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Mit einer Innenisolierung versehene abgewinkelte Gasführung
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Die Erfindung betrifft eine mit einer Innenisolierung versehene abgewinkelte
Gasführung für ein mit hoher Geschwindigkeit strömendes Gas hohen Druckes und hoher
Temperatur, deren abgewinkeltes Leitungsstück zumindest annähernd vertikal verlegt
ist und beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, mit einer an der
Umlenkstelle der Gas führung schräg eingebauten Lochplatte elliptischen Querschnitts,
deren vorzugsweise kreisrunde Durchbrüche parallel zur Wandung des abgewinkelten
Leitungsstückes angeordnet sind, insbesondere zur Verbindung des Heißgassammelraumes
eines gasgekühlten Hochtemperaturreaktors mit einer Komponente des Kühlgaskreislaufs.
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Es gehört zum Stand der Technik, bei gasgekühlten Kernreaktoren, die
mit den Primärkreislaufkomponenten, wie z.B. Dampferzeugern, in einem gemeinsamen
Druckbehälter untergebracht sind, den den Reaktorkern enthaltenden Teil der Anlage
durch Abschirmeinrichtungen von dem Teil zu trennen, in dem die Primärkreislaufkomponenten
installiert sind. So wird verhindert, daß diese Komponenten durch direkte Neutronenbestrahlung
aktiviert werden.
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Ferner wird dafür Sorge getragen, daß das Kühlgas ohne wesentlichen
Druckabfall von dem Reaktorkern zu den Primärkreislaufkomponenten strömen kann,
ohne daß schädliche Strahlung durch den freien Querschnitt der den Reaktorkern mit
den Komponenten
verbindenden Gasführung durchtritt. Neben anderen
Maßnahmen ist es üblich, die Gasführung nach dem Durchtritt durch eine Abschirmwand
umzubiegen, also eine abgewinkelte Gasführung zu verwenden.
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Dies ist beispielsweise bei dem THTR-300 MWe der Fall, bei dem das
in den Reaktorkern aufgeheizte Gas in einem Heißgassammelraum gesammelt und durch
je eine Gasführung den Dampferzeugern zugeleitet wird. Die Gasführungen treten zunächst
horizontal durch den thermischen Schild hindurch und werden darauf um 900 nach oben
umgebogen derart, daß sie mit dem Mantel eines der Dampferzeuger verbunden werden
können.
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Bei einer solchen Gas führung stellt sich durch die Umlenkung des
Gasstromes in dem abgewinkelten Leitunsstück der Gasführung eine ungleichmäßige
Geschwindigkeits- und Temperaturverteilung ein. Erstere führt zu ungünstigen Anströmverhältnissen
bei der der Gasführung nachgeschalteten Komponente, was eine Uberbeanspruchung und
damit Zerstörung von Teilen des unteren Bereichs dieser Komponente zur Folge hat.
Das ungleichmäßige Temperaturprofil bewirkt die Bildung von unterschiedlich heißen
Strähnen in der Gasströmung, was ebenfalls vermieden werden muß.
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Bei der eingangs beschriebenen abgewinkelten Gasführung wird eine
Vergleichmäßigung des Strömungs- und Temperaturprofils in dem abgewinkelten Leitungsstück
der Gasführung durch die an der Umlenkstelle schräg angeordnete Lochplatte erzielt.
