DE1464490C - Im Kernreaktor Druckgehause angeord neter Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen im Druckgehäuse eines Kernreaktors angeordneten Wärmetauscher für aus dem Reaktorkern kommendes Primärfluid mit zahlreichen, vom Sekundärfluid durchströmten, zu einer gemeinsamen Längsachse parallelen Rohrbündeln. Derartige Wärmetauscher sind sowohl aus der deutschen Auslegeschrift 1 021 515 als auch aus der britischen Patentschrift 824 895 bekannt.

Bekannte Wärmetauscher der genannten Art haben, bedingt durch die relativ großen Abmessungen, in denen sie ausgeführt werden, erhebliche Nachteils. Die den Strömungsweg für das Sekundärfluid bildenden parallelen Rohrleitungen werden nach der Erstellung des Druckgehäuses durch eine verschließbare Öffnung desselben eingebracht. Diese Montageöffnung des allgemein sehr großen Druokgehäusss wird aus bekannten Gründen möglichst klein gehalten.

Die in beträchtlicher Zahl einzubauenden parallelen Rohrleitungen für das Sekundärfluid werden im allgemeinen zu Rohrbündeln zusammengefaßt mit der allgemeinen Form von langen Zylindern, die innerhalb des Gehäuses unter möglichst guter und •gleichmäßiger Ausnutzung des Gshäusequerschnitts nebeneinander angeordnet werden.

Für die Montage und insbesondere den Ersatz von schadhaften Rohrbündeln muß man daher in der Verlängerung der Montageöffnung äußerhalb des Druckgehäuses einen freien Raum zur Verfügung haben, der zumindest der Länge der Rohrbündel entspricht und es ist weiterhin im allgemeinen nicht möglich, irgendein beliebiges Rohrbündel und vor allem ein Rohrbündel in der Nähe des Druckgehäuseumfangs auszubauen, wenn nicht vorher alle diejenigen Rohrbündel entfernt werden, die der Montageöffnung gegenüberstehend und weiter angrenzend .bis zum schadhaften Rohrelement angeordnet sind. Dadurch werden iraifangreiche Montage- oder Repararurarbsdten bedingt, die nur durch ■eine sehr lockere Querschnittsanordnung der Rohrbündel oder aber durch einen der Rohrbündellänge entsprechenden freien Raum innerhalb des Druckgehäuses in Längsrichtung (der Rohrbündel) anschließend an die Montagsöffnung vermieden werden können.

Diese Schwierigkeiten sind bei Kernreaktoren mit Wärmetauschern erheblicher Länge besonders ausgeprägt und gleichzeitig auch besonders störend, da bei diesen schadhafte Elemente des Wärmetauschers möglichst schnell ausgewechselt werden müssen, wobei die Montagearbeiten auf ein möglichst geringes Maß beschränkt werden sollen und andererseits die zu erneuernden Bauteile möglichst nicht zu umfangreich sein sollen. Außerdem ist der Raum innerhalb des Reaktordruckgehäuses teuer und man ist daher bestrebt, freie Räume innerhalb desselben möglichst zu vermeiden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Anordnung zu schaffen, 'bei der die Montage oder auch der Ersatz eines schadhaften Rohrelementes bei gleichzeitig möglichst weitgehender Ausnutzung des im Druckgehäuse zur Verfügung stehenden Raumes für den Wärmeaustausch rasch und einfach durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jedes Rohrbündel in seiner Längsrichtung in mehrere in Strömungsrichtung des Sekiindärfluids hintereinanderliegende und trennbar miteinander verbundene Teilelemenfe von gleicher Länge unterteilt ist und daß jedes Rohrbündel an seinem einen Ende von der Wand des Druokgehäuses durch einen freien Raum 'beabstandet ist, dessen Länge in Richtung der Achse der Rohrbündel mindestens gleich der eines Teilelements ist und in den eine Montage-Öffnung mit zur Rohrbündelachse paralleler Achse für das Ein- bzw. Ausbringen von Teilelementen

ίο mündet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht jedes Teileloment aus einer Vielzahl von Einzelrohren, die an ihren Enden mit Sammelräume für das Sekundärfluid !begrenzenden, Platten verbunden sind, die an ihren Außenrändern Kragen für den Zusammenschluß innerhalb eines Rohrbündel aufeinanderfolgender Teilelemente aufweisen.

