DE1267349B - Reaktorkanal mit einem Isolierspalt zwischen einem innenliegenden Huellrohr und einem aussenliegenden Druckrohr - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G 21 c

Deutsche KL: 21g-21/20

Nummer: 1267 349

Aktenzeichen: P 12 67 349.3-33

Anmeldetag: 16. März 1964

Auslegetag: 2. Mai 1968

Die Erfindung bezieht sich auf einen Reaktorkanal mit einem Isolierspalt zwischen einem innenliegenden Hüllrohr und einem außenliegenden Druckrohr, welcher mit einem Wärmeisoliermittel beaufschlagt ist, wobei in dem Isolierspalt in Abständen voneinander Sperrelemente angeordnet sind, die den Durchtritt des Wärmeisoliermittels hemmen, und wobei im Hüllrohr auf Rohrumfangslinien zwischen den Sperrelementen Druckausgleichsbohrungen vorgesehen sind. ίο

Bei schwerwassermoderierten Druckrohr-Reaktoren mit Flüssigkeitskühlung müssen die Druckrohre von der in ihrem Innern strömenden heißen Kühlflüssigkeit thermisch isoliert werden, um sie ohne große Wärmeverluste auf der Temperatur des aus schwerem Wasser bestehenden Moderators von etwa 80° C halten zu können.

Der Wirkungsgrad und damit die Gesamtwirtschaftlichkeit der Reaktoranlage hängt wesentlich von der Güte der Isolierung ab, da die Isolierung einerseits die Wärmeverluste der Kanäle verringert und andererseits das Druckrohr auf niedriger Temperatur hält, so daß dieses eine höhere Festigkeit hat und dünnwandiger ausgeführt werden kann. Diese Möglichkeit einer Ausführung der Druckrohre mit geringerer Wandstärke durch wirkungsvollere Druckrohrisolierung ist von besonderer Wichtigkeit für die Neutronenökonomie von Reaktoren, die mit wenig oder gar nicht angereicherten Kernbrennstoffen betrieben werden, da hierdurch die Menge des Strukturmaterials und damit die Neutronenabsorption verringert wird.

Der Reaktorkern besteht aus einem solchen Reaktortyp aus einer großen Anzahl von Druckrohrkanälen, die senkrecht durch den Moderator, ein Schwerwasserbad, laufen. Der Kanalaufbau läßt sich im allgemeinen folgendermaßen beschreiben:

Die Brennstoffelementenbündel werden von einem Rohr, dem sogenannten Hüllrohr, umschlossen, durch welches die Kühlflüssigkeit strömt. Das Hüllrohr ist seinerseits von einem zweiten Rohr, dem sogenannten Druckrohr umgeben, wobei zwischen beiden Rohren ein Spalt für die Wärmeisolierung bleibt. Dieser Spalt, auch als Isolierspalt bezeichnet, ist mit einem festen, flüssigen oder gasförmigen Isoliermaterial angefüllt.

Das kalte, außenliegende Druckrohr hat die Aufgabe, die Druckkräfte des im innenliegenden Hüllrohr strömenden Kühlmittels aufzunehmen, so daß das heiße Hüllrohr hiervon ganz oder doch zum größten Teil entlastet ist und sehr dünnwandig gehalten werden kann. Das kann aber nur dann erreicht Reaktorkanal mit einem Isolierspalt zwischen
einem innenliegenden Hüllrohr und einem
außenliegenden Druckrohr

Anmelder:

Europäische Atomgemeinschaft (EURATOM),

Brüssel

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Müller-Börner

und Dipl.-Ing. H. H. Wey, Patentanwälte,

1000 Berlin 33, Podbielskiallee 68

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Eggert Ohlmer, Velate, Varese (Italien)

werden, wenn das im Isolierspalt verwendete Isoliermaterial die Fähigkeit hat, diese Druckkräfte zu übertragen.

An das Isoliersystem im Isolierspalt werden demnach folgende wesentliche Anforderungen gestellt:

Es muß ein gutes thermisches Isoliervermögen und eine geringe Neutronenabsorption aufweisen, es muß die Fähigkeit haben, die Druckkräfte aus dem Kühlmittelstrom auf das Druckrohr zu übertragen, und es muß unter Reaktorbedingungen beständig sein.

Es ist grundsätzlich bekannt, daß Reaktorkanäle einen Isolierspalt zwischen dem innenliegenden Hüllrohr und dem außenliegenden Druckrohr eines Kanals aufweisen, und es ist bekannt, daß im Ringspalt eine Kühlflüssigkeit strömt (schweizerische Patentschriften 341918 und 341919, britische Patentschriften 873 794 und 921281, USA.-Patentschrift 090 743).

Weiterhin ist bekannt, über den obengenannten Stand der Technik hinaus auch noch in den Isolierspalt Sperrelemente für das Isoliermittel einzubauen (französische Patentschrift 1347154, britische Patentschrift 870 315).

