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Kernreaktor
Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit einem
die Spaltzone umschliessenden Aufnahmebehälter, bei dem ein flüssiges Kühlmittel
mittels Umwälzpurnpen getrennt angeordneten Wärmeaustauschern zugeführt wird, wobei
die das Kühlmittel führenden Verbindungsrohre zwischen Aufnahmebehälter und Wärmeaustauscherbehälter
mit mindestens je einem Ilellrohrkompensator ausgestattet wird. ' Bei Kernreaktoranlagen
mit getrennt angeordneten Wärmetauschern sollen die verbindenden Rohrleitungen,
durch die das Kühlmittel
| von der Spaltzone in die Wärmetauscher und wieder zurück geleitet |
| wird, so gestaltet sein, dass ein optimales lass an Sicherheit
gegen |
| Leckagen und Rohrbrücke erreicht wird. Dies gilt insbesondere
bei |
| Anlagen, die mit aggressiven Medien wie fliissigem Metall oder
einer |
| SalzschrLelze als- @:ühli:@it=tel betrieben werden. |
| Bei einer Lekannten, gasgeKühlten Reaktoranlage ist der Behälter
für |
| die Spaltzone mit den Wärmetauschern über je eine konzentrische |
| Doppelr-l:rlci.t.ing verbunc'en, wobei das in der Spaltzone
erhitzte |
| Gas ir:: rnrien:-ot-#r und cias im. i-:ärme;@auscher gekühlte
Gas im Aussen- |
| rohr g e f >hr t wird (DAS 1 24,1 1116). Lm die thermischen
Ausdehnungen |
| der Behälter ianci der Rohrleitungen auszugleichen, ist in
der kon- |
| zentrisclien Leitung ein LT-förili-cr Krümmer vorgesehen. |
| Bei einer weiteren An13ge sind zu deriselben Zweck in die :!ohr- |
| leitungen voehrere :=lellrohrkompensatoren eingebaut (britische |
| Patentschrift 789.482). Dadurch erreicht man z@a,r eine im
Vergleich |
| zuo@ir_kr?.@r@rnern kvnpaktere &3z ;reise, and`rcrseits
erhöht sich |
| besonders bei Verwendung von fleissigen Metallen oder Salzschmelzen |
| das Risiko gegen eventuell auftretende Leckagen. . |
| Die Erfindung _iat zur Aufgabe, einen Kernreaktor zu schaffen,
bei |
| de=s die Verbindungselemente zwischen Spaltzone und :Järmeaustauschern |
| besonders iri ainblick auf die üer,rendung aggressiver Kühlmittel |
| sehr hori-n SicherI-_eitsansorderungen genügen, der aber trotzdem
eine |
| sehr raiirr:sparende und mi-c einfachen, konstruktiven Mitteln
zu ver- |
| wirklicheride Bauweise gestattet. |
| Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäss darin, dass
wenig- |
| stens einer der beiden Behälter nur teilweise mit Kühlmittel
gefüllt |
| ist, und dass das VerLindungsrohr bei dem teilweise gefüllten
Behälter |
| oberhalb des Flüssigkeitsspiegels mit Spiel durch die Behälterwand
ge,- |
| führt ist und in hie Flüssigkeit ragt, wobei der Wellrohrkompensator
das |
| Verbindungsrohr und die Behälterwand gasdicht miteinander verbindet.D@e |
| Förderpumpe kann vorteilhafterweise direkt an dem offen in
die Flüssig- |
| keit ragenden Ende des Verbindungsrohrs angeflanscht sein. |
Bei Erwärmung des Systems kann sich das Verbindungsrohr ungehindert
in Richtung auf den Behälterinnenraum hin ausdehnen. Das empfindlichste Teil der
Verbindung, der Kompensator, kommt dabei weder im Betriebszustand noch bei Stillstand
der Anlage mit der Flüssigkeit in Berührung. Ein weiterer Vorteil der Erfindung
besteht darin, dass durch die Verwendung gerader Rohre die Verbindung sehr kurz
gehalten werden kann; dies bedeutet ausser einer Materialersparnis auch eine Einsparung
an Flüssigkeitsmenge bei vorgegebenem Füllstand in den Behältern.
