CH671478A5

CH671478A5 -

Info

Publication number: CH671478A5
Application number: CH1943/86A
Authority: CH
Inventors: Claus Dr Elter; Bernd Juergens; Hermann Schmitt; Josef Dr Schoening
Original assignee: Hochtemperatur Reaktorbau Gmbh
Priority date: 1985-05-23
Filing date: 1986-05-13
Publication date: 1989-08-31
Also published as: DE3518515A1

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft eine aus mehreren Dampferzeugern bestehende Wärmenutzungsvorrichtung und eine diese enthaltende HT-Kleinreaktoranlage.

Zum Stand der Technik gehört eine Anlage, bei der ein Kernreaktor mit kugelförmigen Brennelementen sowie ein einziger oberhalb des Kernreaktors angeordneter Dampferzeuger in einem doppelwandigen Stahldruckbehälter installiert sind (AVR-Reaktor). Die Gebläse zur Umwälzung des Kühlgases, das den Reaktorkern und den Dampferzeuger von unten nach oben durchströmt, befinden sich unterhalb des Reaktors. Dieser bekannte Kugelhaufen-Kernreaktor, der eine sehr niedrige Leistung hat, weist den Nachteil auf, dass keine Extrapolationen zu Reaktortypen mit etwas höherer Leistung möglich sind. Bekannt ist auch ein Kernreaktor mit kugelförmigen Brenn5

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elementen für eine Leistung von 100 MWe, ein sogenannter Hochtemperatur-(HT)Kleinreaktor, der ebenfalls mit einem einzigen, jedoch aus mehreren unabhängigen Teilsystemen bestehenden Dampferzeuger gekoppelt ist. Der Stahldruckbehälter enthält in seinem unteren Teil den Kleinreaktor und in seinem oberen, eingezogenen Teil den Dampferzeuger. Die Umwälzgebläse sind aussen auf den Deckel des Stahldruckbehälters aufgesetzt (deutsche Patentanmeldung P 3 345 113.3).

Ein weiterer HT-Kleinreaktor mit kugelförmigen Brennelementen hat ein Wärmenutzungssystem, das aus zwei parallel nebeneinander und oberhalb des Kleinreaktors angeordneten Dampferzeugern besteht. Jedem Dampferzeuger ist ein Kühlgasgebläse nachgeschaltet. Alle Komponenten — Kleinreaktor, Dampferzeuger und Kühlgasgebläse — sind innerhalb eines stehenden zylindrischen Stahldruckzylinders untergebracht (DE-OS 3 335 451).

Von diesem Stand der Technik ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine aus mehreren Dampferzeugern bestehende Wärmenutzungsvorrichtung zu schaffen, die sich durch geringen Platzbedarf auszeichnet und sich einfach zusammenbauen sowie an der Baustelle leicht montieren lässt, ohne dass Durchdringungen der verschiedenen Systeme vorhanden sind. Ausserdem soll bei der Wärmenutzungsvorrichtung weitgehend auf Schiebeverbindungen verzichtet werden.

Gemäss der Erfindung ist die Lösung der gestellten Aufgabe gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) die Wärmenutzungsvorrichtung (13) besteht aus mindestens zwei Dampferzeugern (14, 15, 16) mit im Querschnitt kreisringförmigem Rohrbündel, die mit radialem Abstand koaxial ineinander angeordnet sind und je einen einen Ringraum

(17) begrenzenden äusseren (18) und inneren zylindrischen Mantel (19) aufweisen, zwischen denen das jeweilige Rohrbündel installiert ist;

b) bei jedem Dampferzeuger (14, 15, 16) sind der äussere

(18) und der innere Mantel (19) in einem Teilkreis ihres Um-fangs in gleichem Masse nach oben verlängert, wobei der verlängerte Abschnitt (22) sich an seinen beiden Flanken verjüngt und oben ein ebenes Abschlussteil (23) aufweist;

c) die Dampferzeuger (14, 15, 16) der Wärmenutzungs Vorrichtung (13) sind derart ineinander gefügt, dass ihre verlängerten Abschnitte (22) im Umfang gleichmässig gegeneinander versetzt sind;

d) die jeweils von einem der äusseren (18) und der inneren zylindrischen Mäntel (19) begrenzten Ringräume (17) sind für den direkten Zutritt heissen Kühlgases nach unten hin offen;

