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Leitungsführung zwischen Reaktorbehälter und Wärmeaustauscher bei
flüssigkeitsgekühlten Kernreaktoren Die Anmeldung bezieht sich auf flüssigkeitsgekühlte,
insbesondere mit flüssigem Metall gekühlte Kernreaktoren,- und die Wärmeübertragung
durch das Kühlmittel. Zu diesem Zweck wird in bekannter Weise das aufgeheizte Kühlmittel,
beispielsweise flüssiges Natrium, durch einen Wärmetauscher geschickt, in dem es
einen erheblichen Teil der Wärme an einen anderen Kreislauf abgibt.
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Entsprechend der unterschiedlichen Zueinanderordnung von Reaktor sowie
ärmetauscher und Pumpe unterscheidet man die Primär-Wärmeübertragungssysteme, die
für natriumgekühlte Kernreaktoranlagen entwickelt wurden in Loop-, Pool- und Multitool-Anordnungen.
Bei der Loop-Anordnung der Wärmeübertragungssysteme sind der Reaktor, der Wärmetauscher
und die Pumpe räumlich getrennt voneinander angeordnet und das die Wärme übertragende
Kühlmittel wird dem Wärmetauscher im Zwangsumlauf über Rohrleitungen zugeführt.
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Bei der sogenannten Pool-Anordnung des Wärmeübertragungssystems sind
der oder die Wärmetauscher und die Kühlmittelpumpen in einem mit flüssigem Kühlmittel
vollständig gefülltem Behälter gemeinsam mit dem Reaktor untergebracht.
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Beiden Anordnungen haften erhebliche Nachteile an, die bei der Loop-Anordnung
darin bestehen, daß die Sicherung gegen Leckagennd deren Folgen sowie der Aufwand
für die Beherrschung der Wärmestannungen Schwierigkeiten bereiten, während bei der
Pool-Anordnung, die zwar keine Leckage- und Kompensationsprobleme kennt, die Schwierigkeiten
in der Beherrschung der Xlärmeschocks, in der Reaktorabschirmung, in der Konstruktion
des Natriumbehälters sowie in den mangelhaften Instrumentierungs- und Regelmöglichkeiten
zu suchen sind.
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Es ist deshalb die sogenannte iulti)ool nordnung entwikkelt worden,
bei der in unmittelbarer ähe des mit Kühlmittel gefüllten Reaktortanks ein oder
mehrere mit Kühlmittel gefüllte Kreislaufbehälter angeordnet sind, in welche Wärmetauscher
und Pumpe eintauchen. Reaktortank und Kreislaufbehälter sind durch kurze Rohrleitungen
miteinander verbunden, deren Konstruktion aus verständlichen Gründen besonderes
Augenmerk geschenkt werden muß.
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Es ist eine Anlage bekannt geworden (Zeitschrift: "Energie nucléaire",
April 1967, S. 105), bei der als Kühlmittelzuund-abführung zwei koaxial zueinander
angeordnete Rohre verwendet werden, die kompensationslos unterhalb des Flüssigkeitsspiegel
verlegt
sind. Dem Wärmetauscher wird das aufgeheizte Kühlmittel über das innere Rohr zu-
und über den als Zwischenraum verbleibenden Ringraum abgeführt. Die kompensationslose
Anordnung der Rohre bedingt jedoch eine lendelnde Aufhängung des Kreislaufbehälters
zum Ausgleich der Wärmesrannungen. Diese ist jedoch konstruktiv sehr aufwendig,
und es treten in der Praxis noch kaum beherrschbare Stutzenkräfte und Momente an
Reaktortank und Kreislaufbehälter auf. Außerdem erfordert die Verlegung der 7erbindungsrohre
unterhalb des Flüssigkeitsspiegels entweder eine Raumunterdrückung, d. h. s. B.
eine Ausbetonierung des Zwischenbereiches oder eine zusätzliche kompensierte Ummantelung.
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Es ist auch schon eine Anlage in der I.ltipool-Anordnung bekannt geworden
(PEC-Anlage in San Francisco Papers AIJS 101, April 1967), bei der die Verbindungsleitungen
getrennt unterhalb des Flüssigkei-tssytiegels verlegt sind, d. h. die das aufgeheizte
und abgekühlte Kühlmittel führenden Leitungen sind in der Kühlflüssigkeit verlegt.
Zur Lecksicherung sind diese Leitungen und die Behälter ummantelt. Eine derartige
Leitungsfühung erfordert aber auch große Komnensationsstrecken. Dennoch ist die
Sicherheit einer derartigen lieckagesicherung fragwürdig, da die Erafte, die einen
Leitungsbruch verursachen, auch die Ummantelung zerstören können.
