DE2838461C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasführung an einem Hochtemperaturreaktor nach dem Oberbegriff des 1. Anspruchs, insbesondere für Reaktor-Austrittstem­ peraturen im Bereich von 1000°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 zu den Wärmetauschern oder Turbinen zu vermeiden. Die für Hochtemperaturreaktoren üblichen Heißgaskanäle mit großem lichten Durchmesser haben außen ein metallisches Druckrohr von kreisrundem Quer­ schnitt, das bei kleinen Schäden an der inneren 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 unter­ schiedlicher Temperatur zu vermeiden. Die Konstruktion der notwendigen Gasumlenkungen oder Rohrbögen ist aus den gleichen Gründen problematisch und aufwendig. In Strömungsrichtung hinter solchen Umlenkungen oder Rohr­ bögen 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.

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 Kühlmittel­ strömungswege aufweisen und aus einer Schüttung hitze­ beständiger Körper bestehen. Am Übergang vom Reaktor­ behälter zu den angrenzenden Rohrleitungen sind offen­ sichtlich Gitterroste vorgesehen, um die Schüttung hitzebeständiger Körper im Reaktorbehälter festzuhalten. Die einzige Aufgabe dieser hitzebeständigen Körper ist es, die Grundplatte des Reaktors vor hohen Temperaturen zu schützen. Ein Hinweis für die Ausgestaltung der Gas­ führung zu den Wärmetauschern oder Turbinen ist aus diesem Patent nicht zu entnehmen.

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.

Demgegenüber ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasführung an einem Hochtemperaturreaktor und zwar vom Reaktorboden 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 Durch­ messern sehr aufwendigen Rohrbögen und -verzweigungen mit den dabei notwendigen Kompensatoren und Abdich­ tungen vermieden werden.

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 vor­ geschlagene Aufteilung auf zahlreiche Blöcke ist jeder einzelne Block nur geringen Temperaturdifferenzen und damit auch nur geringen Temperaturspannungen ausgesetzt. Da jeder Block von mehreren Kanälen durchzogen ist, sind auch außen und innen keine wesentlichen Temperatur­ differenzen zu erwarten. Daher kann man auch betriebs­ bedingte Änderungen der Reaktoraustrittstemperatur schneller durchführen als bei den bisher üblichen dickwandigen Bauteilen.

Der im 2. Anspruch vorgeschlagene Ringkanal, an den alle vorhandenen Wärmetauscher 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 Gasführung besonders günstig zu realisieren, weil eine große Anzahl von Rohrverzwei­ gungen und -bögen mit den dazugehörigen Kompensatoren und Abdichtungen vermieden werden können. Wenn man wohl die radialen Gasführungen 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 aus­ geführt werden können. Verglichen mit den bisher bekannten Gasführungen mit radialen Heißgaskanälen von großem lichten Innendurchmesser ist in dem erfindungs­ gemäßen 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 aus­ räumen und in den entstandenen Hohlraum Inspektions- oder Reparaturgeräte einführen.

Die im 3. Anspruch vorgeschlagenen Blöcke sind mit einem rechteckigen Querschnitt für rechteckige Gas­ führungen, mit einem trapezförmigen Querschnitt für ringförmige oder polygonförmige Gasführungen bestimmt. 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 gewähr­ leistet 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 Tempraturdifferenzen auch von innen erwärmt wird. Der vorgeschlagene Block stellt eine besonders wirtschaftlich herzustellende Ausgestaltung dar, wenn mit nur vier geradlinigen Bohrungen jeweils zwei räumlich­ diagonal gegenüberliegende Ecken des Blockes durch Kanäle verbunden werden.

Der im 4. Anspruch vorgeschlagene Block stellt einen Sonderfall der im 3. Anspruch beschrie­ benen 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.

Die im 5. Anspruch vorgeschlagene Gasführung soll den Austritt aus den Blöcken vergleichmäßigen.

Die Fig. 1-10 zeigen mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen senkrechten radialen Schnitt durch den rechten unteren Teil eines gasgekühlten Kugelhaufen­ reaktors, der von oben nach unten von Helium durch­ strömt werden soll und durch eine radiale Gasführung zu einem Wärmetauscher.

Fig. 2 zeigt einen waagerechten Schnitt durch eine Schicht von Blöcken unterhalb des Reaktors.

Die Fig. 3-10 zeigen einzelne Blöcke für die erfindungsgemäßen Gasführungen.