e) für die Führung des kalten Kühlgases aus den nach oben hin abgeschlossenen Ringräumen (17) sind die verlängerten Abschnitte (22) der Dampferzeuger-Mäntel (18, 19) vorgesehen, die in ihrem ebenen Abschlussteil (23) eine Durchgangsöffnung (24) aufweisen;

f) im äusseren Mantel (18) jedes Dampferzeugers (14, 15, 16) ist zentral im Wandbereich seines verlängerten Abschnitts (22) eine Speisewasserzuführung (30) vorgesehen;

g) diametral gegenüber der Speisewasserzuführung (30) weisen die äusseren Mäntel (18) aller Dampferzeuger mit Ausnahme des innersten Dampferzeugers (14) im oberen Wandbereich eine Frischdampfableitung (33) auf, zu welcher Frischdampfleitungen (34) in Form einer Helix durch die Ringräume (17) nach oben geführt sind;

h) die Frischdampfleitungen (34) für den innersten Dampferzeuger (14) sind in dem Zentralraum (21) der Wärmenutzungsvorrichtung (13) nach oben verlegt.

Ebenso betrifft die Erfindung eine HT-Kleinreaktoranlage mit einer Wärmenutzungsvorrichtung der genannten Art; die Wärmenutzungsvorrichtung ist dabei oberhalb eines HT-Reak-tors in einen stehenden, zylindrischen Stahldruckbehälter eingebaut.

Bei der erfindungsgemässen Wärmenutzungsvorrichtung sind also die einzelnen Dampferzeuger koaxial ineinandergefügt, so dass die gesamte Vorrichtung relativ wenig Platz beansprucht. Jeder Dampferzeuger lässt sich samt der Speisewasserzuführung und der Frischdampfableitung einzeln herstellen, wobei bei seinem Zusammenbau nur wenige Schweissnähte erforderlich sind. Das gilt auch für die Montage im Stahldruckbehälter. Somit ergibt sich für die erfindungsgemässe Wärmenutzungsvorrichtung eine kostengünstige Herstellung.

Die Speisewasserzuführungen sowie die Frischdampfableitungen der Dampferzeuger sind voneinander unabhängig und radial symmetrisch zueinander angeordnet, wobei die Speisewasserzuführungen jeweils in den verlängerten Mantelabschnitten, die der Kaltgasführung dienen, vorgesehen sind, während sich die Frischdampfableitungen in den Lücken zwischen diesen Abschnitten befinden. Bis auf den innersten Dampferzeuger, dessen Frischdampfleitungen zentral durch die Wärmenutzungsvorrichtung verlegt sind, haben alle Dampferzeuger in der Frischdampfführung eine Dehnzone, realisiert durch die in Form einer Helix durch die Ringräume geführten Frischdampfleitungen.

Das Kaltgas tritt oben aus den in einer Höhe liegenden Abschlussteilen der verlängerten Abschnitte aus, d.h. es wird bei allen Dampferzeugern auf der gleichen Seite herausgeführt. Anschliessend wird es den Gebläsen zugeleitet, die beispielsweise oben auf den Stahldruckbehälter aufgesetzt sein können.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen sowie der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den schematischen Zëichnungen zu entnehmen. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 einen HT-Kleinreaktor mit einer erfindungsgemässen Wärmenutzungsvorrichtung, teilweise im Längsschnitt,

Fig. 2 die Ansicht der Wärmenutzungs Vorrichtung von oben,

Fig. 3 die Abwicklung der Wärmenutzungsvorrichtung nach Figur 2,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch den innersten Dampferzeuger mit der Speisewasserzuführung und Frischdampfableitung,

Fig. 5 einen Querschnitt durch die Speisewasserzuführung und Frischdampfableitung des innersten Dampferzeugers,

Fig. 6 die Abwicklung des halben Ringraumes eines der äusseren Dampferzeuger, wobei das Rohrbündel in Form einer Helix weggelassen ist,

Fig. 7 den obersten Bereich des Stahldruckbehälters mit Speisewasserzuführung und Frischdampfableitung, stark ver-grössert.

Gleiche Teile sind in den einzelnen Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.