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Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung wird in kerntechnischen
Anlagen gesehen. Sie kann jedoch mit Vorteil z.B. auch in der chemischen Industrie
bei über Rohrleitungen miteinander verbundenen Behältern eingesetzt werden, die
mit aggressiven Medien wie z.B. Säuren gefüllt und dabei ausserdem hohen thermischen
Belastungen ausgesetzt sind.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden beispielsweise anhand
der Zeichnungen näher erläutert: , Die Figur 1 zeigt schematisch im Längsschnitt
einen Kernreaktor mit koaxial angeordneten, geraden Kühlmittelrohren, die Figur
2 eine vorteilhafte Anordnung des Wellrohrkompensators gemäss Figur 1 die-Figur
3 eifixen hernreaktur ähnlich -wie in Figur 1, jedoch mit schrägen Verbindungsrohr,
die Figur 4 eine druckfeste Ausbildung der Kühlmittelleitschürze des Kernreaktors
gemäss Figur 1.
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Gemäss Fig. 1 sind die Innenräume des Reaktorkern - Behälters 1 und
des Wärmetauscher-Behälters 2 über eine konzentrische
Doppelrohrleitung
3, 4 miteinander verbunden. Das Aussenrohr@4 ist an den Behälter 1, das Innenrohr
3 an die zylindrische Strömungsleitschürze 5 angeschlossen, die den Reaktorkern
6 in sich aufnimmt. Dadurch sind auch der Ringraum 7 der konzentrischen Rohrleitung
3, 4 und der Ringraum 8 im Reaktorkern-Behälter 1 miteinander verbunden.
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Die konzentrische Rohrleitung 3, 4 durchdringt die Wand des Wärmetauscher-Behälters
2 oberhalb des Kühlmittel:piegels 9, wobei das Aussenrohr 4 mit dem Behälter 2 über
einen Wellrohrkompensator, 10 verbunden ist. Somit ist sichergestellt, dass bei
Undichtigkeiten am Wellrohrkompensator kein Kühlmittel austritt. Innerhalb des Wärmetauscher-Behälters
2 verzweigt sich die konzentrische Rohrleitung 3, 4 auf Einzelleitungen. An den
Ringraum 7, ist ein Druckrohr 11 und an das Innenrohr 3 ein Verteilerstück 12 mit
den ringförmig verteilten Austrittsstutzen 13 angeschlossen. Das sekundäre Kühlmittel
wird durch eine Leitung 14 zum Boden des Behälters 2, von da durch ein Rohrbündel
15 nach oben zur Ableitung 16 geführt. Das Rohrbündel 15 ist von einer exzentrisch
zum Behälter 2 angeordneten, zylindrischen Strömungsleitwand 17 umgeben, in deren
Innenraum auch die Austrittsstutzen 13 unterhalb des Kühlmittelspiegels 9
münden.
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In dem Raum zwischen dem Wärmetauscher-Behälter 2 und der Kühlmittelleitwand
17 ist die Umwälzpumpe 18 angeordnet. Sie saugt Kühlmittel aus dem Behälter 2 am
fördert es über die Druckleitung 11 und die Ringräume 7 und 8 zur Kernzone 6, wo
es erhitzt wird, um von da durch das Innenrohr 3, das Verteilerstück 12,
die Stutzen 13 und entlang den Rohrbündeln 15, wo es seine Wärme abgibt, zurückströmen.
Zum Ausgleich der durch die Wärmeausdehnung entstehenden Relativbewegeng zwischen
der fest an der Behälterwand 2 montierten
Förderpumpe 18 und dem
Doppelrohr 3, 4 sind in der Leitung 11 zwei Gelenkkompensatoren 19 vorgesehen.
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Die beiden Räume oberhalb der Kühlmittelspiegel 9 und 20 im Reaktorkern-Behälter
1 und im Wärmetauscher-Behälter 2 sind durch eine Ausgleichsleitung 21 miteinander
verbunden, so dass in beiden Behältern stets der gleiche Druck herrscht.
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Während des Pumpbetriebes sinkt der Kühlmittelspiegel 9 im Behälter
2 ab, während der Kühlmittelspiegel 20 im Reaktorkern-Behälter 1 steigt.
