DE2618345C3 - Austrittsstutzen- und Eintrittsleitungs-Kombination für einen Kernreaktor-Druckbehälter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine die Druckbehälterwand eines Atomkernreaktors durchdringende Austrittsstutzen- und Eintrittsleitungs-Kombination für das Speisewasser eines innerhalb des Druckbehälters befindlichen Wärmetauschers.

Bei den bekannten Kernreaktoren wird im allgemeinen Wasser als Sekundärkühlmittel benützt, das innerhalb des Wärmetauschers erwärmt wird, bis es verdampft und Dampf bildet. Dieser Dampf strömt von dem Wärmetauscher aus dem Druckbehälter über einen Druckstutzen heraus zu einer oder zu mehreren Dampfturbinen für die Energieerzeugung. 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 Speisewassereintrittsleitung eingeführt, die die Druckbehälterwand durchdringt. Vorzugsweise haben diese Wärmetauscher eine Reihe von im allgemeinen parallelen Rohren, die das Primärmittel enthalten. Das Speisewasser für den Sekundärkühlmittelkreislauf durchströmt die Räume zwischen den Rohren, um die Wärme aus dem Primärkühlmittel aufzunehmen, das innerhalb dieser Rohre strömt

Obwohl eine solche konstruktive Anordnung einen verhältnismäßig wirtschaftlichen und wirksamen Kernenergie-Reaktor darstellt, gibt es eine Anzahl von Konstruktionsschwierigkeiten. So erfordern beispielsweise die Speisewassereintrittsleitung und der Dampfaustrittsstutzen jeweils getrennte Druckbehälterdurchtritte. Dieses wiederum erfordert einen großen Aufwand an qualitativ hochwertigen Spezialbearbeitungen, 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.

Wegen der Dehnungen und Schrumpfungen, die Metalle bei Temperaturänderungen erfahren, neigen die bekannten Durchtritte auch dazu, störende, unterschiedliche Wärmebewegungen zu erzeugen; der verhältnismäßig heiße Druckbehälter dehnt sich z. B. stärker als die kältere zugehörige Speisewassereintrittsleitung aus.

Zur Ausschaltung dieser Nachteile ist es bereits bekannt, daß zum Wärmetauscher führende Stutzen in Form von die Druckbehälterwand durchdringenden konzentrischen Röhren ausgebildet werden (DE-AS 15 64 054).

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 einer Weise befestigt werden, die es erlaubt, die erwarteten Spannungen auszuhalten, denen jeder der Bausteine ausgesetzt sein wird. Angesichts der thermisch verursachten Dehnungen und Schrumpfungen, Schocks und Spannungen, die während der Anfahr-, Übergangs- und Abschaltzustände eines Leitungsreaktors 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 Metalleiste 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 Speisewassereintrittsleitungen 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 zu schaffen, die die geschilderten Nachteile weitgehend ausschaltet und einen sicheren Betrieb gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß diese Kombination in an sich bekannter Weise die Druckbehälterwand in Form von konzentrischen Röhren durchsetzt, daß der rohrförmige Austrittsstutzen mit einem Flansch unter Zwischenlage von Abdichtungen an der Druckbehälterwand befestigt ist, daß die Eintrittsleitung innerhalb des rohrförmigen Durchtrittsstutzens zum Wärmetauscher geführt ist, daß am Wärmetauscher ein Kragen vorhanden ist, der vom Wärmetauscher in Richtung auf den Austrittsstutzen vorsteht, und daß Mittel vorgesehen sind, um den Kragen mit der Druckbehälterwand zu verbinden und daß dem Kragen Mittel zugeordnet sind, um den Wärmetauscher innerhalb des Druckbehälters abzustützen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Öffnung im rohrförmigen Austrittsstutzen zur Aufnahme der Eintrittsleitung einen geflanschten Anschlußnippel auf, der aus dem rohrförmigen Austrittsstutzen vorsteht.

Durch die Erfindung entsteht der Vorteil, daß die obengenannten und zahlreiche andere Schwierigkeiten, die den Stand der Technik gekennzeichnet haben, weitgehend überwunden werdea Dadurch, daß die Speise Wassereintrittsleitung innerhalb des Dampf aus- ι ο trittsstutzens angeordnet wird, werden viele der Probleme, die beim Stand der Technik durch thermisch induzierte Spannungen aufgetreten sind, gelöst.

Dadurch wird nicht nur das Wärmegefälle zwischen der Speisewassereintrittsleitung und der umgebenden Druckbehältermasse vermindert, sondern auch der völlig unerwartete Vorteil erzielt, der darin besteht, daß die Anzahl der Speisewassereintritts- und Dampfaustritts-Durchtritte in der Druckbehälterwand um die Hälfte vermindert wird.

Ein weiterer Vorteil entsteht erfindungsgemäß dadurch, daß die einzelnen Wärmetauscherbausteine von dem Druckbehälter an dem gleichen Standort getragen werden wie die ineinander verschaltete Speisewassereintrittsleitungs- und Dampfaustrittsstutzen-Kombination. Dadurch ist es nicht erforderlich, die bei störenden, unterschiedlichen Wärmedehnungen auftretenden Probleme durch Spezialkonstruktionen innerhalb des Dnickbehälters zu lösen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 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 F i g. 1 weist eine horizontale angeordnete Speisewasser-Eintrittsleitung 10 einen Bogen U 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 Eintrittileitung 10 und einem im allgemeinen zylindrischen Teil eines Dampfaustrittsstutzens 13, der einen Teil der Leitung 10 und den Bogen 11 umschließt.

