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Gasführung für Hocktemperaturreaktoren
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gas führung für einen Hochtemperaturreaktor
nach dem Oberbegriff des 1. Anspruchs, insbesondere für Reaktor-Austrittstemperaturen
im Bereich von 1.000 °C. Bei diesen Temperaturen sollen einerseits Überschreitungen
der mittleren Temperatur möglichst vermieden werden, um die verwendeten Werkstoffe
zu schonen, andererseits sollen auch Temperaturdifferenzen möglichst vermieden werden,
um Wärmespannungen und Wärmeschocks in den Bauteilen der Gasführung, Wärmetauscher
oder Turbinen zu vermeiden. Die für Hochtemperaturreaktoren üblichen Heißgaskanäle
mit großem lichten Durchmesser haben außen ein metallisches Druckrohr von kreisrundem
Querschnitt, das bei kleinen Schäden an der Isolierung durch Gassträhnen von hoher
Temperatur gefährdet ist und daher ständig gekühlt werden muß Außerdem müssen diese
üblichen Heißgaskanäle beweglich gelagert und mit Kompensatoren versehen werden,
um Wärmespannungen aufgrund unterschiedlicher
Temperatur zu vermeiden.
Die Konstruktion der notwendigen Gasumlenkungen oder Rohrbögen ist aus den gleichen
Gründen problematisch und aufwendig. In Strömungsrichtung hinter solchen Umlenkungen
oder Rohrbögen treten wiederum unerwünschte Gassträhnen und Wirbel auf, die bisher
durch Lochplatten mit einem erheblichen Druckverlust vermieden wurden. Solche Lochplatten
sind sehr aufwendig und selbst auch durch Temperaturdifferenzen gefährdet.
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In der deutschen Patentschrift 15 64 986 wird ein Kernreaktor mit
einer Aufschüttung hitzebeständiger, spaltbarer Kernkörper beschrieben. Dieser Kernreaktor
hat zwischen der Aufschüttung und der Grundplatte einen in vertikaler und auch seitlicher
Richtung durchlässigen, hitzebeständigen Aufbau. Dieser Aufbau soll nicht näher
beschriebene bevorzugte Kühlmittelströmungswege aufweisen und aus einer Schüttung
hitzebeständiger Körper bestehen. Am Ubergang vom Reaktorbehälter zu den angrenzenden
Rohrleitungen sind offensichtlich Gitterroste vorgesehen, um die Schüttung hitzebeständiger
Körper im Reaktorbehälter festzuhalten.
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Die einzige Aufgabe dieser hitzebeständigen Körper ist es, die Grundplatte
des Reaktors vor hohen Temperaturen zu schützen. Ein Hinweis für die Ausgestaltung
der Gasführung zu den Wärmetauschern oder Turbinen ist aus diesem Patent nicht zu
entnehmen.
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In der deutschen Offenlegungsschrift 14 64 705 wird eine Rohrleitung
für einen Kernreaktor beschrieben mit einer Erweiterung, in der ein einzelner Abschirmblock
eingebaut ist. Dieser Block hat aber nur die Aufgabe, den direkten gradlinigen Durchtritt
radioaktiver Strahlung zu verhindern.
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Demgegenüber ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Gas führung
für Hochtemperaturreaktoren und zwar vom Reaktor zu den Wärmetauschern oder Turbinen,
die in allen betreffenden Bauteilen Temperaturspitzen und Wärmespannungen aufgrund
unterschiedlicher Temperaturen weitgehend vermeidet. Außerdem sollen die bei diesen
Temperaturen und den notwendigerweise großen Durchmessern sehr aufwendigen Rohrbögen
und -verzweigungen mit den dabei notwendigen Kompensatoren und Abdichtungen vermieden
werden.
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Die im 1. Anspruch vorgeschlagene Gasführung verteilt den heißen Gasstrom
auf eine große Anzahl von kleinen Gasströmen, die sowohl innerhalb als auch außerhalb
eines Blockes mit anderen Gasströmen gemischt und anschließend erneut aufgeteilt
werden. Durch diese mehrfache Umlenkung, Zusammenführung und erneute Aufspaltung
werden Temperaturunterschiede über den Querschnitt sehr schnell ausgeglichen. Durch
die vorgeschlagene Aufteilung auf zahlreiche Blöcke ist jeder einzelne Block nur
geringen Temperaturdifferenzen und damit auch nur geringen Temperaturspannungen
ausgesetzt.
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Da jeder Block von mehreren Kanälen durchzogen ist, sind auch außen
und innen keine wesentlichen Temperaturdifferenzen zu erwarten. Daher kann man auch
betriebsbedingte Änderungen der Reaktoraustrittstemperatur schneller durchführen
als bei den bisher üblichen dickwandigen Bauteilen.
