DE1929025A1

DE1929025A1 - Dampferzeuger fuer Atomkernkraftwerke

Info

Publication number: DE1929025A1
Application number: DE19691929025
Authority: DE
Inventors: Stahl William F
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1968-06-10
Filing date: 1969-06-07
Publication date: 1970-01-15
Also published as: US3768554A; FR2010568A1

Description

WESIINGHOUSE Erlangen, den E 6. JUKI |9ß9

Electric Corporation Werner-von-Siemens-Str. 50

Pittsburgh, Pa«, USA

Unser Zeichen: PLA 69/8220 Ms/Dt

Dampferzeuger für Atomkernkraftwerke

Dampferzeuger oder Wärmetauscher für Atomkernkraftwerke, in denen als wärmeabgebendes Primärmedium ein flüssiges Metall und als zu verdampfendes Sekundär-Medium Wasser dient, sind bekannt. Dabei findet als flüssiges Metall Quecksilber, Natrium, Verbindungen oder Mischungen von Natrium und Kalium oder Legierungen aus Natrium-Wismut oder Wismut-Blei Verwendung. Das flüssige Metall wird dabei im allgemeinen im Reaktorkern aufgewärmt.

Ferner sind verschiedene Dampferzeuger bekannt, bei denen- das Sekundärmedium durch wendelförmig gewickelte Rohre oder mäanderförmig gewundene Rohre, die an einer Mittelhalterung befestigt sind, strömt. Da flüssiges Metall als wärmeabgebendes Medium jedoch nur eine geringe Wärmekapazität aufweist, sind Dampferzeuger mit derartiger Rohranordnung sehr aufwendig, da die Rohre nicht dicht gepackt werden können.

Der Anmeldung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Dampferzeuger zu schaffen, der bei geringen Außenabmessungen eine höchstmögliche Leistungsdichte pro Volumeneinheit aufweist.

Die Erfindung besteht dabei darin, daß der Dampferzeuger als zylindrischer Druckkessel in stehender Anordnung mit angenähert halbkugelförmigen Abschlüssen am oberen und unteren Ende sowie seitlichen Zu- und Abführungen für das flüssige Metall im oberen bzw. unteren Bereich des Druckkessels ausgeführt ist und daß zwischen zwei jeweils nach innen gewölbten Rohrböden im oberen und unteren Bereich des Druckkessels ebene, mäanderförmig gewundene und untereinander gleichlange Rohrbänder, die jeweils

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zu Rohrbündeln mit rechteckigem querschnitt zusammengefaßt sind, dicht aneinander gepackt und den gesamten Druckkesselquerschnitt ausfüllend, angeordnet sind und daß das flüssige Metall von oben nach unten zwischen den einzelnen Rohren hindurchströmt.

Durch eine derartige dichte Packung der Verdampferrohre über den gesamten Druckkesselquerschnitt ergibt sich eine leistungsdichte, die etwa viermal so hoch ist wie bei bisher bekannten ' Dampferzeugern. '

Sphärische Rohrboden können dabei die halbkugelförmigen Kesselabschlüsse zu einem Zuführungssammler für das zu verdampfende Wasser am unteren Ende des Kessels und zu einem Abführungssammler für den entstandenen Dampf am oberen Ende abschließen.

Ferner ist es vorteilhaft, daß die Abführungsleitung für das flüssige Metall oberhalb des unteren Rohrbodens aus dem Druckkessel ausmündet. Dadurch ist es möglich, über dem unteren Rohrboden eine stagnierende Schicht aus flüssigem Metall zur Wärmedämmung vorzusehen. In dieser stagnierenden Schicht sind horizontale Bleche zur Strömungsunterbindung angeordnet.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die horizontalen, senkrecht zur Strömungsrichtung des flüssigen Metalls verlaufenden Schenkel der mäanderförmig gewickelten Rohrbänder langer sind als die senkrechten, parallel zur MetallströmungsricJitung verlaufenden Schenkel und sich mindestens über den halben Kesselquerschnitt erstrecken. Für eine optimale Ausnutzung der Wärmekapazität in dem flüssigen Metall sollen die Rohrlängen der einzelnen Rohrbündel mindestens dreimal so lang sein wie die wirksame Wärmetauscherzone im Druckkessel.

Um den gesamten Querschnitt des Druckkessels mit Rohren zu bestücken, ist es vorteilhaft, wenn die Rohrbündel entsprechend irirer Lage im Kessel unterschiedlichen horizontalen querschnitt aufweisen. 909883/0389

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Um jedoch auch jeweils gleich große Rohrbündel über den Gesamtquerschnitt verwenden zu können, weisen die Rohrbündel einen parallelogrammartigen Horizontalquerschnitt mit diagonal gegenüberliegenden Kantenwinkeln von 120° bzw. 60° auf und sind derart-angeordnet, daß jeweils in einem Sektor von 120° des Keseelquerschnittes gleichartige Rohrbündel verwendbar sind.

