DE1086818B - Druckgefaess fuer einen Kernreaktor - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf ein Druckgefäß für einen gasgekühlten Kernreaktor, der einen Kern aufweist, der zumindest teilweise aus Brennstoff oder Brennstoffen besteht, zur Aufnahme von Brennstoffelementen eingerichtet ist und Durchgänge oder Kanäle für die Strömung von gasförmigem Kühlmittel zum Entzug von Wärme aus den Brennstoffelementen enthält. Das Kühlmittel kann nach dem Abkühlen der genannten Elemente zu Wärmeaustauschern oder in die Atmosphäre strömen, und wenn es Wärmeaustauschern zugeführt wird, kann das Medium dazu verwendet werden, Dampf für den Betrieb einer Turbo-Wechselstrom-Generatoranlage zu erzeugen.

Um die Kühlung oder das Maß der Wärmeübertragung aus den Brennstoffelementen zu verbessern, ist es in der Praxis üblich, im Innern eines Druckgefäßes Gas unter relativ hohem Druck (beispielsweise 7 bis 14 kg pro qcm) zu verwenden, wobei sich Schwierigkeiten bei dem Entwurf eines Druckgefäßes ergeben, da dieses, um dem erforderlichen Gasdruck und der Betriebstemperatur widerstehen zu können, eine beträchtliche Wandstärke aufweisen muß.

Diese Schwierigkeiten werden bei dem eingangs genannten Druckgefäß zumindest zum Teil behoben. Dieses Druckgefäß ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen inneren Mantel oder eine Auskleidung aus wärmebeständigem Material im Abstand von der Gefäß wandung und im Betriebszustand einen Kühlstrom zwischen dem inneren Mantel oder der Auskleidung und der Gefäßwand zum Schutz der letzteren gegen Erwärmung durch den Reaktorkern.

Das Kühlmittel, das sich zwischen den Mänteln oder Wandungen befindet, kann gleichfalls in gasförmiger Form vorliegen. Andererseits kann der Raum oder können die Räume von der Innenseite des genannten, inneren oder innersten Mantels oder Wandung getrennt sein.

Wenn das Druckgefäß zu einem thermischen Reaktor gehört, strömt gasförmiges Kühlmittel durch den Kern, um die Brennstoffelemente innerhalb des Kerns abzukühlen, wobei das Kühlmittel zuerst durch den Raum oder die Räume zwischen den Mänteln oder Wandungen des Druckgefäßes strömen kann.

Jeder Mantel oder jede Wandung kann kugelförmig, zylindrisch oder von einer anderen geeigneten bequem zu handhabenden Form sein, wobei alle Mantel oder Wandungen des Gefäßes die gleiche Form haben können. So kann ein Druckgefäß geeigneterweise zwei kugelförmige Mäntel, den einen in dem anderen, enthalten.

Zum klaren Verständnis der Erfindung werden nunmehr fünf Konstruktionen von Druckgefäßen für thermische Kernreaktoren an Hand von Beispielen

Druckgefäß für einen Kernreaktor

Anmelder:

The General Electric Company Limited,
London

Vertreter: Dr.-Ing. H. Ruschke, Berlin-Friedenau,

und Dipl.-Ing. K. Grentzenberg,
Münthen 27, Pienzenauer Str. 2, Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 31. Mai 1955

Robert Neil Millar und Keith James Mitchell,

Erith, Kent (Großbritannien),
sind als Erfinder genannt worden

unter Hinweis auf die Zeichnungen beschrieben, die in hohem Maße schematisch sind. Jede Figur stellt einen zentralen senkrechten Schnitt durch ein Druckgefäß dar, wobei aus Gründen der Einfachheit in den Figuren gleichen Teilen die gleichen Bezugsziffern zugeteilt wurden.

In der Fig. 1 wird ein Doppelmantel-Druckgefäß dargestellt, bei dem jeder Mantel Kugelform aufweist. Der Innenmantel 1 weist vom Außenmantel 2 radial nach innen einen kurzen Abstand auf. Beide Mäntel werden von den Haltern 3 getragen. Der Kern 4 des Reaktors ruht auf einem Tragerost 5, der in geeigneter Weise durchbrochen ist für die Strömung des Kühlgases, das von dem Kühlende des Wärmeaustauschers oder den Austauscherri (nicht dargestellt) über ein Einlaßrohr 6 in den Raum zwischen den Mänteln 1 und 2 eingeführt werden kann. Nach dem Einströmen in den Raum zwischen den Mänteln, wie durch die Pfeile angedeutet, strömt das Gas durch den inneren Mantel 1 durch öffnungen 7 zu dem Boden oder in Richtung zum Boden des Mantels 1, durch den Rost 5, dem Kern 4 und durch ein Auslaßrohr 8 heraus zu dem Wärmeaustauscher oder den" Austauschern, wobei geeignete Pumpeneinrichtungen (nicht dargestellt) für die Zirkulation des Kühlgases sorgen. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Reaktor stecken die Brennstoffelemente (nicht dargestellt) in senkrechten Durchführungen oder Kanälen (nicht dargestellt) in dem Kern, jedoch sind, wie leicht einzusehen ist, dieselben allgemeinen Prinzipien auf Realctoren mit zylin-

