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Kernreaktor
Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit einem Druckgefäss aus vorgespanntem Beton, in dem Wärmetauscher angeordnet sind.
Erfindungsgemäss wird vorgeschlagen, dass in der Wand des Druckgefässes Rohre eingegossen sind, die zu Gruppen zusammengefasst Wärmetauscher aufnehmen, wobei die Wärmetauscher einer Gruppe miteinander verbunden sind.
Unter dem Wort "vorgespannt" sollen alle Möglichkeiten verstanden werden, die Zugfestigkeit des Betons mit Hilfe von Bewehrungen zu verbessern, gleichgültig ob die Vorspannung der Bewehrungen während des Erhärtens des Betons oder nachher erfolgt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nunmehr an Hand der Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht durch ein Druckgefäss aus vorgespanntem Beton, das einen Kernreator umschliesst. Die linke Hälfte ist ein Schnitt entlang der Linie A-A der Fig. 3, während die rechte Hälfte ein Schnitt entlang der Linie B-B der Fig. 3 ist. Die Fig. 2 zeigt eine Einzelheit der Fig. 1 in vergrössertem Massstab. Die Fig. 3 ist ein Grundriss im Schnitt entlang der Linie C-C der Fig. 1. Die Fig. 4 ist ein Schnitt entlang der Linie D-D der Fig. l, Fig. 5 ein Schnitt entlang der Linie E-E der Fig. l, wobei ein Teil weggebrochen ist, um den Schnitt entlang der Linie F-F der Fig. 1 zu zeigen.
Die Fig. 6 ist ein Schnitt entlang der Linie G-G der Fig. l, Fig. 7 ein Schnitt entlang der Linie H-H der Fig. 1. Die Fig. 8 ist ein Teilschnitt durch einen gasgekühlten Hochtemperaturreaktor mit 500 MW (elektrisch) und sein Druckgefäss aus vorgespanntem Beton. Die Fig. 9 ist ein schematischer Grundriss der vorspannenden Kabel in den Wänden des Gefässes, die die Boden-und Deckplatte bilden.
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1X-X ist seine Längsachse.
In der zylindrischen Wand--3--sind Stahlrohre--4--eingegossen, von denen sich ein Teil parallel zur vertikalen Achse X-X des Gefässes erstreckt und Wärmetauschergruppen - enthält. Das Reaktorkühlmittel strömt in einem geschlossenen Kreis durch den Reaktorkern und Leitungen -- 5-- innerhalb der Rohre-4-und überträgt seine Wärme auf ein zweites Wärmetauschmedium, z. B.
Wasser zur Dampferzeugung, das durch eine Reihe von Rohrbänken --6-- in den Leitungen --5-- strömt. Die Wärmetauschergruppen --7--, sechs an der Zahlbestehen jeweils aus fünf einzelnen, untereinander parallelen und verbundenen Wärmetauschern--8--. Die einzelnen Wärmetauscher gehören jeweils zur Vielkanaltype und haben einen primären oder Kühlmittelkreislauf und einen sekundären Kreislauf, der aus einem solchen zur Herstellung von Hochdruckdampf und einem oder mehreren zur Wiedererwärmung besteht.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, befindet sich zwischen der Heissgasleitung-5-und dem Rohr --4-- eine Isolierung --9--, während die Rohre --4-- ihrerseits durch Rohrschlangen-10-wassergekühlt werden, die an der äusseren Wand der Rohre angeschweisst sind.
Die fünf Wärmetauscher in jeder Gruppe (gemäss Fig. 3 in W-Formation) sind so angeordnet, dass
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zwei Wärmetauscher näher der Innenfläche --2a-- der Wand und drei näher der Aussenseite --2b-- der Wand liegen (sie werden im folgenden als innere bzw. äussere Wärmetauscher bezeichnet).
Innerhalb des Druckgefässes erstrecken sich durch den Reaktorkern--l--Kühlkanäle (nicht dargestellt), die mit oberen und unteren Sammelkanälen --11 und 12-verbunden sind. Der Sammelkanal-11-ist mit den oberen Enden der Wärmetauschergruppen verbunden ; überdies sind die oberen Enden der fünf Wärmetauscher jeder Gruppe miteinander durch eine W-förmige Sammelleitung --14-- verbunden (Fig.4). Das Rohr --4a--, das den mittleren Wärmetauscher der fünf umschliesst, ist länger als die andern und erstreckt sich, wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, weiter nach unten.
