DE2535355A1

DE2535355A1 - Verschlussanordnung in einem gasgekuehlten kernreaktorsystem

Info

Publication number: DE2535355A1
Application number: DE19752535355
Authority: DE
Inventors: Leonard James Kube
Original assignee: General Atomics Corp
Current assignee: General Atomics Corp
Priority date: 1974-08-09
Filing date: 1975-08-07
Publication date: 1976-02-19
Also published as: FR2281633B1; US4035232A; CA1038973A; JPS5144792A; JPS59798B2; FR2281633A1; GB1519305A

Description

Patentanwälte Dipl. -j ng. F. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

XI

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

GENERAL ATOMIC COMPANY
10955 John Jay Hopkins Road
San Diego, California, V. St. A.

Verschlußanordnung in einem gasgekühlten Kernreaktorsvstem

Die Erfindung bezieht sich generell auf gasgekühlte Kernreaktorsysteme und insbesondere auf eine verbesserte Verschlußanordnung bzw. auf ein verbessertes Verschlußsystem für einen Druckbehälter in einem derartigen Kernreaktorsystem, in welchem ein Durchbruch für die Aufnahme eines Wärmeaustauschers vorgesehen ist.

Eine vielversprechende Ausführung eines Kernreaktorsystems benutzt ein Gas, wie Helium oder Kohlendioxydjals primäres Reaktorkühlmittel. Das gesamte primäre System, umfassend den Reaktorkern, primäre Kühlmittelzirkulatoren, Dampfgeneratoren und zugehörige Hauptleitungen für das primäre Kühlmittel, ist in einem einzigen Reaktorbehälter eingeschlossen bzw. von diesem umgeben. Die Tatsache, daß externe Hauptleitungen für

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das primäre Kühlmittel vermieden sind, indem das gesamte primäre System in dem Reaktorbehälter eingeschlossen ist, vermeidet die Möglichkeit eines plötzlichen Verlustes des primären Kühlmittels auf Grund eines Leitungsausfalls. In dem Fall, daß der Reaktorbehälter aus Spannbeton hergestellt ist, ist die Forderung nach einer zusätzlichen, sorgfältigen biologischen Abschirmung für den Einschluß des Dampfgenerators und der Hauptrohrleitungen für das primäre Kühlmittel vermieden, da nämlich der Reaktordruckbehälter selbst diese Funktion erfüllt.

In einem gasgekühlten Kernreaktorsystem zur Erzeugung von Dampf für Antriebs- bzw. Energiezwecke arbeitet das Dampf-Wasser-System verschiedentlich bei einem nennenswert höheren Druck als das Kühlmittel gas. Wenn z.B. Helium als Gaskühlmittel verwendet wird, kann ein zufriedenstellender Betriebsdruck in der Größenordnung von 49 kg/cm² liegen, während der Druck in dem Einführungsteil des Dampferzeugungssystems (wie ein Vorwärmer-Verdampfer und Überhitzer) einen Wert von 315 kg/cm² übersteigen kann. Der Einlaßspeisewasserdruck wird selbstverständlich etwas höher gehalten als der durch den Dampf erzeugte Gegendruck, damit eine Strömung durch die Dampfgeneratorröhren aufrechterhalten werden kann.

Üblicherweise besteht ein Dampfgenerator des beschriebenen Typs aus einer Vielzahl von Röhren, die in einem Kopfstück enden, welches nahe des äußeren Endpunktes des Durchbruches angebracht ist, in welchem der Dampfgenerator untergebracht ist. Ein baulicher Ausfall der Einrichtung, die das Kopfstück trägt, kann zu einer schnellen Verschiebung des betreffenden Kopfstückes nach innen in den Druckbehälter hinein führen. Dies kann eine schnelle Abgabe von Wasser oder Dampf oder von beidem in dem Reaktorbehälter hervorrufen. Wenn dies

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geschieht, kann der Innendruck des Reaktorbehälters dessen Dimenionierungsgrenzen mit der Einführung des einen hohen Druck besitzenden Wassers oder Dampfes überschreiten. Darüber hinaus kann ein derzeit verschiedentlich in einem nuklearen Reaktorkern vorhandenes Moderierungs-Graphitgefüge mit dem Wasser oder Dampf bei den hohen Temperaturen reagieren, bei denen der Reaktor arbeitet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes gasgekühltes Kernreaktorsystem zu schaffen. Darüber hinaus soll eine verbesserte Verschlußanordnung bzw. ein verbessertes Verschlußsystem für einen Reaktordruckbehälter geschaffen werden, wobei ein Wärmeaustauscher in einem Durchbruch in dem Druckbehälter aufgenommen sein soll. Überdies soll eine Verschlußanordnung für ein Kernreaktorsystem mit einem Druckbehälter geschaffen werden, in welchem ein Durchbruch für die Aufnahme eines Wärmeaustauschers vorgesehen ist,· wobei die betreffende Verschlußanordnung einen Schutz vor einer schnellen Ableitung eines sekundären KühlmitteIfluids in dem Reaktorbehälter bieten soll.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einer Perspektivansicht einen Ausschnitt eines die Erfindung benutzenden Kernreaktorsystems. Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht in einer vertikalen Ebene längs der in Fig. 1 eingetragenen Linie 2-2.

