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Wärmeaustauscher oder Dampferzeuger für gasgekühlte Kernreaktoren
Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher oder Dampferzeuger für gasgekühlteKernreaktoren,
welcher insbesondere im gleichen Behälter wie der Reaktor untergebracht ist und
dessen Rohrsystem von den im Kreislauf durch den Reaktor geführten Gasen beheizt
wird.
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Bei Wärmeaustauschern oder Dampferzeugern für radioaktive Gaskreisläufe
legt man aus Sicherheitsgründen Wert darauf, daß die Schweißverbindungen insbesondere
an Sammlern, Gabelungen und Nippelstellen nicht im Bereich (des radioaktiven Gases.
liegen. Bisher wurden daher die Wärmeaustauschrohre als Rohrschlangen einzeln in
.den Behälter hinein und wieder herausgeführt und außerhalb des Wärmeaustauschbehälters
mit den Sammlern, Gabelstellen der sonstigen Rohrverbindungsleitungen verschweißt.
Die Rohrschlangen solcher Wärmeaustausch.er werden zweckmäßig im Zwang-durchlauf
oder Zwangumlauf geschaltet.
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Bei den bisher bekanntgewordenen Ausführungen lagen die Wärmeaustauscher
getrennt vom Reaktor und wurden über Verbindungsleitungen in den Gaskreislauf des
Reaktors eingeschaltet. Bei einem auftretenden Defekt im Rohrsystem ist man bei
solchen Anordnungen gezwungen, den Reaktor außer Betrieb zu nehmen und die außerhalb
des Wärmeaustauschbehälters ausmündenden Enden der Rohrschlangen nacheinander von
den Sammlern oder Verbindungsstellen zu trennen., um feststellen zu können, in welcher
Rohrschlange die Undichtigkeit vorhanden ist. Das Auffinden der Fehlerquelle kann
hierbei durch Absaugen oder Abdrücken der einzelnen Rohrschlangen erfolgen.
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Um ein Abtrennen und Entleeren der einzelnen Rohrschlangen überhaupt
zu ermöglichen, mußte man bisher das gesamte zwangläufig durchströmte Rohrsystem
abschalten. Durch die während des Betriebes erfolgte Erwärmung des Wärmeaustauschbehälters
und der bei Reaktoranlagen verhältnismäßig starken Wandauskleidungen ließ es sich
jedoch nicht vermeiden, daß auch noch nach dem Abschalten .des Reaktors eine erhebliche
Wärmemenge von der Wärmeaustauschbehälterwandung durch Strahlung an die Rohrschlangen
.des Wärmeaustauschers abgegeben wurde. Die Folge hiervon war, daß das vom Kühlmittelstrom
abgeschaltete Rohrsystem unzulässig hoch erwärmt wurde und daß bereits nach kurzer
Zeit Schäden .durch Überhitzung des Rohrmaterials auftraten.
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Diese Gefahr der Heizflächenverbrennung ist besonders groß, wenn der
Wärmeaustauscher sich unmittelbar über dem Reaktor befindet und mit .diesem in einem
gemeinsamen Gehäuse untergebracht ist. Solche Reaktoranlagen haben an sich den Vorteil,
:daß für Reaktor und Wärmeaustauscher nur ein einziges Gehäuse und eine gemeinsame
Abschirmung erforderlich werden. Außerdem fallen die Verbindungsleitungen vom Reaktor
zum Wärmeaustauscher fort. Nachteilig hierbei ist jedoch, -daß in den Uranelementen
und in dem Moderator zusätzlich große Wärmemengen gespeichert sind, die bei einem
Defekt im Rohrsystem nachdem Abschalten des Reaktors an die vom Kühlmittel nicht
durchflossenen Rohrschlangen des. Wärmeaustauschers übertragen werden. Werden diese
gasgekühlten Reaktoren mit hohen Temperaturen betrieben, so läßt sich ein Verbrennen
.der Rohrschlangen bei einem auftretenden Defekt im Rohrsystem nicht vermeiden.
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Um dieses Schwierigkeiten zu beseitigen und mit Sicherheit bei einer
Undichtigkeit im Rohrsystem eine Materialüberhitzung zu verhindern, wird mit (der
Erfindung vorgeschlagen, zwei oder mehr parallel geschaltete und je für sich abschaltbare
Rohrsysteme vorzusehen und beim Absperren eines Rohrsystems die Rohrschlangen .dieses
Systems -durch das unter völliger oder teilweiser Umgehung des Reaktors im Kreislauf
geführte Gas von außen zu kühlen.