Das untere Ende des Primärkreises dieses mittleren Wärmetauschers ist mit der unteren Sammelleitung --12-- über eine Leitung --15-- (Fig. 1 und 5) verbunden, die sich in zwei Zweige --15a und 15b-teilt, so dass jeder Zweig vertikal unter der W-förmigen Sammelleitung-14-
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Die unteren Enden der Rohre, welche die fünf Wärmetauscher enthalten, sind über Leitungen --18-- miteinander verbunden (Fig. 1 und 5). Sie verbinden die inneren Wärmetauscher miteinander und ergeben auch eine Verbindung mit einem der beiden aussermittigen äusseren Wärmetauscher, die ihrerseits mit einem unteren Teil der den mittleren Wärmetauscher enthaltenden Leitung --4a-- über Leitungen--D--verbunden sind.
Eingeformt im Beton und angeschlossen an das untere Ende des den mittleren Wärmetauscher enthaltenden Rohres ist ein Sumpf--19-, der gegebenenfalls aus den Dampfkanälen ausgetretene Flüssigkeit aufnimmt. Zum Abhalten der eingedrungenen Medien vom Kühlmittelförderer sind
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den Sumpf hinabblasen, wenn der Reaktor abgeschaltet ist.
Die Sekundär-oder Dampfkanäle in den Rohrbänken sind durch Durchlässe im oberen Teil des Druckgefässes und über Standrohre-22-zu einer ringförmigen Sammelleitung --21--, die unten beschrieben ist, geführt (Fig. 1). Sowohl die Sammelleitung --21-- als auch die Leitungen-22- sind so angeordnet, dass die Rohrbänke der Wärmetauscher nach oben entfernt und nach Lösen von den Standrohren--22--aus den Rohren gezogen werden können.
Das Druckgefäss--2-wird von einem Mantel--23--umgeben, der vom Gefäss getragen wird. Dieser Mantel schützt nicht nur das Gefäss vor den Einflüssen des Wetters, sondern hält die äussere Fläche des Gefässes auch auf einer im wesentlichen gleichbleibenden Temperatur und bildet einen Raum --24-- um das Gefäss, der etwas unterhalb des atmosphärischen Druckes gehalten werden kann, u. zw. mittels eines Ventilators, der mit einem Abzug zusammenwirkt (Ventilator und Abzug sind nicht dargestellt). Etwaige Undichtigkeiten im Gefäss --2-- ergeben dann nur einen geringen Austritt der radioaktiven Produkte, insbesondere wenn im Reaktorkern die Spaltprodukte rückhaltende Brennstoffe verwendet werden.
Der Mantel kann benutzt werden, um diese Produkte zunächst zurückzuhalten und sie sicher über einen Abzug abzuleiten, zumindest bis der Abzugmonitor arbeitet und Hilfsaktionen eingeleitet werden.
Die Rohre--4--ersetzen nicht nur den Verlust an Festigkeit auf Grund des örtlichen Fehlens von Vorspannkabeln, sondern gestatten auch den Zugang zu verschiedenen Teilen durch normalerweise geschlossene öffnungen--25-. Ihre Anordnung erlaubt eine genügend grosse Zahl von senkrechten und waagrechten Stahlkabeln im Beton und auch, dass die Kabel geraden Strecken zwischen den Wärmetauschern und um die Wärmetauscher folgen, da die verschiedenen Teile in des andern ,,Schatten" liegen, d.h. sie liegen einer hinter dem andern in der Richtung entlang den Verstärkungen. Diese Stahlkabel --26-- (Fig.6) sind von Rohren --27-- umgeben und können nachgespannt werden, nachdem das Gefäss gegossen worden ist.
Die waagrechten Kabel sind in Rohren enthalten, senkrecht versetzt und erstrecken sich entlang von Sehnen des etwa kreisförmigen Druckgefässquerschnittes.
Vom Druckgefäss ist nur die Innenwand--2a--zylindrisch, während die Aussenwand --2b-achteckig ist. Die senkrechten Verstärkungskabel sind zur Mitte des Gefässes angeordnet und erstrecken sich vom oberen bis zum unteren Ende des Gefässes. Die waagrechten Kabel in der oberen Abdeckung des Druckgefässes verlaufen, wie Fig. 6 zeigt, sehr nahe der Achse. Wo die Kabel aus der Wand des Gefässes treten, sind in der äusseren Fläche --2b-- der Wand flache V-förmige Nuten-29- (Fig. 3) vorgesehen, deren jeweils eine Fläche als Auflager für die Spannmittel dient. Eine zylindrische Wand--28-- (Fig. l) auf der oberen Abdeckung des Druckgefässes bildet zusammen mit der äusseren Wand--23--eine ringförmige Kammer--30--.