Ganz allgemein umfaßt die Verschlußanordnung bzw. das Verschlußsystem gemäß der Erfindung eine Zylinderplatte 11, die quer und ausgerichtet zur Achse eines Durchbruches 12 in einem Reaktordruckbehälter 13 angeordnet ist. Durch eine Aufnahmeeinrichtung 14 ist die Zylinderplatte 11 an dem Druckbehälter 13 angebracht. Ein Halte- bzw. Sperring 15 ist mittels einer Halteeinrichtung 17 an dem Druckbehälter 13 in dem Durchbruch 12 angebracht und zur Achse des Durchbruchs 12 zwischen der Zylinderplatte 11 und dem Innenraum des Druckbehälters 13 derart ausgerichtet, daß eine Bewegung der Zylinderplatte 11 zu dem Innenraum des Druckbehälters 13 hin behindert ist.

Im folgenden sei besonders auf die Zeichnungen eingegangen. Der Druckbehälter 13 eines typischen gasgekühlten Kernreaktorsystems ist in einer Perspektivansicht und zum Teil weggeschnitten dargestellt. Der Druckbehälter 13 begrenzt einen Innenhohlraum 21, in welchem der Reaktorkern (nicht gezeigt) des Kernreaktorsystems untergebracht wein kann. In dem Druckbehälter 13 sind zusätzlich zu dem Durchbruch 12 verschiedene weitere Durchbrüche vorgesehen, die generell mit 23 angedeutet sind und die für den Zugang zu dem Hohlraum 21 dienen. Derartige Durchbrüche können Steuerstab-Antriebssysteme, eine Brennstoff-Bedienungsanordnung, primäre Kühlmittelzirkulatoren oder im Falle des Durchbruchs 12 einen Wärmeaustauscher enthalten. Der innere Hohlraum 21 ist mit einer geeigneten metallischen Auskleidung 25 versehen, die zur Erzielung einer Isolation mit einer Wärmeschutzwand 25 überzogen sein kann.

Der Wärmeaustauscher (nicht gezeigt) ist in geeigneter Weise innerhalb des Durchbruchs 12 untergebracht, und ein Zirkulationsstrom eines primären Kühlmittels wird durch geeignete

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Rohrleitungen (nicht gezeigt) über den Wärmeaustauscher in dem Durchbruch geleitet.

Der Durchbruch 12 ist mit einer geeigneten metallischen Auskleidung 29 versehen, und eine Wärmeisolationsschicht 31 verläuft über die Oberfläche der metallischen Auskleidung 29. Eine Vielzahl von Kühlrohren 33 ist zwischen der metallischen Auskleidung 29 und dem Druckbehälter 13 angeordnet, um die Kühlung an der Trennstelle zwischen dem Druckbehälter 13 und der metallischen Auskleidung 29 zu bewirken. Die betreffende Auskleidung 29 ragt von der Unterseite des Druckbehälters 13 aus nach unten.

Die Zylinderplatte 11, die weitgehend kreisförmig ausgebildet ist, verläuft quer zu dem Durchbruch 12 an dessen äußeren Ende; sie ist um die Achse des Durchbruchs 12 herum zentriert. Die Zylinderplatte 11 kann z.B. etwa 190 mm dick sein und eine Vielzahl von Löchern 35 aufweisen, durch die die Rohre 36 von einem nicht dargestellten Dampfgenerator hindurchlaufen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Zylinderplatte 11 mit einem ringförmigen Flansch 37 versehen, der nach unten verläuft. An dem Flansch 37 ist eine Wärmehülse 39 angeschweißt, die vom Boden des Druckbehälters 13 aus ein weiteres Stück nach unten ragt. Das untere Ende der betreffenden Wärmehülse 39 ist an einer Verlängerungshülse 42 angeschweißt, die an der Dampf- oder Speisewasserleitung 41 angeschweißt ist. Die Leitung 41 sorgt dafür, daß der Druck des sekundären Kühlmittelfluids unterhalb der Zylinderplatte 11 das Fluid veranlaßt, durch die Rohre 36 hindurchzutreten. Das von dem nicht dargestellten Dampfgenerator zurückkehrende Fluid kann in einer geeigneten, nicht dargestellten Weise geleitet werden.