Im einzelnen sind bisher folgende Typen von thermischen Isolierungen im Isolierspalt von Reaktorkanälen zwischen innenliegendem Hüllrohr und außenliegendem Druckrohr bekanntgeworden:

a) Gasisolierung

Der Isolierspalt ist mit einem unter bestimmtem Druck stehenden Gas angefüllt.

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Das Druckgefälle der Kühlmittelströmung längs bohrungen liegen. Durch das Beaufschlagen des Ring-

des Kühlmittelkanals ist jedoch im Isolierspalt nicht Spaltes mit einer gasgesättigten Reaktorkühlflüssig-

vorhanden, so daß die daraus resultierenden Kräfte keit wird der technische Fortschritt der Beseitigung

vom Hüllrohr aufgenommen werden müssen. Hier der höheren Wärme- und Neutronenverluste des Typs

fungiert demnach das Hüllrohr gleichzeitig als Druck- 5 der Flüssigkeitsisolierung mit Sperrelementen ohne

rohr und muß, da es hohe Temperatur aufweist, sehr Ausgleichsbohrungen [s. a)] erreicht,

stark sein, was wiederum eine höhere Neutronen- Durch die Erfindung wird demzufolge die gestellte

absorption bedingt. Aufgabe in vorteilhafter Weise gelöst, wie im folgen-

. .. den näher ausgeführt wird,

b) Feststoffisoherung _{10 Gemäß der Zeichnung} ^ _der Kanalaufbau im

Die Feststoffe, die für die thermische Spaltisolie- wesentlichen ähnlich dem bei der Flüssigkeitsisolierung in Frage kommen und verwendet werden, bei- rung.

spielsweise keramische Stoffe, weisen im allgemeinen Im Isolierspalt 1 sind zwischen dem Druckrohr 2

eine höhere Wärmeleitfähigkeit und Neutronen- und dem Hüllrohr 3 in axialer Richtung in gewissen

absorption als Gase auf. Außerdem ist die Druck- 15 Abständen Sperrelemente 4, etwa Sperringe, einge-

übertragung zwischen Hüll- und Druckrohr proble- baut. Diese Elemente geben der Spaltströmung in

matisch und technologisch schwierig. axialer Richtung stufenweise den Druckabfall, der

dem Druckgefälle in der Kanalströmung S entspricht,

c) Flüssigkeitsisoherung _Dicht oberhalb eines jeden Sperrelementes sind in

Durch den Isolierspalt läßt man die gleiche Flüs- 20 das Hüllrohr Druckausgleichslöcher 6 gebohrt, so

sigkeit, die als Kühlmittel dient, strömen. Durch ent- daß in den Spaltkammern zwischen jeweils zwei

sprechende Einbauten im Isolierspalt wird die Strö- Sperrelementen der Druck herrscht, den die Kanal-

mung der Flüssigkeit im Isolierspalt derart abge- strömung in Höhe der Ausgleichslöcher hat. Dadurch

bremst, daß der Druck im Isolierspalt stufenweise ist das Hüllrohr gut entlastet. Abweichend von der"

dem Druckgefälle im Kanal entspricht. Das Hüllrohr 25 reinen Flüssigkeitsisolierung wird der Isolierspalt mit

ist dadurch sehr günstig entlastet. Von Nachteil sind einer unter Temperatur- und Druckbedingungen des

hierbei die höheren Wärme- und Neutronenverluste Kanaleintrittes mit Gas gesättigten Reaktorkühlflüs-

dieses Isoliertyps. sigkeit 7 gespeist.

,. _T ,. , ,,,,., .. , Die Wirkungsweise des thermischen Isoliersystems

d) Isolierung durch kuhlmittelgetranktes _{30 gemäß der Erfindung wird nach} Betrachtung des

Quarzgewebe Betriebsvorganges klar: Sobald die Reaktorkühlflüs-

Hier wird der Isolierspalt zu einem großen Teil sigkeit das erste Sperrelement durchströmt, ist sie

mit Quarzgewebe ausgefüllt. Das Hüllrohr hat meh- einer plötzlichen Druckminderung ausgesetzt. Die

rere Druckausgleichsbohrungen, so daß Flüssigkeit Folge dieses Druckabfalles ist, daß ein bestimmter

aus dem Kühlstrom eindringt und langsam durch die 35 Anteil des Gases aus der Reaktorkühlflüssigkeits-

Gewebelagen hindurchfließt. Typ d) ist eine Verbes- lösung entweicht, bis das Lösungsgleichgewicht

serung des Typs c), hat jedoch auch noch relativ wiederhergestellt ist. Das heißt, beim Durchströmen

hohe Wärme- und Neutronenverluste. des nächsten Sperrelementes entweicht unter der

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Reaktorkanal neuerlichen Druckabsenkung wieder ein Teil des

mit einem Isolierspalt zwischen innenliegendem Hüll- 40 Gases aus der Lösung usf. durch alle aufeinander-

rohr und außenliegendem Druckrohr zu schaffen, der folgenden Kammern des Isolierspaltes hindurch. Die

möglichst geringe Neutronenabsorption und Wärme- Strömung im Isolierspalt ist gering genug, so daß die