Innerhalb der ringförmigen Kammer --30--
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befinden sich die Sammelleitungen --21--, insgesamt eine senkrechte Reihe von ringförmigen Rohren zur unmittelbaren Wasserzufuhr, wobei der im Wärmetauscher erzeugte Dampf und der wiedererhitzte Dampf über die Verbindungen --22-- in der ringförmigen Kammer geführt werden. Die Verbindungen für einen Wärmetauscher sind in der Fig. 1 dargestellt. Die Fig. 7 zeigt die gegenseitige Lage der Verbindungen --22-- und der Sammelleitungen-21--.
Es zeigt sich also, dass die Vorteile einer Anordnung des Wärmetauschers ausserhalb des Reaktordruckgefässes (hauptsächlich zur Erleichterung der Überholung) erhalten geblieben sind, dass hier kein starkes Sekundärdruckgehäuse notwendig ist und der Wärmetauscher innerhalb der Wand enthalten sein kann. Obwohl es gewöhnlich notwendig sein wird, die Wandstärke zu vergrössern, ist es bei sorgfältiger Planung möglich, diese Vergrösserung gering zu halten, so dass für die Wand des Gefässes nicht mehr Material gebraucht wird als für ein Gefäss, das gross genug wäre, sowohl den Wärmetauscher als auch den Kern zu umschliessen ; auf jeden Fall aber weniger Material, als für ein Druckgefäss und einen getrennten Behälter für einen äusseren Wärmetauscher.
Überdies ist es im Falle eines Rohrbruches möglich, einen Wärmetauscher abzuschalten, indem Sperrventile in jenen Rohren geschlossen werden, die mit dem undichten Wärmetauscher verbunden sind. Gleichzeitig wird der nächstliegende Durchflussregler-17-zum Drosseln der Leitung--15betätigt, um so ein Überfluten der Reaktorsammelleitung-12-zu vermeiden. Da der Durchflussregler --17-- keine vollständige Abdichtung ergibt, kann etwas Kühlgas im Druckgefäss durch die Leitung --15-- fliessen, um so die noch verwendbaren Wärmetauscher zu kühlen.
Es kann vorteilhaft sein, im äusseren Bereich des Betongefässes eine Wasserkühlung vorzusehen, so dass der Temperaturabfall über die Gefässwand kontrolliert werden kann ; eine mögliche Anordnung der Kühlrohre ist gestrichelt (--50-in Fig. l) gezeigt. Das Spannen der Trägerverstärkung kann, falls erwünscht, von einem Bodengang--51--aus erfolgen.
Gemäss Fig. 8 besitzt ein gasgekühlter Kernreaktor einen Kein der von einem Druckgefäss --2-- aus vorgespanntem Beton umgeben ist. Das Druckgefäss ist im wesentlichen zylindrisch und die Linie X-X ist seine Längsachse. In die Zylinderwand --2-- sind Stahlrohre --61-- eingegossen, von denen sich ein Teil parallel zur vertikalen Achse X-X des Gefässes erstreckt. Diese Rohre umgeben achtzehn Wärmetauscher-62-, ähnlich den oben beschriebenen, die innerhalb der Rohre-61auf einem einzigen Teilkreis von 16, 64 m Durchmesser innerhalb der Wand des Betondruckgefässes --63-- angeordnet sind. Das Druckgefäss hat einen zylindrischen Teil, der an den Enden durch Boden und Deckelanordnungen --A bzw.B-- verschlossen ist.
Eine Vorspannung erfolgt, wie später näher beschrieben werden wird, durch senkrechte Stäbe--64--, die sich in der zylindrischen Wand erstrecken und durch Stäbe-65-am Umfang des Zylinderteils sowie durch Stäbe --66--, die sich entlang von Sehnen der Deck- und bodenabschlüsse --A bzw.B-- erstrecken.
Der Reaktorkern und seine Tragkonstruktion sind innerhalb des Reaktorgefässes über dem Boden der Kammer im Abstand angeordnet und bilden so einen Einlassraum--69--für das Kühlmittel, mit
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die heissen Kühlmittel bei der hohen Auslasstemperatur zu schützen, grenzt ein Mantel --72-- einen Raum-73-für das Kühlmittel an den Seitenwänden und im oberen Teil der Kammer ab. Dieser Mantel wird von einer Reihe von Verstrebungen (nicht dargestellt) vom Boden der Kammer getragen.
Diese Verstrebungen können sich etwa hin und her bewegen, um eine thermische Ausdehnung zu gestatten. Der Mantel--72--ist doppelwandig und so angeordnet, dass etwas Kühlmittel aus dem Einlasssammelraum zwischen den Wänden hindurchfliessen kann, um diese zu kühlen. Zwischen dem Mantel und dem Kern sowie zwischen dem Mantel--72--und der Seitenwand der Kammer sind Leitbleche vorgesehen. Von diesen Leitblechen, die sich thermisch ausdehnen können, ist jenes, das mit --74-- bezeichnet ist und zwischen dem Mantel und der äusseren Wand liegt, so ausgebildet, dass ein kleiner Kühlmittelstrom durch den Raum --73-- fliessen kann, so dass dieser Raum im wesentlichen die Temperatur des einströmenden Kühlmittels hat.