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Die Verlängerungshülse 42 ist mit einem ringförmigen, nach oben ragenden Flansch 43 versehen. Der betreffende Flansch ist an der unteren Kante einer Auskleidungs-Verlängerungshülse 45 angeschweißt, die ihrerseits an der unteren Kante der nach unten ragenden Auskleidung 25 angeschweißt ist. Die Schweißanordnung der Hülse 45, der Hülse 42 und des Flansches 43, die Leitung 41 und die Wärmehülse 39 stellen die Trageinrichtung 14 dar, welche die Zylinderplatte 11 in ihrer Stellung innerhalb des Durchbruches 12 trägt. Die Schweißungen sind in den Bereichen 44 angedeutet.

Die Betriebserfahrung mit den Zylinderplatten und verschiedenen Arten von Wärmeaustauscheranordnungen hat gezeigt, daß ein Gesamtausfall der Zylinderplatte selbst unwahrscheinlich ist. Die Ursache hierfür liegt darin, daß die Zylinderplatte aufgrund der dicht gepackten Anordnung von Durchbrüchen in der Rohrwand eingebaute Riß-Aufhalteglieder aufweist. Außerdem liegen die Zylinderplatte-Betriebstemperaturen stets oberhalb der Null-Dehnungstemperatur der Materialien, wodurch die Möglichkeit eines Sprödbruches beseitigt ist.

Eine Festigkeitsuntersuchung zeigt, daß der Bereich höchster Beanspruchung an der Verbindungsstelle zwischen der Zylinderplatte selbst und ihrer Traganordnung vorhanden ist. Bei der dargestellten Anordnung tritt somit ein Gesamtausfall höchstwahrscheinlich an der Schweißungs- oder angrenzenden Anordnung zwischen dem ringförmigen Flansch 37 und der Wärmehülse 39 auf. Ein Ausfall des Verschlußsystems bzw. der Verschlußanordnung an dieser Stelle würde zu einem massiven Leck in den Reaktorhohlraum 21 führen.

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Um ein derartiges massives Leck zu vermeiden, ist der Haltering 15 vorgesehen. Bei der dargestellten Ausführungsform weist der Haltering 15 einen ringförmigen Flansch auf, der sich von einem Ausfallschutz- oder Haltezylinder 17 aus nach innen erstreckt. Der auch als Hemmzylinder zu bezeichnende Haltezylinder 17 stellt bei der dargestellten Äusführungsform die Trageinrichtung dar, durch die der Haltering 15 in dem Durchbruch 12 ausgerichtet zur Achse dieses Durchbruchs zwischen der Zylinderplattei 1 und dem inneren Hohlraum 21 des Druchbehälters 13 gehalten ist. Der Haltezylinder 17 wird an seinem unteren Ende von einem ringförmigen Flansch 49 getragen, der von der Auskleidungsverlängerungshülse 45 nach innen absteht. Jeglicher baulicher Ausfall, wie er oben angegeben worden ist, führt zu einer geringen Bewegung der Zylinderplatte 11 in Richtung auf den inneren Hohlraum 21 des Druckbehälters 13 hin. Der Haltering 15, dessen Innendurchmesser kleiner ist als der Außendurchmesser der Zylinderplatte 11, liegt jedoch an der Zylinderplatte 11 an und hält sie von einer weiteren Bewegung in Richtung auf den inneren Hohlraum des Druckbehälters 13 zurück. Der zwischen der Zylinderplatte und dem Haltering 15 vorhandene Zwischenraum schließt sich und unterstützt die Beschränkung der Strömung des sekundären Kühlmittels in den Innenraum des Druckbehälters 13.

Als die Strömung des sekundären Kühlmittels in den Reaktorbehälter 13 im Falle des Auftretens eines Ausfalls begrenzende tatsächliche Einrichtung sind ringförmige Dichtungsringe 51 und 53 zwischen dem Außenumfang der Zylinderwand 11 und der Innenfläche des Haltezylinders 17 vorgesehen.

Der Haltering 15 ist so bemessen, daß er einer Schlagbeanspruchung von der Zylinderwand 11 gegen den Haltering 15 während eines Ausfalls widersteht. Die Dichtungsringe 51

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und 53 sind so ausgelegt, daß sie dem maximalen inneren Differenzdruck widerstehen, der sich wahrscheinlich zwischen dem Druck in dem sekundären Kühlmittelsystem und dem Druck in dem primären Kühlmittelsystem ergibt. Dabei sind zwei Dichtungsringe aus Redundanzgründen verwendet, obwohl ein einziger Ring in angemessener Weise das Auftreten eines nach innen gerichteten Lecks beschränken wird.