009 570/329

drischen Druckgefäß en anwendbar, bei denen die Brennstoffelemente in horizontalen Durchlässen oder Kanälen in dem Reaktorkern liegen.

Ein Gasabdichtungsglied 9 zwischen dem Mantel 1 und dem Reaktorkern 4 bewirkt, daß das gesamte Gas durch den Kern strömt, wobei eine oder mehrere Einfüllröhrchen 10 an dem Oberteil der Mantel 1 und 2 vorgesehen sind. Sowohl das Rohr 8 als auch die Röhre 10 sind an dem Außenmantel 2 starr befestigt und gleiten durch einen Kolbenring oder ähnlichen Abdichtungen 11 und 12, die an dem Innenmantel 1 entsprechend angebracht sind, wobei die Abdichtungen 11 und 12 jede relative Radialbewegung zwischen den Mänteln und jede leichte Umfangsbewegung zulassen.

Wie leicht einzusehen ist, ist die Druckdifferenz zwischen den beiden Mänteln 1 und 2 sehr klein, jedoch kann die Temperaturdifferenz ziemlich groß sein. Der Außenmantel kann deshalb auf einer vergleichsweise niedrigen Temperatur gehalten werden, was eine einfachere Konstruktion, dieses Mantels 2 ermöglicht. So kann Stahl geringerer Güte verwendet werden, oder das Material des Mantels kann unter hoher Beanspruchung arbeiten. Der Mantel 2, der gasdicht sein muß, besteht vorzugsweise aus einer geschweißten Konstruktion, wobei die Rohre 6 und 8 und das Rohr 10 an den genannten Stellen festgeschweißt sind. Der Innenmantel 1 muß zwangläufig von hoher Qualität sein und aus hitzebeständigem Material wie hitzebeständigem Stahl bestehen, kann jedoch relativ dünn sein im Vergleich zu dem Außenmantel 2. Da der Innenmantel 1 nicht gasdicht zu sein braucht, kann er eine vernietete oder verschraubte Konstruktion aufweisen, wobei Schwierigkeiten in der Konstruktion im Zusammenhang mit dem Schweißen von hitzebeständigen Materialien hoher Güte vermieden werden.

In der Fig. 2 ist eine Konstruktion dargestellt, die der der Fig. 1 im allgemeinen gleicht. Doch anstatt daß das Kühlgas zuerst durch den Raum zwischen den Mänteln 1 und 2 und danach in den Innenmantel 1 strömt, ist hier die Gasströmung in dem genannten Raum von der in dem Mantel 1 getrennt. So strömt Gas aus dem Wärmeaustauscher durch das Einlaßrohr 13 in den Raum zwischen den Mänteln und verläßt den Raum auf dem Wege zum Wärmeaustauscher durch das Auslaß rohr 14. Weiterhin tritt Gas aus dem Wärmeaustauscher in den inneren Mantel 1 durch das Rohr 15, strömt durch den Reaktorkern 4 und danach in Richtung Wärmeaustauscher durch das Rohr 8. Das Rohr 8 weist wie zuvor eine Dichtung 11 auf, während das Rohr 15 eine gleiche Dichtung 16 aufweist. Der Druck zwischen den beiden Gasräumen des Gefäßes kann im wesentlichen der gleiche sein.

Bei der in der Fig. 3 dargestellten Konstruktion ist ein besonderer unter Druck gesetzter Kühlkreis angeschlossen oder steht in Verbindung mit dem Raum zwischen dem inneren und äußeren Mantel des Druckgefäßes, wobei durch diese Einrichtung eine weitere Reduktion der Betriebstemperatur des äußeren Mantels erreicht wird. Für den Innenmantel wird eine vollständig gasdichte Ausführung benötigt. Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, weisen die Mantel zylindrische Gestalt auf, und die Einlaß- und Auslaßrohre 17 bzw. 18 für das Kühlgas für den Innenmantel 1 sind an diesem etwa durch Anschweißen starr befestigt und mit dem Außenmantel 2 nicht durch kolbenringartige Dichtungen, sondern durch gewellte, gasdichte Metallbalgmanschetten 19 bzw. 20 verbunden. Durch das Rohr 13 strömt Gas für den Raum zwischen den Mänteln 1 und 2 herein und durch das Rohr 14 heraus, wobei dieses Gas sogar von demjenigen, das zum Abkühlen der Brennstoffelemente in dem Reaktorkern 4 verwendet wird, verschieden sein kann.

