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Ventil zur Steuerung des Medienausflusses aus einem Behälter Die Erfindung
bezieht sich auf ein Ventil zur Steuerung des Mediumausflusses aus einem Behälter
mit einer in dem Behälterboden eingesetzten, mit Durchfluß öffnungen versehenen
Kappe und einem in der Kappe zum Öffnen und Schließen der Durchflußöffnungen verschiebbaren
Verschlußstück.
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Bei den bisher für das Steuern des Ausflusses von körnigem Material
verwendeten Ventilen sind im allgemeinen Schieber oder Klappen vorgesehen, durch
die zumindest ein Teil des Materials beim Schließen auf Scherung oder auf Druck
beansprucht wird. In den Fällen, in denen sich die Größe des Materials ändert, d.
h. wenn das Material ein Gemisch verschiedener Größen ist, kann dies dazu führen
und führt dies auch häufig dazu, daß infolge der Blockierung durch größere Teilchen
kein völliger Abschluß erreicht wird, so daß die kleineren Teilchen weiterhin durch
das Ventil hindurchtreten können. Bei dem Versuch, den völligen Abschluß herbeizuführen.
wird dabei einiges Material durch Zerquetschen oder Brechen beschädigt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Ventil
zum Steuern des Ausflusses von körnigem Material zu schaffen, mit dem der Materialfluß
geregelt werden kann, ohne auf dieses Material eine Scher- und/oder Druckwirkung
auszuüben. Insbesondere ist gemäß der Erfindung vorgesehen, ein solches Ventil für
einen Kernreaktor mit festen, körnigen Brennstoffelementen zu schaffen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem zur schonenden Gefälleförderung
von körnigem Material das Verschlußstück in jeder Stellung einen Abstand von der
Innenwand der Kappe aufweist, der größer als die größte Teilchengröße des körnigen
Materials ist, so daß in keiner Stellung des Verschlußstückes die Körner eingeklemmt
werden können.
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Bei allen Ventilen bekannter Bauart berührt der bewegliche Teil des
Ventils bei Ventilschluß den Ventilsitz und steht mit diesem so im Eingriff, daß
der Durchlaß des Materials abgestoppt wird. Würde eines der bekannten Ventile zur
Unterbrechung eines aus Körner oder Kugeln bestehenden Materialstroms verwendet
werden, wäre es unausbleiblich, daß heim Schließen des Ventils einige Teilchen beschädigt
werden. Damit ist die Gefahr verbunden, daß die zerquetschte Masse die Funktionstüchtigkeit
des Ventils beeinträchtigt. Es wurden deshalb bisher immer komplizierte Konstruktionen
zum Abschalten eines körnigen Materialstromes verwendet. Diese komplizierten Konstruktionen
können durch die einfache, erfindungsgemäße Vorrichtung mit großem Vorteil ersetzt
werden.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Ventils besteht darin, daß es sich
nicht zusetzt oder am Schließen gehindert wird. Da ein solches Ventil vorzugsweise
im Kernreaktor an unzugänglichen Stellen angeordnet ist, an denen ein nicht mehr
funktionsfähiges Ventil eine besonders verhängnisvolle Auswirkung nach sich ziehen
würde, ist seine Verwendung mit großem Erfolg begleitet.
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Bekanntlich besteht bei kugelförmigem, körnigem Material im Gegensatz
zu Flüssigkeiten nicht das Bestreben, daß es in miteinander verbundenen Kanälen
oder Leitungen ein gleiches Niveau einzustellen sucht.
