DE1514501A1

DE1514501A1 - Kernreaktoranlage mit Dampferzeuger

Info

Publication number: DE1514501A1
Application number: DE19651514501
Authority: DE
Inventors: Kaegi Dipl-Ing Jakob
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1965-06-25
Filing date: 1965-07-07
Publication date: 1970-10-01
Also published as: GB1130428A; CH444984A; BE683072A; US3402102A; NL6511949A; DE1514501B2

Description

Für Offenlegung bestimmte Unterlagen

4 Düsseldorf, 25. September 1968 Lindemannstrasse 31

Anm.i Gebrüder Sulzer AG,Winterthur

Mein Zeichen: 2494

Kernreaktoranlage mit Dampferzeuger

Die Erfindung betrifft eine Kernreaktoranlage mit in einem Druckgefäss angeordnetem, gasgekühltem Reaktorkern und mit einem ebenfalls im Druckgefäss neben einer zentralen Verteilkammer untergebrachten, aus mindestens zwei Einheiten bestehenden Dampferzeuger. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlgas die Dampferzeugereinheiten im wesentlichen etwa senkrecht zu einer Achse durchströmt, welche die raummässigen Schwerpunkte des Reaktorkerns und der Verteilkammer verbindet.

Es ist eine Kernreaktoranlage bekannt, bei welcher der Dampferzeuger, wie dies naheliegend ist, vom Kühlgas in gleicher Richtung durchströmt wird wie der Reaktor. Bei der Entwicklung dieser Anordnung ging man von der Lehre aua, der Dampferzeuger solle aus in der Werkstatt fertigzustellenden gleichartigen Einheiten bestehen, die hernach auf der Arbeltestelle nebeneinander aufgestellt werden können. Gleichzeitig stellte »an sich die Aufgabe, den unterhalb des Reaktor· verfügbaren krelsf&raigen Querschnitt möglichst gut auszufüllen la der Meinung, d«r ia getarnten beanspruchte Raun w«rd· auf die·· V·!·· zu eine» Miniau». Au· dt« daalt im wesentlichen gegebenen Querfohnitt 4·· Dftspftrseugen in Bezug auf die

Richtung der Gasströmung resultiert, zusammen mit dem benötigten Dampferzeugervolumen, die gasseitige Durchströmlänge. Es ergeben sich daraus logisch die bereits vorgeschlagenen, relativ hohen Elementtürme, die nebeneinander auf einem Rost oder auf Stelzen auf dem Boden errichtet werden. Mit der Länge eines einzelnen Dampferzeugerrohres, der Höhe der Tlirme sowie der Längsteilung der Rohre innerhalb der Elemente sind, sofern in einer Rohrebene nur ein einziges Rohr schlangenförmig geführt wird, die Länge der Rohrschenkel und damit die Anzahl der Krümmer bestimmt.

Die im Prinzip gleichen Ueberlegungen gelten auch für die Anlage der eingangs genannten Art, bei der oberhalb des Reaktorkerns eine Verteilkammer angeordnet ist, die durch eine zylind^rjiische Lenkwand von neben ihr angeordneten Dampferzeugereinheiten getrennt ist. Hier strömt das Kühlmittel vom Reaktorkern aus aufwärts durch die Verteilkammer, wird dann umgelenkt und umströmt danach abwärts die Dampferzeugereinheiten.

j Kern der Erfindung ist nun die Erkenntnis, dass durch Abgehen ™ von der bisherigen Uebung des möglichst guten Ausfüllens des Querschnittes unterhalb des Reaktors, also durch eine scheinbare Platzverschwendung, sowie durch Umlegen der Durchströmrichtung in die Richtung etwa senkrecht zu der die Schwerpunkte von Reaktorkern und Verteilkammer verbindenden Achse der Querschnitt des Dampferzeugers in Bezug auf die Strömungsrichtung des Gases vergrössert, die Durchströmlänge verkürzt und damit die Anzahl der Schlangenwindungen wesentlich vermindert werden kann. Durch diese Massnahme wird aber gleichzeitig die Anzahl der β»*·*»«^!«»*»*»^« Rohrkrümmer und

