DE2618345A1 - Austrittsstutzen- und eintrittsleitungs-kombination fuer einen kernreaktor- druckbehaelter - Google Patents
Austrittsstutzen- und eintrittsleitungs-kombination fuer einen kernreaktor- druckbehaelterInfo
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Description
26ο 4. 1976 Anwo-Akte: 27.99
PATENTANMELDUNG
sssssssssassstBssssssssssssssssssss::
Anmelder; The Babcock & Wilcox Company 161 East 42nd Street, New York. N.Y. 10017 - USA
Titel; Austrittsstutzen- und Eintrittsleitungs-Kombination
für einen Kernreaktor-Druckbehälter
Die Erfindung betrifft Druckbehälterdurchtritte und insbesondere Speisewassereintrittsleitungs- und Dampfaustrittsstutzen-Kombinationen
für Kernreaktorsysteme.
Die bekannten Kernreaktoren bestehen aus einem Reaktorkern, der innerhalb eines Druckbehälters angeordnet ist. Der
Reaktorkern erzeugt Wärme, die durch einen Primärkühlmittel abgeführt wird, das durch Kanäle im Kern strömt. Dieses
Primärkühlmittel wird anschließend von dem Reaktorkernkanälen zu einem oder zu mehreren Wärmetauschern gepumpt,
die innerhalb des Druckbehälters angeordnet sind. Innerhalb der Wärmetauscher wird die von dem Primärkühlmittel im
Reaktorkern aufgenommene Wärme an ein Sekundärkühlmittel übertragen.
Im allgemeinen wird Wasser als Sekundärkühlmittel benutzt;
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innerhall) der Wärmetauscher wird das Wasser erwärmt, his es
verdampft und Dampf bildet. Der Dampf strömt von dem Wärmetauscher aus dem Druckbehälter über einen Druckstutzen heraus
zu einer oder zu mehreren Dampfturbinen für die Energieerzeugung
o Der Abdampf strömt dann aus den Dampfturbinen in einen Kondensator, der den Dampf wieder in flüssiges
Wasser zurückverwandelt· Dieses Wasser, auch Speisewasser genannt, wird wieder in die Wärmetauscher über eine Speisewas
sereintrittsleitung eingeführt, die die Druckbehälterwand durchdringt. Vorzugsweise haben diese Wärmetauscher eine
Reihe von im allgemeinen parallelen Rohren, die das Primärkühlmittel enthalten. Das Speisewasser für den Sekundärkühlmittelkreis
lauf durchströmt die Räume zwischen den Rohren, um die Wärme aus dem Primärkühlmittel aufzunehmen,
das innerhalb dieser Rohre strb'mt.
Obwohl eine solche konstruktive Anordnung einen verhältnismäßig wirtschaftlichen und wirksamen Kernenergie-Reaktor darstellt,
gibt es eine Anzahl von Konstruktionsschwiergigkeiten.
So erfordern beispielsweise die Speieewassereintrittsleitung und der Dampfaustrittsstutzen jeweils getrennte
Druckbehälterdurchtritte· Dieses wiederum erfordert einen großen Aufwand an qualitativ hochwertigen Spezielbearbeitungen,
Schweißungen und Schweißnahtprüfungen· Die Schweißnahtprüfungen müssen außerdem nicht nur während der Fertigung
durchgeführt werden, sondern auch in regelmäßigen Inspektionsabständen
während der Betriebsdauer des Reaktors. Weiterhin haben in diesem Zusammenhang die Druckbehälterdurchtritte,
die erforderlich sind, um alle diese Leitungen und Stutzen aufzunehmen, die Tendenz, die Druckbehälterkonstruktion
zu schwächen und unerwünschte Bereiche örtlicher Spannungskonzentrationen zu schaffen.