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Durch die Anordnung von mehreren für sich abschaltbaren Rohrsystemen
und die Kühlung ,der Rohrsysteme von außen durch das unter Umgehung des Reaktors
im Kreislauf geführte Gas läßt sich auch bei mit hohen Temperaturen arbeitenden
Reaktoren bei einer auftretenden Undichtigkeit ohne weiteres .das beschädigte Rohrsystem
abschalten.
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Die nach Außerbetriebnahme des Reaktors und des defekten Rohrsystems
von den Uranelementen, vom Moderator und von der Behälterwandung abgestrahlte Wärme
wird von dem auch noch nach dem Abschalten des Reaktors im Kreislauf geführten Gas
aufgenommen und an das oder die noch in Betrieb befindlichen Rohrsysteme abgegeben.
Hierbei wird das Gas so geführt,
daß es den Reaktor selbst nicht
beaufschlagt, sondern unter Umgehung des Reaktorkerns lediglich im Kreislauf ,durch
den Wärmeaustauscher geführt wird. Hierdurch ist die Gewährgegeben, daß sich das
Gas im Reaktorkern nicht wieder erwärmen kann, sondern nur die in den -Wandungen
gespeicherte Wärme aufnimmt. Das durch einen Ventilator umgewälzte Gas nimmt ;bei
jedem Durchgang,durch den Wärmeaustauscher nur einen geringen Teil der gespeicherten
Wärmemenge auf und gibt diese sofort an die in Betrieb befindlichen Rohrsysteme
weiter, so d aß das Gas ständig kühl bleibt. Die Rohrschlangen des. zum Auffinden
der Un.dichtigkeit abgeschalteten Rohrsystems werden hierbei ständig von dem ,durch
den Wärmeaustauscher strömenden kühlen Gas umspült und auf so niedriger Temperatur
gehalten, .daß eine Gefährdung des Rohrmaterials, nicht eintreten kann. Bei einem
plötzlich auftretenden Rohrschlangenschaden ist es nicht möglich, alle Rohrsysteme
gleichzeitig abzuschalten, weil das im Kreislauf geführte Gas sich bei jedem Durchgang
durch den Wärmeaustauscher weiter erwärmen würde, ohne daß die aufgenommene Wärme
beim Umwälzen abgegeben werden kann. Die Temperatur des Gases würde also ständig
steigen, bis sie für die Rohrschlangen unzulässig hoch wäre.
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Es ist an sich bei Wärmeaustauschern., die neben dem Kernreaktor angeordnet
sind, bekannt, zwei Rohrsysteme im Wärmeaustauscher vorzusehen. Diese getrennten
Rohrsysteme waren jedoch erforderlich zur Unterbringung zweier Drucksysteme für
die Hoch- und Ni.ederdruckdampferzeugung zum Betreiben .der Hoch-und Niederdruckturbine
und dienten nicht zum wechselseitigen-Abschalten bei auftretenden Rohrschlangenschäden:
Abgesehen hiervon würde sich beim Abschalten des Nieder- oder Hochdruckteiles nur
das in Betrieb befindliche System schützen lassen, nicht aber die unbeschädigten
Rohre des abgeschalteten Systems, da eine Kühlung dieser Rohre nicht vorgesehen
war.
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Durch die vorgeschlagene Ausbildung des Wärmeaustauschers wird es
auch möglich, beim Abschalten eines Rohrsystems mit dem oder den noch in Betrieb
befindlichen. Rohrsystemen .die Reaktoranlage mit Teillast weiterzutreiben. Hierbei
ist die Leistung des Reaktors so zu bemessen, daß das im Kreislauf geführte Gas
eventuell durch teilweise Umgehung des Reaktors eine für :das Rohrmaterial der abgeschalteten
Rohrschlangen gerade noch zulässige Temperatur annimmt. Zur vollständigen oder teilweisen
Umgehung des Reaktors wird vorgeschlagen, einen Umgehungskanal mit Regelklappe vorzusehen,
.durch .den das radioaktive Gas im Kurzschlußkreislauf über einen Ventilator durch
den Wärmeaustauscher geführt wird. Zur gleichmäßigen Wärmeaufnahme und zum besseren
Schutz der Rohrschlangen des abgeschalteten Rohrsystems können die Rohrschlangen
,der verschiedenen Rohrsysteme gleichmäßig über den Querschnitt des Wärmeaustauschers
verteilt angeordnet sein, so daß die Rohrschlangen des einen Systems sich mit Iden
Rohrschlangen des anderen Systems abwechseln.