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damit der Schweissstellen herabgesetzt, der Dampferzeuger somit wesentlich verbilligt. Beim konstruktiven Durcharbeiten des Konzeptes ergab sich, dass die Platzverschwendung nur scheinbar auftritt, und dass die ohnehin nötigen Sammel- und Verteilräume, die bisher unterhalb bzw. oberhalb des Dampferzeugers angeordnet waren, auf der Höhe des Dampferzeugers untergebracht werden können. Ueberdies bringt der Wegfall an Krümmern einen merklichen Raumgewinn, so dass schliesslieh auch die Raumbilanz zugunsten der neuen Anordnung abschliesst.

Wird, wie an sich bekannt, zwischen dem Reaktorkern und dem Druckgefäss eine nach einer zylindrischen Fläche verlaufende Wand vorgesehen, wobei das Kühlgas zwischen der zylindrischen Wand und dem Druckgefäss strömt, und setzt man diese zylindrische Wand über den Dampferzeuger hinaus fort, so gewinnt man den Vorteil, dass diese Wand auch im Bereich des Dampferzeugers eine Führung für das gekühlte Gas bildet, so dass auch hier die Wand des Druckgefässes nicht von heissem Gas berührtwird.

Die Dampferzeugereinheiten werden vorzugsweise aui aufeinander ge schichteten, in horizontalen Ebenen verlaufenden Rohrschlangen gebildet. Damit werden ein besonders einfacher Zusammenbau und rationellste Abstützung erreicht. Die Anordnung gestattet auch, was zur Erzielung eines guten Wärmeüberganges und einer gedrängten Bauart besonders wichtig ist, die Querteilung minimal auszuführen. Werden die Rohrschlangen durch aufeinandergeschichtete Distanzleisten getragen, so dienen diese in sehr vorteilhafter Weise gleichzeitig dazu, den Gasstrom von den Krümmern der Rohrschlangen fernzuhalten.

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Wie an sich bekannt, kann es zweckmässig sein, einen Stapel von Rohrtafeln zu einem B lind el zusammenzufassen, wobei mehrere Bündel - Übereinander angeordnet - ein Dampferzeugerelement bilden. Durch diese Unterteilung in BUndel, die einzeln noch auf der Strasse oder mit der Bahn transportiert werden können, kann die Fertigung zum grössten Teil in der Werkstatt durchgeführt werden. Die Bündel lassen sich - mindestens für den Transport - in einem Gestell, gegebenenfalls sogar in einem Kasten haltern.

Es kann besondere Vorteile bieten, wenn die Bündel in der Anlage nicht direkt aufeinander geschichtet, sondern schubladenartig in mehreren Etagen in einem Traggestell angeordnet werden. Auf diese Weise wird in vertikaler Richtung die Gesamtdehnung in mehrere Teildehnungen unterteilt. Zudem können die Bündel auf diese Weise leichter gebaut sein, da sie nur ihr Eigengewicht tragen müssen.

Werden zwischen benachbarten Bündeln und/oder benachbarten Begrenzungswänden Schikane-Bleche eingebaut, so können die zur Aufnahme der Dehnungen nötigen Zwischenräume auf einfachste Weise überbrückt werden. An der Decke oberhalb des obersten Bündels werden vorzugsweise aufklappbare Schikane-Bleche angebracht, die im Falle einer Revision einen raschen Zugang ermöglichen.

Ein weiteres erfinderisches Merkaial ist darin zu sehen, dass

die Rohre aufeinanderfolgender Rohrschlangen jedt· Bündels abvechs-

zvtl lungsweise an jeweils einem von mindesten· 1 Verteilern und an je einem von gleichvielen Sammlern angeiohlossen lind, von denen aus Verbindungsleitungen duroh ein· druckdichte Wand hindurch nach aussen führen. Diese Anordnung gestattet, la Fall« der Undichtheit

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eines Rohres, die beiden Verbindungsleitungen zum Verteiler resp. vom Sammler, an dem das betreffende Rohr angeschlossen ist, vom System abzutrennen. Damit kann eine Leckage vermieden werden, ohne dass das betreffende Bündel unwirksam würde.