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Hinsichtlich der örtlichen Spannungskonzentrationen ist
darauf hinzuweisen, daß während des Reaktorbetriebs die verhältnismäßig dicken Stahlwände des Druckbehälters die
Neigung haben, eine Gleichgewichtstemperatur zu erreichen,
die sich der Temperatur des Dampfes im Sekundärkühlmittelkreislauf
nähert. Das in den Wärmetauscher durch die Eintrittsleitung strömende Speisewasser in dem Sekundärkühlmittelkreislauf
ist jedoch verhältnismäßig kalt. Dieser Temperaturunterschied führt zu Spannungen in den verhältnismäßig
dicken Stahlwänden des Druckbehälters; wenn diesen Spannungen freier Lauf gelassen wird, dann können sie außerordentlich
zerstörend wirkeno Um diese Probleme zu überwinden,
ist es üblich gewesen, eine Wärmeisolierung zwischen der Speisewassereintrittsleitung und dem umgebenden Teil des
Druckbehälters anzuordnen. Dieses Verfahren ist zwar im allgemeinen als genügend anzusehen, neigt aber dazu, die
Herstellungskosten durch die erforderlichen Spezialbearbeitungen, Schweißungen und Einbauteile und die Betriebskosten
durch Imspektionen zu erhöhen.
Wegen der Dehnungen und Schrumpfungen, die Metalle bei Temperaturänderungen erfahren, neigen diese bekannten Durchtritte
auch dazu, störende, unterschiedliche Wärmebewegungen zu erzeugen; der verhältnismäßig heiße Druckbehälter dehnt
sich z. Bo stärker als die kältere zugehötige Spelsewassereintritssleitung
aus.
Wie zuvor beschrieben, haben einige dieser Konstruktionen eine Anzahl von bausteinartigen Wärmetauschern, die innerhalb
des Druckbehälters angeordnet sind. Natürlich müssen diese Bausteine innerhalb des Druckbehälters in eine Weise
befestigt werden, die es erlaubt, die erwarteten Spannungen
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auszuhalten, denen jeder der Bausteine ausgesetzt sein wirdo
Angesichts der thermisch verursachten Dehnungen und Schrumpfungen, Schocks und Spannungen, die während der Anfahr-,
Übergangs- und Abschaltzustände eines Leistungsreaktors
auftreten, sowie wegen der Notwendigkeit, die Bausteine für gelegentliche Inspektionen und Reparaturen mit Fernmanipulatoren
- bedingt durch die Strahlungsgefährdung - auszubauen, ist das Problem der geeigneten Bausteinmontage äußerst
schwierig zu lösen. In der Vergangenheit angestellte Versuche zur Lösung dieses komplizierten Tragproblems haben
in typischer Weise Stützpratzen, eine aufgebaute Metallleiste und verschraubte Tragplatten eingeschlossen, die alle
innerhalb des Druckbehälters angeordnet wurden. Diese Konstruktionen erfordern jedoch kostenaufwendige und präzise
Bearbeitungen wie auch zeitraubende, sorgfältig durchzuführende Ein- und Ausbauverfahren.
Somit ist die Forderung der Fachleute, einen wirksameren und weniger aufwendigen thermischen Schutz für Speisewassereintritt
sleitungen zu schaffen und die Tragkonstruktion für Wärmetauscher-Bausteine innerhalb eines Reaktordruckbehälters
zu verbessern, in einem weiten Ausmaß unerfüllt geblieben.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Austrittsstutzen-
und Eintrittsleitungs-Kombination für einen Kernreaktor-Druckbehälter zu schaffen, die die geschilderten
Nachteile weitgehend ausschaltet und einen sicheren Betrieb gewährleistet.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Austrittsstutzen- und Eintrittsleitungs-Kombination innerhalb eines Druckbehälters
für einen Kernreaktor die folgende Kombination umfaßt:
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a) einen am Austrittsstutzen angeordneten zylindrischen Teil mit einen darin ausgebildeten Kanal,
b) einen Flansch an einem Ende des zylindrischen Teils, wobei dieser Flansch den Kanal umgib$ und mit Abdichtungen
versehen ist, um den Austrittsstutzen mediendicht an dem Reaktor-Druckbehälter befestigen zu können,
c) eine Öffnung im zylindrischen Teil, um die Eintrittsleitung in den Kanal und den Wärmetauscher zu führen,
d) einen an dem Wärmetauscher ausgebildeten Kragen, der von dem Wärmetauscher in Richtung auf den zylindrischen
Stutzenteil vorsteht, um eine strömungstechnische Verbindung mit dem darin ausgebildeten Kanal herzustellen,
e) Mittel, um den Kragen mit dem Wärmetauscher zu verbinden, und
f) Mittel, die dem Kragen zugeordnet sind und zum Stützen
des Wärmetauschers innerhalb des Kernreaktor-Druckbehälters dienen.