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In der Zeichnung ist ein Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung in einem
Ausführungsbeispiel @dargestellt, und zwar zeigt Abb. 1 einen Dampferzeuger für
gasgekühlte Kernreaktoren in einem Längsschnitt und Abb. 2 ein Schaltschema für
.die Rohrsysteme des Dampferzeugers nach Abb. 1.
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In der dargestellten Reaktoranlage ist der Wärmeaustauscher 1, in
diesem Falle ein Dampferzeuger, im gleichen Behälter wie der gasgekühlte Reaktor
2 untergebracht und befindet sich unmittelbar über dem Reaktor. Der Dampferzeuger
wird gebildet aus den Rohrschlangen 3. Die Rohrschlangen 3 sind an zwei verschiedene
Rohrsysteme 4 und 5 .des Dampferzeugers angeschlossen. Die Rohrsysteme 4 und 5 sind
für sich abschaltbar. Jedes Rohrsystem besteht aus .dem Vorwärmer 6, dem- Verdampfer
7, dem Vorüberhitzer 8 und dem Endüberhitzer 9. Zwischen Vor- und Endüberhitzer
sind Mischsammler 10 eventuell mit eingebautem Heißdampfkühler vorgesehen. Die Rohrsysteme
4 und 5 werden im Zwangdurchlauf von dem zu erwärmenden Medium durchflossen.
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Die sich im Reaktor 2 entwickelnde Wärme wird in das im Kreislauf
geführte, als Wärmeträger dienende Gas, z. B. CO", übertragen. Das Gas gelangt
vom Reaktor 2 in den .direkt darüberliegenden Wärmeaustauscher 1 und durchströmt
hier nacheinander die End= überhitzer 9, Verdampfer 7, Vorüberhitzer 8 und Vorwärmer
6 der parallel geschalteten Rohrsysteme. Hierbei wird die Wärme an das in .den Rohrschlangen
3 strömende Medium übertragen. Das abgekühlte Gas verläßt,den mit dem Reaktor im
gemeinsamen Behälter liegenden Wärmeaustauscher über Kanal 11, um dem Reaktor 2
mittels Gebläse 12 über Kanal 13 erneut zugeführt zu werden. An den Zuführungskanal
13 ist ein Umgehungskanal 14 angeschlossen, durch .den. Idas umgewälzte Gas unter
Umgehung ,des Reaktors im Kurzschlußkreislauf durch den Wärmeaustauscher 1 geführt
wird. Die Regelung der Gasumwälzung erfolgt durch Regelklappe 15. Im Normalbetrieb
wird das abgekühlte Heizgas bei abgeschaltetem Umgehungskanal, wie Klappenstellun:g
16 zeigt, durch den Kanal 13 dem Reaktor zugeführt, wo es sich wieder aufheizt.
Soll bei einem auftretenden Defekt in den Rohrschlangen eines der beiden getrennten
Rohrsysteme drucklos gemacht werden, so wird die Regelklappe auf Stellung 17 umgelegt.
Das kalte Gas gelangt durch Kanal 14 direkt von unten in: den Endüberhitzer 9 und
kühlt diesen von außen. Je nach der erforderlichen Gastemperatur kann auch das Gas
teilweise über den Umgehungskanal 14 und teilweise über den Reaktor 2 im Kreislauf
geführt werden.
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Wie aus ,dem Schaltschema nach Abb. 2 zu ersehen ist, tritt die im
Zwanglauf geführte Kühlflüssigkeit getrennt in die Speiseventile 18 ein, von wo
sie über Sammler 19 und 20 den verschiedenen Rohrschlangen der beiden Rohrsysteme
4 und 5 zugeführt wird. Nach dem Passieren der Heizflächen 6, 7 und 8 tritt der
vorüberhitzte Dampf in die Sammler 21 ein und wird von hier zu ,den Mischstellen
10 geleitet. Nach erneuter Verteilung des Dampfes über Sammler 22 auf die
Rohrschlangen derbeiden Rohrsysteme erfolgt die Endüberhitzung im Überhitzer 9 und
anschließend die Zusammenfassung der Rohrschlangen über Sammler 23 und 24. Der Austritt
des Heißdampfes erfolgt für die Rohrsysteme 4 und 5 getrennt über Austrittsventile
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