Bei dem beschriebenen Wärmetauscher stimmt vorzugsweise die gemeinsame Achsrichtung aller

ao Rohrbündel mit der des Druckgehäuses überein und ist insbesondere durch eine zu dieser Achse parallele Trennwand in zwei voneinander getrennte Abteilungen mit eigenen, voneinander unabhängigen Strömungswegen für das Primärfluid aufgeteilt, von denen jede Abteilung unabhängig vom Betrieb der anderen stillgesetzt werden kann. Eine solche Ausführungsform gestattet Montage- oder Demontagearbeiten in einem Teil des Wärmeaustaiischers bei weiterlaufender Reaktorkühlung.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand/£ines besonderen Ausführungsbeispiels näher bescHneben, das sich auf einen Kernreaktor mit Spannbetongehäuse bezieht, das durch eine mit Durchlässen für das umlaufende Kühlmittel versehene tragende Zwischenwand praktisch zweigeteilt ist, oberhalb derer die Beschickungsvorrichtung des Reaktors und der Reaktorkern angeordnet sind, während unterhalb der gleichzeitig als Strahlungsabschirmung wirkenden Zwischenwand der Wärmetauscher angeordnet ist, und zwar gemäß einer bevorzugten Aüsführungsform mit einer Längstrennwand, die eine Stillsetzung eines Teils des Wärmetauschers unabhängig vom Betrieb des anderen ermöglicht.
Die Beschreibung bezieht sich auf die Zeichnun-

gen; es zeigt .

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den genannten Kernreaktor im Schema mit eingebautem Wärmetauscher, von dem der Einfachheit halber nur einige Rohrbündel gezeigt sind, I

F i g. 2 eine Aufsicht auf ein ausgebautes Teilelement und ,

Fig. 3 einen Axialschnitt durch ein solches Element mit angedeutetem Nachbarelement. . ;
Die F i g. 1 zeigt einen Kernreaktor, der in einem druckfesten Ummantelungsgehäuse 1 untergebracht ist, das beispielsweise als ein im wesentlichen zylindrischer Körper aus vorgespanntem Beton ausgeführt und im Inneren mit einer dichten Auskleidung versehen ist. In dem Gehäuse 1 befindet sich der Reaktorkern 2; unter diesem ist eine etwa waagerechte Tragwand 3 vorgesehen, die eine Unterteilungs-Strahlenschutzwand bildet, damit kurze Zeit nach Abschalten des Reaktors der Wärmeaustauscher 4, 4' zugänglich wird, der sich unter der Wand 3 befindet.

Dieser Wärmeaustauscher 4, 4' besteht aus parallelen längsverlaufenden Rohrbündeln, wie 5,5', 5", die aus hintereinandergereihten Teilelementen, wie 6,

zusammengesetzt sind, wie sie beispielsweise in F i g. 2 und 3 mehr im einzelnen gezeigt werden.

Das in F i g. 2 und 3 dargestellte Wärmetauscherelement umfaßt 100 ELnzelrohre 7, deren jeweilige Enden durch zwei viereckige oder quadratische »Endplatten« 8 und 9 miteinander verbunden sind. Diese Platten haben nach außen gerichtete umlaufende Anschlußlippsn oder Kragen 10 und 11, die zur Herstellung der Verbindung zwischen zwei in einer Reihe aufeinanderfolgenden Teilelementen 6 durch eine Stoßnahtschweißung bestimmt sind. .

Beim Anordnen der so erhaltenen Rohrbündel nebeneinander müssen die durch die End- bzw. Sammelraumplatten 8 und 9 gebildeten Hindernisse für die Strömung des Primärfluids gegeneinander in der Längsrichtung der Rohrbündel versetzt werden, um die Strömung des Primärfluids. nicht zu behindern; diese Sammelraumplatten spielen gleichzeitig die Rollen von Umlenkorganen, welche den Wärmeaustausch steigern. Man kann noch weitere besondere Umlenkführungen, beispielsweise aus Blechen, vorsehen, die nicht in der Zeichnung dargestellt sind."