Weitere Maßnahmen der Erfindung sind in dem Unteranspruch beschrieben.
Durch die Erfindung entsteht der Vorteil, daß die oben genannten und zahlreiche andere Schwierigkeiten, die den Stand
der Technik gekennzeichnet haben, weitgehend überwunden werden. Dadurch, daß die Speisewassereintrittsleitung innerhalb
des Dampfaustrittsstutzens angeordnet wird, werden viele der Probleme, die beim Stand der Technik durch thermisch
induzierte Spannungen aufgetreten sind, gelöst.
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Dadurch wird nicht nur das Wärmegefälle zwischen der Speisewassereintrittsleitung
und der umgehenden Druckbehältermasse
vermindert, sondern auch der völlig unerwartete Vorteil erzielt, der darin hesteht, daß die Anzahl der
Speisewassereintritts- und Dampfaustritts-Durchtritte in der Druckhehälterwand um die Hälfte vermindert wird.
Ein weiterer Vorteil entsteht erfindungsgemäß dadurch, daß die einzelnen Wärmetauscherhausteine von dem Druckbehälter
an dem gleichen Standort getragen werden wie die ineinander verschachtelte Speisewassereintrlttsleitungs- und Dampfaustrittsstutzen-Kombination·
Dadurch ist es nicht erforderlich, die hei störenden, unterschiedlichen Wärmedehnungen auftretenden
Probleme durch Spezialkonstruktionen innerhalb des Druckbehälters zu lösen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es
zeigt:
Fig. 1 ein Schnitt eines Teils eines Kernreaktorsystems in Vorderansicht und
Fig. 2 eine Vorderansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung im Schnitt.
Gemäß der Darstellung in Fig. 1 weist eine horizontale angeordnete
Speisewasser-Eintrittsleitung 10 einen Bogen 11 von 90° auf, der die Leitung 10 vertikal nach unten führt.
Eine Stopfbüchse 12 bewirkt eine Abdichtung an der vertikalen Durchtrittsebene zwischen der Außenfläche eines horizontalen
Stücks der Eintrittsleitung 10 und einem im allgemeinen zylindrischen Teil eines Dampfaustrittsstutzens 13»
der einen Teil der Leitung 10 und den Bogen 11 umschließt.
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Der Stutzen 13 besitzt auch einen vertikal angeordneten zylindrischen Anschlußnippel 14, der es erlaubt, Dampf aus
dem Stutzen 13 abzuführen. Der zylindrische Teil des Stutzens 13 endet in einem Flansch 15, der an der Außenfläche
des Reaktor-Druckbehälters 16 durch Schrauben 17 befestigt ist.
Die Außenfläche des Reaktordruckbehälters 16 ist mit einer
ringförmigen Aussparung 20 versehen, die mit einer gegenüberliegenden ringförmigen Aussparung 21 ausgerichtet ist, die
in der Stirnfläche des Flansches 15 ausgebildet ist, der auf der Außenfläche des Druckbehälters 16 aufliegt. Die
Flanschaussparung 21 ist bei dem Ende des zylindrischen Teils des Austrittsstutzens 13 ausgebildet. Die den Druckbehälter
berührende oder erfassende Fläche des Flansches 15 hat ein Paar kreisförmiger Nuten 22, die in dem Flanschflächenabschnitt
ausgebildet sind, welcher sich zwischen der Aussparung 21 und den Schrauben 17 befindet. Diese Nuten nehmen
Dichtungen 23 auf, die dazu beitragen, eine wasserdichte Verbindung zwischen dem Flansch 15 und der Außenfläche des
Druckbehälters 16 zu bilden.