Die Verschlußanordnung bzw. das Verschlußsystem gemäß der Erfindung führt zu einer vollständig geschweißten Grenzfläche zwischen dem primären Kühlmittelsystem und dem sekundären Kü,hlmittelsy stern in dem Reaktorsystem. Darüber hinaus sind sämtliche Verschlußschweißungen zwischen dem primären Kühlmittel und dem Umgebungsbereich außerhalb des Druckbehälters vorgesehen, um einen Zugriff für eine Installation und Inspektion zu schaffen. Der Zugriff ist dabei ohne weiteres möglich für Leckprüfungen und für die Vornahme von Rohreinschraubungen in der Zylinderplatte 11, ohne daß eine Fernbedienungsanordnung zu benutzen ist. Darüber hinaus können Überwachungsinstrumente ohne weiteres angeschlossen werden.

Es dürfte somit ersichtlich sein, daß durch die Erfindung eine verbesserte Verschlußanordnung in einem gasgekühlten Kernreaktorsystem mit einem Hochdruckbehälter geschaffen worden ist, in welchem ein Durchbruch für die Aufnahme eines Wärmeaustauschers vorgesehen ist. Die Verschlußanordnung gemäß der Erfindung verhindert das Auftreten eines übermäßigen Lecks eines sekundären Kühlmittels in ein primäres Kühlmittelsystem des Reaktors im Falle eines massiven Ausfalls in der Verschlußanordnung bzw. in dem Verschlußsystem.

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Claims

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Patentansprüche

/M. /Verschlußanordnung in einem gasgekühlten Kernreaktorsystem mit einem Druckbehälter, in welchem ein Durchbruch für die Aufnahme eines Wärmeaustauschers vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zylinderplatte (11) quer zu dem Durchbruch (12) und ausgerichtet zu dessen Achse derart angeordnet ist, daß ein Wärmeaustauscherfluid zu dem Wärmeaustauscher hin leitbar ist, daß Halteeinrichtungen (14) vorgesehen sind, durch die die Zylinderplatte (11) an dem Druckbehälter (13) angebracht ist, daß ein Haltering (15) vorgesehen ist, der eine Öffnung begrenzt, die eine geringere Größe besitzt als der Umfang der Zylinderplatte (11), und daß Halterungseinrichtungen (17) vorgesehen sind, durch die der betreffende Haltering (15) an dem Druckbehälter (13) in dem Durchbruch (12) unter Ausrichtung zu der Achse dieses Durchbruchs (12) zwischen der Zylinderplatte (11) und dem Innenraum des betreffenden Druckbehälters (13) derart angebracht ist, daß eine Bewegung der Zylinderplatte (11) in den Innenraum des Druckbehälters (13) behindert ist.
2. Verschlußanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der Zylinderplatte (11) eine koaxial zu dem Durchbruch (12) verlaufende Wärmehülse (39) absteht, daß ein Ausfallschutzzylinder (17) und Einrichtungen (42 bis 45) vorgesehen sind, durch die der betreffende Zylinder (17) koaxial zwischen der Wärmehülse (39) und dem Druckbehälter (13) in dem Durchbruch (12) vorgesehen sind, und . daß der Haltering (15) eine ringförmige Schulter aufweist, die von dem Ausfallschutzzylinder (17) neben dessen einen Ende radial nach innen ragt.

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3. Verschlußanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Befestigungseinrichtungen (44, 49) für den Haltering (15) nahe des dem Haltering (15) gegenüberliegenden Endes des Ausfallschutzzylinders (17) angeordnet sind.
4. Verschlußanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtungen (42, 44) für die Zylinderplatte (11) nahe des der betreffenden Zylinderplatte (11) gegenüberliegenden Endes der Wärmehülse (39) angeordnet sind.
5. Verschlußanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausfallschutzzylinder (17) und der Wärmehülse (39) eine Strömungsbeschränkungseinrichtung (51, 53) vorgesehen ist.
6. Verschlußanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderplatte (11) weitgehend kreisförmig ausgebildet ist und daß der Ausfallschutzzylinder (17) eine ringförmige Schulter aufweist, die von dem betreffenden Ring neben der Zylinderplatte (11) auf deren zur Innenseite des Druckbehälters (13) hinzeigenden Seite derart radial nach innen verläuft, daß unter Erzielung eines Absatzes zwischen der Zylinderplatte (11) und dem Innenraum des Druckbehälters (13) eine Öffnung gebildet ist, die einen geringeren Durchmesser besitzt als der Außendurchmesser der betreffenden Zylinderplatte (11).

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