Die Gesamtzahl aller Rohrbündel kann von einer zylindrischen Umhüllung im Abstand von der Kesselwandung umschlossen sein. Ferner kann zwischen der Umhüllung und der Kesselwand eine weitere Abschirmung vorgesehen sein, die den Zwischenraum in zwei ringförmige, mit stagnierendem, flüssigem Metall gefüllte Zonen unterteilt. Dadurch wird ein Schutz der Kesselwandung vor plötzlichen Temperaturschwankungen im Inneren des Dampferzeugers gewährleistet.

Darüber hinaus kann oberhalb des obersten Flüssigmetallspiegels eine Schutzzone aus einem Inertgas sowie unterhalb des oberen Rohrbodens Abschirmbleche gegen Flüssigmetallspritzer angeordnet sein.

Um die Oberseite des oberen Rohrbodens vor plötzlichen Tempera turänderungen zu schützen, weist dieser die durchgeführten Verdampferrohie umgebende und mit den Rohren vakuumdicht verschweißte Verlängerungen auf, über die von oben prismatische und dicht aneinanderliegende Stutzen geschoben sind.

Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen

Pig. 1 eine perspektivische Ansicht und einen teilweisen Schnitt durch einen Dampferzeuger,

Pig. 2 einen Längsschnitt durch einen Dampferzeuger, Pig. 3 einen Querschnitt entsprechend der Schnittlinie III-III nach Fig. 2,

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Pig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt entsprechend dem Teil IV nach Fig.3,

Fig. 5 und 6 einen vergrößerten Ausschnitt eines Teiles eines Rohrbündels in Längs- und Querschnitt,

Pig. 7 einen Längsschnitt durch einen Teil des oberen Rohrbodens,

Fig. 8, 9 und 10 einer Aufsicht auf den oberen Rohrboden,

Fig. 11 einen vergrößerten Ausschnitt entsprechend dem Teil XI nach Fig. 2,

Fig. 12, 13 und 14 einen Querschnitt durch den oberen Rohrboden mit entsprechenden Rohrbefestigungen und

Fig. 15 einen Querschnitt durch einen Druckkessel mit gleichartigen Rohrbündeln»

In den Figuren ist ein Zwangdurchlaufdampferzeuger 21 in stehender Anordnung mit senkrecht verlaufenden Rohren dargestellt. Der Dampferzeuger besteht aus einem im wesentlichen zylindrischen Druckgefäß 22 aus einem korrosionsfesten Metall, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, mit einem oberen und unteren halbkugelförmigen Abschlußteil 23 und 24, die als Sammler wirken. Innerhalb des Druckgefäßes 22 befinden sich Register 25 von baukastenförmig zusammengesetzten Rohrgruppen 27, die jede aus einer Mehrzahl von ebenen,mäanderförmig gewickelten Rohren29 bestehen. Dabei sind die Einzelrohre 29 horizontal gegeneinander verschiebbar gelagert. Das Druckgefäß 22 weist ferner Einlasse oder Düsen 31 für das flüssige Metall, das als wärmeabgebendes Primärmedium dient, auf, die einander gegenüberliegen und von oben schräg in das Druckgefäß 22 hineinreichen. Das flüssige Metall wird dabei zunächst in einen Sammelraum 33 geleitet, in dem eine durchlöcherte Verteilerplatte 34 angeordnet ist, um das Metall gleichmäßig über das Rohrregister zu verteilen. Das Druckgefäß hat außerdem Auslässe 35 für das flüssige Metall, die ebenfalls einander gegenüber angeordnet sind und schräg nach unten aus dem Druckgefäß herausragen. Das Primärmedium wird dann in nicht dargestellten Wärmetauschern, in diesem Fall im Reaktorkern, aufgewärmt und wieder den Einlassen 31 zugeführt.

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Die Rohre 29 sind in einen nach innen gewölbten, sphärischen Rohrboden 37 am unteren Ende des Druckgefäßes 22 eingeschweißt, wobei die untere, vom halbkugelförmigen Abschlußteil 24 und Rohrboden 37 gebildete Kammer einen Sammler 38 für das über den Stutzen 38a einströmende, zu "verdampfende Wasser bildet. Ferner sind die Rohre 29 am oberen Ende ebenfalls in einem sphärischen Rohrboden 39 eingeschweißt, wodurch in dem oberen Kopfstück 23 ein Sammler 40 für den erzeugten Dampf, der über die Rohrleitung 40a abströmt, gebildet wird. Da die Rohrboden 37 und 39 und die Kopfstücke 23 und 24 etwa kugelflächenförmige Gestalt aufweisen, kann die Stärke der Wandungen sehr klein gehalten sein.

Da sich der Rohrboden 37 unterhalb der Auslässe 35 für das Primärmedium befindet, kann oberhalb des Rohrbodens 37 eine Beruhigungszone 41 (Fig. 2) für das flüssige Metall entstehen. Das flüssige Metall in dieser Zone 41 tendiert zur Stagnation, wobei eine Zirkulation durch entsprechende Bleche 43 unterbunden wird. Ferner befindet sich eine Beruhigungszone 45 für das flüssige Metall oberhalb der durchlöcherten Verteilerplatten 34, über die das primäre Strömungsmedium von den Sammlern 33 den Rohrregistern zugeleitet wird. Die wirksame Länge der Rohre 29 liegt in der eigentlichen Wärmeübergangszone des Natriumstromes, d.h. zwischen der Linie 47 dicht unterhalb der Sammler 33 und der Linie 49 über den Flüssigmetall-Auslässen 35.