Die Aussparung 20, die in der Außenfläche des Druckbehälters
16 ausgebildet ist, weist eine Reihe von Bohrungen 2k auf, die bis zur Innenfläche des Druckbehälters 16 durchgebohrt
sind. Die gewindelosen Schäfte der Schrauben 25 werden in den Bohrungen 2k aufgenommen, um einen Wärmetauscher-Baustein
26 zu tragen, wie es später in Einzelheiten beschrieben wird. Die ringförmige Aussparung 20 im Druckbehälter 16 hat
eine hohle zylindrische Wand 27, die in Richtung auf die gegenüberliegende Aussparung 21 im Flansch 15 und den zylindrischen
Teil des Stutzens 13 vorspringt.
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Ein hohler zylindrischer Kragen 30 wird mit Abstand innerhall) der zylindrischen Wand 27 aufgenommen. Der Kragen
und die Wand 27 werden durch eine hohle, ringförmige Dichtung 31 verbunden. Wie es der Figur i zu entnehmen ist,
wird die Dichtung 31 durch eine Schweißnaht 32 gebildet,
die zwei gegenüberliegende bogenförmige Teile 33 und 34 miteinander
verbindet, welche von den äußersten Enden der Wand 27 fezw. des Kragens 30 vorstehen. Diese Dichtung ist nicht
nur wasserdicht, sondern weist eine solche Elastizität auf, so daß die Spannungsprobleme erleichtert werden, die sonst
unterschiedliche Wärmedehnungen und Schrumpfungen verursacht würden.
Der Kragen 30 springt durch eine quer angeordnete Öffnung
35 vor, die in dem Druckbehälter 16 ausgebildet ist, um einen Strömungsweg für den Dampf zu bilden, der innerhalb
des Wärmetauscher-Bausteins 26 aufsteigt, und um es der Speisewasser-Eintrittsleitung 10 zu erlauben, den Bogen
zu beschreiben, wodurch ein längs nach unten geführtes Stück 36 der Leitung 10 .in die Lage versetzt wird, einströmendes
Sekundärkühlmittel-Speisewasser innerhalb des Bausteinraums abzugeben, der außerhalb eines Bündels von
Wärmetauscherrohren 37 liegt. Das Primärkühlmittel, das unter Druck aus dem Reaktorkern strömt (in der Zeichnung
nicht dargestellt), fließt durch die Rohre in dem Rohrbündel 37, um die beim Durchströmen des Kerns aufgenommene
Wärme an das Sekundärkühlmittel abzugeben.
Wie es in Figur 1 dargestellt ist, hat der Wärmetauscher-Baustein Gewindebohrungen 40, die die Gewindeenden der
Schrauben 25 aufnehmen. Somit durchdringen die Schrauben
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den Druckbehälter ±6 und ziehen den Wärmetauscher-Baustein
fest gegen die Innenfläche des Druckbehälters, um sowohl den Baustein, den Stutzen und auch die Eintrittsleitung im
wesentlichen in der gleichen Lage zu halten, wodurch die Probleme unterschiedlicher Wärmedehnung«» zum großen Teil
ausgeschaltet werden, während zusätzlich eine verhältnismäßig einfache und unkomplizierte Konstruktion» geschaffen
wird, um den Wärmetauscher-Baustein ein- und auszubauen·
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in der Fig.
dargestellt. Ein horizontal angeordneter, im allgemeinen zylindrischer Dampfaustrittsstutzen 41 besitzt einen vertikal
gerichteten Flansch 42, der es ermöglicht, daß der Stutzen 41 strömungstechnisch mit einer Hauptdampfzuführungsleitung
43 für die Turbinenanlage verbunden wird. Der im allgemeinen zylindrische Schaft des Dampfaustrittsstutzens
trägt einen vertikalen Flaschnippel 44. Der Nippel 44 hat eine Entwässerungs- und Druckfunktion, die nachstehend beschrieben
wird. Der Nippel 44 nimmt eine Entwässerungsund Druckanschlußleitung 45 auf, die vertikal nach unten
in einen im allgemeinen zylindrischen Kanal 46 verläuft, der innerhalb des Stutzens 41 «umgebildet ist, um eine Dampfströmung
zu der Hauptdampfzuführungsleitung 43 zu erlauben. Ein Bogen zu 180° oder eine Dehnschleife 47 in der Leitung
45 ist innerhalb des Kanals 46 angeordnet und verläuft in
horizontaler Richtung durch den Stutzen 41 und durch eine Reaktor-Druckbehälterwand 50 zu einem Krümmer 51» der die
Leitung 45 nach unten in einen Wärmetauscher 52 abbiegt.