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Aus diesem Umstand wurde bei der Schaffung des erfindungsgemäßen Ventils
Nutzen gezogen. Im wesentlichen besteht das erfindungsgemäße Ventil aus einem senkrecht
angeordneten, beweglichen hohlen Rohr, das in den Boden eines Trichters eintritt,
aus dem das körnige Material ausfließen soll. Der Boden des Trichters ist so ausgebildet,
daß er zum Rohr schräg liegt, so daß, wenn die obere Öffnung des Rohrs bündig mit
dem Trichterboden abgesenkt wird, das Material aus dem Trichter durch das Rohr in
einen darunter befindlichen Außenbehälter fließt. Um eine Regelung der Strömung
durch das Ventil zu ermöglichen, ist das obere Ende des Rohrs von einer feststehenden
Kappe geeigneter Form eingeschlossen, welche geeignete Öffnungen aufweist. Die Öffnungen
in
der Kappe sind mindestens so hoch wie der Durchmesser des größten Teilchens und
vorzugsweise wesentlich höher, d. h. sie haben zur bestmöglichen Regelung mindestens
die Höhe von etwa zwei Durchmessern. Die Innenwand der Kappe ist ausreichend hoch
gewölbt, so daß das obere Ende des Rohrs oberhalb der oberen Kante der Öffnungen
angeordnet werden und dadurch die Strömung von Material in das Rohr beendet werden
kann. Es wurde festgestellt, daß, wenn das Rohr abgesenkt wird, das kugelförmige
körnige Material über das obere Ende des Rohrs mit einer Geschwindigkeit überfließt,
die annähernd proportional dem Abstand zwischen dem oberen Ende des Rohrs und der
oberen Kante der Öffnungen in der Kappe ist, so daß eine Möglichkeit zur Veränderung
der Strömungsgeschwindigkeit des körnigen Materials besteht. Wenn das Rohr angehoben
wird, nimmt die Strömung ab und kommt zum Stillstand, wenn das obere Ende des Rohrs
die Höhe der oberen Kante der Öffnungen erreicht.
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Die nachstehend näher beschriebene Erfindung ist besonders zur Verwendung
in einem Kernreaktor geeignet, der gewöhnlich als Pebbelbett-Reaktor bezeichnet
wird, beispielsweise von der nachstehend beschriebenen Bauart, um eine Zerstörung
des Brennstoffelements zu vermeiden, die, wie erwähnt, eintreten kann, wenn Ventile
mit Klappen oder Schiebern üblicher Art als Verschlußstücke verwendet werden.
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Der Gegenstand der Erfindung ist in der nachfolgenden näheren Beschreibung
in Verbindung mit den Zeichnungen an einem Kernreaktor erläutert; es zeigt Fig.
1 eine Seitenansicht im Schnitt eines Pebbelbett-Kernreaktors mit einem erfindungsgemäßen
Ventil, Fig. 2 eine Ansicht im Schnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1, Fig. 3 eine
Ansicht im Schnitt nach der Linie 3-3 der Fig. 1 und Fig. 4 eine in nähere Einzelheiten
gehende Ansicht des erfindungsgemäßen Ventils.
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In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Ventil 10 innerhalb eines Pebbelbett-Kernreaktors
12 angeordnet dargestellt. Das Ventil besteht aus einer feststehenden Kappe 14 und
aus einem axial bewegbaren Rohr 16 mit einer oberen Öffnung 17 und Seitenöffnungen
16 a für das Ausfließen der im Reaktorl2 befindlichen körnigen Brennstoffelemente
18 und der Mantelelemente 20 in Richtung des Pfeils A.
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Der Reaktor 12 hat ein Druckgefäß 22, das einen reaktiven Kern 24,
ein Wärmeschild 25, einen als Boden dienenden Graphitrost 26 zur Lagerung des Kerns
24 und eine weitere, nachstehend näher beschriebene Stützkonstruktion enthält. Das
Druckgefäß 22 besteht aus einem unteren halbkugelförmigen Abschnitt27, einem mittleren,
rohrförmigen Abschnitt 28 und aus einem oberen halbkugelförmigen Abschnitt 29. Alle
diese Teile können an den mit 30 bezeichneten Punkten miteinander verschweißt werden.
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Im Inneren des Gefäßes 22 ist der reaktive Kern 24 von einem Wärmeschild
25 aus Kohlenstoffstahl umgeben, das nach unten bis zu einem Punkt 33 unmittelbar
oberhalb des oberen Endes des unteren halbkugelförmigen Abschnitts 27 eine im wesentlichen
zylindrische Form hat. Zwischen dem Punkt 33 nach unten bis zu einer Grundplatte
34 ist ein kegelstumpfförmiger Wärmeschild 36 vorgesehen, der
an seinen Enden mit
dem Schild 25 und mit der Grundplatte 34 verschweißt werden kann. Am oberen Ende
des Gefäßes 22 ist ein kleinerer Wärmeschild 38 vorgesehen, der durch geeignete
Mittel am oberen Ende des Abschnitts 29 so getragen wird, daß eine ringförmige Öffnung
40 zwischen dem Schild 38 und der oberen Verlängerung des Schildes 25 für den Durchtritt
eines Kühlmittels bleibt. Der Wärme schild 25 wird zusammen mit dem Abschnitt36
und der Grundplatte 34 durch zwei konzentrische Kernstützrohre 42 und 44 getragen,
die sich vom unteren Gefäßabschnitt 27 nach oben bis zur Grundplatte 34 erstrecken,
die auf ihnen ruht. Die konzentrischen Rohre 42 und 44 sind mit einer Anzahl Öffnungen
52 bzw. 54 versehen, -um das Kühlmittel hindurchtreten zu lassen. Die Grundplatte
34 weist eine Mittelöffnung 56 für den Durchtritt des bewegbaren Rohrs 16 sowie
mehrere, beispielsweise drei Öffnungen 58 auf, welche, wie dargestellt, für das
Einführen eines Kühlmittelauslaßrohrs 59 angeordnet sind. Wie ersichtlich, ist der
untere halbkugelförmige Abschnitt 27 des Gefäßes 22 mit einer geflanschten Öffnung
60 umgeben, welche jedes Kühlmittelauslaßrohr 59 so umgibt, daß ein konzentrischer
Kanal 61 für den Eintritt des nachstehend näher beschriebenen Kühlmittels vorhanden
ist. Die Strömungsrichtungen sind durch die Pfeile B und C angegeben.