Die Kammer ist mit einer wassergefüllten, stählernen Membran --79-- ausgekleidet, welche die Gasdichtheit und eine zulässige Temperatur der Betonwand gewährleistet. Die Membran --79-- ist thermisch verkleidet, damit eine geringere Wasserkühlmenge benötigt wird.
Die Wärmetauscher --62-- sind nach oben aus den Rohren --61-- über Zugangsöffnungen entfernbar, die normalerweise durch Abdeckungen --67-- verschlossen sind. Durch diese führen die Wasser-und Dampfrohre-68-der Wärmetauscher. Um Durchlässe und Hilfseinrichtungen zu sparen, sind die Wärmetauscher-62-zu dritt angeordnet und durch Leitungen --81-- parallel geschaltet.
Jede Dreiergruppe hat eine gemeinsame Kühlmitteleinlassleitung-78--, eine gemeinsame
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Auslassleitung --75-- und einen Förderer-80-. Dieser treibt das Kühlmittel über die Auslassleitungen--75-aus den Wärmetauschern und bringt es zurück in die Einlassleitungen - -70--. Beim Einlass in den Förderer strömt das Kühlmittel über ein Leitblech-82-, das den Förderer gegen Flüssigkeitströpfchen abschirmt, die vom Kühlmittel im Fall des Leckens eines Wärmetauschers mitgerissen worden sein könnten. Auf Grund ihrer Trägheit können solche Tröpfchen plötzlichen Richtungsänderungen nicht folgen.
Jeder Förderer gemäss dem vorhergehenden Beispiel besteht aus zwei getrennten Teilen : einem elektrisch angetriebenen Läufer --84-- und einer Leitvorrichtung-85-. Er ist in einem senkrechten Durchlass --86-- angeordnet. Das Druckgefäss ruht auf einer Sockelplatte-63a-und gestattet den Zugang zu diesen Durchlässen. Die Läufer-84-können über diese Durchlässe entfernt werden, wobei die Leitvorrichtungen in ihrer Lage verbleiben.
Es sei nun wieder die Vorspannung betrachtet. Die obere und untere Abdeckung wird durch Stäbe --66-- vorgespannt, die sich durch Führungsrohre in drei Sehnenrichtungen erstrecken, die zueinander jeweils um 1200 versetzt sind (Fig. 9). Die Stäbe folgen im allgemeinen geraden Linien, die gleichmässig über den Kern verteilt sind, sie weichen jedoch innerhalb der Streifen --62a-- zwischen den Wärmetauscherrohren -61-- von der geraden Linie ab und konvergieren. Wo die Stäbe konvergieren oder wo sich zwei Stäbe mit verschiedener Richtung kreuzen, ist es notwendig, sie zu versetzen. Im dargestellten bevorzugten Beispiel (Fig. 8) sind fünfzehn verschiedene Schichten a bis o
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allgemeine Richtung, unterscheiden sich jedoch in den Schichten durch das Ausmass der Abweichung von der geraden Linie.
Die Stäbe in den nächsten drei Schichten d, e, f haben eine andere Richtung und die Stäbe in den weiteren drei unteren Schichten wieder eine andere Richtung. Die sechs untersten Schichten j bis o wiederholen die oberen neun Schichten, wobei jene Schicht der allgemeinen Richtung, deren gerade Linie sich am weitesten von der Achse des Reaktors erstreckt, weggelassen ist.
Die senkrechten Stäube--64- (ebenfalls in Führungsrohren) verlaufen zwischen den Stäben - -66--. In der oberen Abdeckung--B-beim vorliegenden Beispiel ist ein mittlerer Durchlass --92-- four die Lade- und Entlademaschine zusammen mit 84 kleineren Durchlässen-93-für die
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--94-- zumBrennstoffhandhabung gegeben sein kann.
Gemäss der Erfindung sind also die Wärmetauscher vollständig von der unter Spannkräften stehenden Wand des Druckgefässes umgeben und die Druckkräfte der Wärmetauscher werden durch die Rohre und die örtlichen Spannkräfte im Betonkörper aufgenommen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kernreaktor mit einem Druckgefäss aus vorgespanntem Beton, in dem Wärmetauscher
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Rohre (4, 61) eingegossen sind, die zu Gruppen (7) zusammengefasst Wärmetauscher (8, 62) aufnehmen, wobei die Wärmetauscher einer Gruppe miteinander verbunden sind.
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