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 Druckbehäiters 16 ausgebildet ist, weist eine Reihe von Bohrungen 24 auf, die bis zur Innenflache des Druckbehälters 16 durchgebohrt sind. Die gewindelosen Schäfte der Schrauben 25 werden in den Bohrungen 24 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

Ein hohler zylindrischer Kragen 30 wird mit Abstand innerhalb der zylindrischen Wand 27 aufgenommen. Der Kragen 30 und die Wand 27 werden durch eine hohle, ringförmige Dichtung 31 verbunden. Wie es der Fig. 1 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 bzw. 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 11 zu beschreiben, wodurch die 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 F ι g. 1 dargestellt ist, hat der Wärmetauscher-Baustein Gewindebohrungen 40, die die Gewindeenden der Schrauben 25 aufnehmen. Somit durchdringen die Schrauben 25 den Druckbehälter 16 und ziehen den Wärmetauscher-Baustein fest gegen die Innenfläche des Druckbehälter, um sowohl den Baustein, den Stutzen und auch die Eintrittsleitung im wesentlichen in der gleichen Lage zu halten, wodurch die Probleme unterschiedlicher Wärmedehnungen 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 F i g. 2 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 Flanschnippel 44. Der Nippel 44 hat eine Entwässerungs- und Druckfunktion, die nachstehend beschrieben wird. Der Nippel 44 nimmt eine Entwässerungs- und Druckanschlußleitung 45 auf, die vertikal nach unten in einem im allgemeinen zylindrischen Kanal 46 verläuft, der innerhalb des Stutzens 41 ausgebildet ist um eine Dampfströmung zu der Hauptdampfzuführungsleitung 43 zu erlauben. Ein Bogen zu ISO" oder eine Dehnschieife 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 Dampfantrittsstutzen 41 hat auch einen vertikal gerichteten sowie geflanschten Speisewassereintrittsnippel 53, der es ermöglicht, daß Speisewasser nach oben in einen anschließenden und horizontal angeordneten Teil der Speisewasserlei- ,₀ tung 54 fließt. Die Speisewasserleitung 54 durchdringt die Reaktor-Druckbehälterwand 50 und tritt in den Wärmetauscher 52 ein, wo sie in einer nach unten gerichteten, aus Krümmer und Sprühkopf 55 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 Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß die Entwässerungs- und Druckanschlußleitung 45 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 wurde 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 den Wärmetauscher gestoßen, indem es nach oben gedrückt wird und über die Entwässerungs- und Druckanschlußleitung 45 ausströmt.

Der im allgemeinen zylindrisch gehaltene Teil des Dampfaustrittsstutzens 41 endet in einem vertikal gerichteten Flansch 57, der an einer vorstehenden Gegenfläche 60 mit den Schrauben 61 oder mit anderen geeigneten Befestigungsmittels befestigt wird. Wie es in F i g. 2 dargestellt ist, steht der Dampfkanal 46 in dem Austrittsstutzen 41 strömungstechnisch und koaxial mit einer Bohrung 62 in Verbindung, die in der Reaktor-Druckbehälterwand 50 ausgebildet ist. Die Bohrung 62 ist tatsächlich eine Verlängerung des Dampfaustrittsstutzens durch die Reaktorkonstruktion hindurch.

Innerhalb der Reaktor-Druckbehältenvand 50 ist eine ringförmige Aussparung 63 ausgebildet, um einen horizontal angeordneten zylindrischen Anschluß 64 aufzunehmen, der an einer vorbereiteten Fläche 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 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, 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 eine 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 Wärmetauscher- und 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 Fig.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 F i g. 1 und 2 dargestellten unc erläuternd beschriebenen Ausführungsformen der Er findung können natürlich zahlreiche Modifizierunger vorgenommen werden. In typischer Weise kann dei Flansch 42 in Fig.2 durch einen anderen Verbindei ersetzt werden. Eine Leiste oder eine andere Halterung kann außerdem auf der Innenfläche der Reaktor-Druck behälterwand 50 vorgesehen werden, um den Wärme tauscher 52 zu stützen oder weiter zu stabilisieren.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Die Druckbehälterwand eines Atomkernreaktors durchdringende Austrittsstutzen- und Eintrittsleitungs-Kombination für das Speisewasser eines innerhalb des Druckbehälters befindlichen Wärmetauschers, dadurch gekennzeichnet, daß diese Kombination in an sich bekannter Weise die Druckbehälterwand (16) in Form von konzentrisehen Röhren durchsetzt, daß der rohrförmige Austrittsstutzen (13) mit einem Flansch (15) unter Zwischenlage von Abdichtungen (22, 23) an der Druckbehältsrwand (16) befestigt ist, daß die Eintrittsleitung (10) innerhalb des rohrförmigen Austrittsstutzens (13) zum Wärmetauscher (26) geführt ist, daß am Wärmetauscher (26) ein Kragen (30) vorhanden ist, der vom Wärmetauscher (26) in Richtung auf den Austrittsstutzen (13) vorsteht, daß Mittel (31, 32, 33, 34) vorgesehen sind, um den ίο Kragen (30) mit der Druckbehälterwand (16) zu verbinden und daß dem Kragen (30) Mittel (24, 25, 40) zugeordnet sind, um den Wärmetauscher (26) innerhalb des Druckbehälters (16) abzustützen.

2. Austrittsstutzen- und Eintrittsleitungs-Kombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung im rohrförmigen Austrittsstutzen (13) zur Aufnahme der Eintrittsleitung einen geflanschten Anschlußnippel (14) aufweist, der aus dem rohrförmigen Austrittsstutzen (13) vorsteht