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Es ist deshalb auch schon vorgeschlagen worden, die koaxiale Leitungsverbindung
zwischen neaktortank und Kreislaufbehälter
zur Vermeidung von Leckagen
oberhalb des Flüssigkeitsspiegels zu führen und in den Kreislaufbehälter münden
zu lassen. Die großen Temperaturunterschiede zwischen aufgeheizter und abgekühlter
Kühlflüssigkeit in der koaxialen Rohrleitung verursachen hohe Schockbelastungen
und Schockempfindlichkeit der Verbindungsstelle am Kreislaufbehälter.
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Diese koaxiale Leitungsführung macht außerdem eine schockempfindliche
Trennschürze zwischen dem heißen und kühleren Bereich des Reaktortanks erforderlich.
Die Verbindung zwischen dem Außenrohr und der Pumpe muß mit Gelenkkompensatoren
hergestellt werden, deren Anwendung insbesondere bei den in Kernreaktoren verwendeten
flüssigen Metallen als nicht erprobt und daher nicht sicher genug angesehen werden
muß. Darüber hinaus ist der Nachweis von Leckagen und I.urzschlußströmungen im Reaktortank
und in Koaxialleitungen schwierig zu verwirklichen. Die bei dieser Bauweise erforderliche
Rückschlagklappe, in der das abgekühlte Kühlmittel führenden Leitung des Wärmetauschbehälters
ist nicht leicht zugänglich, und daher erst nach völligem Entleeren des Pools, beisrielsweise
zwecks Wartung, zugänglich.
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xie geschilderten Nachteile zu vermeiden, hat sich die Anmeldung zur
Aufgabe gemacht. Sie betrifft einen Kernreaktor mit einem die Spaltzone umschließenden,
mit einem flüssigen Kühlmittel, wie schmelzflüssigem Natrium, gefüllten Reaktoitank,
bei demdas flüssige Kühlmittel über Rohrleitungen mindestens einem getrennt angeordneten
Kreislaufbehälter zugeftihrt wird. Alle Behälter besitzen oberhalb
des
Kühlmittelspiegels ein zum Druckausgleich miteinander verbundenes Gasplenum.
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Erfindungsgemäß ist die das aufgeheizte Kühlmittel führende und bis
zum Spiegel mit diesem gefüllte Leitung einseitig fest mit dem Reaktortank verbunden
und mündet anderseitig über einen Kompensator in dem Gasplenum des Kreislaufbehälters,
und eine zweite Leitung ist unterhalb des Flüssigkeitsspiegels in dem mit abgekühlteai
Kühlmittel gefüllten Kreislaufbehälter fest mit dem Wärmetauscher verbunden und
mündet freitragend in der ersten Leitung, streckenweise von dieser umgeben. Weiterhin
ist die das abgekühlte Kühlmittel führende Leitung einseitig fest mit der in das
abgekühlte Kühlmittel eintauchenden Pumpe und anderseitig mit dem Reaktortank verbunden.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist mit dem Doppel-tank
des Reaktortanks fest verbunden, konzentrisch zu der das aufgeheizte Kühlmittel
führenden Leitung eine Ummantelung angeordnet, die oberhalb des Kühlmittelspiegels
mittels eines Kompensatsrs gasdicht mit der Leitung verbun- -den ist. Weiterhin
umgibt ein mit dem Kreislaufbehälter fest verbundenes Rohr die das abgekühlte Kühlmittel
führende Leitung konzentrisch und ist mittels eines Kompensators gasdicht mit dieser
verbunden. Außerdem ist mit dem Doppeltank des Reaktortanks fest verbunden, konzentrisch
zu der das abgekühlte Kühlmittel führenden Leitung eine Ummantelung angeordnet,
die oberhalb des Kühlmittelspiegels mittels eines Kompensators gasdicht mit dem
Rohr verbunden ist.
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An Hand der beigefügten Figuren 1 und 2 soll die Leitungsführung der
das aufgeheizte bzw. abgekühlte Kühlmittel führenden Leitungen verdeutlicht werden.
Es zeigen: Fig. 1 den Verlauf der Leitung für das aufgeheizte Kühlmittel, Fig. 2
den Verlauf der Leitung für das abgekühlte Kühlmittel.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind der Reaktortank 1 und der Kreislaufbehälter
2 durch einen Doppeltank 3 bzw. eine Stahlverkleidung 4 im Bereich bis oberhalb
des Flüssigkeitsspiegels gegen Leckage gesichert, so daß Betriebs-Spiegel 5 höchstens
bis zum ISTotsqiegel 6 absinken kann. Ist eine Leckage aufgetreten, so ist auch
bei abgeschaltetem reaktor die liachwärmeabfuhr,immer gesichert. Aus Abschirmgründen
sind die Behälter mit Betonwänden 7 umgeben. Die Höhenanordnung des Wärmetauschers
8 ermöglicht auch eine Wärme abfuhr im 7Xaturumlauf.