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Auf der Grundplatte 34 sind ein Bett 62 aus massivem Graphit sowie
ein sich nach oben erstreckender Zylinder64, ebenfalls aus Graphit, angeordnet,
der eine Anzahl Öffnungen 66 für den Durchtritt des Kühlmittels aufweist. Der Graphitzylinder
64 trägt zur Unterstützung des Graphitrostes 26 bei, der eine kegelige Form hat
mit einem Neigungswinkel von etwa 150 zum mittig angeordneten VentillO. Wie sich
am besten aus Fig. 4 ergibt, ist der Rost 26 mit einer Mittelöffnung 70 versehen,
in der die feststehende Kappe 14 des Ventils 10 angeordnet ist. Die Kappe 14 weist
einen unteren zylindrischen Abschnitt 72 auf, der sich von der Oberseite des Rostes
26 nach unten bis zur Oberfläche der Grundplatte 34 erstreckt, auf der die Kappe
14 aufruht. In der Kappe 14 sind mehrere, beispielsweise sechs, geeignet geformte
Öffnungen74 vorgesehen, die sich von der Oberseite des Rostes 26 nach oben für den
Eintritt des kugelförmigen körnigen Materials erstrecken. Die obere Öffnung 17 des
Rohrs 16 ist in Fig. 1 in einer Stellung in der Nähe der oberen Kante der Öfnungen
74 gezeigt, in welcher das feste Material zu fließen aufhört. Ferner ist der Abstand
zwischen der äußeren Oberkante des Rohrs 16 und den oberen Kanten der Öffnungen74
größer als der Durchmesser des größten Teilchens, um eine Beschädigung der letzteren
zu verhindern. Unterhalb des erwähnten Punktes fließt das Material in die obere
Öffnung 17 des Rohrs 16.
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Zwischen dem zylindrischen Abschnitt 72 und dem Rohr 16 ist ein Zylinder
76 aus Graphit zur Raumausfüllung vorgesehen. Ein äußerer Graphitzylinder 77 unterstützt
den Rost 26 mittig.
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Wie sich am besten aus Fig. 3 ergibt, besteht der Rost 26 aus mehreren,
beispielsweise zwölf, keilförmigen Segmenten 79, welche mit zwei Endstücken 80 versehen
sind, die sich radial erstrecken, und aus mehreren voneinander in Abstand befindlichen
parallelen Armen 81, welche das Hindurchströmen des gasförmigen Kühlmittels ermöglichen.
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Auf dem Gitterrost 26 stützen sich mehrere, beispielsweise sechs
Graphitzylinder 82 ab, deren abgeflechte
Axialbohrungen Brennstoffkammern
83 bilden. Die Außenseite jedes Zylinders 82 ist an drei aneinanderliegenden Seiten,
wie in Fig. 2 dargestellt, abgeflacht, so daß die sechs Zylinder so zusammengebaut
werden können, daß sie eine mittige sechseckige Kammer 90 bilden. Die benachbarten
Zylinder 82 können durch geeignete, nicht gezeigte Mittel miteinander verkeilt werden,
so daß sie ein zusammenhängendes Gebilde aus Graphit bilden. Jeder Zylinder 82 ist
mit zwei Längsbohrungen 92 für die in Fig. 1 gezeigten zylindrischen Regelstäbe
94 versehen. Die Regelstäbe 94 dienen in an sich bekannter Weise dazu, die Reaktion
regeln zu können, und bestehen aus einem Material, wie Cadmium oder Bor, das eine
hohe Neutronenabsorption ergibt. Zur Steuerung der Bewegung der Stäbe 94 können
nicht gezeigte, an sich bekannte Mittel verwendet werden. Wie ferner ersichtlich,
bildet der Kern 24 einen Ringraum bzw. eine Mantelkammer 94 für Mantelmaterialkugeln
20.