Der zylindrische Schaft an dem Dampfaustrittsstutzen 41 hat
auch einen vertikal gerichteten sowie geflanschten Speisewassereintrittsnippel
53» der es ermöglicht, daß Speise-
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wasser nach oben in einen anschließenden und horizontal angeordneten Teil der Speisewasserleitung 54 fließt. Die
Speisewasserleitung 5^ durchdringt die Reaktor-Druckbehälterwand
50 und tritt in den Wärmetauscher 52 ein, wo sie in einer nach unten gerichteten, aus Krümmer und Sprühkopf
gebildeten Kombination endet·
Der Sprühkopf 55 besitzt eine Reihe von Bohrungen, durch die das Speisewasser aus der Leitung in ein vertikal angeordnetes,
zylindrisches Fallrohr 56 innerhalb des Wärmetauschers
52 tritt. In diesem ZuHUunenhang ist darauf hinzuweisen,
daß die Entwässerungs- und Druckanschlußleitung
auch nach unten in den Wärmetauscher 52 über das Fallrohr
56 verläuft. Die Entwässerungs- und Druckanschlußleitung
erlaubt es, Sekundärkühlmittel aus dem Wärmetauscher 52
abzuführen. Nachdem der Reaktor (in der Zeichnung nicht dargestellt) abgeschaltet w&rde und sich abkühlen konnte,
wird in typischer Weise Gas unter Druck in das Innere des Wärmetauschers 52 durch eine Druckaufbauleitung (ebenfalls
in der Zeichnung nicht dargestellt) eingeführt. Bei einem genügend hohen Gasdruck wird Sekundärspeisewasser auf dem
Boden des Wärmetauschers aus dem Wärmetauscher gestoßen, indem es nach oben gedrückt wird und über die Entwässerungsund
Druckanschlußleitung 45 ausströmt.
Der im allgemeinen zylindrisch gehaltene Teil des Dampfaustrittsstutzens
41 endet in einem vertikal gerichteten Flansch $7t der an einer vorstehenden Gegenfläche 60 mit den Schrauben
6l oder mit anderen geeigneten Befestigungsmittels befestigt wird. Wie es in Figur 2 dargestellt ist, steht der
Dampfkanal 46 in dem Austrittsstutzen 41 strömungstechnisch und koaxial mit einer Bohrung 62 in Verbindung, die in der
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Reaktor-Druckbehälterwand 50 ausgebildet ist. Di· Bohrung
62 ist tatsächlich eine Verlängerung des Dampfaustrittsstutzens durch die Reaktorkonstruktion hindurch.
Innerhalb der Reaktor-Druckbehälterwand 50 ist eine ringförmige Aussparung 63 ausgebildet, um einen horizontal· angeordneten
zylindrischen Anschluß 64 aufzunehmen, der an einer vorbereiteten Fläch· 65 mittels einer Schweißnaht
befestigt wird. Erläuternd ist darauf hinzuweisen, daß der Anschluß 64 strömungstechnisch und in horizontaler Ausrichtung
mit der Bohrung 62 in der Druckbehälterwand 50 und dem Dampfkanal 46 in dem Austrittsstutzen 41 in Verbindung
steht.
Das von der Innenfläche der Druckbehälterwand 50 abgelegene
vertikale Ende des Anschlusses 64 ist mittels einer Schweißnaht an einer vorbereiteten Fläche 66 auf einem Mantel 67
für den Wärmetauscher 52 befestigt. Eine Bohrung 70 ist
ebenfalls koaxial und strömungstechnisch mit dem Dampfkanal 46 in dem Austrittsstutzen 41 verbunden.
Im Betrieb tritt Sekundärkühlmittel-Speisewasser in den Stutzen über den Speisewassereintrittsnippel 53 ein, um
durch die Leitung 54 und den Sprühkopf 55 in das Fallrohr
56 zu gelangen. Dieses Merkmal der Erfindung, nämlich das Leiten des Speisewassers in den Wärmetauscher 52 durch eine
Leitung 54, hat eine Anzahl bedeutender Vorteile. In typischer Weise ist es bei dieser Konstruktion nicht erforderlich,
einen Schutzmantel um das Rohrbündel zu legen, um die Einrichtung gegen Wärmeschock zu schützen, der hervorgerufen·»
werden könnte, wenn kaltes Speisewasser Wärmetauscherteile berührt, die sich auf einer höheren Temperatur befinden.