Da das flüssige Metall abwärts durch das Druckgefäß 22 strömt, ist die Strömung stabil und neigt nicht zur Schichtbildung. Das zu verdampfende Wasser jedoch strömt aufwärts durch die mäanderförmig gewundenen Rohre 29, und zwar in den wagrechten Schenkeln der Rohrregister quer zur Flüssigmetallströmung, um einen optimalen Wärmeübergang zu erhalten.

Die gesamte - erforderliche Wärme für beispielsweise einen 1C00 — MW-Dampferzeuger wird in einer einzigen Einheit entsprechend den Zeichnungen übertragen. Die Wirtschaftlichkeit großer Atomkernkraftwerke wird im wesentlichen durch die Verwendung einer

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einzigen Verdampfereinheit mit großer thermischer Kapazität erreicht. Der dargestellte Zwangdurchlaufdampferzeuger ist dabei einfach in Aufbau und Arbeitsweise, die insbesondere durch die kompakte Bauweise bedingt sind. Im Falle eines Lecks besteht eine nur geringe Gefahr, da er eine niedrige Wasserfüllung aufweist. Durch seine kompakte Bauweise kann er als Einheit hergestellt, transportiert und installiert werden. Das dabei verwendete Rohrmaterial (Incoloy 800) ist dabei sowohl für das flüssige Metall als auch für Wassersysteme verträglich. Dadurch werden sehr schwierige Herstellungsprobleme und zusätzlicher Aufwand, die sonst bei Mehrmetallen oder Rohren mit doppelten Wandungen erforderlich sind, vermieden. Kohlenstoffhaltiger Stahl kann für den Speisewasserrohrboden 37 verwendet werden, in dessen Bereich die Wassertemperatur nur etwa 300 C beträgt. Da die Wärmeübergangszahlen sowohl auf der Natriumais auch auf der Dampfseite der Rohre 29 sehr hoch sind, ist der Übertragungswiderstand der Rohrwandungen der wesentliche Paktor zur Begrenzung der gewünschten Wärmeübergangsoberfläche. Bei der Verwendung von kleinen Rohrdurchmessern von beispielsweise 10 mm ist auch die erforderliche Wandstärke für den herrschenden Druck relativ gering, nämlich ungefähr 1 mm. Dadurch wird die gesamte geforderte Oberfläche sehr klein, so daß sich auch ein geringes Volumen der einzelnen Rohrbündel ergibt. Die relativ dünnen Rohre 29 begrenzen also auch die Wassermenge, die in das Natrium bei einem Rohrbruch eintreten kann. Ferner sind Sicherheitsvorkehrungen zum sehr schnellen Ablassen des Wassers und gegebenenfalls.auch des Natriums vorgesehen.

In dem beschriebenen Dampferzeuger sind die Rohre 29 relativ dicht nebeneinander angeordnet. Jedoch verbleibt zwischen ihnen ein relativ großer Strömungsquerschnitt für das Natrium, um einen geringen Druckverlust zu erreichen. Die kompakte Ausführung der Rohrbündel drückt sich in den geringen Gesamtabmessungen des Druckkessels und, in entsprechend dünnen Gehäusewandungen aus. Darüber hinaus bedingt diese Ausführung eine gute Anpassung des Dampferzeugers an auftretende thermische Spannungen. _7_ -

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Um eine maximale Verdampfung des Wassers zu erreichen, ist es erforderlich, daß die Schenkel 51 der mäanderförmig gewickelten Rohrbänder 29 quer zur Achse des Dampferzeugers 22 so lang wie möglich sind. Diese Schenkel 51 sind sehr lang im Vergleich zu den axial verlaufenden Schenkeln 53, wie insbesondere aus Figur ersichtlich ist. Die effektive Länge der Rohre 29 für das Sekundärmedium ist dabei mindestens dreimal so groß wie die Länge der aktiven Wärmetauscherzone 47 bis 49·

Die Rohrbündel 27 erstrecken sich über den gesamten Querschnitt des Druckgefäßes 22. Wenn das Druckgefäß 22 kreisförmigen Querschnitt aufweist, so weisen die Rohrbündel 27 unterschiedliche Größe in den verschiedenen Bereichen des Kesselquerschnittes auf.

Nach Figur 3 haben die Rohrbündel fünf verschiedene Größen A, B, C, D und E des Horizontalquerschnittes. Rohrbündel von der Größe A erstrecken sich über den gesamten Querschnitt an der vorderen und hinteren Seite des Druckkessels. An diese Rohrbündel stoßen Bündel mit der Breite E an, die entsprechend dem auszufüllenden Querschnitt etwas breiter als die Bündel A sind. Die letztgenannten Rohrbündel werden abgelöst von 2 Bündeln mit der Größe A, die sich von einer axialen mittleren Trennwand 61 des Druckgefäßes nach beiden Seiten bis zum Umfang erstrecken. An die Bündel mit der Größe B stoßen Bündel mit der Größe C an, die wiederum von Bündeln mit der Größe D abgelöst werden, die alle von der axialen Trennwand 61 bis zum Umfang verlaufen. Die Bündel der Größe D werden in der Mitte des Querschnittes von Bündeln der Größe E abgelöst, die sich ebenfalls von der Trennwand 61 zum Umfang erstrecken.

