DE2210393A1 - Natriumbeheizter Dampfgenerator - Google Patents

Description

ITatriumbeheizter Dampfgenerator

Die Erfindung bezieht sich auf einen natriumbeheizten Dampfgenerator.

In den bekanntesten Typen von Kernkraftwerken wird sum Kühlen des Ralctors und zum Übertragen der Eur Dampferzeugung dienenden V/ärme auf Wasser flüssiges Natrium verwendet. Der indirekte Wärmeaustausch zv/ischaa Natrium und Wasser birgt gewisse Gefahren, Kommen nämlich bei einem Versagen des Materials flüssiges Natrium und Wasser direkt miteinander in Berührung, so führt der dadurch bewirkte plötzliche Druckanstieg zur Explosion. Diese !löslichkeit einer Reaktion von natrium und V/asser ist wegoη der Wärmeaus-= dehnung der Teile des Dampfgensrators und wegen* der mit der Verwendung von strömendem ITatrium Hand in Hand gehenden

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Erosion und Korrosion immer vorhanden.

Ein weiteres Problem entsteht bei natriurabeheizten D-ampfgeneratoren aus der Stagnation von liatrium, wie sie aufgrund von mangelhafter Bewegung in der Natriumströraung durch den Generator eintreten kann. Durch Verhindern der Stagnation des Natriums läßt sich der Wirkungsgrad des Dampfgenerators verbessern und die Gefahr einer Überhitzung und Bruch der Leitungen verringern.

Ein wichtiges Ziel der Erfindung besteht darin, die vor-

stehend angeführten Mängel bekannter Anordnungen zu beheben und einen mit einfachen Mitteln wirtschaftlich herstellbaren natriumbeheisten Wasserdampfgenerator zu schaffen, der sich durch erhöhte Betriebssicherheit und verbesserten Wirkungsgrad auszeichnet.

Die Erfindung sieht einen natriumbeheizten V/asserdampfgenerator vor, bei dem die Gefahr von Rohrbrüchen beispielsweise infolge der thermischen Dehnung verringert ist und bei welchen im Falle eines Rohrbruchs eine schnelle Entlastung des Generators von den Folgen einer Reaktion von Natrium und Wasser stattfindet. Die Erzeugung von Dampf aus Wasser erfolgt in Einsteckrohren, welche abwärts in einen von flüssigem Natrium durchströmten Behälter ragen. Ferner enthält der Behälter ein zentrales Sicherheitsrohr zur Entlastung des Generators von den Folgen einer unerwünschten Reaktion zwischen Natrium und Wasser. Der Behälter %st als ein senkrecht stehendes, längliches Gehäuse ausgebildet, in welchem eine Anzahl von Einsteckrohren abwärts in ein Bad aus flüssigem Natrium rar;t, wodurch in diesen enthaltenes Wasser durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Natrium in Dampf umgewandelt wird. Zwischen einer Anordnung von Pralloder Leitblechen, durch welche hindurch die Einsteckrohre geführt sind, erstreckt sich ein Sicherheitsrohr in der Mitte des Gehäuses abwärts. Zwischen den Sicherheitsrohr und der Seitenwand des Behälters abwärts ütrchiendos !Tatriura

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umströmt die Einsteckrohre abwechselnd radial einwärts und auswärts, bis es den Boden des Behälters erreicht. Im Falle einer unbeabsichtigten Reaktion zwischen natrium und Wasser dient das Sicherheitsrohr der schnellen Entlastung des Behälters von den Polgen der Reaktion und verhindert damit eine heftige Explosion.

