DE1149831B - Roehrensystem zur Abfuhr der Waerme aus Kernreaktoren - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

C 21528 Vmc/21g

ANMELDETAG: 27. MAI 1960

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER ATISLEGESCHRIFT: 6. JUNI 1963

Gegenstand der Erfindung ist ein Röhrensystem zur Abfuhr der Wärme aus Kernreaktoren, insbesondere aus solchen, bei denen als Moderator schweres Wasser verwendet wird. Bei einem Röhrensystem dieser Art, in dem die wärmeabführenden Mittel strömen, sind dessen einzelne Röhren am Ein- und/oder Austritt aus dem Kern des Reaktors mit einem System von zu ihnen quer verlaufenden Sammelröhren verbunden. Durch Wärmeausdehnungen der Röhren kommt es dabei häufig zu Störungen, die zu Rissen oder Materialschäden und damit zu Undichtigkeiten an den Stellen, wo die Röhren, die den Reaktor durchsetzen, mit den Sammelröhren verbunden sind, führen. Man hat, um dies zu vermeiden, die Röhren schon balgförmig ausgebildet oder aus gewellten Teilen hergestellt, um auf diese Weise die Spannungen an den Verbindungsstellen aufzufangen. Die Ergebnisse waren jedoch nicht zufriedenstellend, weil die Röhren den in ihnen herrschenden Drucken nicht standhielten.

Es ist ferner ein gasgekühlter, flüssigkeitsmoderierter Kernreaktor bekannt, bei dem das Moderatorsystem mit dem Kühlsystem im Druckausgleich steht. Hierbei ist eine Sperrschicht vorgesehen, die auf dem Moderatorsystem schwimmt und die es von dem Kühlsystem trennt. Bei der bekannten Einrichtung ist ein oberer und ein unterer, mit Kühlmitteln gefüllter Raum vorgesehen, durch die das Kühlmittel umgewälzt wird. Die Räume stehen einerseits durch ein Leitungssystem und andererseits durch Rohre miteinander in Verbindung, wobei in einem der Rohre der Kernbrennstoff geführt wird. Es handelt sich dabei um Doppelrohre, wobei sowohl der Innenraum des Rohres als auch der umgebende Ringraum mit dem gleichen Kühlmittel durchflossen werden. Sammelröhren, wie sie bei der vorliegenden Erfindung vorhanden sind, werden dabei nicht benutzt.

Bei einer anderen bekannten Einrichtung sind sowohl am Ein- wie auch am Austritt des Kühlmittels Sammelröhren vorgesehen. Die Einrichtung beschäftigt sich jedoch nicht mit der Kühlung der Verbindungsstellen der den Reaktor durchsetzenden Röhren mit den Sammehröhren, sondern mit der Kühlung der Röhren an den Stellen, wo sie den Reaktor durchsetzen.

Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem zu schaffen, bei dem die Röhrenköpfe und die Sammelröhren auf einer Temperatur gehalten werden, bei der die Wärmeausdehnungen keine Störungen mehr verur-Sachen können. Bei einem Röhrensystem zur Abfuhr der Wärme aus Kernreaktoren, insbesondere aus Röhrensystem zur Abfuhr der Wärme
aus Kernreaktoren

Anmelder:
Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris

Vertreter: Dr. W. P. Radt

und Dipl.-Ing. E. E. Finkener, Patentanwälte,

Bochum, Heinrich-König-Str. 12

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 4. Juni 1959 (Nr. 796 579)

Bernard Vrillon, Orsay, Seine-et-Oise,

und Roland Roche, Clamart, Seine (Frankreich),

sind als Erfinder genannt worden

solchen, bei denen als Moderator schweres Wasser verwendet wird, in dem die wärmeabführenden Mittel strömen und dessen einzelne Röhren am Ein- und/ oder Austritt aus dem Kern des Reaktors mit einem System von zu ihnen quer verlaufenden Sammelröhren verbunden sind, besteht die Erfindung darin, daß die Röhren der beiden Röhrensysteme außerhalb, jedoch in unmittelbarer Nähe des Reaktorkernes auf der Innenseite mit wärmeisolierenden Mitteln versehen sind und auf der Außenseite gekühlt sind.

Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

Fig. 1 und 2 zeigen schematisch in einem waagerechten Schnitt bzw. in einer längs der Linie II-II der Fig. 1 geschnittenen Teilansicht einen Kernreaktor mit schwerem Wasser;

Fig. 3 und 4 zeigen schematisch in zwei zueinander senkrechten Schnitten eine Anordnung von Kanalköpfen und Sammelrohrabschnitten des Reaktors der Fig. 1 und 2 in größerem Maßstab;

Fig. 5 und 6 zeigen im Schnitt mit mehr Einzelheiten gewisse bei A und B umrahmte Abschnitte der Fig. 3 und 4 in noch größerem Maßstab;

Fig. 7 zeigt wiederum in größerem Maßstab eine andere Ausführung gewisser bei C umrahmter Abschnitte der Fig. 4;

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Fig. 8 ist ein in der Ansicht der Fig. 6 entsprechen- oder Gas an dem System der Köpfe 5 und der Samder Schnitt einer anderen Ausführung. melrohre 4, welche mit Kühlrippen versehen sein

In Fig. 1 ist 1 das Gefäß eines Kernreaktors, wel- melrohre 4, welche mit Kühlrippen versehen sein könches einen Moderator enthält, z. B. schweres Wasser, nen, oder, wie in Fig. 1 dargestellt, durch einen Um- und durch welches Stäbe oder andere Kernbrennstoff- 5 verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit in die Samelemente2 in lotrechten oder waagerechten Kanälen melrohranordnungen enthaltenden Behältern 8 strömt, oder starken Rohren 3 (die Zeichnungen betreffen Bei der schematischen in Fig. 1 dargestellten Anden Fall von waagerechten Kanälen) verlaufen, durch Ordnung ist angenommen, daß das die Wärme aus welche ein unter Druck stehendes Gas zur Wärme- dem Atommeiler abführende Gas in einem der beiden abfuhr strömt, wobei das Rohrsystem mit einem Sam- ίο vorgesehenen Sammelsysteme ankommt und durch melrohrsystem 4 zur Zufuhr des Gases zu den das andere abgeführt wird. Wenn die Kanäle oder Wärmeaustauschern und zur Abfuhr aus denselben Rohre 3 mit ihren Stäben 2, wie üblich, in mehreren kombiniert ist. · Reihen angeordnet sind, sind die Kanäle ein und der-

Bekanntlich entstehen bei einem derartigen System, selben Reihe an ihren Enden mit zwei den beiden Bebei welchem der Moderator kalt oder auf niedriger 15 hältern angehörenden Sammelrohren 4 vereinigt. Wie Temperatur gehalten wird, Schwierigkeiten durch die in Fig. 2 dargestellt, sind in diesen die Sammelrohre Wärmedehnungen, welche davon herrühren, daß die in zwei Ebenen a, b angeordnet, wobei zwei aufein-Köpfe 5 der Kanäle wenigstens eine verhältnismäßig anderfolgende Reihen von Rohren 3 zu zwei den kühle Rohrplatte (oder Rohrblock) durchdringen — beiden Stufen α und b angehörenden Sammelrohroder, wie dargestellt, zwei derartige Wände 6, wenn 20 paaren gehen. Die Enden der Sammelrohre 4 führen die Kanäle aus dem Gefäß an ihren beiden Enden zu anderen Rohrteilen 9 größeren Querschnitts. Bei austreten—, was die freie Dehnung der Sammelrohre richtiger Bemessung kann die Ausbildung so getroffen behindert, welche im Gegensatz zu diesen Wänden die werden, daß das Kühlwasser in den Behältern 8 eine hohe Temperatur der die Wärme abführenden Gase Temperatur von 50° C hat, und die Wände der Samannehmen, z. B. 300 bis 500° C. 25 melrohre 4 nur eine Temperatur von 50° C + χ

Wenn z. B. eine Reihe von Kanälen oder starken haben, wobei dieser Wert χ größenordnungsmäßig Rohren 3 zu ein und demselben Sammelrohr 4 führt, nur 20° C oder weniger beträgt, anstatt auf die Temist man bei den bekannten Ausführungen gezwungen, peratur der die Wärme aus dem Atommeiler abfühdie Sammelrohre 4 balgförmig auszubilden, was renden Gase (300 bis 500° C) zu kommen. Unter schwierig und teuer ist, da die Rohre unter hohem 30 diesen Bedingungen können die Sammelrohre 4 als Druck stehen. gerade starre Rohre ausgebildet werden, wodurch der

Zur Umgehung dieser Schwierigkeit werden bei Aufbau des Reaktors beträchtlich vereinfacht wird, dem vorliegenden Rohrsystem Vorrichtungen vorge- In Fig. 3 bis 8 sind beispielshalber einige Ausfüh-

sehen, welche alle Wände der Sammelrohre und der rungzeinzelheiten des inneren Futters für den inneren Kanalköpfe außerhalb des Gefäßes auf einer mäßigen 35 Wärmeschutz der Rohre 4 und der Kanalköpfe 5 Temperatur halten, so daß die Rohre nicht mehr dargestellt.