Die Rohre 29 der einzelnen Bündel weisen alle die gleiche Länge auf. Die Abstände zwischen den Schenkeln 51 und 53 der mäanderförmigen Rohrbänder mit der geringeren Größe A, B und C sind geringer als die entsprechenden Abstände der größeren Bündel D und E; Die Stärke der einzelnen Rohrbündel ist unterschiedlich und so gewählt, daß die Bündel dicht im gesamten Kessel-

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querschnitt aneinander anliegen. ■

In Figur 15 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die einzelnen Rohrbündel 63 gleichen Horizontalquerschnitt und Größe aufweisen. Der gesamte Rohreinbau weist dabei einen prismatischen Querschnitt auf. Die einzelnen Rohrbündel 63 verlaufen ebenfalls senkrecht zur Achse des Druckgefäßes 22 und haben einen Parallelogrammquerschnitt mit diametral gegenüberliegenden Winkeln von 120° bzw. 60°. Die einzelnen Rohrgruppen 63 sind dabei dicht nebeneinander in 120 -Sektoren über den Querschnitt des Druckgefäßes 22 angeordnet, wie sich auch durch die Trennwände 190, 191 und 192 ergibt.

Alle Rohrbündel sind von einer zylindrischen Schutzhülle 71,die konzentrisch zum Gehäusemantel 22 angeordnet ist, umhüllt, während die einzelnen Rohrgruppen 27 durch Rohrhaltebleche 73 (wie aus Figur 4 und 6 ersichtlich) voneinander getrennt sind.

Wie aus Figur 5 ersichtlich ist, werden die Rohre 29 durch jeweils an den.Rohren eingekerbte Stege 25 gehalten, die sich senkrecht und parallel zu den Rohrregistern erstrecken und wiederum von Stangen 77 gehalten werden, die sich quer zu den Rohrgruppen 27 erstrecken. Diese Stangen 77 werden in den verschiedenen Halteplatten 73.gehalten. Diese Platten 73 tragen das Gewicht der Umhüllung 71, die ihrerseits wieder vom Mantel 22 des Druckgefäßes an verschiedenen Stellen getragen wird.

Die Umhüllung 71 umschließt die inneren Rohrgruppen und steht am unteren Ende mit dem Natriumauslaßleitungen 81 in Verbindung. Die Rohrgruppen 25 werden am unteren Ende der Hülle 22 durch die Umhüllung 71 getragen. Dehnungsbewegungen zwischen der Umhüllung 71 und den Einlaßrohren 79 werden durch Abstandshalter ermögliht.

Die Auskleidungen 79 und 81 der Zu- und Ableitungsstutzen 31 und 35 für das flüssige Metall sind thermisch geschützt durch

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im wesentlichen zylindrische Abschirmeinbauten 9I₁ wie aus Figur 11 ersichtlich ist. Die Abschirmungen 91 schützen die äußere Rohrwandung 82 von verschiedenen thermischen Spannungen durch Abbau des Wärmeüberganges zu oder von den Auskleidungen 79 oder 8.1. Die Abschirmungen 91 vermindern also die relative thermische Ausdehnung zwischen der Rohrwandung und der Auskleidung, wodurch die mechanische Festigkeit des Kessels in diesem Bereich gewährleistet ist. . ■

Die Abschirmung 91 ist im wesentlichen zylindrisch und koaxial zur Rohrauskleidung 79 angeordnet. Die Abschirmung 91 umfaßt eine Muffe 93, die dicht an der Rohrwandung 82 anschließt und durch eine Schweißnaht 95 längs seiner Kante mit der Wandung verbunden ist. Die im wesentlichen zylindrische Abschirmung 97 ist mit der Muffe 93 durch ein zwischengeschaltetes radiales Teil 99 verbunden und liegt in der Verlängerung der Auskleidung 79· Zusätzlich sind weitere Abschirmbleche 101 zwischen der Abschirmung 99 und der Muffe 93 angeordnet.

Die Abschirmung 91 liegt dabei in einem Gebiet relativ stagnierenden flüssigen Metalls, es sei denn, daß das Metall sprudelt und durch die Umhüllung 71 zurückschlägt. Diese Wirbel werden aber durch radiale Verbindungsglieder 103 gemildert.

Obwohl durch geeignete Abschalt- und Regeleinrichtungen die Spannungen, die durch Lastwechsel hervorgerufen werden, gemindert werden können, ist jedoch eine Gefahrensituation, wie .beispielsweise bei einem Reaktorbruch oder einem Speisewasser- oder Natriumverlust, wahrscheinlich auf diesem Wege nicht zu beherrschen. Beispielsweise kann die Eintrittstemperatur des flüssigen Metalls in den Dampferzeuger bei einem Reaktorschaden um ungefähr 150° C fallen. Das würde einen gleichgroßen Abfall der Dampfaustrittstemperatur bedeuten, wodurch ein erheblicher Wasserschwall in den Dampfraum 40 strömen würde. Ein Schaden an der Wasserpumpe würde demgegenüber ein plötzliches Ansteigen

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der Natriumaustrittstemperatur aus dem Dampferzeuger um 250 C bedeuten.