Wie sich bei Versuchen zeigte, bringt die Lochplatte das gewünschte Resultat, ohne
daß eine wesentliche Erhöhung des Druckverlustes in Kauf genommen werden muß. Wenn
die Lochplatte eine hinreichende Dicke aufweist, kann sie gleichzeitig als Abschirmung
gegen Strahlung dienen, so daß innerhalb der Gasführung keine zusätzlichen Einbauten
erforderlich sind
Die Lochplatte darf die Ausführung von eventuell
erforderlich werdenden Reparaturarbeiten an der Innenisolierung der abgewinkelten
Gasführung nicht behindern; sie muß daher ausbaubar sein. Sie muß aber auch sicher
und funktionsfähig gelagert sein.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die eingangs beschriebene
abgewinkelte Gasführung so auszugestalten, daß die Lagerung der Lochplatte auch
bei hohen Temperaturen und in Heliumatmospäre lange funktionsfähig bleibt und den
Ausbau der Lochplatte ermöglicht.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Lochplatte
auf mindestens drei in der Wandung der Gas führung angeordneten Tragbolzen gelagert
ist, wobei jeder Tragbolzen in eine nach unten offene Ausnehmung in der Mantelfläche
der Lochplatte hineinragt und an diesem Ende ein Kugelgelenk träg-t, und daß in
den Ausnehmungen je ein halbschalenförmiger Einsatz angeordnet ist, mit dem die
Lochplatte auf dem jeweiligen Kugelgelenk aufliegt.
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Diese Art der Halterung stellt auch in Heliumatmospäre und bei den
vorliegenden Pressungen und Temperaturen eine sichere und funktionsfähige Lagerung
für die Lochplatte dar, die eine Vielzahl von Gleitbewegungen infolge von Wärmedehnungen
zuläßt und die Ausbaubarkeit der Lochplatte sicherstellt. Fertigungstoleranzen der
Montage werden durch die Kugelgelenke ausgeglichen.
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Bei großen Druckdifferenzen in der Gasführung kann in jedem halbschalenförmigen
Einsatz in den Lochplatten-Ausnehmungen und in dem äußeren Ring jedes Tragbolzen-Kugelgelenkes
eine
Hartmetalleinlage (z.B. aus P 30) angeordnet sein derart, daß
die Hartmetalleinlagen die Auflage- oder Reibstellen für die Lochplatte bilden.
Alle Hartmetalleinlagen weisen eine TiC-Beschichtung auf.
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Es ist vorteilhaft, für jeden Tragbolzen eine Kühleinrichtung vorzusehen,
um die Lagerung der Lochplatte möglichst lange funktionsfähig zu halten.
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Jeder Tragbolzen kann aus einem hohlzylindrischen Außenteil und einem
zentral in dem Außenteil angeordneten dornartigen Innenteil bestehen. Das hohlzylindrische
Außenteil verjüngt sich an seiner der Lochplatte zugekehrten Seite zu einem Zapfen,
auf dem das Kugelgelenk angeordnet ist. Der Zapfen sitzt seinerseits auf dem Ende
des dornartigen Innenteils auf.
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Zwischen dem Außenteil und dem Innenteil jedes Tragbolzens ist zweckmäßigerweise
eine thermische Isolierung vorgesehen, die Teil der Kühleinrichtung für den Tragbolzen
ist. Diese besteht außerdem aus einer mit kaltem Gas beaufschlagten Kühlplatte,
die an dem der Lochplatte abgewandten Ende des dornartigen Innenteils angebracht
ist und über das dornartige Innenteil Wärme von dem Kugelgelenk abzieht.
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Es kann vorteilhaft sein, zumindest das eine Ende der Gasführung verschiebbar
anzuordnen, um Spannungen infolge von Wärmedehnungen zu vermeiden.
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In der Zeichnung ist schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Gasführung dargestellt.
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Die Figuren zeigen im einzelnen: Figur 1 eine mit der Gas führung
ausgerüstete Kernreaktoranlage im Längsschnitt, Figur 2 einen Längsschnitt durch
die Gasführung nach der Linie I-I der Figur 3, Figur 3 die Draufsicht auf das in
der Figur 2-dargestellte Teilstück der Gasführung, Figur 4 eine mit "X" bezeichnete
Einzelheit aus der Figur 2 in vergrößerter Darstellung.
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Die in der Figur 1 gezeigte Kernreaktoranlage besteht im wesentlichen
aus einem Spannbetondruckbehälter 100 mit einer Kaverne 101, dem Reaktorkern 102,
den Dampferzeugern 103 und den für die Umwälzung des Kühlgases erforderlichen Gebläsen
104. Der Reaktorkern 102 wird von einer Schüttung kugelförmiger Betriebselemente
gebildet, die oben zugegeben und unten durch ein Abzugsrohr 105 wieder abgezogen
werden. Die Steuerung und Regelung des Reaktors erfolgt mittels Absorberstäben 106,
die direkt in die Kugelschüttung eingefahren werden.