balgförmig ausgebildet werden müssen. In Fig. 3 und 4 ist schematisch in größerem Maß-

Die Ausbildung wird so getroffen, daß einerseits stab die Vereinigung mehrerer ein und derselben innerhalb der Rohrwände ein geeigneter Wärmeschutz Reihe angehörender Kanalköpfe 5 mit einem Sam- und andererseits außerhalb dieser Wände eine ent- 40 melrohr 4 dargestellt, welches von den Köpfen durchsprechende Kühlung vorgesehen wird, welche die ge- drangen wird, wobei der Abschluß an dem Ende ringe, durch die Wärmeschutzzone strömende Wärme- eines jeden Kopfs durch einen in Fig. 1 bei 10 darmenge abführt. Der innere Wärmeschutz kann insbe- gestellten Stöpsel erfolgt. Das Futter der Sammelsondere die Form einer isolierenden Gasschicht rohre 4 ist schematisch bei 7 dargestellt. Es wird von haben, welche zwischen jedem Rohr und einem inne- 45 dem Futter der Köpfe durchdrungen, welches ren konzentrischen schematisch bei 7 und 11 in seinerseits schematisch bei 11 dargestellt ist und Fig. 1 sichtbaren Futter angeordnet ist. Diese Schicht Schlitze 12 an der Stelle der Sammelrohre für den ist praktisch unbeweglich und wird unter dem glei- Durchtritt der die Wärme aus dem Atommeiler chen Druck wie das die Wärmeabfuhr bewirkende abführenden Gase aufweist. Die freien Zwischeninnerhalb des Futters strömende Gas gehalten, so 50 räume zwischen den Futtern 7 und 11 einerseits daß ein Druckgleichgewicht besteht und das Futter und den Rohren 4 und 5 andererseits werden verhältnismäßig dünn sein und leicht hergestellt und von stagnierendem Gas eingenommen. Der Druckeingebaut werden kann. Dieses im allgemeinen auf ausgleich wird durch kleine, nicht sichtbare Durchhoher Temperatur befindliche Innenfutter kann lasse in dem Futter hergestellt, welche keine merkübrigens so ausgebildet werden, daß es sich gegen- 55 liehe Strömung ermöglichen. An ihrem auf der Seite über den kühl bleibenden äußeren Rohren ausdehnen des Rohrblocks 6 liegenden Ende tragen die die Verkann, wofür es z. B. aus mehreren ineinandergleiten- längerung der Kanäle oder Rohre 3 bildenden den Teilen bestehen oder Bälge aufweisen kann (was Köpfe 5 einen Flansch 13 zur Befestigung an dem keine Schwierigkeit bereitet, da es sich um dünne Block. Die Futter 7 und 11 bestehen aus verhältnis-Wände handelt). Wenn das Futter metallisch ist, 60 mäßig dünnen Rohren, während die Köpfe 5 und die kann übrigens der Wärmeschutz durch wenigstens Sammelrohre 4 aus widerstandsfähigen Rohren enteinen Überzug aus einem Wärmeschutzmittel vervoll- sprechenden Querschnitts bestehen, ständigt werden, welches jedoch so gewählt ist, daß Fig. 5, welche z. B. dem bei A in Fig. 4 einge-

es Neutronen nur wenig absorbiert, so daß die Mit- rahmten Teil entspricht, welcher in größerem Maßnahme einer gewissen Menge dieses Wärmeschutz- 65 stab und mit mehr Einzelheiten dargestellt ist, zeigt mittels in den Spaltraum des Meilers die Reaktivität eine mögliche Ausbildung des Innenfutters, insbesondesselben nicht verringert. Die äußere Kühlung er- dere in der Verbindungszone zwischen dem Sammelfolgt z. B. entweder durch einen Umlauf von Luft rohr 4 und den Kanalköpfen 5. Das in der Achse der

Kanalköpfe liegende Futter weist hier Rohrteile 14 auf, welche in den Köpfen durch schmale Ringe 15 aus einem feuerfesten schlecht wärmeleitenden Werkstoff (z. B. Asbest oder Aluminiumoxyd) zentriert werden. An die freien Enden dieser Teile 14 schließen sich die dünnen Rohre 11 an, welche das eigentliche Futter außerhalb der Anschlußzone bilden. Die Schlitze 12 sind in diesen Rohrteilen 14 angebracht. Die Rohrteile sind auch in Fig. 6 sichtbar, welche den Abschnitt B der Fig. 3 im einzelnen zeigt. Das in der Achse der Sammelrohre 4 liegende schematisch bei 7 in Fig. 1 und 3 dargestellte Futter besteht bei der Ausführung der Fig. 5 und 6 aus Rohrabschnitten 16, durch welche die Wärmeschutzrohre der Köpfe, d. h. die Rohre 14, gehen. Benachbarte Rohrabschnitte 16 sind mittels einer Gleitverbindung 17 ineinandergesteckt, um Dehnungen zuzulassen, und sind in dem Sammelrohr 4 durch den Ringen 15 entsprechende Isolierringe 18 zentriert.