Die Erfindung wird anhand zeichnerisch dargestellter Ausführung sbei spiele näher erläutert.

Fig. 1 stellt einen schematischen Längsschnitt durch eine er-

findungsgemässe Reaktoranlage dar, *

Fig. 2 zeigt, ebenfalls schematisch, einen Schnitt entlang der Linie I-I durch die Reaktoranlage nach Fig. 1.

Flg. 3 ist eine Draufsicht des unteren Teils eines Bündels, der in Fig. 4 im Teilschnitt dargestellt ist.

Fig. 5 lässt eine Ecke eines Traggestells mit Teilen zweier Bündel erkennen.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform klappbarer Schikane-Btehe im λ Schnitt.

Fig. 7 »teilt schmatisch die Ansicht der Einströmseite eines Dampferzeugerelementes dar*

Fig. 8 veranschaulicht, als Variante zu Flg. 2, die Anordnung dtr üampferzeugerelemente im Fünfeck.

dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungab«!spiel 1st in

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einem Betondruckgefäss 1 ein Kernreaktor 2 untergebracht. Er ruht auf einem Boden 3, der gleichzeitig der unteren Abschirmung dient und der von abgewinkelten Gaskanälen 4 durchdrungen ist. Unterhalb des Abschirmbodens 3, umgeben von einer zylindrischen Wand 5, befindet sich ein Dampferzeuger 6, der auf dein Boden des Betondruckgefässes 1 abgestützt ist. und der erfindungsgemäss aus einer Vielzahl wasserseitig parallel geschalteter Metallrohre besteht, die in horizontalen Ebenen angeordnet sind und im Zwangstrom durchflössen werden. Im Ausführungsbeispiel setzt sich die zylindrische Wand 5 nach oben bis zur Oberkante des Kernreaktors 2 fort. Sie ist dort über kurze stützen mit einer oberen Abschirmung 7 verbunden.

Der Kernreaktor 2 enthält Kanäle 10, in denen Spaltstoffstäbe 11 untergebracht sind. Fluchtend mit den Kanälen 10 sind in der oberen Abschirmung 7 abgesetzte Bohrungen 12 vorgehen. Diese Bohrungen sind üblicherweise mit Abschirmpflöcken verschlossen. Im Raum oberhalb der oberen Abschirmung 7 ist ein Polarkoordinaten-Fahrwerk untergebracht, das einerseits an einer Zentralachse 13 und anderseits auf einer peripher verlaufenden Schiene 14 befestigt ist bzw. rollt. Das Fahrwerk trägt einen Spaltstoffstab-Wechselmechanismus 15. Auf der Höhe des Dampferzeugers 6 sind in Aussparungen 20 des Betondruckgefässes Motoren 21 untergebracht, welche Gasgebläse 22 antreiben, deren Rotoren in Oeffnungen der zylindischrischen Wand 5 sitzen.

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Der Dampferzeuger 6 besteht aus 4 Einheiten 25, die an den beiden Längsseiten eines rechteckigen Verteilraumes 26 angeordnet sind, Seitenwände 27 der Elemente 25 sind mit der zylindrischen Wand 5 dichtend verbunden. Wände 28 verbinden jeweils zwei Wände

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über die Breite des Verteilraumes 26, wobei diese Verbindung jedoch nicht gasdicht ausgeführt ist, so dass sich in dem derart gebildeten Raum 29 mit segmentförmigem Grundriss derselbe Druck aufbaut wie im Raum 26, das Gas darin jedoch stagniert. Längs der Austrittseiten der Dampferzeugerlemente 25 bilden sich, ebenfalls mit segmentförmigem Grundriss, zwei Sammelräume 30, in welche die Einlauftrichter der Gasgebläse 22 mlinden. Die beiden Smmmelräume

sind zum Druckausgleich - insbesondere bei Ausfall eines Gasgeblä* ses - durch einen Kanal 31 miteinander verbunden.