In Fig. 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 l bezeichnet, so daß die Lage eines jeden Blockes durch eine Kombination einer Zahl und eines Buchstabens definiert ist. Oberhalb der Blöcke 5 a bis 4 c bzw. der Blöcke 4 c bis 5 e befindet sich beim Betrieb des Reaktors eine Schüttung von Brennstoffkugeln 10, die durch Helium, und zwar von oben nach unten, gekühlt werden. Diese Brennstoffkugeln werden durch hier nicht gezeichnete Kanäle links von dem Block 5 a nach unten abgezogen. Die Blöcke 5 a bis 4 c und 4 c bis 5 e haben zahlreiche senkrechte parallele Gaskanäle, deren Durchmesser aber so klein ist, daß die Brennstoffkugeln weder in sie eindringen noch überhaupt in ihrer Öffnung liegen­ bleiben können. Unterhalb der mit zahlreichen senk­ rechten parallelen Gaskanälen versehenen Blöcke ist jeweils ein nicht gezeigter Gassammelraum vorhanden, der die schrägen Gaskanäle des darunterliegenden Blockes mit den parallelen Gaskanälen verhindert. Die darunter­ liegenden Blöcke, beispielsweise 3 a und 4 a haben jeweils von allen ihren 8 Ecken je einen Kanal zu ihrer Mitte, der zwangsläufig mit den entsprechenden Kanälen benach­ barter oder darunterliegender Blöcke in Verbindung steht. Durch diese mehrfache Aufteilung, Umlenkung und Wiederzusammenführung von Teilströmen werden unter­ schiedliche 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 11, die aber keine Kanäle aufweisen, um die angrenzende Schicht 12 und den durch einen Kühlmittelkanal 13 von dieser Schicht 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 Reaktorkühl­ medium benutzte Helium strömt von oben nach unten durch die Brennstoffkugeln 10, dann durch eine obere Schicht von Blöcken 5 a usw. mit zahlreichen senkrechten, parallelen Bohrungen und dann durch die Blöcke 4 a, 3 a usw. mit diagonalen Bohrungen. Von diesen Blöcken unterhalb des Reaktors fließt das heiße Gas zwangs­ läufig durch Blöcke von prinzipiell gleicher Art, die an mehreren, gleichmäßig über den Umfang verteilten Stellen radiale Gasführungen bilden. Diese Gasführungen können, in die senkrechte Richtung umgelenkt, unmittel­ bar zu einem Wärmetauscher 15 führen, aber auch, wie in Fig. 2 dargestellt, zu einem für alle Wärmetauscher gemeinsamen Ringkanal 21 nach dem 2. Anspruch. Unterhalb des Wärmetauschers 15 sind zweckmäßigerweise Blöcke 3 k und 3 l angeordnet, die ähnlich wie die Blöcke 5 a usw. zahlreiche senkrechte parallele Bohrungen aufweisen und die an ihrer Unterseite ebenfalls nicht dargestellte Räume aufweisen, die das aus den diagonalen Bohrungen der Blöcke 2 k und 2 l austretende heiße Gas auf die zahlreichen senkrechten Kanäle verteilen.

Fig. 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 keisförmige Stutzen 22, die jeweils zu einem in Fig. 2 nicht dargestellten Wärme­ tauscher führen. Um den Weg des heißen Gases verständ­ licher zu machen, sind die polygonalen Blöcke mit den diagonalen Bohrungen nur auf einem Sektor und in einem radialen Kanal dargestellt.

Die Fig. 3, 5, 7 und 9 zeigen jeweils einzelne Blöcke in Seitenansicht, während die jeweils darunter­ liegenden Fig. 4, 6, 8 und 10 denselben Block in der Draufsicht zeigen. Der in den Fig. 3 und 4 darge­ stellte Block ist in Fig. 1 beispielsweise als Block 3 b zu finden. Der in den Fig. 5 und 6 dargestellte Block ist in Fig. 1 nicht zu finden. Der in den Fig. 7 und 8 dargestellte Block ist in den Fig. 1 und 2 ebenfalls nicht dargestellt, liegt aber auch im Rahmen der Erfindung. Der in den Fig. 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.

Claims (6)

1. Gasführung an einem Hochtemperaturreaktor mit folgendem Reaktorbodenaufbau:

• a) der Reaktorboden besteht aus zahlreichen polygonalen Blöcken,
• b) die Blöcke sind in mehreren Schichten übereinander und nebeneinander gestapelt,
• c) die Blöcke besitzen in ihrem Inneren jeweils mehrere, die Blöcke durchsetzende Kühlgaskanäle, wobei die Austrittsöffnungen der Kühlgaskanäle benachbarter Blöcke in der Weise einander gegenüberliegen, daß das Kühlgas von einem Block zu einem bestimmten benachbarten Block gelangen kann,
• d) die einen Block durchsetzenden Kühlgaskanäle sind jeweils gegeneinander und gegen die Hauptströmrichtung geneigt,
• e) die innerhalb eines Blocks befindlichen Kühlgaskanäle stehen innerhalb des jeweiligen Blocks miteinander in Verbindung,
• f) die Kühlgaskanäle sind innerhalb der Blöcke so ausgebildet, daß jeder Block mit allen unmittelbar benachbarten Blöcken über Kühlgaskanäle in direkter Verbindung steht,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• g) Die Gasführung vom Reaktorboden (1 a bis 5 e) zu den Wärmetauschern (15) oder Turbinen besteht aus mehreren Radial- Kanälen und einem Ringkanal (21),
• h) die Radial-Kanäle (20) und der Ringkanal (21) haben einen rechteckigen Querschnitt,
• i) die Radial-Kanäle enthalten zahlreiche quaderförmige Blöcke mit den Merkmalen b) bis f).

2. Gasführung an einem Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:

• k) Der Ringkanal (21) enthält zahlreiche polygonale Blöcke (1 k, 1 l, 2 k, 2 l) mit den Merkmalen b) bis f).

3. Gasführung an einem Hochtemperaturreaktor nach den Ansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) Mindestens ein Block (1 f, 2 f oder 1 k, 2k) hat einen rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt,
• b) von allen acht Ecken verläuft je ein Kanal zu einem zentralen Punkt des Blocks.

4. Gasführung an einem Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
von der Mitte einer Wand des Blockes verlaufen Kanäle zu den Ecken der gegenüberliegenden Wand.

5. Gasführung an einem Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet mit folgenden Merkmalen:
An der Grenzfläche zu einem Wärmetauscher (15) befindet sich eine Lage von Blöcken (3 k) mit zahlreichen parallelen Kanälen, deren Abmessungen wesentlich kleiner sind als die der anderen Kanäle.