Gemäß der Erfindung ist ein Danpfgenerator der eingangs genannten Art gekennzeichnet durch einen länglichen, senkrechten Druckbehälter, durch eine Ansah! von in Längsrichtung des Druckbehälters in diesen hineinragenden Einsteckroliren, welche jeweils ein unten geschlossenes und oben offenes Außenrohr sowie ein darin angeordnetes, beiderseits offenes Innenrohr enthalten, durch eine obere Rohrplatte_t zn welcher die Innenrohre verlaufen, durch eine untere Rohrplatte, zu welcher die Außenrohre verlaufen, durch einen oberhalb der

oberen Rohrplatte mündenden Wassereinlaß, durch einen zwischen der oberen und der unteren Rohrplatte angeordneten Dampfaustritt, durch einen unterhall- der unteren Rohrplatte mündenden Einlaß für flüssiges Natrium, durch einen Auslaß für flüssiges Natrium im unteren Teil des Behälters_t durch ein in der Längsachse des Generators verlaufendes;! am linderen Ende und zunächst den oberen Ende offenes Siclierheitsrohr zum Entlasten des Generators von den !folgen einer unerwünschten Reaktion zwischen Natrium und Wasser, "fid durafct eine Anzahl von ringförmigen Leitblechen, weiche sieli vom Sicherheitsrohr auswärts erstrecken und durch die die Einßteckrohre in radialer Anordnung zum Sicherheitsrohr lose hindurchgeführt sind, wobei die Leitbleche wecb.se2.weise als innere und äußere Leitbleche angeordnet sind, .in deren Bereich eine stärkere Abwärtεströmung des flüssigen Natriums jeweils nur an ihrer dem Sicherheitsrohr abgekehrten Seite bzw. an ihrer diesem zugekehrten Seite möglich ist.

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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer erfindungsgenäßen Ausführung form eines natriumbeheizten Dampfgenerators»

Fig. 2 eine Teilansicht mit einigen der in Fig. 1 gezeigten Einsteckrohren,·

Fig. 5 eine Querschnittansicht entsprechend der Linie 3-5 in Fig. 1 und

Fig. 4 eine Querschnittansicht entsprechend der Linie 4-4 in Fig. 1.

Der in Fig. 1 gezeigte natriumbeheizte Dampfgenerator 10 weist einen Druckbehälter 12 mit einwärts gerundetem Boden auf. Ein Verschlußteil 16 ist mit einem unten daran gebildeten Flansch 18 auf einen Flansch 20 am oberen Rand des Druckbehälters 12 aufgesetzt. Im Verschlußteil 16 ist eine Ringkammer 22 durch eine senkrechte Innenwand 24 und eine senkrechte Außenwand 26 sowie durch einen auf das Verschlußteil 16 gesetzten Ringdeckel 28 gebildet. Eine sich über die Ring* kajmer hinweg erstreckende ringförmige obere Rohrplatte ist mit ihren Rändern zwischen dem Ringdeckel 28 und den oberen Rändern der inneren und äußeren Wände 24 bzw· 26 eingespannt. Die obere Rohrplatte 30 unterteilt die Ringkammer 22 in eine obere und eine unter Kammer 32 bzw. 34. Die untere Kammer ist durch die senkrechte Innenwand 24, die äußere Innenwand 26, die obere Rohrplatte 30 und eine untere Rohrplatte 36 begrenzt.

Vom Verschlußteil 16 aus ragt eine Anzahl von Einsteckrohren abwärts in den Druckbehälter 12. Die in Fig. 2 im einBeinen gezeigten Einsteckroiire weisen jeweils ein Innonrohr '%?. und

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ein Außenrohr 44 auf. Die Innenrohre 42 verlaufen jeweils bis zur oberen Rohrplatte 30, während die Außenrohre sich jeweils aufwärts bis zur unteren Rohrplatte 36 erstrecken. V/ährend die Außenrohre 44 an ihren unteren Enden geschlossen sind, weisen die Innenrohre 42 .unten offene Enden auf, mit denen sie sich bis nahe an die unteren Enden der Außenrohre 44 erstrecken. Zwischen dem Inner;rohr 42 und den Außenrohr 44 der einzelnen Einsteckrohre 40 sind zur Verhinderung der Ausbildung von Dampfporen, an denen die Gefahr' einer geringen Wärmeabfuhr und damit einer Schädigung der Außenrohre bestünde, abwärts verlaufende Spiralrippen gebildet (Fig.2). Diese Ausbildung gewährleistet, wie erwähnt, daß Beschädigungen der Rohre und die sich daraus ergebende Reaktion von Natrium und V/asser .praktisch unmöglich sind.