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Gleichzeitig stellt sich aufgrund des Druckabfalls im Wärmeaustauscher-Rohrbündel
15 eine Spiegeldifferenz zwischen dem Wärmeaustauscher-Behälter 2 und dem von der
Kühlmittelleitwand 17 umschlossenen Raum ein. Je nach Kühlmitteldurchsatz, d.h.
Laststufe des Reaktors, stellen sich die Kühlmittelspiegel in den drei zu betrachtenden
Räumen schliesslich so ein, dass die Spiegeldifferenz zwischen Reaktorkern-Behälter
1 und dem von der Kühlmittelleitwand 17 umschlossenen Raum der Summe der Druckabfälle
des Innenrohrs 3, des Verteilstückes 12 und der Austrittsstutzen 13 und die Spiegeldifferenz
zwischen dem von der Kühlmittelleit-"#@a:-d 17 umschlossenen Raum und dem Wärmeaustauscher-Behälter
2 dem Druckabfall im Rohrbündel 15 des Wärmeaustauschers entspricht.
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Bei Temperaturänderungen in der Anlage ändern sich die Durchmesser
des Reaktorkern-Behälters l,@des Wärmeaustauscher-Behälters 2 und die Länge der
Koaxialleitung. Hierdurch schiebt sich das Koaxialrohr 3, 4 mehr oder weniger
weit in den Wärmeaustauscher-Behälter 2 hinein. Diese Verschiebung verursacht eine
entsprechende Verformung des Wellrohrkompensators 1o und eine gewisse Auslenkung
der Gelenkkompensatoren 19.
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Die Abstützung und Führung des Doppelrohrs 3, 4 erfolgt über das Druckrohr
1'., c.ie -elenkkompensatoren 19 und die fest mit der
Behälterwand
2 verbundene Konsole 22. Ausserdem können noch zusätzliche seitliche Führungen 23
(um 900 versetzt gezeichnet) vorgesehen sein.
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Temperaturdifferenzen und damit auch relative Längenänderungen zwischen
dem Innenrohr 3 und dem Aussenrohr 4 der I:oaxialleitung werden durch eine Innenisolierung
24 klein gehalten. Verbleibende Längenunterschiede können von den diese Rohre verbindenden
Teilen, d.h. dem gewölbten Stirndeckel 25, der Kühlmittelleitschürze 5 und der.
Wand des Reaktorkern-Behälters 1 elastisch ausgeglichen werden. Der Reaktorkern-Behälter
1, das Koaxialrohr 3, 4 und der Wärmeaustauscher-Behälter 2 sind mit einer Wärmeisolierung
26 und einer Strahlenabschirmung 27 umgeben. Die Strahlenabschirmung 27 wird zweckmässigerweise
diesen Behältern so angepasst, dass auch nach einem Leck der Kühlmittelspiegel im
Reaktorkern-Behälter 1 über dem Reaktorkern 6 steht. Zur Abfuhr der Nachzerfallswärme
ist der Reaktorkern-Behälter 2 zusätzlich mit einer Notkühlanlage (nicht dargestellt)
ausgerüstet.
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Fig. 2 zeigt die Anordnung des Wellrohrkompensators 10 in einer Weise,
die ein leichtes Auswechseln ermöglicht.,Der Wellrohrkompensator 10 ist hier
einerseits mit einer Zwischenhülse 35 fest verbunden und andererseits über eine
lösbare Verbindung, z.B.
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über Flanschen 36, an das Aussenrohr 4 des Doppelrohrs angeschlossen.
Die Zwischenhülse 35 wiederum ist ihrerseits über eine lösbare Verbindung 37 mit
der Wand des Wärmetauscher-Behälters 2 verbunden. weitere lösbare Verbindungen 38,
39 befinden sich am Aussenrohr 4 des Doppelrohrs und an der Leitung 11. In das Innenrohr
3 der Koaxialleitung ist schliesslich noch eine muffenartig verschiebbare Verbindung
40 eingebaut.