Bei dem Dampferzeuger nach der Erfindung werden Spannungen durch thermisch bedingtes Ausdehnen und Zusammenziehen benachbarter Metallteile soweit reduziert, daß die auftretenden thermischen Spannungen so gering werden, daß eine hohe Lebensdauer der Anlage gewährleistet ist. Die mäanderförmig gewundenenRohre stellen selbst eine hochbewegliche Anordnung dar, die eine Ausdehnung nach allen Seiten ermöglicht. Auch die verschiedenen Haltevorrichtungen können sich frei ausdehnen, da zahlreiche Dämpfungsglieder und Umhüllungen vorgesehen sind. Diese Halteglieder sind sehr leicht ausgeführt, so daß keinerlei Schaden durch thermische Schocks auftreten können. Die zwischen den Zuführungen 31 und 35 und der Gehäusewandung 22 angeordneten Zwischenwände sind notwendig, um auftretende thermische Spannungen zu vermindern. Außerdem ist eine geeignete thermische Isolation zwischen den einzelnen Rohrgruppen und ihren Verbindungen vorgesehen.

Temperaturänderungen im Primärmedium erzeugen aber auch Temperaturspannungen in den Rohrboden 37 und 39· Derartige Spannungen entstehen, da die Rohre selbst sehr schnell auf Temperaturänderungen des primären oder sekundären Mediums ansprechen, wodurch Spannungen in den Sammleranschlüssen hervorgerufen werden. Diese Spannungen entstehen auch durch den Umstand, daß die Teile der Rohrboden 38 und 39, in die die Rohre 29 einmünden, schneller als die entfernteren Bereiche auf Temperaturänderungen ansprechen.

Diese Spannungen werden jedoch durch eine flexible Verbindung , der Rohre 29 mit den Rohrboden vermindert. Eine derartige flexible Verbindung wird, wie in Figur 12 näher dargestellt ist, durch eine ringförmige Vertiefung 111 im Rohrboden 39 um die einzelnen Rohrenden der Rohre 29 erreicht. Dabei sind die

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Rohre 29 durch eine Schweißnaht 113 vakuumdicht mit dem Rohrboden verbunden. Eine ähnliche flexible Verbindung kann man durch Einschweißen eines ringförmigen und am oberen Ende nach außen umgestülpten Rohrteiles 115 erreichen, das außerhalb der Schweißnaht 113 durch eine ebenfalls ringförmige und vakuumdichte Schweißnaht 115 mit dem Rohrboden 39 verbunden ist, wie insbesondere aus Figur 13 zu ersehen ist. Eine weitere Möglichkeit, die sich aus Figur 14 ergibt, besteht darin, daß das Rohr 29 ein Stück nach oben über den Rohrboden 39 hinausragt, wobei das Rohrende 29 von einem Rohrstutzen 117 im Bereich des Rohrbodens 39 und des darüberhinausragenden Rohrendes umgeben ist. Dieser Rohrstutzen 117 ist mit dem Rohr 29 durch eine Schweißnaht 119 und mit dem Rohrboden durch eine Schweißnaht 123 vakuumdicht verschweißt.

Die Spannungen im Bereich des Rohrbodens, der an die Rohre angrenzt, wird durch eine thermische Isolierung der Rohrboden 39 vermindert, so daß die Bereiche, in denen die Rohre enden, nicht sofort auf Temperaturänderungen ansprechen. Diese Isolierung muß im Hinblick auf die Strömung innerhalb der Rohre und auch im Hinblick auf Strömungsmedien, die direkt mit den Rohrboden 39 in Berührung kommen, ausgeführt sein. Die Teile der Rohrboden, die mit den Rohren direkt in Berührung kommen, können vom Medium innerhalb der Rohre durch einen ringförmigen Spalt rund um die Rohre 29 (wie in Figur 12 und 14) oder durch einen ringförmigen Beruhigungsraum 125 (wie in Figur 13) zwischen dem Hauptkörper des Rohrbodens 39 und den Enden der Rohre 29 erreicht werden.

Ein Schutz gegen heißes, unverdampftes Sekundärmedium an dem oberen Rohrboden 39 wird durch Vorrichtungen gewährleistet, wie sie in den Figuren 7, 8, 9 und 10 beschrieben sind. Der Rohrboden 39 weist dafür um die jeweiligen Rohre 29 eine rohrförinige Verlängerung 131 auf. Die Rohre 29 sind dabei durch eine vakuumdichte Schweißnaht 139 mit den Verlängerungen 131 ver-

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schweißt. Die Rohre 29 reichen noch bis über die Verlängerungen 131 hinaus und werden dort vom rohrförmigen Stutzen 135 gehalten, die über die Rohre 29 und die Verlängerung 131 geschoben und, wie in Figur 8 gezeigt, mit diesen verbunden sind. Wenn die Rohre auf den Ecken von gleichseitigen Dreiecken angeordnet sind, weisen die Rohrstücke 135 einen sechseckigen Querschnitt nach Figur 8 auf. Sind die Rohre 29 dagegen auf den Ecken von Quadraten oder Rechtecken angeordnet, so haben die Stutzen 141 nach Figur 9 einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt. Wenn die Rohre 29 dagegen auf den Ecken von nicht gleichseitigen Dreiecken angeordnet sind, können die Stutzen 143 ebenfalls rechteckigen Querschnitt aufweisen und so dimensioniert sein, daß sie sich dicht berühren. Wenn also Dampf oder überhitztes Wasser durch die Rohre 29 ausströmt, kommt es zunächst lediglich mit den Stutzen in Berührung, wodurch der Rohrboden 39 gegen plötzliche Temperaturänderungen geschützt ist.