Verluste aufweist. frei werdenden Gasbläschen nicht mitgerissen wer-

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten den, ,sondern daß sie sich in den Kammern ansam-Reaktorkanal dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß 45 mein. War der Spalt zu Beginn noch mit Kühlmittel das Wärmeisoliermittel aus der mit einem inerten gefüllt, so verdrängt das aus der Strömung frei wer-Gas unter den Temperatur- und Druckbedingungen ' dende Gas nach und nach die Flüssigkeit aus den des Kanaleintrittes gesättigten Reaktorkühlflüssigkeit Kammern, bis schließlich das Niveau der Ausgleichsbesteht, welche jedoch die durch die Sperrelemente bohrungen in jeder Kammer erreicht ist. Das weitergebildeten Ringkammern im Isolierspalt nur zu einem 50 hin frei werdende Gas entweicht nun durch diese kleinen Bruchteil ausfüllt, während der überwiegende Bohrungen als -kleine Bläschen in den Hauptstrom Teil der Kammervolumina mit dem aus dem Kühl- des Kanals, wo sie absorbiert werden. Die Reaktormittel durch Entgasung — auf Grund des Druck- kühlflüssigkeitslösung, die weiterhin durch den gasabfalles längs des Inneren der Hüllrohre — aus- gefüllten Spalt rieselt, sammelt sich unterhalb der tretenden inerten Gas gefüllt ist. 55 Ausgleichsbohrung auf dem Sperrelement und wird

Gegenüber dem durch die vorher zuerst erwähnte durch das Druckgefälle durch diesen hindurch in die Gruppe von Patentschriften bekanntgewordenen folgende Kammer gedrückt. Der Spalt ist also zu Stand der Technik werden durch die Erfindung die über 90% mit Gas gefüllt und wird von der Reaktor-Nachteile der Gas- oder Flüssigkeitsisolierung [s. a) kühlflüssigkeitslösung durchströmt. Durch die Strö- bzw. c)] beseitigt. Gegenüber dem durch die zweite 60 mung wird ständig neues Gas in die Kammern geGruppe von Patentschriften bekanntgewordenen liefert. Die Erfindung vereinigt die Vorteile der Gas-Stand der Technik wird durch die Erfindung eine be- isolierung mit den Vorteilen eines durch das Druckstimmte geometrische Zuordnung der an sich be- gefälle des Kühlmittelstromes selbsttätig gesteuerten kannten Sperrelemente und der an sich bekannten und dem ersteren angepaßten Druckgefälles im Iso-Druckausgleichsbohrungen gewährleistet, die gemäß 65 lierspalt. Die durch dieses Isoliersystem bedingten einer Weiterbildung der Erfindung vorteilhafterweise Wärmeverluste sind sehr gering und betragen nur so angeordnet sind, daß die Sperrelemente in Strö- etwa ein Drittel der Wärmeverluste bei der reinen mungsrichtung kurz unterhalb der Druckausgleichs- Flüssigkeitsisolierung und sind nur geringfügig höher

als die bei der reinen Gasisolierung auftretenden Verluste.

Ein weiterer Vorteil liegt in der sehr geringen Neutronenabsorption, da das Volumen des Isolierspaltes zu etwa 90 %> mit Gas gefüllt ist.

Das Hüllrohr ist in günstiger Weise von den Druckkräften der Kanalströmung in kleinen Stufen entlastet, so daß es in geringer Wandstärke und damit neutronenökonomisch günstig ausgeführt werden kann. Durch diese Lösung sind die Vorteile der Gasisolierung mit denen der Flüssigkeitsisolierung vereinigt, ohne daß deren spezifische Nachteile auftreten.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Reaktorkanal mit einem Isolierspalt zwischen einem innenliegenden Hüllrohr und einem außenliegenden Druckrohr, welcher mit einem Wärmeisoliermittel beaufschlagt ist, wobei in dem Isolierspalt in Abständen voneinander Sperrele- ao mente angeordnet sind, die den Durchtritt des Wärmeisoliermittels hemmen und wobei im Hüllrohr auf Rohrumfangslinien zwischen den Sperrelementen Druckausgleichsbohrungen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeisoliermittel aus der mit einem inerten Gas unter den Temperatur- und Druckbedingungen des Kanaleintrittes gesättigten Reaktorkühlflüssigkeit besteht, welche jedoch die durch die Sperrelemente gebildeten Ringkammern im Isolierspalt nur zu einem kleinen Bruchteil ausfüllt, während der überwiegende Teil der Kammervolumina mit dem aus dem Kühlmittel durch Entgasung — auf Grund des Druckabfalles längs des Inneren der Hüllrohre — austretenden inerten Gas gefüllt ist.

2. Reaktorkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrelemente in Strömungsrichtung kurz unterhalb der Druckausgleichsbohrungen angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Schweizerische Patentschriften Nr. 341918,341919; französische Patentschrift Nr. 1347154;
britische Patentschriften Nr. 870 315, 873 794,
921281;

USA.-Patentschrift Nr. 3 090 743.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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