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Durch die Längswände der Zylinder 82 sind benachbart dem Rost 26 mehrere
annähernd rechteckige Öffnungen 96 und 97 vorgesehen, welche Kznäle zwischen benachbarten
Zylindern 82 bzw. zwischen der mittigen Brennstoffkammer 90 und den äußeren Brennstoffkammern
83 und damit zwischen dem Inneren des Kerns 24 und der Mantelkammer 94 bilden, wie
sich am besten aus Fig. 2 ergibt.
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Über den äußeren Zylindern 82 und der Mittelkammer 90 sind eine Anzahl
innen konvergierend und divergierend ausgebildeter Zylinder 100 für die äußeren
Kammern 83 und 102 für die Mittelkammer 90 angeordnet. Für jeden Zylinder 100 und
102 ist ein Verschluß 104 bzw. 106 aus massivem Graphit vorgesehen. Jeder Verschluß
104 bzw. 106 wird von einem Stab 108 bzw. 110 getragen. Diese Stäbe sind hohl, so
daß sie sowohl zur Beschickung mit Brennstoff als auch zur Halterung der Verschlüsse
104 und 106 dienen können. Außerdem sind sechs hohle Mantelbeschickungsrohre 112
vorgesehen, die sich senkrecht durch den oberen Gefäßabschnitt 29 oberhalb der Mantelkammer
94 erstrecken und ringförmig in Abstand voneinander angeordnet sind um die Mantelkammer
94 mit Mantelkugeln 20 beschicken zu können. Das Graphitmaterial, aus dem die Wände
der Brennstoffkammern 83 und 90, der Rost 26 und die Verschlüsse 104 und 106 bestehen,
dient in an sich bekannter Weise zur Reflexion für den Neutronenfluß. Für das Einfangen
von Neutronen, welche durch das den reaktiven Kern 24 umgebende Graphitmaterial
austreten, ist die Mantelkammer 94 mit Mantelkugeln gefüllt, die ein nicht spaltbares
Isotop, beispielsweise Thorium (90232) in Thoriumoxyd, um in an sich bekannter Weise
das spaltbare Isotop U233 zu erzeugen.
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Das zur Verwendung im Reaktor 12 gewählte Kühlmittel zur Ableitung
der im Reaktor erzeugten Wärme ist Helium. Helium ist ein Gas, das völlig inert
ist und keine Neutronen absorbiert, und ferner das einzige Gas, das einen guten
Pumpleistung-Wärmeübergangs-Modul hat und nicht mit den Kernmaterialien reagiert.
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Die Strömung des Heliums durch den Reaktor 16 ist wie folgt: Das
Helium tritt unter Druck am Boden des Gefäßes 22 durch den Ringraum 61 zwischen
den Auslaßrohren 59 und Flanschen 60 ein, wie durch Pfeiles angegeben, strömt durch
die Öffnungen54 und 52 und dann nach oben durch den Ringraum zwischen dem Wärmeschild
25 und dem Druckgefäß
22 als erstem Durchgang durch den Reaktor. Hierauf tritt das
Helium in die Hauptkammer des Gefäßes 22 durch die ringförmige Öffnung 40 zwischen
den Wärmeschilden 25 und 38 ein und strömt dann durch die Zwischenräume zwischen
den Mantel- und den Brennstoffkugeln nach unten. Das Helium strömt durch alle Brennstoffkammern
83 und 90 sowie durch die ringförmige Mantelkammer 94 nach unten, dann durch die
Öffnungen im Rost 26, die Öffnungen 66 im Kernstützzylinder 64 und dann aus dem
Gefäß 22 durch die Gasauslaßrohre 59, wie durch die Pfeile C angegeben, heraus.
Wie ersichtlich, tritt ein Teil des einströmenden Heliums in das Ventilrohr 16 durch
die Öffnungen 16 a ein, so daß ein Teil des unter Druck stehenden Heliums aus dem
Ringkanal 61 über die Öffnungen 16 a unmittelbar in das Rohr 16 eintritt, so daß
es in den Innenteil der Kappe 14 gelangt, durch deren Öffnungen 74 es austritt und
sich wieder mit der Hauptströmung des durch den Rost 26 nach unten strömenden Heliums
vereinigt.