In Gebieten, in denen ein hoher Spannungsgrad nicht zu vermeiden ist, sind thermische Abschirmungen vorgesehen, um die Temperaturänderungsrate auf die gescnützten Bereiche zu vermindern, so daß die thermischen Spannungen nicht schädlich sind. Solche Abschirmungen sind notwendig in allen Bereichen der Gehäusewandung 22, der Rohrboden 37 und 39 sowie der Zuführungen 31 und 33, die mit dem flüssigen Metall in Berührung kommen. Da flüssiges Natrium ein gutes Wärmeübertragungsmedium ist, würden thermische Schocks auf diese stärkeren Metallteile ohne Abschirmung Schäden verursachen.

Ein hochreines Inertgas, wie beispielsweise Argon oder Helium, wird deswegen unter hohem Druck in geeigneter Weise eingeleitet und füllt den Zwischenraum 150 um die Sammelräume 33 und oberhalb des Flüssigmetallspiegels 151 und wirkt somit als Schutzgas. Metallische Komponenten, die mit diesem Schutzgas in Berührung stehen, reagieren langsam auf Temperaturänderung des flüssigen Metalls und bedürfen daher keiner zusätzlichen thermischen Abschirmung. Der Wärmeübergang vom flüssigen Metall zum

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Gas und zum Füllmetall durch natürliche Konvektion ist sehr gering. Die Wasserseite der Wasserrohrböden 37 erfährt dagegen keine schädlichen Wärmespannungen, außer bei einem plötzlichen Druckabfall infolge eines Reaktorschadens. Dieser Vorgang verläuft jedoch ähnlich den Wärmeübergängen bei herkömmlichen Dampferzeugern.

Die unteren Teile der Rohrbündel 27 sind, wie in Figur 1 und 2 mit C bezeichnet, so geformt, daß sie dicht in den unteren Rohrboden 37 eingeführt werden können. Dieser Rohrboden 37 wird durch eine Mehrzahl von Abschirmblechen 43 geschützt, die in entsprechenden Abständen zueinander durch Abstandshalter 43a gehalten werden. Diese Abschirmbleche dienen primär als Strömungsleitbleche, um einen Beruhigungsbereich 41 für das flüssige Metall zwischen dem strömenden Metallbereich und dem Rohrboden zu erzeugen. Die gefährlichsten Wärmeübergangsbedingungen für den Rohrboden 37 treten auf, wenn der Zufluß des Sekundärmediums unterbrochen würde, während das Flüssigmetall weiterfließt. Die Wärme würde dann von dem Metall in dem äußeren Bereich abwärts durch die Beruhigungszone 41 zu dem Rohrboden 37 fließen. Da die Wärmeströmung abwärts gerichtet ist, würde keinerlei Konvektionsströmung auftreten, so daß die Wärme allein durch direkte Wärmeleitung übertragen würde. Da die direkte Wärmeleitung bei Natrium sehr hoch in Bezug auf andere übliche Strömungsmedien ist, liegt sie etwa dreimal so hoch wie die für rostfreien Stahl. Die Wärmeleitung durch die Beruhigungszone, die ungdähr 60 cm stark ist, schützt den Rohrboden, der etwa 7 cm stark ist, gegen verschiedene thermische Spannungen. In den Blechen 43 sind zusätzliche Bohrungen 152 vorgesehen, um einen Druckaufbau von einem Rohrleck in das Flüssigmaterial zu vermeiden. Etwa entstehender Wasserstoff strömt durch diese Leitbleche und dann durch die G-ehäuseabschirmung zur Spitze des Dampferzeugers 21.

Eine Abschirmung durch Flüssigmetall zwischen der Umhüllung"71

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und der Gehäusewandung 22 schützt die Gehäusewandung vor plötz-v liehen Temperaturänderungen. Im allgemeinen ist eine 15 cm starke Abschirmung ausreichend. Die Gehäuseabschirmung folgt etwa denselben Prinzipien, wie sie für den Wasserrohrboden 37 gelten, d.h. der Wärmeleitwiderstand und die Wärmekapazität des Flüssigmetalls selbst wird ausgenutzt, um den Wärmeübergang zu vermindern. Da das Druckgefäß senkrecht angeordnet wird, tritt zusätzlich noch eine Konvektionstendenz während des Wärmeüberganges auf. Sie kann jedoch durch Unterteilen der ringförmigen Natriumzone 153 nach Figur 2 verhindert werden, indem eine zusätzliche Abschirmung 154, die die Umhüllung 71 umgibt, angebracht wird.