Die Ausbildung kann jedoch auch gemäß Fig. 7 und 8 getroffen werden, wobei Fig. 7 z. B. dem bei C in Fig. 4 eingerahmten Abschnitt und Fig. 8 im wesentlichen der Fig. 6 entspricht. Bei dieser Ausführung besteht der Wärmeschutz eines jeden Sammelrohrs 4 aus einem dünnen, mit 7 wie in Fig. 3 bezeichneten Rohr, außer an den Kanalköpfen, wo er durch einen Balg 19 gebildet wird, welcher die freie Dehnung des dünnen Rohrs und seine Zentrierung in dem Sammelrohr 4 gewährleistet. Der Wärmeschutz der Kanalköpfe in der Anschlußzone erfolgt dann durch Rohre 14 der in· Fig. 5 und 6 dargestellten Art, welche jedoch durch gegebenenfalls balgförmig ausgebildete rohrförmige Anschläge 20, 21 zentriert werden.

Das vorliegende Röhrensystem bietet insbesondere folgende Vorteile: Die Rohre der Kanäle können an einem starren auf niedriger Temperatur bleibenden Gerippe befestigt werden. Es können daher geradlinige starre leicht herzustellende Sammelrohre benutzt werden. Es werden ausgezeichnete Betriebsbedingungen hergestellt, so daß die Verteilung eines die Wärme aus dem Atommeiler abführenden Strömungsmittels mit hoher Temperatur und hohem Druck leicht verwirklicht werden kann. Die Wärmedehnungen sind vernachlässigbar, so daß sich die Geometrie der Anordnung nicht ändert. Bälge oder andere elastische Teile in den Druckrohren sind überflüssig.

Die Erfindung kann natürlich abgewandelt werden. So ist sie insbesondere auf Reaktoren anderer als der dargestellten Bauart anwendbar. Ferner kann sie ganz so allgemein für beliebige Systeme verwendet werden, bei welchen Rohranschlußstellen von einem heißen Strömungsmittel durchströmt werden, wobei dami Vorrichtungen zum Ausgleich der Wärmedehnungen fortfallen können.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Röhrensystem zur Abfuhr der Wärme aus Kernreaktoren, insbesondere aus solchen, bei denen als Moderator schweres Wasser verwendet wird, in dem die wärmeabführenden Mittel strömen, und dessen einzelne Röhren am Ein- und/oder Austritt aus dem Kern des Reaktors mit einem System von zu ihnen quer verlaufenden Sammelrohren verbunden sind, dadurch gekenn zeichnet, daß die Röhren der beiden Röhrensysteme außerhalb, jedoch in unmittelbarer Nähe des Reaktorkerns auf der Innenseite mit wärmeisolierenden Mitteln versehen sind und auf der Außenseite gekühlt sind.

2. Röhrensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wärmeisolation die Röhren doppelwandig ausgebildet sind und in dem Zwischenraum zwischen den beiden Wänden eine stagnierende Gasschicht ist, die unter dem gleichen Druck steht wie das wärmeabführende Gas.

3. Röhrensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen inneren Wände (7, 11) mit Gleitverbindungen oder Bälgen versehen sind, um Wärmespannungen aufnehmen zu können.

4. Röhrensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der Röhren, die außen zu kühlen sind, in Behältern (8) angeordnet sind, in denen eine Kühlflüssigkeit umläuft.

5. Röhrensystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwände der Röhren der beiden Röhrensysteme starr miteinander verbunden sind und diese Verbindungsstelle in den von der Kühlflüssigkeit durchströmten Behältern (8) liegt.

6. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der doppelwandigen Ausbildung der Röhren in der dünnen Innenwand kleine Öffnungen vorgesehen sind, so daß das stagnierende Gas in dem Zwischenraum mit dem strömenden Kühlgas ständig in Verbindung bleibt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1031901;
britische Patentschrift Nr. 754183.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

@ 309 599/199 5.63