Bei dieser Konstruktion kann die dem inneren Mantel,, der im allgemeinen aus einer Schweißkonstruktion besteht, innewohnende Festigkeit mit Vorteil dazu beitragen, daß in dem inneren Kühlkreis ein niedrigerer Druck als im Außenkreis aufrechterhalten wird, wobei der Druckunterschied zwischen den beiden Kreisen von der zulässigen Betriebsbeanspruchung des Innenmantels 1 bei seiner Maximalbetriebstemperatur abhängt. Die Außenfläche des Innenmantels 1 kann ummantelt oder anderweitig wärmeisoliert sein, um den Wärmeverlust an das Gas in dem Raum zwischen den Mänteln 1 und 2 auf ein Minimum zu reduzieren. Der äußere Mantel 2 kann als Schweißkonstruktion oder als vernietete oder verschraubte Konstruktion ausgeführt sein, wobei die Platten des Mantels 2 beispielsweise an Winkelstützen, die an den Innenmantel 1 angeschweißt sind, befestigt sind. In diesem Falle kann, um einen gasdichten Raum zu schaffen, eine abdichtende Verschweißung an der inneren und/oder äußeren Fläche des äußeren Mantels vorgenommen werden.

Die beiden in den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen sind Modifikationen der in der Fig. 1 dargestellten Konstruktion, wobei bei jeder Ausführungsform der innere Mantel die Form eines offenen Zylinders oder einer Kammer aufweist, dessen bzw. deren offenes Ende auf dem Rost ruht, der außerdem den Kern des Reaktors trägt. Bei der in der Fig. 4 dargestellten Konstruktion ist der Innenmantel 1 aus einem Stück hergestellt mit einem senkrechten zylindrischen Abschnitt 1A₁ der mit einem konkaven Endabschnitt 1B verschweißt ist. Es sind zwei Gasdichtungen vorgesehen, und zwar eine äußere Gasdichtung 21 zwischen dem inneren und äußeren Mantel 1 bzw. 2 und nur eine innere Gasdichtung 22 zwischen dem inneren Mantel 1 und dem Kern 4, der von dem Rost 5 getragen wird. In den Raum zwischen den beiden Mänteln 1 und 2 tritt durch die Einlaß rohre 6 Kühlgas aus den Wärmeaustauschern (nicht dargestellt), das nach Durchströmen des Kerns 4 durch die Auslaßrohre 8 in Richtung Wärmeaustauscher austritt. Unterhalb des Rostes 5 ist eine Ablenkplatte 23 vorgesehen, die eine geeignete Strömung des Gases zum Abkühlen des Bodens des äußeren Mantels 2 sichert, während eine Anzahl perforierter innerer Verteilerröhren 24, die aus der Kühlgasquelle über ein Ventil oder Ventile 25 gespeist werden, oberhalb des Oberteils des inneren Mantels 1 vorgesehen sind.

Die Innenseite des inneren Mantels 1 steht ganz unter dem niedrigen Gasauslaßdruck, und da das Verteilerröhrensystem mit Regelventilen versehen ist, ist es möglich, von außen her das Maß der Gasdurchlässigkeit von dem äußeren zu dem inneren Mantel zu regeln.

Es ist deshalb möglich für alle Rohre 8 einfache mechanische Abdichtungen 26 vorzusehen, die durch den Endabschnitt IB des inneren Mantels 1 gehen, wobei diese Abdichtungen nur als Vorsichtsmaßnahme gegen die Möglichkeit des Ausfallens der äußeren Gasdichtung 21 vorgesehen sind, die zum Einschränken der Strömung in dem oberen Abschnitt zwischen dem inneren und dem äußeren Mantel 1 bzw. 2 dient.

Es ist zu ersehen, daß der eigentliche Zweck der Doppelmantelkonstruktion darin besteht, den der Beanspruchung unterliegenden Mantel 2 von der hohen Temperatur des Auslaßgases aus dem Reaktor zu isolieren. Der Durchtritt des Kühlgases durch die Verteilerröhrenanlage dient zum Vermeiden des allmäh-

lichen Anwachsens der Temperatur des Gases in der oberen Zone zwischen dem inneren M-antel 1 und dem äußeren Mantel 2 als Folge des Wärmeüberganges durch den Endabschnitt 1B des inneren Mantels 1 und als Folge der Aufheizung des äußeren Mantels 2 durch auftreffende Neutronen.