Es sind also zwei Zonen von Flüssigmetall in der Abschirmzone 153 vorhanden, nämlich der ringförmige innere Bereich 155 und der äußere ringförmige Bereich 156. Heißes Metall strömt in der inneren Abschirmzone 155 abwärts und wird durch Wärmeübergang des Hauptmetallstromes innerhalb der Umhüllung 71 im Bereich der Rohrbündel 25 gekühlt. Dieses Flüssigmetall aus dem Abschirmbereich strömt dann im Bereich der Rohre 29 und der Abführöffnung 35 in den Hauptnatriumstrom am unteren Ende des Dampferzeugers 21 .

Die äußere Abschirmnatriumzone 156 enthält stagnierendes Fatrium mit der gleichen Temperatur wie das in der inneren Zone, wobei beide Zonen noch zusätzlich unterteilt sein können, um eine Konvektion zu verhüten. Die Ausführung der Unterteilung ist abhängig von den beabsichtigten Verhältnissen und den Fertigungsmöglichkeiten. Die Gehäusewandung 22 sollte im allgemeinen mit speziell geformten Abschirmblechen vollständig abgeschirmt ae.in, die sorgfältig an den Zu- und Ableitungen 31 und 35 und anderen Unregelmäßigkeiten in der Gehäusewandung im Bereich, eines möglichen Teilkontaktes mit dem flüssigen Metall vorgesenen sind. Darüber hinaus sind Abflußöffnungen und Spülöffnungen :'"_;r die Abschirmräume vorgesehen.

Die oberen Bereiche der Rohrgruppen 27 sind nach innen eingezogen, wie durch D in Figur I und 2 angedeutet ist, um ein ^n

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gleichmäßigen Übergang zum Querschnitt'des oberen Rohrbodens 39 zu erreichend Sie sind ferner von einem ringförmigen Abschirmblech 160 eingefaßt. Der Rohrboden 39 ist darüber hinaus durch ringförmige Abschirmbleche 161 und durch in Abstand zueinander angeordnete Leitbleche 163 innerhalb der Abschirmung 160 geschützt*

In der folgenden Tabelle sind die wesentlichsten Maße des
Dampferzeugers angegeben, um darzustellen, in welch gedrängter Bauweise ein derartiger Dampferzeuger für eine entsprechend hohe Leistung ausgelegt werden kann.

Gesamtgewicht

90 t

Kesselabmessungen

Primärmedium	Natrium
Außendurchmesser	3,70 m
Wandstärke	0,06 m
Gesamtlänge	10,50 m
Auslegungstemperatur	650° C
Auslegungsdruck	21 atü
Rohrabmessungen

Sekundärmedium Rohrmaterial Zahl der Rohre Außendurchmesser Wandstärke Effektive Länge Installierte Länge Bauform
Rohrabstand

Nenntemperatur Nenndruck

Wasser u. Dampf
Incoloy-800
6000
9,8 mm

1,2 mn 18,0 m 21,6 π

Mäanderwicklung

14 mm zwischen Rohrachse in Strömungsrichtung

16 mm zwischen Rohrachse quer zur Strömungsrichtung

650° C

85 atü

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. C-

Rohrbodenabmessungen

Form

Wandstärke des wasserseitigen Rohrbodens

Wandstärke des dampfseitigen Rohrabstand

Natrium

Eintrittstemperatur Austrittstemperatur Durchsatz

Strömungsgeschwindigkeit Druckverlust

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	PLA 69/8220
	sphärisch
Rohrbodens	63,5 nmr
Rohrbodens	280,0 mm
	19,0 mm
	610° C
	343° C
	10,5 . 10⁵t
	1,1 m/sec
	0,3 at

Dampf und Wasser

Eintrittstemperatur Austrittstemperatur Dampfdruck

Druckverlust Eintrittsgeschwindigkeit Austrittsgeschwindigkeit

316° C 565° C 155 atu

10 at 3 m/sec

46 m/sec

Thermische Daten

Wärmeübergang Wirksame Oberfläche

0,84.1O⁹ K eal/h 3,200 m²

Der Dampferzeuger 21 nach dieser Erfindung mit einem Flüssigmetall wie Natrium arbeitet in senkrechter Anordnung. Die verschiedenen Einbauten sind so angeordnet, daß sie sicher gehalten werden, wenn der Dampferzeuger sich in dieser Lage befindet. Wenn dagegen der Dampferzeuger bei bestimmten Herstellungsprozessen oder besonders beim Transport horizontal gelagert werden muß, müssen zusätzliche Vorrichtungen getroffen werden, um die Rohrbündel 25 und andere Einbauten zu schützen. Für diesen Zweck kann das Gehäuse 22 des Dampferzeugers mit flüssigem Natrium, das sicn beim Abkühlen verfestigt, gefüllt

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werden, so daß die Rohrbündel 25 sieher gehalten werden.

Das Natrium in dem vorliegenden Dampferzeuger ist als Füllmaterial sehr geeignet, da die Materialien der Konstruktionsteile des Dampferzeugers 21 alle mit Natrium verträglich sind. Zur Reinigung muß der Dampferzeuger jedoch mit einem Inertgas gefüllt werden.

Die Erfindung ist nicht nur auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfaßt auch alle Ausführungsbeispiele, die in den Rahmen der Erfindung fallen.