Das ReaktorkUhlgas,beispielsweise CO₂S wird durch die Gasgebläse 22 aus den Sammelräumen 30 in einen zwischen der zylindrischen Wand 5 und dem Betondruckgefäss liegenden Ringkanal 31' gefördert, durch den es nach oben strömt. Unmittelbar unterhalb der oberen Abschirmung 7 fliesst es den oberen Enden der im Reaktor vorgesehenen Kanäle 10 zu. Es durchströmt diese Kanäle 10, dabei die darin untergebrachten Spaltstoffstäbe 11 kühlend. Das erhitzte Gas tri*t darauf durch die Gaskanäle 4 in die Verteilkammer 26 und von dort, Wärme abgebend, in Pfeilrichtung horizontal durch ^ die Elemente 25 des Dampferzeugers 6, um sich in den Sammelräumen wieder zusammenzufinden. Die Elemente25 werden durch Leitungen 35 mit unter Druck stehendem Wasser gespeist, das bei seinem Durchlauf durch die Rohre der Elemente 25 vorgewärmt, verdampft und gegebenenfalls überhitzt wird. Der Dampf verläset sodann den Dampferzeuger durch Verbindungsleitungen 36, worauf er Über nicht gezeichnete Leitungen Dampfverbrauchern, vorzugsweise Dampfturbinen, zugeführt wird. Einzelne oder alle Dampferzeugerelemente können ausschliesslich oder zusätzlich der Zwischenüberhitzung

des Dampfes dienen. 009840/0148

Die Fig. 3 und 4 zeigen die Konstruktion eines Rohr blind eis 32, von denen mehrere zusammen ein Dampferzeugerelement 25 bilden. In einer horizontalen Ebene ruht auf Unterlagen 40 mit sattelförmigen Einschnitten eine erste Rohrschlange 42, die zirkulär oder schraubenförmig berippte Schenkel 43 und Umlenkbögen 44 aufweist. Oberhalb der Unterlagen 40 sind Distanzleisten 45 angebracht, auf denen eine zweite Rohrschlange 42· ruht, die gleichviele Windungen zählt wie die Rohrschlange 42, gegenüber dieser jedoch versetzt angeordnet ist. Es folgen darauf weitere, Distanzleisten 45· und Rohrschlangen 42" ... . Das ReaktorkUhlgas fliesst in Pfeilrichtung durch das Rohrbündel. Auf dessen Eintrittseite sind zwei sich über die Höhe des Bündels erstreckende Verteiler 50, 51 angeordnet, wobei der Verteiler 51 mit dem Ende aller Rohrschlangen in den ungeraden Etagen, der Verteiler 50 mit demjenigen der Rohrschlagen in den geraden Etagen verbunden ist. Auf der Gasaustrittseite sind entsprechende Dampfsammler 52 und vorgesehen, die ebenfalls je mit jeder zweiten Rohrlage verbunden sind. Diese Anordnung gestattet, beispielsweise bei Leckage der zweiten Rohrschlange, die zu den Kollektoren 50 und 52 führenden Verbindungsleitungen 35* und 36* absreiblinden, womit alle in|eraden Etagen befindlichen Rohrschlangen.ausaer Betrieb gesetzt werden. Dabei steigt die Temperatur des das betreffende Bündel verlassenden Gases an, sie bleibt jedoch noch in zulässigem Rahmen. Lässt man einen grtisseren Aufwand tu, so kann die Anzahl der Kollek toren vergrössert werden, so dass beispielsweise durch Absehalten zweier Verbindungieitungen lade dritte oder Vierte Rohrschlange des betroffenen Bündels abgeschaltet werden kann.