Die Figur 1 lässt einen stehenden zylindrischen Stahldruckbehälter 1 erkennen, der aus zwei Teilen 2 und 3 besteht sowie ein Bodenteil 4 und einen gewölbten Deckel 5 aufweist. Die beiden Behälterteile 2 und 3 sind durch Flansche 6 miteinander verbunden. In dem unteren Behälterteil 3 ist ein HT-Kleinreaktor 7 untergebracht, dessen Kern aus einer Schüttung von kugelförmigen Brennelementen besteht. Die Schüttung 8, die von unten nach oben von einem Kühlgas (Helium) durchströmt wird, ist seitlich von einem zylindrischen Reflektor 9 umgeben. An diesen schliesst sich oben ein Deckenreflektor 10 an, der Durchtrittsöffnungen 11 für das Kühlgas aufweist. Oberhalb des Deckenreflektors 10 ist ein Heissgassammelraum 12 vorgesehen.

In dem oberen Behälterteil 2 befindet sich eine Wärmenutzungsvorrichtung 13 die in diesem Ausführungsbeispiel aus drei Dampferzeugern 14, 15, 16 besteht, wie besser aus der Figur 2 zu erkennen ist. Die Dampferzeuger 14, 15, 16 haben als Heizfläche je ein Rohrbündel mit kreisförmigem Querschnitt in Form einer Helix das jeweils in dem Ringraum 17 zwischen einem äusseren Mantel 18 und einem inneren Mantel 19 ange5

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ordnet ist. Die Ringräume 17 sind nach unten hin offen, so dass das heisse Kühlgas aus dem Heissgassammelraum 12 direkt die Rohrbündel beaufschlagen und in der Wärmenutzungs Vorrichtung 13 nach oben strömen kann.

Die Mäntel 18 und 19 der Dampferzeuger 14, 15 16 sind koaxial ineinander angeordnet, und zwar derart, dass zwischen zwei benachbarten Dampferzeugern je ein freier Ringraum 20 bleibt. Der Zentralraum 21 der Wärmenutzungsvorrichtung 13 bleibt ebenfalls frei von Bündelrohren.

Wie am besten aus der Abwicklung in Figur 3 zu erkennen ist, sind bei jedem der Dampferzeuger 14, 15, 16 der äussere Mantel 18 sowie der innere Mantel 19 auf einem Teilbereich ihres Umfangs, der an der Basis höchstens bis zu einem Drittel beträgt, nach oben verlängert, wobei der verlängerte Abschnitt 22 sich auf seinen beiden Flanken evolventenartig nach oben verjüngt. Den Abschluss der Abschnitte 22 bildet jeweils ein ebenes Abschlussteil 23, wobei alle Abschlussteile 23 auf der gleichen Höhe liegen. Die drei Dampferzeuger 14, 15, 16 sind so ineinander angeordnet, dass ihre verlängerten Mantel-Ab-schnitte 22 gegeneinander um 120° versetzt sind.

Die Ringräume 17, die die Rohrbündel enthalten, sind oben abgeschlossen, und zwar auch im Bereich der verlängerten Abschnitte 22. Als Führung für das aus den Ringräumen 17 austretende Kaltgas dienen die verlängerten Abschnitte 22, die in ihren ebenen Abschlussteilen 23 je eine Durchgangsöffnung 24 aufweisen. Das Kaltgas strömt innerhalb der Abschnitte 22 nach oben und wird durch die evolventenartigen Flanken den Durchgangsöffnungen 24 zugeleitet. An die Durchgangsöffnungen 24 schliesst sich über eine Schiebeverbindung 25 je eine zu einem Gebläse 26 führende Gasleitung 27 an, wie die Figur 7 zeigt. Aus der Figur 1 ist der weitere Weg des Kaltgases zurück zu dem HT-Kleinreaktor 7 zu erkennen, nämlich durch einen oberen Ringraum 28 zwischen Stahldruckbehälter 2 und Wärmenutzungsvorrichtung 13 und einen unteren Ringraum 29 zwischen Stahldruckbehälterteil 3 und seitlichem Reflektor 9.

In dem äusseren Mantel 18 jedes Dampferzeugers 14, 15 16 ist bei diesem Ausführungsbeispiel innerhalb des verlängerten Abschnitts 22 als Speisewasserzuführung ein Durchbruch 30 vorgesehen, durch den abgedichtet Speisewasserleitungen 31 für den jeweiligen Dampferzeuger verlegt sind. Diametral gegenüber dem Durchbruch 30 ist bei den beiden äusseren Dampferzeugern 15 und 16 im zylindrischen Teil des äusseren Mantels 18 ein weiterer Durchbruch 33 als Frischdampfableitung vorhanden, der für die Herausführung der jeweiligen Frischdampfleitungen 34 bestimmt ist. Dieser Sachverhalt ist in den Figuren 4, 5 und 6 dargestellt. Wie zu erkennen ist, sind im oberen Bereich des Ringraumes 17 die Speisewasserleitungen 31 über Anschlüsse 32 mit den Bündelrohren in Form einer Helix verbunden.