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Der im 2. Anspruch vorgeschlagene Ringkanal, an den alle vorhandenen
Wärinetauscher und Notkühleinrichtungen oder Turbinen angeschlossen sind, sorgt
ebenfalls für gleichmäßige Anströmung, auch wenn einzelne dieser Apparate betriebsbedingt
abgeschaltet sind. Ein solcher Ringkanal ist mit der im 1. Anspruch bereits
vorgeschlagenen
Gas führung besonders günstig zu realisieren, weil eine große Anzahl von Rohrverzweigungen
und -bögen mit den dazugehörigen Kompensatoren und Abdichtungen vermieden werden
können. Wenn man wohl die radialen Gas führungen vom Reaktor zum Ringkanal aber
nicht den Ringkanal selbst mit polygonalen Blöcken ausfüllt, dann stellt dieser
Ringkanal einen Raum dar, von dem aus Inspektionen und Reparaturen ausgeführt werden
können. Verglichen mit den bisher bekannten Gas führungen mit radialen Heißgaskanälen
von großem lichten Innendurchmesser ist in dem erfindungsgemäßen Ringkanal nicht
mehr zu befürchten, daß die aus dem Reaktor auch im Ruhezustand austretende Strahlung
die Inspektion und Reparatur im Ringkanal unmöglich macht. Selbst wenn, wie im 3.
Anspruch vorgeschlagen, auch der Ringkanal mit zahlreichen polygonalen Blöcken ausgefüllt
ist, kann man einen Teil dieser Blöcke ausräumen und in den entstandenen Hohlraum
Inspektions-oder Reparaturgeräte einführen.
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Die im 4. Anspruch vorgeschlagenen Blöcke sind mit einem rechteckigen
Querschnitt für rechteckige Gasführungen, mit einem trapezförmigen Querschnitt für
ringförmige oder polygonförmige Gas führungen bestimmt.
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Wenn man, wie vorgeschlagen, von jeder der acht Ecken einen Kanal
zu einem zentralen Punkt des Blockes führt, ist sichergestellt, daß die Kanäle jeweils
mit den entsprechenden Kanälen der benachbarten Blöcke verbunden sind und die für
eine gute Mischung erforderliche Verzweigung und Zusammenführung der Kanäle gewährleistet
ist.. Durch die zu einem zentralen Punkt etwa in der Mitte des Blockes zusammenlaufenden
Kanäle wird erreicht, daß der Block bei Temperaturänderungen sehr schnell und mit
nur geringen Temperaturdifferenzen auch von innen erwärmt wird.
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Der im 5. Anspruch vorgeschlagene Block stellt eine besonders wirtschaftlich
herzustellende Ausgestaltung des bereits beschriebenen Blockes dar. Mit nur vier
geradlinigen Bohrungen werden jeweils zwei räumlichdiagonal gegenüberliegende Ecken
des Blockes durch Kanäle verbunden.
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Der im 6. Anspruch vorgeschlagene Block stellt einen Sonderfall der
im vierten und fünften Anspruch beschriebenen Blöcke dar. Wenn man zwei dieser Blöcke
umgekehrt aufeinanderlegt, entsteht wieder ein Block von größerer Abmessung, bei
dem wieder von jeder Ecke ein Kanal zur Mitte verläuft. Selbstverständlich kann
man diesen Block auch noch in kleinere Einheiten aufteilen.
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Die im 7. Anspruch vorgeschlagene Gas führung soll den Austritt aus
den Blöcken vergleichmäßigen.
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Die Figuren 1 - 10 zeigen mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Figur 1 zeigt einen senkrechten radialen Schnitt durch den rechten
unteren Teil eines gasgekühlten Kugelhaufenreaktors, der von oben nach unten von
Helium durchströmt werden soll und durch eine radiale Gas führung zu einem Wärmetauscher.
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Figur 2 zeigt einen waagerechten Schnitt durch eine Schicht von Blöcken
unterhalb des Reaktors.
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Die Figuren 3 - 10 zeigen einzelne Blöcke für die erfindungsgemäßen
Gas führungen.
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In Figur 1 sind zahlreiche Schichten von Blöcken von unten nach oben
fortlaufend von 1 bis 5 numeriert und
von der Mitte nach außen
mit Buchstaben von a bis 1 bezeichnet, so daß die Lage eines jeden Blockes durch
eine Kombination einer Zahl und eines Buchstabens definiert ist. Oberhalb der Blöcke
5a bis 4c bzw. der Blöcke 4c bis 5e befindet sich beim Betrieb des Reaktors eine
Schüttung von Brennstoffkugeln, die durch Helium, und zwar von oben nach unten,
gekühlt werden. Diese Brennstoffkugeln werden durch hier nicht gezeichnete Kanäle
links von dem Block 5a nach unten abgezogen.