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Da die Länge der Rohrschenkel 43 möglichst gross gewählt wird, kannirf es sich als zweckmässig erweisen, die Rohrschlangen nicht nur unmittelbar neben den Rohrbögen, sondern auch an einer oder mehreren Stellen über der Schenkellänge abzustützen. Dies geschieht durch weitere, nicht gezeichnete Reihen von Unterlagen 40 und Distanzleisten 45. Oberhalb der obersten Rohrschlange jedes Bündels wird mit Vorteil eine Deckleiste 46 (in Fig. 4 angedeutet) vorgesehen. Unterlage 40 und Deckleiste 46 können durch in Fig. 3 im Querschnitt angedeutete Zuganker 47 miteinander kraftschlüssig verbunden sein. w

In Fig. 3 ist eine Seitenwand 27 eingezeichnet, die dem Bündel 32 oder dem Element 25 angehören kann. Von dieser aus ragen Schikane-Bleche 60 in die Zwickel zwischen den Rohrbögen hinein, so dass der Durchfluss des Gases durch die Rohrbögenpartie stark gedrosselt und dem dort beschränkten Wärmeübergang angepasst wird. Auf der oberen Seite der Fig. 3 sind punktiert die Rohrbogen eines Nachbarelementes eingetragen* Es ist dort im Besfpiel keine 2xxamnuuf Zwischenwand vorgesehen} es erstrecken sich daher Distanzbleche 61 von einem Stapel Distanzleisten 45 des gezeichneten Bündels 32 bis zum nicht gezeichneten Stapel der Distanzleisten eines nicht gezeichneten Bündels. In Fig. 4 ist sodann angedeutet, dass auch unterhalb des Bündels 32 Schikane-Bleche 62 angebracht werden können. Dies ist sinnvoll, sobald die Bündel nicht ohne Zwischenraum aufeinander ruhen. In Flg. 4 sind sodann bereits anderweitig vorgeschlagene DMapferstäbe 63, 64 eingezeichnet, die schräg in die Zwischenräume zwischen den Rohrschenkeln 43 gesteckt sind und eine Relativbewegung der Rohrschenkel auf ein zulässiges Mass dta*«. 009840/0U8

Will man die Bündel 32, etwa aus Transportgründen, möglichst leicht bauen, so kann es zwckmässig sein, besondere Traggestelle vorzusehen, so dass die Bündel selbst keine hohen Lasten tragen müssen. Fig. 5 zeigt beispielsweise einen Vertikalträger 70 eines solchen Traggestells, der über einen senkrecht zur Zeichenebene stehenden Kastenträger 71 mit einem Nachbarträger verbunden ist. Horizontale Kastanträger 72 verbinden quer zur Strömungsrichtung des Kühlgases den Vertikalträger 70 mit einem weiteren, nicht gezeichneten Vertikalträger. Auf Stützträgern 73 ruhen die Unterlagen 40 auf denen, wie in den Fig. 3 und 4 schon dargestellt, die Bündel aufgebaut sind. Auch hier sind Schikane-BIeehe 60 (resp. 61) und 62 vorgesehen, wobei die Bleche 62 bis in Zwischenräume des unter dem Träger 72 angeordneten Bündels eingreifen.

Fig. 6 zeigt die unmittelbar unter dem AbschirmbXoden 3 befindliche Zone, für welche die Unterseite des Bodens 3 die Decke bildet Da zu Revisionszwecken zwischen oberstem Bündel und der Decke ein gewisser Zwischenraum erwünscht ist, sind an der Decke 3 Profilstäbe 80 mit spiralähnlichem Profil befestigt, in welche aufklappbare Schikane-Bleche 81 eingehängt sind. Die untere Kante der Schikane-BIeehe liegt direkt, vorzugsweise geneigt, auf Rohrschenkeln auf, wie dies durch die Strichpunktierte 82 angedeutet ist, sie kann aber auch an doppelwinkelförmigen Profilen 83 angeschlagen. -

Gemäss Fig. 7 erstrecken sich von den Kollektoren 50, 51 abgebogene Verbindungsleitungen 36, 36· zu zwei Rohrplatten 90, 91, die sie durchdringen. Die Rohrplatten f0, 91 dta sitzen auf

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Rohren 92 resp. 93, welche im Boden des Betondruckgefässes einbetoniert sind und ihrerseits, zusammen mit den Verbindungsrohrbtindeln, diesen durchdringen.