Der Wegfall des Schutzmantels führt zu weiteren bedeutenden,
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wenn auch subtilen Vorteilen. So kann z, B. der Wärmetauscherraum,
der gewöhnlich von dem Schutzmantel eingenommen wird, jetzt für zusätzliche Wärmetauscherberohrung zur Verfügung
gestellt werden, wodurch der technische Wirkungsgrad erhöht wird und die Anlagekosten einer Minderung erfahren.
Das Verfahren, den Wärmetauscher 52 innerhalb der Druckbehälterwand
50 durch den Schweißanschluß an die Kupplung 64 als Teil des Dampfaustrittsstutzens 41 zu montieren,
bringt auch bedeutende Vorteile infolge der Ausschaltung der Spannungen, die gewöhnlich bei Konstruktionen dieser
Art auftreten. So bewegt sich die gesamte Wärmetauscherund Stutzen-Kombination als eine vollständige Einheit bei
Wärmedehnungen und -Schrumpfungen.
In Fortsetzung der Beschreibung des Betriebs des Reaktors
ist darauf hinzuweisen, daß das Sekundärkühlmittel-Speisewasser Wärme dem Primärkühlmittel entnimmt, das durch die
Rohre in dem Wärmetauscher-Rohrbündel strömt (in Figur 2 nicht dargestellt)^ Als Ergebnis verwandelt sich das Speisewasser
in Dampf, der aus dem Wärmetauscher 52 über den Kanal
46 in den Stutzen 41 strömt.
An den in den Figuren 1 und 2 dargestdlten und erläuternd
beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können natürlich zahlreiche Modifizierungen vorgenommen werden. In
typischer Weise kann der Flansch 42 in Figur 2 durch einen anderen Verbinder ersetzt werden. Eine Leiste oder eine
andere Halterung kann außerdem auf der Innenfläche der Reaktor-Druckbehälterwand 50 vorgemehwi werden, um den
Wärmetauscher 52 zu stützen oder weiter zu stabilisieren.
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Claims (2)
- PATENTANSPRÜCHE :=SSSB=SSSSSSSS=ESSSSS=SSS==SSS=S=SSSSSSS=SES=SSS==SSSSS=SSSAustrittsstutzen- und Eintrittsleitungs-Kombination innerhalb eines Kernreaktor-Druckbehälters, dadurch gekennzeichnet , daß die Kombination umfaßt:a) tinen am Austrittsstutzen (13) angeordneten zylindrischen Teil mit einem darin ausgebildeten Kanal,b) einen Flansch (15) an einem Ende des zylindrischen Teils, wobei dieser Flansch den Kanal umgibt und mit Abdichtungen (22, 83) versehen ist,c) eine Öffnung im zylindrischen Teil, um die Eintrittsleitung (lO) in den Kanal und den Wärmetauscher (26) zu führen,d) einen an dem Wärmetauscher (26) ausgebildeten Kragen (30), der von dem Wärmetauscher in Richtung auf den zylindrischen Stutzenteil (13) vorsteht,e) Mittel (31» 32, 33) um den Kragen (30) mit dem Wärmetauscher (26) zu verbinden, undf) Mittel (24, 25, 40), die dem Kragen zugeordnet sind und zum Stützen des Wärmetauschers (26) innerhalb des Kernreaktor-Druckbehälters (l6) dienen.609849/0256
- 2. Austrittsstutzen- und Eintrittsleitungs-Kombination nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet , daß die Öffnung im zylindrischen Teil zur Aufnahme der Eintrittsleitung weiterhin einen geflanschten Anschlußnippel (14) umfaßt, der aus dem zylindrischen Teil vorsteht, wobei die Eintrittsleitung (10) strömungstechnisch mit dem Anschlußnippel (14) verbunden ist und durch den Kanal im zylindrischen Teil zum Wärmetauscher (26) verläuft.609849/0256Leerseite
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