Die Ablenkplatte 23, die aus bestimmten Gründen nicht mit dem Aufbau des Druckgefäßes verbunden ist und eine notwendige Ergänzung darstellt, weist die Form einer flachen Platte unterhalb des Kernaufbaues auf, um ein Anwachsen der Temperatur in der Zone unterhalb dieser flachen Platte durch auftreffende Neutronen zu verhindern, wobei eine ringförmige Rinne 27 um den Umfang der Platte herum vorgesehen ist, die selbst von einer Anzahl Löchern für das Kühlgas is durchbrochen ist. Auf diese Weise bewirkt die Geschwindigkeit des einströmenden Kühlgases aus den Wärmeaustauschern eine Zirkulation des Gases in dieser Bodenzone.

Bei der Konstruktion gemäß Fig. S besteht der innere Mantel 1 aus einem senkrechten zylindrischen Abschnitt XA mit einem Endabschnitt XB, der aus einer flachen Platte und einem Kegelstumpf hergestellt ist. Es ist nur eine Gasdichtung an dem Oberteil des Kerns 4 zwischen diesem und dem inneren Mantel 1 vorgesehen, wobei oberhalb dieses Niveaus der innere Mantel 1 bei X gespalten ist, um eine unabhängige Bewegung der Oberteil- und Bodenabschnitte 1A und 1B infolge thermaler Expansion zuzulassen. Das flache Ende des inneren Mantels 1 wird von einer Anzahl Röhren 29 gehalten, die an dem äußeren Mantel 2 befestigt und nach unten durch den inneren Mantel 1 hindurchgeführt sind. Diese Art der Halterung gestattet, daß sich der innere Mantel 1 unabhängig von den Röhren 29 bewegen kann, wobei, um eine Gasabdichtung zu erhalten, ein Balgen 30 an jedem dieser Punkte und auch an den Punkten vorgesehen ist, an denen die heißen Gasröhren 8 aus dem inneren Mantel 1 hervorragen. In diesem Falle steht nur der obere Teil des inneren Mantels 1 oberhalb der Gasabdichtung 28 unter dem niedrigen Gasauslaßdruck, und das Maß des Gasübertrittes, der ebenso erforderlich ist wie bei der.Konstruktion gemäß Fig. 4, wird einfach dadurch erreicht, daß in dem flachen Ende des inneren Mantels 1 Löcher 31 vorgesehen sind, wobei die Größe und Verteilung der Löcher die einzige Einrichtung zur Festlegung des tatsächlichen Ausmaßes des Gasübertrittes ist.

Weiterhin ist unterhalb des Kerns 4 eine flache Ablenkplatte 23 vorgesehen, deren Ausführung und Funktion der in der Fig. 4 dargestellten gleicht. Es ist einzusehen, daß bei dieser Konstruktion die Überleitung von der niedrigen zur hohen Temperatur an dem inneren Mantel 1 ziemlich plötzlich stattfindet im Gegensatz zu der Konstruktion gemäß Fig. 4, und dieser Umstand im Verein mit dem Verfahren der Halterung des flachen Endes macht den gespaltenen Aufbau des inneren Mantels 1 notwendig. Ein Nachteil dieser Konstruktion besteht darin, daß es hier keine Möglichkeit gibt, das Ausmaß des Gasübertrittes von dem äußeren zum inneren Mantel zu verändern, nachdem einmal der Reaktor in Betrieb genommen ist. Aus der obigen Beschreibung ist zu ersehen, daß der äußere Mantel von dem Reaktorkern durch den inneren Mantel gleichsam wärmegeschützt wird.

Claims (1)

1. PaTENTANSPBOCHE:

   1. Druckgefäß für einen gasgekühlten Kernreaktor, der einen Kern aufweist, der zumindest teilweise aus Bremsstoff oder Bremsstoffen besteht, zur Aufnahme von Brennstoffelementen eingerichtet ist und Durchgänge oder Kanäle für die Strömung von gasförmigem Kühlmittel zum Entzug von Wärme aus den Brennstoffelementen enthält, gekennzeichnet durch einen inneren Mantel oder eine Auskleidung aus wärmebeständigem Material im Abstand von der Gefäßwandung und im Betriebszustand einen Kühlmittelstrom zwischen dem inneren Mantel oder der Auskleidung und der Gefäßwand zum Schutz der letzteren gegen Erwärmung durch den Reaktorkern.