Die Montage der Wärmetauscher-Teilelemente 6 innerhalb des druckfesten Gehäuses 1 ergibt sich ohne weiteres aus der Fig. 1, in der drei parallele Rohrbündelreihen 5, 5' und 5" bereits in ihrer endgültigen Lage dargestellt sind. Zwischen den Rohrbündelreihen und der Montageöffnung 12 des Druckgehäuses ist im Druckgehäuse ein freier Raum 13 vorgesehen, dessen axiale Länge zumindest gleich der Länge eines Wärmetauscher-Teilelementes 6 ist. Die einzelnen Teilelemente eines Rohrbündels werden durch die (verschlossen gezeigte) Montageöffnung 12 des Gehäuses eingebracht und für die Herstellung der Verbindungsschweißnaht mit dem nächsthöheren Teilelement unter dem entsprechenden Rohrbündel angeordnet.

Für die Abführung des in den Teilelementen erzeugten Dampfes dienende Anschlüsse 14 der Rohrbündel zweigen im oberen Bereich des für den Wärmetauscher vorbehaltenen Gehäuse teiles mit der erforderlichen Länge von der Dampfsammelleitung 15 a'b. Die unteren Zuleitungen 16 zu den Rohrbündeln, die von dsr unteren Sammelleitung 17 abzweigen, bestehen im allgemeinen aus biegsamen Rohren von relativ kleinem Durchmesser. Die Rohrbündel sind mit ihren oberen Enden innerhalb des druckfeslen Gehäuses aufgehängt, beispielsweise an der Dampf Sammelleitung 15; man erkennt, daß Wärmedehnungen in keiner Weise behindert sind.

Nach idem vollständigen Auslegen des gesamten Gehäuse- bzw. Kammerquerschnitts mit Rohrbündeln (wobei in der Nähe der Gehäusewand gegebenenfalls voll prismatische Rohrbündel vorgesehen werden können), ergibt sich edne Anordnung der Wärmetauscher-Rohrbündel, bei der ein gasförmiges wärmeübertragendes Medium, das von oben in das Gehäuse eintritt, in weitgehend gleichmäßiger Verteilung die gesamten Oberflächen der Wärmetauscherelemente umströmt. Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Dimensionen und Temperaturdifferenzen, wie sie in der Reaktortechnik angetroffen werden, zu Rohrdurchmessern bei den Wärmetauscher-Rohrbündeln führen, die wesentlich . kleiner sind als bei üblichen Wärmetauschern.

Die Verbindung der einzelnen Wärmetauscher-Rohrbündel, die beispielsweise gemäß der durch Fig. 3 angedeuteten Art durch Schweißverbindung der vorstehenden Kragen oder Ansätze 10, 11 erfolgt, kann selbstverständlich in beliebiger Weise abgewandelt werden. So kann man z. B. angranzend an die Endplatten konisch zulaufende Anschlußsiutzen mit Gewinde vorsehen, bei denen der Durchmesser im Übergangsbereich von einem Element zum anderen wesentlich kleiner ist. Die beiden Teile werden dann mit Hilfe einer Verbindungsmuffe mit zwei entsprechenden Gewinden gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von Dichtungen aneinandergefügt. Auf diese Weise ist das Auswechsein einzelner Elemente besonders einfach. An Stelle der Schraubverbindung kann natürlich ebenso eine lösbare Flanschverbindung od. ä. vorgesehen werden.