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Das aufgeheizte Kühlmittel, beispielsweise flüssiges iTatrium, fl-ießt
durch die Leitungen 9 und 10 in die Strömungsschürze 11 des von oben nach unten
durchströmten ;Jarmetauschere welcher sekundärseitig die Leitungen 12 und 13 aufweist.
Das abgekühlte Kühlmittel strömt aus dem unten offenen ~SÇärmetauscher in den Kreislaufbehälter
2 und wird aus diesem mit der Pumpe 14 abgesaugt. Uber die Druckleitung 15 wird
das abgekühlte Kühlmittel in den unteren Bereich des Reaktortanks zurückbefördert.
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Die Leitung 9 für das heiße Kühlmittel stellt gewissermaßen eine Fortsetzung
des Reaktortanks 1 dar. Sie ist über den Kompensator 16 mit dem von Gas erfüllten
Raum des Kreislaufbehlilters 2 verbunden, wobei die Gasräume von Reaktortank und
Kreislaufbehalter über die Gasleitung 17 miteinander zwecks Druckausgleich verbunden
sind. Die Leitung 10, die freitragend den Wreislaufbehalter durchläuft und mit dem
Wärmetauscher fest verbunden ist, taucht in den Flüssigkeitsspiegel der Leitung
9 ein.
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Der Doppeltank 3 setzt sich in der Cmantelung 18 fort, die mittels
des Kompensators 19 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels gasdicht mit der Leitung 9
verbunden ist.
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Diese Anordnung der das aufgeheizte Kühlmittel führenden Leitung gewährleistet
durch die nahezu spannungsfreie Verlegung eine außerordentlich hohe Betriebssicherheit.
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Die das abgekühlte Kühlmittel führende Druckleitung 15 ist ebenso
wie die Leitung 10 innerhalb des Kreislaufbehälters bis oberhalb des Kühlmittelspiegels
geführt und durchdringt den Behälter ohne Verbindung mit diesem. Der Behälter wird
als Ummantelung 20 um die Leitung 15 fortgeführt und mit dem Kompensator 21 gasdicht
mit der Leitung 15 verbunden, wodurch er den erforderlichen Abschluß des Gasvolumens
bildet. Die Leitung 15 mundet unterhaLb des Reaktorkerns in den Reaktortank. Der
Doppeltank wird ebenso wie bei der Leitung 9 als Ummantelung 22 weitergeführt und
mittels des
Kompensators 23 oberhalb des Xühlmittelspiegels gasdicht
mit der Ummantelung 26 verbunden.
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Die Armaturen 24 und 25 können sowohl - wie gezeichnet -innerhalb
des Wärmetauscherbehälters als auch außerhalb desselben angeordnet sein.
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Bei dem in den Figuren gezeigten Kreislauf des Kühlmittels ist der
reislaufbehälter mit abgekühltem Kühlmittel gefüllt. Dies ist besonders vorteilhaft,
weil die niedrigeren Temperaturen eine wirtschaftlichere und konstruktiv roblemlosere
Bauweise gestatten. Außerdem ist durch das Ansaugen des Kühlmittels aus dem Kreislaufbehälter
eine Gasblasenförderung durch den Reaktorkern nahezu ausgeschlossen. Abweichend
davon kann die gezeigte Konstruktion und Verlegung der Leitung auch dann mit Vorteil
angewandt werden, wenn der Kreislaufbehälter mit aufgeheiztem Kühlmittel gefüllt
sein sollte. Bei der gezeichneten Schaltung differieren die Spiegel zwischen Reaktortank
und den Kreislaufbehältern um den Druckverlust im Zwischenwärmetauscher.
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min mit "heißem" Natrium gefüllter Kreislaufbehälter ermöglicht eine
schaltung mit nahezu gleichen Spiegeln im Reaktortank und Kreislaufbehälter. Die
Spiegeldifferenz entspricht dem Druckverlust des Kühlmittels in der vom "heißen"
Kühlmittel durchströmten Leitung. Bei dieser Schaltung konnen bedingt durch die
geringere Sniegeldifferenz alle Behälter kürzer ausgeführt werden.
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Die vorgeschlagene Leitungsanordnung ist unempfindlicher
gegen
Wärmeschocks, sie ermöglicht in einfacher Weise die erforderliche Instrumentierung
und es kann bei Undichtigkeiten oder Leitungsbruch keine empfindliche Spiegelabsenkung
des Kühlmittels auftreten.