Geeignete Mannlochabdeckungen 180 und 181 können an'den oberen und unteren Sammlern 24 und 23 vorgesehen werden, um einen Zugang zu den angeschlossenen Kammern zu ermöglichen, wie das allgemein üblich ist.

Darüber hinaus kann ein Notauslaß 185 nach Figur 2 am oberen Ende des Druckgefäßes 22 vorgesehen sein, der mit einer Bruchscheibe 186 verschlossen ist. Bei einem plötzlichen Überdruck in dem Gefäß 22 wird dann die Scheibe 186 brechen und das unter Druck stehende Medium kann aus dem Druckgefäß durch die Leitung 188 abströmen.

16 Patentansprüche
15 Figuren

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Claims

Patentansprüche

( 1.JDampferzeuger für Atomkernreaktoren mit flüssigem Metall als primärem, wärmeabgebendem Medium und mit zu verdampfendem Wasser als Sekundärmedium, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampferzeuger (21) als angenähert zylindrischer Druckkessel (22) in stehender Anordnung mit halbkugelförmigen Abschlüssen (23, 24) sowie seitlichen Zu- und Abführungen (31, 35) für das flüssige Metall im oberen bzw. im unteren Bereich des Druckkessels (22) ausgeführt ist und daß zwischen zwei jeweils nach innen gewölbten Rohrböden (37, 39) im oberen und unteren Bereich des Druckkessels ebene, mäanderförmig gewundene und untereinander gleich lange Rohrregister (25), die jeweils zu Rohrbündeln (27) mit rechteckigem Querschnitt zusammengefaßt sind, dicht aneinander gepackt und den gesamten Druckkesselquerschnitt ausfüllend angeordnet sind und daß das flüssige Metall von oben nach unten zwischen den einzelnen Rohren (29) hindurchströmt.
2. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrboden (37, 39) die halbkugelförmigen Kesselabschlüsse (23, 24) zu einem Zuführungssammler (38) für das zu verdampfende Wasser am unteren Ende des Kessels (22) und zu einem Abführungssammler (40) für den entstandenen Dampf am oberen Ende abschließen.
3. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abführleitung (35) für das flüssige Metall oberhalb des unteren Rohrbodens (37) aus dem Druckkessel (22) ausmündet.
4. Dampferzeuger nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß über dem unteren Rohrboden (37) eine stagnierende Schicht (41) aus flüssigem Metall vorgesehen ist. ^?

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5. Dampferzeuger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der stagnierenden Schicht (41) horizontale Bleche (43) zur Strömungsunterbindung angeordnet sind.
6. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die horizontalen, senkrecht zur Strömungsrichtung des flüssigen Metalls verlaufenden Schenkel (51) der mäanderförmig gewickelten Rohrbänder (25) langer sind als die senkrechten, parallel zur Metallströmungsrichtung verlaufenden Schenkel (53) und sich mindestens über den halben Kesselquerschnitt erstrecken.
7. Dampferzeuger nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (29) der einzelnen Rohrbänder (27) horizontal zur senkrecht verlaufenden Rohrebene verschiebbar gelagert sind.
8. Dampferzeuger nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrlänge der einzelnen Rohrbündel (27) mindestens dreimal so lang ist wie die wirksame Wärmetauscherzone im Druckkessel.
9. Dampferzeuger nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrbündel (27) entsprechend ihrer Lage im Kessel unterschiedlichen horizontalen Querschnitt aufweisen.
10. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verwendung jeweils gleich großer Rohrbündel (63) über den Gesamtquerschnitt die Rohrbündel (63) einen parallelogrammartigen Horizontalquerschnitt mit diagonal gegenüberliegenden Kantenwinkeln von 120° bzw. 60° aufweisen und derart angeordnet sind, daß jeweils in einem Sektor von 120° des Kesselquerschnittes gleichartige Rohrbündel verwendbar sind.
11. Dampferzeuger nach Anspruch 1, 6, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtzahl aller Rohrbündel (27) von einer sylindrisehen Umhüllung (71) in Abstand von der Kesselwandung (22) umschlossen ist.

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12. Dampferzeuger nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Umhüllung (71) und Kesselwand (22) eine weitere Abschirmung (154) vorgesehen ist, die den Zwischenraum in zwei ringförmige und mit stagnierendem flüssigem Metall gefüllte Zonen (155, 153) unterteilt.
13. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des obersten Flüssigmetallspiegels eine Schutzzone · (150) aus Inertgas vorgesehen ist.
14. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des oberen Rohrbodens (39) Abschirmbleche (161, 163) gegen Flüssigmetallspritzer angeordnet sind.
15. Dampferzeuger nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abschirmung der Oberseite des oberen Rohrbodens (39) dieser die durchgeführten Rohre (29) umgebende und mit den Rohren (29) vakuumdicht verschweißte Verlängerungen (131) aufweist, über die von oben prismatische, dicht aneinanderliegende Stutzen (135) geschoben sind.
16. Dampferzeuger nach Anspruch 1 bis»15, dadurch gekennzeichnet, daß zum Transport des mit allen Einbauten versehenen Druckkessels dieser mit einem flüssigen und nach dem Einfüllen erstarrenden Metall gefüllt wird. .

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