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Aus dem Vorangehenden ergibt sich, daß der Reaktor 12 so gebaut ist,
daß die Entladung der Brennstoff- und Mantelkugeln durch das Ventil 10 und die Nachbeschickung
von Kugeln über die Rohre 108, 110 und 112 möglich ist, ohne daß irgendwelche der
inneren Teile des Gefäßes ausgebaut werden müssen.
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Für die Benutzung des Ventils 10 zum Entladen des Kerns 24 und der
Mantelkammer 94 wird das Rohr 16 abgesenkt, um dessen obere Öffnung 17 unter die
obere Kante der Öffnungen 74 zu bringen. Das Rohr 16 kann durch einen nicht gezeigten,
abgekapselten Motorantrieb von außerhalb des Reaktors in ähnlicher Weise wie die
Regelstäbe betätigt werden.
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Die Regelung der Strömung der Kugeln durch das Ventil 10 beruht auf
den Strömungseigenschaften der kugelförmigen Teilchen. Ungedrosselt haben sie einen
Reibungswinkel Null, d. h., sie verhalten sich wie Flüssigkeiten. Im Gegensatz zu
Flüssigkeiten können sie sich jedoch nicht in miteinander verbundenen Zonen ihr
eigenes Niveau suchen, d. h., sie steigen nicht über die Höhe der Öffnung an, durch
welche sie fließen. Wenn sich daher die obere Öffnung 17 des Rohrs 16 an einer Stelle
unterhalb der oberen Kante der Öffnungen 74 befindet, fließen die Kugeln über das
obere Ende des Rohrs 16 und durch dieses nach unten. Wenn das Rohr 16 über die erwähnte
Kante angehoben wird, wirkt es als Widerlager, so daß die Strömung zum Stillstand
kommt, ohne daß die Möglichkeit besteht, daß eine der Kugeln eingezwängt und dadurch
zerstört wird. Die Kammer 90 mit den unmittelbar auf dem Rost 26 aufliegenden Mantelkugeln
wird als erste Kammer geleert. Hierauf werden als nächstes die äußeren Brennstoffkammern
83 mit den unmittelbar unter ihnen befindlichen Mantelkugeln entleert und schließlich
die Mantelkugeln in der Mantelkammer 94.
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Für die Beschickung des Reaktors 12 werden zuerst Mantelkugeln 20
durch die hohlen Rohre 112 in die Mantelkammer 94 eingebracht, bis die Kugeln die
Kammer 94 bis zu der in Fig. 1 gezeigten Höhe füllen.
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Aus der unmittelbar vorangehenden Beschreibung ergibt sich, daß die
Mantelkugeln 20 durch die Öffnungen 96 und 97 in den Graphitzylinder 82 hindurchtreten
und einen Mantel aus Kugeln parallel zur Oberseite des Rostes 26 bilden, der bis
zum oberen Ende der Öffnungen 96 und 97 und zu den oberen Enden der Kappenöffnungen
74 reicht und ferner den
Innenraum der Kappe 14 bis zu der oberen
Öffnung 17 des Rohrs 16 ausfüllt, wie gezeigt. Hierauf werden die Brennstoffkugeln
18 in den Reaktor 12 durch die Brennstoffbeschickungsrohre 108 und 110 eingebracht,
bis die Brennstoffkammern 83 und 90 bis zu der in Fig. 1 dargestellten Höhe gefüllt
sind.
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Aus dem Vorangehenden ergibt sich, daß mit Hilfe des beschriebenen
Ventils kugelförmiges, körniges Material ausgetragen, d. h. dessen Ausfließen gesteuert
werden kann, ohne daß die einzelnen Kugeln beschädigt oder zerstört werden. Außerdem
ermöglicht das erfindungsgemäße Ventil durch eine sehr einfache Anordnung die Regelung
der Ausllußgeschwindigkeit der Kugeln. Ferner ist das erfindungsgemäße Ventil in
seinem Aufbau und in seiner Arbeitsweise einfach und nicht abhängig von genauen
Konstruktionstoleranzen.
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Obwohl das erfindungsgemäße Ventil vorangehend in Verbindung mit
dem Ausfließen kugelförmiger Elemente oder von Kugeln aus besonderen Materialien
beschrieben wurde, ist es auch für ein anderes körniges Material anwendbar. Die
Kugeln können aus beliebigen Materialien hergestellt werden, oder es kann das körnige
Material aus weniger als 100 0/o kugelförmigen Elementen bestehen.