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Der Reaktorkern 102 ist von einem Reflektor umgeben, der aus einem
Deckenreflektor 107, einem zylindrischen Seitenreflektor 108 und einem Bodenreflektor
109 gebildet wird. Decken- und Bodenreflektor weisen Durchlässe für das Kühlgas
auf. Oberhalb des Deckenreflektors 107 befindet sich ein Kaltgassammelraum 110,
und unter dem Bodenreflektor 109 ist ein Heißgassammelraum 111 vorgesehen, an den
sich mehrere Gasführungen 112 anschließen.
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Die Gasführungen 112 sind abgewinkelt und verbinden den HeiB-gassammelraum
111 mit je einem Dampferzeuger 103. An der Umlenkstelle
jeder Gasführung
112 ist eine Lochplatte 113 schräg eingebaut, wie in den weiteren Figuren noch näher
beschrieben wird.
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Um den Reflektor herum ist ein aus Deckenschild 114 und Seitenschild
115 bestehender thermischer Schild angeordnet, wobei zwischen dem Seitenreflektor
108 und dem thermischen Seitenschild 115 ein Ringraum 116 freigelassen ist. Durch
diesen Ringraum wird das abgekühlte, -von den Gebläsen 104 kommende Kühlgas zu dem
Kaltgassammelraum 110 zurückgeführt, nachdem es in einem freien Raum 117 an den
Dampferzeugern 103 entlang nach unten geströmt ist.
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Die Gasführungen 112 sind an ihrem oberen Ende je mit dem Mantel eines
der Dampferzeuger 103 verschweißt; das andere Ende ist jeweils verschiebbar in der
äußeren Wand des zylindrischen Seitenreflektors 108 eingelassen. Diese Verbindungsstellen
sind mit Folien abgedichtet.
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Die Figuren 2 und 3 lassen einen Teil einer Gasführung 1 erkennen,
die den Gasführungen 112 in der Figur 1 entspricht.
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Sie besteht aus einem ersten, horizontal angeordneten Leitungsstück
2 und einem um 900 nach oben abgebogenen zweiten Leitungsstück 3, im folgenden auch
abgewinkeltes Leitungsstück genannt.
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Die Umlenkstelle ist mit 4 a, 4 b bezeichnet. Die Gasführung 1 ist
auf ihrer Innenseite mit einer Metallfolienisolierung 5 versehen, die eine als Gasführungshemd
dienende Abdeckung 6 aufweist.
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Das horizontale Leitungsstück 2 der Gasführung 1 besitzt einen rechteckigen
Querschnitt und stützt sich über Abstützelemente 8 auf einer aus Graphit bestehenden
Abschirmung 7 ab.
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Diese ist auf dem Boden der Reaktorkaverne 101 gelagert (nicht dargestellt).
Das abgewinkelte Leitungsstück 3, das einen kreisförmigen Querschnitt aufweist,
ist in seinem unteren Bereich beweglich in einer weiteren Abschirmung 9 eingelassen,
die zwischen dem abgewinkelten Leitungsstück 3 und der Wand der Reaktorkaverne 101
angeordnet ist. Zwischen dem Leitungsstück 2 und der Abschirmung 7 wie auch zwischen
dem abgewinkelten Leitungsstück 3 und der Abschirmung 9 befindet sich je ein freier
Raum 10 bzw. 11, und diese beiden Räume gehören zu dem Raum 117, durch den kaltes
Gas, das von den Gebläsen 104 kommt, zu dem Reaktorkern 102 zurückgeleitet wird
(siehe Figur 1).
