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In einem zylindrischen Druckbehälter
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untergebrachter Hochtemperaturreaktor Die Erfindung betrifft einen
in einem zylindrischen Druckbehälter untergebrachten Hochtemperaturreaktor, vorzugsweise
mit kugelförmigen Brennelementen, der von oben nach unten von einem Kühlgas durchströmt
wird und auf einer Tragkonstruktion von Graphitblöcken ruht, die von sich auf dem
Boden des Hochtemperaturreaktors abstützenden Rundsäulen getragen werden, wobei
die Rundsäulen in einer als Heißgassammelraum dienenden Säulenhalle angeordnet sind,
die von einem Seitenreflektor begrenzt wird und an die sich mehrere radiale Heißgaskanäle
anschließen.
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In der Offenlegungsschrift 19 56 226 ist ein gasgekühlter Kernreaktor
beschrieben, dessen Kern sich über Säulen aus feuerfestem Material auf dem Boden
des Reaktor-Druckgefäßes abstützt. Die den Kern bildenden Graphitblöcke weisen Kanäle
auf, durch die das Kühlgas von oben nach unten durch den Kern geführt wird. In den
Säulen aus feuerfestem Material sind den genannten Kanälen zugeordnete weitere Kanäle
vorgesehen, durch die das heiße Kühlgas zu in den Säulen eingeformten Hohlräumen
gelangt, die untereinander in Verbindung stehen. Das sich in den Hohlräumen sammelnde
heiße Gas tritt sodann in einen Heißgaskanal ein, der sich seitlich an die
Säulen
aus feuerfestem Material anschließt; von dort gelangt das Gas in einen Wärmetauscher-Raum.
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Stand der Technik ist weiterhin ein Kugelhaufenreaktor (THTR-300 MWe)
mit einem Tragboden.für die Brennelementschüttung aus einer Vielzahl von hexagonalen
Graphitblöcken, die zu frei beweglichen Säulen angeordnet sind. Jede dieser Säulen
ist einzeln durch eine massive Rundsäule abgestützt, und alle Rundsäulen sind in
dem aus Graphitplatten bestehenden Boden des Kernreaktors eingebunden. In den Graphitblöcken
befinden sich Durchlässe für das von oben nach unten durch die Brennelementschüttung
strömende Kühlgas. Das aus dem Tragboden austretende heiße Kühlgas gelangt in die
von den Rundsäulen gebildete Säulenhalle, an die sich mehrere radial verlaufende
und zu Dampferzeugern führende Heißgaskanäle anschließen.
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Ferner ist vorgeschlagen worden, bei einem derartigen Kugelhaufenreaktor
die Rundsäulen als Hohlsäulen auszubilden und die Säuleninnenräume mit den Kühlgasdurchlässen
zu verbinden.
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Durch eine Anzahl radialer Bohrungen, die in mehreren Ebenen angeordnet
sind, steht der Innenraum jeder Hohlsäule mit der Säulenhalle in Verbindung. Diese
Ausgestaltung des Tragbodens bewirkt, daß das heiße Gas gleichmäßig in alle Ebenen
der Säulenhalle abströmen kann, so daß die Herausbildung von Schichten in der Gasströmung
weitgehend vermieden wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Hochtemperaturreaktor
der eingangs beschriebenen Bauart eine gute Durchmischung der heißen Gassträhnen
vor ihrem Austritt aus der Säulenhalle mit Mitteln zu erzielen, die keinen zusätzlichen
Platz benötigen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß auf dem Boden
der Säulenhalle vor jedem Heißgaskanal ein das aus der Säulenhalle abströmende Heißgas
nach oben lenkender, vorzugsweise V-förmiger oder annähernd V-förmiger Verdrängungskörper
angeordnet ist, dessen Schenkel sich zu beiden Seiten der zu dem Heißgaskanal führenden
Öffnung in dem Seitenreflektor an diesen anschließen.
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Durch den Einbau der erfindungsgemäßen Verdrängungskörper in der Säulenhalle
des Hochtemperaturreaktors werden die in diesem Bereich noch vorhandenen Temperaturunterschiede
im Heißgas abgebaut, so daß das Heißgas die an erster Stelle im Heißgasstrom liegenden
Komponenten des Primärkreislaufs (wärmetauschende Apparate wie Röhrenspaltöfen oder
He/He-Wärmetauscher) mit sehr geringen Abweichungen von der mittleren Heißgastemperatur
anströmt. Für die Lebensdauer dieser Komponenten ist es von ausschlaggebender Bedeutung,
wie groß die lokalen Temperaturunterschiede in dem Heißgas noch sind.
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Es konnte experimentell nachgewiesen werden, daß - bei Inkaufnahme
geringer zusätzlicher Druckverluste - mit Hilfe der erfindungsgemäßen Verdrängungskörper
eine wesentlich bessere Vermischung des aus der Säulenhalle austretenden Heißgases
erreicht wird. Die Verdrängungskörper lassen sich ohne Schwierigkeiten herstellen
und einbauen, da sie eine einfache geometrische Form besitzen.
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Vorteilhafterweise sind die Verdrängungskörper so gestaltet, daß sie
an ihrem oberen Ende eine scharfe Abrißkante aufweisen.
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Dadurch wird eine Wirbelbildung hervorgerufen, die den Vermischungseffekt
noch verstärkt.
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Beispielsweise können die beiden Schenkel jedes Verdrängungskörpers
die Form eines rechtwinkligen Dreiecks besitzen, und die Hypotenuse dieses Dreiecks
ist dem Heißgasstrom zugekehrt.
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Jeder der beiden Schenkel stellt also ein dreikantiges Prisma dar,
durch das eine Einschnürung des freien Querschnitts der Säulenhalle erfolgt und
das am Boden der Säulenhalle strömende Heißgas gezwungen wird, nach oben zu strömen.