Die einzelnen Wärmetauscher-Teilelemente können auch als Verdampferelemente ausgeführt sein, mit einem zentralen Rohr mit wesentlich größerem · Durchmesser als die übrigen Einzelrohre des Teilelementes. Die stärkere Erhitzung des Wassers bzw. der Flüssigkeit in den engeren Einzelrohren gegenüber dem zentralen Rohr mit wesentlich größerer Rohrweite führt dann zu einem natürlichen Umlauf, bei dem die Wasser-Dampfmischung in den einzelnen Rohren aufsteigt und sich im Sammelraum trennt; die kondensierte Phase rinnt im Zentralrohr ' nach unten. Wenn mehrere Verdampferelemente übereinander angeordnet sind, steigen der im Sammelraum abgetrennte Dampf oder die Dampfblasen vorzugsweise innerhalb des Zentralrohres dp, 'dar-, über angeordneten Elementes auf, ohne die>aowärts gerichtete Wasserströmung merklich zu 4tör;n, In die engen Rohre des Elementes tritt dagegen vornehmlich Wasser ohne Dampf ein, was den Wärmeaustausch erhöht und dadurch ermöglicht wird, daß die Enden der engen Rohre über die Unterseite der Endplatten hinaus verlängert sind und in den Sam- , melraum hineinragen, während das zentrale Rohr / bündig mit der Unterseite der Platte abschließt.

Wenn die oberen Teilelemente eines solchen Rohrbündels mit weiterem Zentralrohr als Überhitzer wirken sollen, ist es zweckmäßig, die Dampf- · strömung im Zentralrohr beispielsweise durch eine einsetzbare Blende zu beschränken, falls dieses weitere Zentralrohr aus Konstruktionsgründen beispielsweise für die Einführung einer Strahlenquelle zur Überprüfung der Schweißverbindungen zwischen den Elementen beibehalten wird.

Die Endplatten müssen selbstverständlich nicht unbedingt eben ausgebildet sein, sondern kqnnen ' beispielsweise etwa Halbkugelform haben'' und ebenso können gewundene Rohre vorgesehen wer- dsn. Die quadratische Querschnittsanordnung der Elemente kann beispielsweise durch eine sechseckige Anordnung ersetzt werden.

Das in seinem unteren Teil mit einem gemäß den vorstehenden Darlegungen gestalteten Wärmeaustauscher versehene Reaktordruckgehäuse ist im unteren Bereich mit beispielsweise von außen über Motoren

18 mit durchgeführter Welle angetriebenen Gebläsen

19 ausgestattet für die Umwälzung des Primärfluids in Richtung der Pfeile /, das vom Reaktorkern 2 herkommend im Wärmetauscher 4, 4' gekühlt wird und längs des Umfanges von Wärmetauscher und Reaktorkern innerhalb des Druckgehäuses wieder nach obsn befördert wird.

Die Anordnung von Reaktorkern und Wärmetauscher innerhalb des Druckgehäuses kann natürlich auch vertauscht sein und die im oberen Teil vor-

gesehenen Wärmetauscherelemente werden dann durch eine Öffnung in der Wand des Durchgehäuses, die beispielsweise auch seitlich vorgesehen sein kann, ein- bzw. ausgebracht, wobei sie vor bzw. nach der Montage bzw. Demontage um 90° gekippt werden.

Die nebeneinander angeordneten Reihen von Wärmetauscher-Rohrbündeln bilden wegen ihrer gegenseitigen Längenversetzung hinsichtlich ihres thermischen Verhaltens zumindest zwei Gruppen. Man kann in den unterschiedlichen Gruppen der Wärmetauscher-Rohrbündel verschiedene Drücke, Durchsatzmengen und Wasserhöhen vorsehen, um die Wärmeenergie des Reaktors in der günstigen Weise auszunutzen. Die im oberen Teil des Wärmetauschers vorgesehenen Dampfsammelleitungen könneu erst nach ihrem Herausführen aus dem druckfesten Reaktorgehäuse zu einer gemeinsamen Dampf-Hauptleitung zusammengeschlossen werden; eine derartige Anordnung macht es möglich, das Ausmaß einer gegebenen/alls innerhalb des Gehäuses eintretenden Betriebsstörung erheblich zu verringern.