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Mit dieser Bauweise ist es möglich, nach Lösen der Verbindungen 38
und 39 das im Wärmeaustauscher-Behälter 2 befindliche Endstück
des
Doppel=ohrs zusammen mit dem Verteilerstück 12 und den daran . angeschlossenen
Austrittsstutzen 13 aus dem Behälter 2 herauszu-
nehmen und
danach auch den Kompensator 10 nach Wsen der Ver-
bindungen
36 und 37 auszuwechseln. Das Innenrohr 3 wird dabei in der Schiebeverbindung
40 auseinandergezogen. Diese Schiebeverbindung
kann gleichzeitig
evtl. vorhandene Längendifferenzen zwischen
dem Innenrohr 3 und dem
Aussenrohr 4 aufnehmen.
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Verschiedene Einzelheiten des erfindungsgemässen I:ernreaktors können
such abweichend von der vorstehend beispielsweise beschriebenen Ausführung gestaltet
werden. So kann, wie auf Fig: 3 dargestellt, das Doppelrohr vom Reaktorkern-Behälter
1 zum Wärrneaustauscher-Behälter 2 auch schräg ansteigend geführt werden, so dass
dieses auch bei stillstehender Anlage zum grössten Teil mit Kühlmittel gefüllt bleibt.
E s ist auch möglich, den Gasdruck über dem @ Kühlmittelspiegel im Wärmeaustauscher-Behälter
2 durch eine in die Leitung 21 eingeschaltete Druckhalteanlageg z.B. ein Gebläse,
höher
als über dem Kühlmittelspiegel im Reaktorkern-Behälter 1 zu halten,
so dass das Doppelrohr auch bei atillstehender Anlage mit Kühlmittel gefüllt bleibt.
Liegt in dfesern Falle der Reaktorkern 6 ausserdem unterhalb des Rohrbündels
des Wärmeaustauschers 2, so wird der Kühlmittelumlauf auch bei Ausfall, der Umwälzpumpe
18 durch natür-liche Konvektion aufrecht erhalten.
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Fig. 4 zeigt eine druckentlastete Ausbildung
der Strömungsleitschürze 5. Die Strümungsleitschürze 5 ist hier mit Entlastungsbohrungen
41 versehen, so dass aufbeiden Seiten der gleiche Druck herrscht. Sie ist
somit nur noch durch cias Gewicht des Reaktorkernes 6 und die an diesem angreifenden
Auftriebskräfte in axialer Richtung belastet.
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Die Abdichtung der beiden Külilaiiittelr'lurne voneinander
erfolgt hier durch das gegen äusseren Überdruck widerstandsfälii jfe aellrohr 42,
welches an beiden Enden r!i.t der ctrtmungsl.eitschiirze 5 fest verbunden ist und
an das auch das Rohr 3 angeschlossen ist. Innen ist das Wellrohr
42 mit einem Strömungsleitblech 43 abgedeckt. Mit dieser Anordnung
wird gleichzeitig die dem kalten zuströmenden Reaktorkühlmittel durch die Strömungsleitschürze
5 zugeführte Wärmemenge verringert.
Es ist weiterhin möglich,
in einen wärmeaustauscherbehälter 2 gleichzeitig-mehrere Umwälzpumpen 1ß oder auch
mehrere, den verfügbaren Raum evtl. optimal angepasste Wärmeaustauscher-Rohrbündel
15 anzuordnen. Ebenso können die Rohre 3 und 4. des Doppelrohres exzentrisch zueinander
angeordnet werden, um auf diese Heise die Ein- und Austrittsverluste des Ringraumes
7 zu verringern. Die koaxiale Anordnung der Rohre 3 und 4 ist ausserdem nicht zwingend,
diese Rohre können auch parallel nebeneinander. oder übereinander geführt werden.
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Wie diese Beispiele zeigen, ist die Überwachung der erfindungsgenässen
Rohrverbindung auf Dichtheit und auch das Auswechseln einzelner Bauteile verhältnismässig
einfach. Die Nithlmittelmenge kann geringer als bei vergleichbaren Anlagen gehalten
werden. Der Kofnpensator ist nur einer geringen Belastung ausgesetzt,-da er von
dem flüssigen Kühlmittel nicht benetzt wird.