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Wie bereits erwähnt, wird durch die Anordnung von Verdrängungskörpern
der Druckverlust der Kühlgasströmung in der Säulenhalle geringfügig erhöht. Dieser
zusätzliche Druckverlust wächst mit der Höhe der Verdrängungskörper. Es ist daher
zweckmäßig, je nach den gestellten Anforderungen die Höhe der Verdrängungskörper
in Abhängigkeit von der Höhe der Säulenhalle festzulegen.
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Auf diese Weise läßt sich ein ausgewogenes Verhältnis zwischen der
gewünschten Vermischungsgüte und dem zulässigen Druckverlust erreichen. Dabei spielt
auch die Form der Verdrängungskörper eine Rolle, d. h. das Verhältnis von Höhe zu
Breite der die Schenkel. eines Verdrängungskörpers bildenden dreikantigen Prismen.
Je nach dem Typ von Hochtemperaturen (beispielsweise für die Stromerzeugung oder
zur Prozeßgasgewinnung), bei dem die Erfindung zur Anwendung kommt, kann dieses
Verhältnis variieren.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Verdrängungskörper beträgt
die Höhe der Verdrängungskörper etwa ein Drittel der Höhe der Säulenhalle. Wie experimentelle
Untersuchungen bei Reynoldszahlen von 6,3.104 bis 2,6.105 zeigen, werden bei dieser
Ausführungsform die Temperaturdifferenzen im Gas strom am Eintritt in die Heißgaskanäle
auf die Hälfte vermindert gegenüber den Werten, die sich einstellen, wenn keine
Verdrängungskörper in der Säulenhalle installiert sind.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Hochtemperaturreaktors
gemäß der Erfindung mit in seiner Säulenhalle angeordneten Verdrängungskörpern schematisch
dargestellt.
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Die Figuren zeigen im einzelnen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch den
unteren Teil des Hochtemperaturreaktors, Fig. 2 einen Ausschnitt aus der Säulenhalle
dieses Reaktors in der Draufsicht, Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie A-B der Fig.
2 in vergrößertem Maßstab.
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Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, ist der von einer Schüttung kugelförmiger
Brennelemente 2 gebildete Kern 1 des gasgekühlten Hochtemperaturreaktors von einem
aus einer Vielzahl von Graphitsteinen -aufgebauten ringförmigen Seitenreflektor
3 umgeben. Am Boden der Kugelschüttung treten mehrere Kugelabzugsrohre 4 aus, die
zu einer (nicht dargestellten) Beschickungsanlage führen. Für jedes Kugelabzugsrohr
4 ist ein konischer Kugeleinlauf 5 vorgesehen, der von einem Teil der Tragkonstruktion
6 für die Kugelschüttung gebildet wird.
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Die Tragkonstruktion 6 besteht aus einem Gefüge von in Stapeln angeordneten
hexagonalen Graphitblöcken, und jeder Stapel stützt sich über eine Rundsäule 7 auf
einer Bodenplatte 8 aus Grauguß oder Graphit ab. Die Rundsäulen 7 sind in der Bodenplatte
8 eingebunden und bilden eine Säulenhalle 9, die oben von der Tragkonstruktion 6
und unten von der Bodenplatte 8 begrenzt wird. Die Säulenhalle 9 dient als Heißgassammelraum
für das Kühlgas, das die Schüttung der Brennelementkugeln 2 von
oben
nach unten durchströmt. Durch in der Tragkonstruktion 6 vorgesehene Durchlässe (nicht
dargestellt) tritt das heiße Kühlgas in den Heißgassammelraum, also in die Säulenhalle
9, ein.
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Im Bereich der Säulenhalle 9 besitzt der Seitenreflektor 3 mehrere
Öffnungen 10, an die sich je ein radial verlaufender Heißgaskanal 11 anschließt.
Vor jedem Heißgaskanal 11 ist ein V-förmiger Verdrängungskörper 12 angeordnet, der
die Aufgabe hat, das den Heißgaskanälen 11 zuströmende heiße Kühlgas nach oben abzulenken
und eine bessere Vermischung der Gassträhnen unterschiedlicher Temperatur zu bewirken.
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In den Figuren 2 und 3 ist einer dieser Verdrängungskörper 12 genauer
dargestellt. Er sitzt unmittelbar auf der Bodenplatte 8 auf und schließt sich mit
seinen beiden Schenkeln 13 und 14 zu beiden Seiten der Öffnung 10 an den Seitenreflektor
3 an.
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Der Querschnitt der Schenkel 13 und 14 hat die Form eines rechtwinkligen
Dreiecks, so daß jeder Schenkel ein dreikantiges Prisma darstellt. Die obere Kante
dieses Prismas ist als scharfe Abrißkante 15 ausgebildet.
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Die Hypotenuse 16 (Fig. 3) des Querschnitt-Dreiecks ist dem Heißgasstrom
zugekehrt, dessen Strömungsrichtung mit Pfeilen bezeichnet ist. Das in Nähe der
Bodenplatte 8 strömende Heißgas wird durch die beiden Schenkel 13 und 14 nach oben
gelenkt und an der scharfen Abrißkante 15 verwirbelt.
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Um eine möglichst gute Vermischung des Heißgases zu erzielen, aber
den durch die Verdrängungskörper 12 entstehenden zusätzlichen Druckverlust möglichst
gering zu halten, muß ein bestimmtes Verhältnis zwischen der Höhe H der Säulenhalle
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und der Höhe h der Verdrängungskörper 12 gewahrt sein.
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Das optimale Verhältnis läßt sich experimentell ermitteln.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Höhe h ein Drittel
der Höhe H.
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