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In dem abgewinkelten Leitungsstück 3 ist eine dicke Lochplatte 12
(der Lochplatte 113 der Figur 1 entsprechend) aus Metall oder Keramik installiert,
die elliptischen Querschnitt besitzt und eine Vielzahl von kreisrunden Durchbrüchen
13 aufweist. Die Durchbrüche 13 haben alle denselben Durchmesser und sind in einem
regelmäßigen Gitter 14 über die Lochplatte verteilt. Anzahl und Größe det Durchbrüche
13 sind so festgelegt, daß der freie Querschnitt der Lochplatte 12 mindestens 50%
beträgt.
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Die Lochplatte 12 ist schräg in dem abgewinkelten Leitungsstück 3
der Gasführung 1 eingebaut, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist sie um
20° zur Horizontalen geneigt. Ihre Anordnung ist so getroffen, daß sie den größten
an der Umlenkstelle 4 a, 4 b vorhandenen Querschnitt überdeckt; d.h. sie erstreckt
sich von 4 a nach 4 b, wie aus der Figur 1 ersichtlich ist. Die Mantelfläche 15
und die Durchbrüche 13 der Lochplatte 12 sind parallel zur Wandung des abgewinkelten
Leitungsstücks 3 ausgerichtet.
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Durch die Lochplatte 12 wird eine Vergleichmäßigung des Strömungs
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und des Temperaturprofils des von dem Reaktorkern 102 kommenden Heißgases in dem
abgewinkelten Leitungsstück 3 der Gasführung 1 erzielt. Damit ergeben sich gute
Anströmungsverhältnisse für den an das abgewinkelte Leitungsstück 3 angeschlossenen
Dampferzeuger 103.
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Die Halterung der Lochplatte 12 umfaßt drei Tragbolzen 16, die an
drei Punkten in der Wand der Gasführung 1 angeordnet sind. Die Lochplatte 12 weist
an den entsprechenden Stellen je eine nach unten offene Ausdehnung 17 in ihrer Mantelfläche
15 auf, in die je einer der Tragbolzen 16 mit seinem einen Ende hineinragt. Auf
jedem dieser Tragbolzen-Enden sitzt ein Kugelgelenk 18.
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Wie die Figur 4 zeigt, ist in jeder Ausnehmung 17 ein halbschalenförmiger
Einsatz 19 angeordnet, in dem sich eine Hartmetalleinlage 20 befindet. Diese weist
eine Beschichtung 21 mit TiC auf. Eine gleichartige Hartmetalleinlage 22 ist in
dem äußeren Ring 18 a jedes Kugelgelenkes 18 vorgesehen, auf der ebenfalls eine
TiC-Beschichtung 21 aufgebracht ist. Die Hartmetalleinlagen 20 und 22 bilden die
Reib- oder Gleitstellen der Lochplattenhalterung, die gemäß ihrer Konstruktion infolge
von Wärmedehnungen auftretende Gleitbewegungen zuläßt.
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Jeder der drei Tragbolzen 16 besteht aus einem hohlzylindrischen Außenteil
23 und einem zentral in dem Außenteil 23 angeordneten dornartigen Innenteil 24.
Die Außenteile 23 verjüngen sich je zu einem Zapfen 25. Die Zapfen 25 sitzen unmittelbar
auf den Enden 26 der dornartigen Innenteile 24 auf und tragen ihrerseits die Kugelgelenke
18.
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Zwischen dem Außenteil 23 und dem Innenteil 24 jedes Tragbolzens 16
ist eine thermische Isolierung 27 angeordnet, die Teil
einer Kühleinrichtung
29 ist, welche für jeden der Tragbolzen 16 vorgesehen ist. Zu der Kühleinrichtung
29 gehört jeweils noch eine Kühlplatte 28, die an dem der Lochplatte 12 abgewandten
Ende jedes dornartigen Innenteils 24 angebracht ist.
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Die Kühlplatten 28 sind so positioniert, daß sie sich in dem freien
Raum 11 befinden, durch den das von den Gebläsen 104 kommende kalte Gas strömt.
Das kalte Gas führt über die Kühlplatten 28 und die dornartigen Innenteile 24 Wärme
von den Kugelgelenken 18 ab, die dem Heißgas ausgesetzt sind.