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Die Blöcke 5a bis 4c und 4c bis 5e haben zahlreiche senkrechte parallele
Gaskanäle, deren Durchmesser aber so klein ist, daß die Brennstoffkugeln weder in
sie eindringen noch überhaupt in ihrer öffnung liegenbleiben können. Unterhalb der
mit zahlreichen senkrechten parallelen Gaskanälen versehenen Blöcke ist jeweils
ein nicht gezeigter Gassammelraum vorhanden, der die schrägen Gaskanäle des darunterliegenden
Blockes mit den parallelen Gaskanälen verhindert. Die darunterliegenden Blöcke,
beispielsweise 3a und 4a haben jeweils von allen ihren 8 Ecken je einen Kanal zu
ihrer Mitte, der zwangsläufig mit den entsprechenden Kanälen benachbarter oder darunter
liegender Blöcke in Verbindung steht. Durch diese mehrfache Aufteilung, Umlenkung
und Wiederzsammenführung von Teilströmen werden unterschiedliche Gastemperaturen
schnell ausgeglichen. Die erfindungsgemäßen polygonalen Blöcke mit den darin enthaltenen
Kanälen werden nach unten und seitlich begrenzt durch mindestens eine Schicht von
ebenfalls hochtemperaturbeständigen Blöcken 10, die aber keine Kanäle aufweisen,
um die angrenzende Wand 12 und den durch einen Kühlmittelkanal 13 von dieser Wand
12 getrennten Beton 14 vor der hohen Temperatur und gegebenenfalls der radioaktiven
Strahlung aus dem Reaktor zu schützen. Bei dieser Beschreibung sind die für die
vorliegende Erfindung nicht unbedingt
notwendigen Einzelheiten
eines Reaktordruck- oder Sicherheitsbehälters weggelassen. Das als Reaktorkühlmedium
benutzte Helium strömt von oben nach unten durch die Brennstoffkugeln 10, dann durch
eine obere Schicht von Blöcken 5a usw. mit zahlreichen senkrechten, parallelen Bohrungen
und dann durch die Blöcke 4a, 3a usw. mit diagonalen Bohrungen. Von diesen Blöcken
unterhalb des Reaktors fließt das heiße Gas zwangsläufig durch Blöcke von prinzipiell
gleicher Art, die an mehreren, gleichmäßig über den Umfang verteilten Stellen radiale
Gas führungen bilden. Diese Gas führungen können, in die senkrechte Richtung umgelenkt,
unmittelbar zu einem Wärmetauscher 15 führen, aber auch, wie in Fig. 2 dargestellt,
zu einem für alle Wärmetauscher gemeinsamen Ringkanal nach den 2. Anspruch. Unterhalb
des Wärmetauschers 15 sind zweckmäßigerweise Blöcke 3k und 31 angeordnet,die ähnlich
wie die Blöcke 5a usw.
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zahlreiche senkrechte parallele Bohrungen aufweisen und die an ihrer
Unterseite ebenfalls nicht dargestellte Räume aufweisen, die das aus den diagonalen
Bohrungen der Blöcke 2k und 21 austretende heiße Gas auf die zahlreichen senkrechten
Kanäle verteilen.
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Figur 2 zeigt mit denselben Bezeichnungen wie in Fig. 1 wie das heiße
Gas unterhalb des Reaktors durch polygonale Blöcke verteilt und gemischt durch in
diesem Fall vier radiale Kanäle 20 in einen Ringkanal 21 strömt. Dieser Ringkanal
trägt acht gleichmäßig über den Umfang verteilte kreisförmige Stutzen 22, die jeweils
zu einem in Fig. 2 nicht dargestellten Wärmetauscher führen. Um den Weg des heißen
Gases verständlicher zu machen, sind die polygonalen Blöcke mit den diagonalen Bohrungen
nur auf einem Sektor und in einem radialen Kanal dargestellt.
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Die Figuren 3, 5, 7 und 9 zeigen jeweils einzelne Blöcke in Seitenansicht,
während die jeweils darunterliegenden Figuren 4, 6, 8 und 10 denselben Block in
der Draufsicht zeigen. Der in den Figuren 3 und 4 dargestellte Block ist in Figur
1 beispielsweise als Block 3b zu finden. Der in den Figuren 5 und 6 dargestellte
Block ist in Figur 1 nicht zu finden. Der in den Figuren 7 und 8 dargestellte Block
ist in den Figuren 1 und 2 ebenfalls nicht dargestellt, liegt aber auch im Rahmen
der Erfindung. Der in den Figuren 9 und 10 dargestellte sechseckige Block zeigt,
daß man das Prinzip dieser Erfindung beispielsweise auch auf einen Reaktorboden
anwenden kann, der aus sechseckigen Blöcken besteht.
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