   2. Druckgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung für die Strömung eines gasförmigen Kühlmittels eingerichtet ist.

   3. Druckgefäß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das strömende gasförmige Kühlmittel zuerst den Raum zwischen Auskleidung und äußerem Mantel des Reaktors und dann auch die Brennstoffelemente innerhalb des Reaktorkerns kühlt.

   4. Druckgefäß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für das Kühlmittel, das in dem Raum zwischen Auskleidung' und äußerem Mantel strömt und für das gasförmige Kühlmittel, das den Brennstoffelementen Wärme entzieht, voneinander getrennte Strömungskreise vorhanden sind.

   5. Druckgefäß nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Mantel aus Stahl minderer Qualität besteht und geschweißte Konstruktion aufweist und daß der innere Mantel aus wärmefestem Stahl besteht und genietet oder geschraubt ausgebildet ist.

   6. Druckgefäß nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Mantel die Form eines senkrecht angeordneten, an einem Ende offenen Zylinders oder einer Kammer aufweist, derart, daß das offene Ende des Zylinders oder der Kammer mittelbar oder unmittelbar auf einem den Reaktorkern tragenden Rost ruht.

   7. Druckgefäß nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Gasdichtungen zwischen dem inneren und dem äußeren Mantel direkt unter dem geschlossenen Oberteil und zwischen dem offenen Ende des inneren Mantels und dem Reaktorkern vorgesehen sind, derart, daß das Kühlgas zuerst in den Raum zwischen den Mänteln unterhalb des geschlossenen Oberteils des inneren Mantels und dann durch den Reaktorkern und aus dem geschlossenen Oberteil des inneren Mantels herausströmt.

   8. Druckgefäß nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Vorrichtungen für die geregelte Zufuhr von Kühlgas zu dem Raum zwischen dem geschlossenen Oberteil des inneren Mantels und dem äußeren Mantel.

   9. Druckgefäß nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Vorrichtungen, die das Durchströmen des Gases von dem genannten Raum in den Oberteil des inneren Mantels ermöglichen.

   10. Druckgefäß nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung oder die Dichtungen eines Rohres oder mehrerer Rohre, die durch den äußeren Mantel und in den geschlossenen Oberteil des inneren Mantels verlaufen, derart ausgebildet ist bzw. sind, daß eine Gasströmung im Raum zwischen dem geschlossenen Oberteil des inneren Mantels und dem äußeren Mantel möglich ist.

   I 086

   1-1. Druckgefäß nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gasdichtung zwischen dem Oberteil des Reaktorkernes und dem inneren Mantel direkt unter dessen geschlossenem Oberteil derart angeordnet ist, daß das Kühlgas zuerst in den Raum zwischen den Mänteln unterhalb des geschlossenen Oberteils und dann durch den Reaktorkern und aus dem geschlossenen Oberteil des inneren Mantels herausströmt.

   12. Druckgefäß nach Anspruch 11, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß der geschlossene Oberteil des inneren Mantels mit einer oder mehreren öffnungen für den Durchgang von Kühlgas in den Oberteil des inneren Mantels versehen ist.

   13. Druckgefäß nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Oberteil des inneren Mantels von seinen Seitenwänden getrennt ist, um zu ermöglichen, daß sich der obere und der untere Abschnitt des inneren Mantels bei thermischer Expansion unabhängig bewegen.

   14. Druckgefäß nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Abschnitt des inneren Mantels von Rohren getragen ist, die an dem äußeren Mantel angebracht sind und durch den inneren Mantel nach unten verlaufen, wobei Balgdichtungen dort vorhanden sind, wo die Rohre durch den geschlossenen Oberteil des inneren Mantels verlaufen und wo ein oder mehrere Heißgasauslaßrohre aus dem inneren Mantel hervortreten, derart, daß eine Bewegung des geschlossenen Oberteils unabhängig von dem äußeren Mantel möglich ist.

   15. Druckgefäß nach einem der Ansprüche 6 bis 12, gekennzeichnet durch Vorrichtungen zum Ablenken des Kühlgases über den Boden des äußeren Gefäßes.

   16. Druckgefäß nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche des inneren Mantels zur Verringerung· des Wärmedurchganges durch diesen Mantel verkleidet oder auf andere Art wärmeisoliert ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Bd. 3 der Reihe: »Peaceful Uses of Atomic Energy«,. New York 1956, S. 179, 180, 218, 297, 299, 317, 347, 348.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

   ©i 009 570/329 8.60