Über einen V/assereinlaß 48 strömt Wasser in die obere Kammer und aus dieser in den Innenrohren 42 abwärts, um dann unter Umwandlung in Dampf zwischen den Innenrohren 42 und den Außen- * rohren 44 wieder aufwärts zu strömen. Der Dampf sammelt si& in der unteren Kammer 34 und strömt über Auslässe 50 einem Verbraucher, insbesondere einer Dampfturbine zu.

Das zum Erzeugen des Dampfs verwendete flüssige Natrium tritt durch einen Einlaß 52 in den Druckbehälter 12 und fließt im Druckbehälter 12 abwärts, bis es durch eine gelochte Verteilerplatte 54 in eine untere Kammer 56 gelangt, von · welcher es den Druckbehälter 12 über einen Auslaß 58 ver läßt. Dabei wird das Natrium im Behälter 12 auf einer Stand-

höhe L gehalten.

Zum Schutz de3 Druckbehältor3 12 vor den sehr hohen Temperaturen des einströmenden ITatriums ist ein Isoliermantel vorgesehen. Dieser ist im wesentlichen zylindrisch und hat einen einwärts gerundeten Boden 62, welcher das abwärts strömende Natrium dom Auslaß 53 zuleitet. Wie man in Fig;. erkennt, verläuft der Isoliermantel GO in gewissem Abstand zur Wandung des Druckbehältors bis etwas über den Einlaß 52'

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für das Natrium hinaus, über den Einlaß 52 zufließendes Natrium strömt hauptsächlich aufwärts über den Isolier- . mantel 60 hinweg. Zunächst fließt jedoch eine geuisne Hange Natrium zwischen den Isoliemantel 60 und die Wandung des Druckbehälters 12, bis der dort vorhandene Zwischenraum vollständig ausgefüllt ist. Im Eetrieb isoliert das den Zwischenraum ausfüllende Natrium den Druckbehälter 12 gegenüber den hohen Temperaturen des dem Generator 10 zufließenden Natriums.

Die Innenfläche des Natriumeinlasses und der größte Teil der Innenfläche des Druckbehälters 12 sind mit einer Auskleidung 64 aus rostfreiem Stahl überzogen, welche bei Undichtwerden des Isoliermantels 60 eine übermäßige Erhitzung des Druckbehälters 12 durch das Natrium lange genug verzögert, um bei Anzeige der Undichtigkeit durch Warneinrichtungen entsprechende Gegenmaßnahmen zu ermöglichen. Als Warneinrichtungen eignen sich Instrumente, welche beispielsweise das Vorhandensein von beim Durchbrennen -des Natriums durch die Auskleidung 64 freiwerdendem Wasserstoffgas aufspüren. Erfolgt eine Warnung frühzeitig genug, so kann man das Wasser und Natrium aus dem Generator ablassen und damit eine heftigere Reaktion von Wasser und Natrium und die durch den Druckanstieg dabei hervorgerufenen Schaden vermeiden. Das über den Isoliermantel 60 hinwegfließende heiße Natrium fließt unter Führung durch Leitbleche abwechselnd einwärts und auswärts entlang den Einsteckrohren nach unten.

Zum Erzielen einer Queruraströmung der Einstec":röhre 40 durch das flüssige Natrium sind innere und äußere* Leitbleche 66. bzw. 68 vorhanden. Die inneren Leitbleche 66 sind wechselweise mit den äußeren Leitblechen 68 in gegenseitigen Abständen über die Länge des Generators 10 angeordnet. Fig. zeigt eines der äußerer, Leitbleche 68 in einer Draufsicht. Es erstreckt sich vorn Isoliermantel 60 einwärts und endet in einem halbwegs zwischen dem Isoliermantel und einem zentral angeordneten Sicherheitsrohr 70 verlaufenden Hingrand,

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Zur Versteifung sind &b äußeren Leitbleche 68 über einwärts verlaufende Stege am Sicherheitsrohr 70 befestigt.