Bei einem Kernreaktor muß im allgemeinen auch ■■_< nach dem Abschalten noch eine gewisse Wärmemenge abgeführt werden. Zu diesem Zweck kann man eine besondere Luftkühlung vorsehen; die durch den Kern hindurchströmende Luft wird dabei in einem Wärmetauscher gekühlt, der sich außerhalb des druckfesten Gehäuses befindet. Der HauptwäniKlauscher kann dann für die Vornahme von Wartungs- und Reparaturarbeiten stillgelegt werden.

Diese Lösung bedingt jedoch die zusätzliche Verwendung eines äulieien Wärmetauschers. Um das zu vermeiden, ist es günstig, dem Hauptwärmetauscher bzw. den Wärmetaiischerraum, wie in Fig. 1 gezeigt wird, in zwei getrennte Kammern 20 und 21 mittels einer Trennwand 22 zu unterteilen, die keinen hohen Diuckbeanspruchungen unterworfen ist. Den beiden Wärmetauscherieilen 4, 4' in den Kammern 20 und 21 sind je eine der Montage- bzw. ZugangsöiTnunaen 12 und 12' zugeordnet, über welche die Wariungsuiui Reparaturai beilen durchgeführt werden können.

Wenn man beispielsweise in einer der beiden durch die Trennwand 22 voneinander getrennten Kammern (z. B. in 21) Arbeiten ausführen will, wird der Reaktor abgeschaltet und der Innenraum auf Atmosphärendruck gebracht. Dann werden die dem Wärmetauscherteil 4' zugeordneten Gebläse stillgelegt und die Zugangsölfnungen zu diesen Gebläsen und gegebenenfalls auch eine Verbindungsöffnung 23 in der Trennwand 22 rasch abgedichtet. Man verhindert auf diese Weise jeden Übergang zwischen der Atmosphäre, dem Wärmetauscherteil 4' und dem Reaktorkühlkreislauf und man kann unter den gewünschten Arbeitsbedingungen die Arbeiten durchführen.

Nach Beendigung der Arbeiten und Wiederaufmachen der verschlossenen öffnungen in umgekehrter Reihenfolge kann der Reaktor wieder in Betrieb genommen werden. Die beiden Wärmetauscherkammern 20 und 21, die in Fig. 1 mit gleiehern Volumen dargestellt sind, können selbstverständlich auch sehr unterschiedliche Größen haben.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Im Druckgehäuse eines Kernreaktors angeordneter Wärmetauscher für aus dem Reaktorkern kommendes Primärfluid mit zahlreichen vom Sekundärfluid durchströmten, zu einer gemeinsamen Längsachse parallelen Rohrbündeln, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rohrbündel (5, 5', 5') in seiner Längsrichtung in mehrere in Strömungsrichtung des Sekundärfluids hintereinänderliegende und trennbar miteinander verbundene Teilelemente (6) von gleieher Länge unterteilt ist und daß jedes Rohrbündel an seinem einen Ende von der Wand des Druckgehäuses (1) durch einen freien Raum (13) beabstandet ist, dessen Länge in Richtung der Aclue der Rohrbündel (5, 5', 5") mindestens gleich der eines Teilelements (6) ist und in den eine Montageöffnung (12) mit zur Rtfnrbündelachs2 paralleler Achse für das Ein- bzw. Ausbringen von Teilelementen (6) mündet.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Teilelement aus einer Vielzahl von Einzelrohren (7) besteht, die an ihren Enden mit Sammelräume für das Seicundärfluid begrenzenden Platten (8 bzw. 9) verbunden sind, die an ihren Außenrändern Kragen (10 bzw. 11) für den Zusammenschluß innerhalb eines Rohrbündels (5, 5', 5") aufeinanderfolgender Teilelemente (6) aufweisen.

3. Wärmetauscher nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Achsrichtung aller Rohrbündel (5, 5', 5") mit der des Druckgehäuses (1) übereinstimmt.

4. Wärmetaascher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er durch eine zur Achse des Druckgehäuses parallele Trennwand (22) in z^vei Abteilungen (4, 4') mit voneinander unabhängigen Strömungswegen für das Primärflukt unterteilt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen