schrijven d.d Den/vdB WIJ2IGIKGENBLAD pag. h vervangen door de nieuwe pag. pag. 6, regel 19 "fig. 6" wijzigen ia? 'fig. 5"

10 FIG.l. \

11

12 4 \ ï \ fy Jr i Euratom

13 EURATOM

14