Fig. 4 zeigt eines der inneren Leitbleche 6S, welches mittels Stegen 74 am Sicherheitsrohr 70 befestigt ist und auswärts zu einem Rand 76 verläuft. Die Leitbleche 6S und 68 sind untereinander sowie mit der gelochten Verteilerplatte 5^ und der unteren Rohrplatte 36 mittels Streben 80 verbunden. Die abwechselnde Anordnung der inneren und äußeren Leitbleche 66 bzw. 68 bewirkt eine Querumströmung der Einsteckrohre 40 durch das natrium auf dessen gesaraten Weg abwärts im Dampfgenerator zum Auslaß 58·

Die Einsteckrohre 40 sind nicht an den Leitblechen 66 und befestigt, sondern mit genügend großem Spiel durch sie hindurchgeführt, um beim Ausdehnen und Zusammenziehen keine Spannungen in den sie umgebenden Teilen hervorzurufen« Dadurch, daß die Einsteckrohre jeweils nur mit einem Ende an einer Rohrplatte befestigt und gleitend in der nur- an einer Seite an einer Rohrplatte befestigten Leitbleolianordnung geführt sind, ist das Problem der Wärmedehnung_s welches bei vielen natriumbeheizten Dampfgeneratoren die Gefahr von Rohrbrüchen mit der dabei eintretenden Reaktion von Natrium mit Wasser heraufbeschwört, auf ein Mindestmaß verringert.

Wie bereits bemerkt, ist die Möglichkeit von Rohrbi^äehen mit der daraufhin eintretenden Reaktion von Wasser mit Natrium trotz der vorstehend erläuterten Vorkehrungen immer vorhanden. Zur Entlastung des Dampfgenerators von den Folgen einer" solchen Reaktion und zur Verhütung einer möglichen Explosion ist das am unteren Ende 81 offene, zentrale Sicherheitsrohr 70 vorgesehen. Im Falle einer Reaktion von V/asser mit Natrium kann letzteres durch das offene untere Ende 81 und im Oberteil des Rohres 70 gebildete Durchlässe 82 ungehindert aufwärts ausströmen und sich an einem sicheren Ort sammeln. Im normalen Betrieb hat dar. Natrium im Rohr 70 etwa die glei-

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ehe Standhöhe wie in dem es umgebenden ringförmigen Innenraura des Druckbehälters 12.

Nach dem Durchtritt durch die gelochte Verteilerplatte 5^ strömt das Natrium in der unteren Kammer 56 dem Auslaß 58 zu und verläßt den Dampfgenerator 10 durch diesen· Das ausströmende Natrium fließt durch einen außen mit Ringnuten versehenen Stutzen 84. Zwischen den Nuten 86 und der zylindrischen Innenwand 90 des Auslasses 58 sitzende'Dichtringe 88 verhindern den Austritt von zwischen dem Boden 14 des Druckbehälters 12 und den gerundeten Boden 62 des Isoliermantels 60 enthaltenem Natrium durch den Auslaß 58. Diese Dichtungsanordnung ermöglicht das Herausheben der gesaraten Inneneinrichtung des Generators aus dem Behälter 12 nit seinem Boden 14 zum Zwecke von Wartung und Pflege, ohne dabei irgendwelche Teile der unteren Dichtung zu beschädigen. Beim V/iedereinsetzen der Innenexnrichtung kommen die Dichtringe 88 dann wieder in abdichtende Anlage an der Innenfläche

Der Dampfgenerator ruht auf Stützen 94, welche ziemlich weit oben daran sitsen, um sein Umstürzen selbst bei Erdstößen od. dergl. zu verhindern. Um zu verhindern, daß der Generator bei einen solchen Ereignis ins Schaukeln kommt, kann er in Höhe der gelochten Verteilerplatte 5^ seitlich abgefangen sein. Die Verteilerplatte 54 vermag von außen über die Behälterwand 12 und den Isoliermantel einwirkende Kräfte über radial auswärts über den Isoliermantel 60 hinaus zur Behälterwandung ragende Vorsprünge 96 aufzunehmen bzw. zu übertragen. Im Normalzustand sind die Vor-* Sprünge 96 nicht in Berührung mit der Wandung· des Behälters Treten jedoch im Bereich der gelochten Verteilerplatte 5* stärkere von außen wirkende Querkräfte auf, so kommen die Vorsprung 96 in Anlage an der Wandung des Behälters 12, wodurch die Kräfte vorteilt und schwerwiegende Schaden am Generator vermieden werden können.

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Claims (8)

1. Patentansprüche:

   (1»J Natriumbeheizter Dampfgenerator, gekennzeichnet durch einen länglichen, senkrechten Druckbehälter, durch eine Anzahl von in Längsrichtung des Druckbehälters in diesen hineinragenden Einsteckrohren, welche jeweils ein unten geschlossenes und oben offenes Außenrohr sov/ie ein darin angeordnetes, beiderseits offenes Innenrohr enthalten, durch eine obere -Rohrplatte, zu welcher die Innenrohre hin verlaufen, durch eine untere Rohrplatte, zu v/elcher hin die Außenrohre verlaufen, durch einen oberhalb der oberen Rohrplatte mündenden Wassereinlaß, durch einen zwischen der oberen und der unteren Rohrplatte angeordneten Dampfaustritt, durch einen unterhalb der unteren Rohrplatte mündenden Einlaß für flüssiges Natrium, durch einen Auslaß für flüssiges Natrium im unteren Teil des Behälters, durch ein in der Längsachse des Behälters verlaufendes, am unteren Ende und zunächst dem oberen Ende offenes Sicherheitsrohr zum. Entlasten des Genrators von den Folgen einer unerwünschten Reaktion zv/ischen Natrium und Wasser und durch eine Anzahl von ringförmigen Leitblechen, welche sich vom Sicherheitsrohr an ausv/ärts erstrecken und durch die die Einsteckrohre in radialer Anordnung zum Sicherheitsrohr lose hindurchgeführt sind, wobei die Leitbleche wechselweise als innere und äußere Leitbleche angeordnet sind, in deren Bereich eine stärkere Abwärtsströmung des flüssigen Natriums jeweils nur an ihrer dem Sicherheitsrohr angekehrten Seite bzw. an ihrer diesem zugekehrten Seite möglich ist. ,
2. 2. Dampfgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Leitbleche eine Anzahl einwärts zum Sicherheitsrohr verlaufender Stege aufweisen, deren Zwischenräume Durchlässe für das abwärts strömende Natrium bilden.

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3. 3. Dampfgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der unteren Rohrplatte eine Anzahl von eich abv/ärts durch die Leitbleche hindurch erstreckenden Streben angeordnet ist, an welchen die Leitbleche befestigt sind.
4. 4. Dampfgenerator nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Sicherheitsrohr in gewissem Abstand von einem senkrecht angeordneten Isoliermantel umgeben ist, welcher mit seinem oberen Ende über den Einlaß für flüssiges Natrium hinausragt, so daß der Ströraungsweg des¹ Natriums im Generator aufwärts über den Isoliermantel hinweg und dann unter Umströmung der Einsteckrohre über die Leitbleche abv/ärts verläuft.
5. 5. Dampfgenerator nach v/enigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Isoliermantel derart in einem Druckbehälter angeordnet ist, daß zwischen ihm und der Wandung des Druckbehälters ein enger, ringförmiger, senkrechtverlaufender Zwischenraum gebildet ist, welcher durch Einströmen eines Teils des dem Generator zufließenden Natriums mit diesem ausfüllbar ist.
6. 6. Dampfgenerator nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Leitbleche mit ihren Außenrändern in Anlage am Isoliermantel sind.
7. 7. Dampfgenerator nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennze ichnet, daß der Druckbehälter und der Isoliermantel jeweils einwärts geschweifte Böden auf v/eisen, daß vom Boden des Isoliermantele ein Stutzen zum Zuleiten de3 ITatriums zue Auslaß abwärts hervorsteht und daß der Stutzen von wenigstens einem an der Innenfläche das Auslasses anliegenden Dicht-

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   ring umgeben ist
8. 8. DampfGenerator nach wenigstens einem der Ansprüche

   1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Stutzen an seiner Außenfläche wenigstens eine Ringnut hat, in welcher jeweils ein üichtring so eingelegt ist, daß er aus der Hut in Anlage an die Inmfläche des Auslasses hervorsteht.

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