Gemäss Fig. 8 sind die Elemente des Dampferzeugers an vier Seiten eines unregelmässigen Fünfecks aufgestellt. Die kurze Seite des Fünfecks ist durch eine Wand 28a abgeschlossen. Um den Samme1-kammern 30· die nötige Breite zu geben, sind zwischen den äusseren Ecken der Elemente 25 und der zylindrischen Wand 5 Zwischenräume belassen, die bei Ausfall eines Gasgebläses 22 anstelle des in Fig. 1 gezeichneten Kanals 31 einen Druckausgleich gewähren und so verhindern, dass das dem betroffenen Gebläse zugeordnete Element 25 in verkehrter Richtung durchströmt wird.

Auch die Verbindungsleitungen 35, 35», die von den Verteilern und 53 zu Rohrplatten 90, 91 führen, treten durch die Zwischenräume zwischen der zylindrischen Wand/und den Elementen/in die Räume neben deu Schmalselten der Elemente, in denen Platz genug für die Rohrplatten 90, 91 ist.

Die gegenüber der Variante In Fig. 2 bedeutend vergrösserte Kammer 26 erleichtert ewentuell nötige Revisionsarbeiten in den Rohrschlangen» indem - falls erforF&erlieh - ganze Bündel schubladenartlg ausgezogen uikJ gegebenen-falls sogar durch VÖijh bare Durchlass© 94, $5 mis der Reaktoranlage herausgeschafft werden können.

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Claims

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Patentansprüche

Kernreaktoranlage mit in einem Druckgefäss angeordnetem, gasgeklihltem Reaktorkern und mit einem ebenfalls im Druckgefäss neben einer zentralen Verteilkammer untergebrachten, aus mindestens zwei Einheiten bestehenden Dampferzeuger, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlgas die Dampferzeugereinheiten im wesentlichen etwa senkrecht zu einer Achse durchströmt, welche die raummässigen Schwerpunkte des Reaktorkerns und der Verteilkammer verbindet.
2. Anlage nach Anspruch 1, wobei zwischen dem Reaktorkern und dem Druckgefäss eine zylindrische Wand angeordnet ist, die koaxial zu der die Schwerpunkte verbindenden Achse verläuft, und wobei das Kühlgas im Ringraum zwischen der zylindrischen Wand und dem Druckgefäss strömt, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Wand, wie an sich bekannt, sich über die axiale Ausdehnung des Dampferzeugers fortsetzt und dass die Einheiten des Dampferzeugers innerhalb der zylindrischen Wand angeordnet sind.
3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampferzeugereinheiten aus aufeinander geschichteten, in horizontalen Ebenen verlaufenden Rohrschlagen bestehen.
4. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrschlangen von aufeinander geschichteten Distanzleisten getragen werden.

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5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stapel von Rohrtafeln zu einem Bündel zusammengefasst ist, wobei mehrere Bündel - übereinander angeordnet - ein Dampferzeugerelement bilden.
6. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bündel in mehreren Etagen schubladenartig in einem Traggestell ruhen.
7. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Bündeln und/oder benachbarten Begrenzungswänden Schikane-BIeehe eingebaut sind.
8. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem obersten Bündel und der Decke Schikane-BIeehe aufklappbar angeordnet sind.
9. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre aufeinanderfolgender Rohrschlangen jedes Bündels abwechslungsweise an jeweils einem von mindestens zwei Verteilern und an je einem von gleichvielen Sammlern angeschlossen sind, von denen aus Verbindungsleitungen durch eine druckdichte Wand hindurch nach aussen führen.
10. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geraden Schenkel der Bohre des Dampferzeugers mit zirkulär oder schraubenförmig verlaufenden Rippen versehen eind.
11. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Elementen des Dampferzeugers eine Zone frei bleibt, durch welche notfalls mindestens ,einzelne Rohrtafeln ausgebaut werden könnten.

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