Bei dem inneren Dampferzeuger 14 sind — wie in den Figuren 4 und 5 gezeigt — die Frischdampfleitungen 34 in dem freien Zentralraum 21 der Wärmenutzungs Vorrichtung 13 nach oben verlegt und ausserhalb des Mantels 19 in einer solchen Höhe um 90° umgebogen, dass sie auf dem gleichen Niveau liegen wie der Durchbruch 30 für die Speisewasserleitungen 31. Das abgebogene Bündel 35 befindet sich diametral gegenüber diesem Durchbruch.

Bei den beiden äusseren Dampferzeugern 15 und 16 erfolgt das Heraufführen der Frischdampfleitungen 34 vom unteren Ende des Rohrbündels in Form einer Helix zu dem Durchbruch 33 über eine Dehnzone, die von mindestens einer Windung 36 gebildet wird (Figur 6). Nach dem Durchbruch 33 werden die Frischdampfleitungen 34 zunächst durch die freien Ringräume 20 zwischen den Dampferzeugern verlegt, ehe sie ebenfalls in Höhe der Durchbrüche 30 für die Speisewasserleitungen 31 um 90° umgelenkt werden.

In der Figur 7 ist am Beispiel des äusseren Dampferzeugers 16 die weitere Führung der Speisewasserleitungen 31 und Frischdampfleitungen 34 dargestellt. Für jedes der Leitungsbündel ist eine Lochplatte 37 vorgesehen, in der die jeweiligen Leitungen gesammelt werden. Mittels eines Wärmedehnungs-kompensators (Thermosleeve) 38 ist jede Lochplatte 37 in die Wand des oberen Stahlruckbehälterteils 2 eingesetzt.

Die Lochplatten 37 aller Dampferzeuger 14, 15, 16 liegen auf gleicher Höhe und sind gleichmässig über den Umfang des Behälterteils 2 verteilt. Dies lässt sich besonders gut aus der Figur 3 erkennen. Die drei Lochplatten für das Speisewasser wie auch diejenigen für den Frischdampf sind mit I, II, III (für die drei Dampferzeuger) bezeichnet. Das gilt auch für die Figur 2.

Die Last der drei Dampferzeuger 14, 15, 16 wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit Hilfe von Pratzen 39 auf den oberen Behälterteil 2 abgetragen, wobei die Pratzen 39 auf an dem Behälterteil 2 vorgesehenen Gegenlagern 40 ruhen. Dies ist den Figuren 1 und 7 zu entnehmen. Die Pratzen 39 sind oberhalb der Speisewasserleitungen 31 und Frischdampfleitungen 34 in gleicher Höhe aussen an dem Mantel 19 des jeweiligen Dampferzeugers angebracht. Jeder Dampferzeuger 14, 15, 16 weist drei Pratzen 39 auf. Eine dieser Pratzen befindet sich jeweils an dem verlängerten Mantel-Abschnitt 22, und zwar auf dem gleichen Teilkreis wie der Durchbruch 30, wie die Figur 3 erkennen lässt. Die beiden anderen Pratzen 39 jedes Dampferzeugers liegen symmetrisch zu dem Durchbruch 33 für die Frischdampfleitungen 34 dieses Dampferzeugers (vgl. Figur 2). Dabei ergibt sich gleichzeitig eine Symmetrie jeweils zweier Pratzen, die zu zwei verschiedenen Dampferzeugern gehören, zu der an dem verlängerten Abschnitt 22 des dritten Dampferzeugers angebrachten Pratze.

Die Pratzen 39 und ihre Gegenlager 40 können als Bajonett-Verbindung ausgebildet sein, so dass sich die Montage der Wärmenutzungsvorrichtung 13 in dem Stahldruckbehälter 1 sehr einfach durchführen lässt.

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1. Aus mehreren Dampferzeugern bestehende, zusammen mit einem HT-Kleinreaktor in einen zylindrischen Stahldruckbehälter einbaubare Wärmenutzungsvorrichtung für den HT-Kleinreaktor, welche Wärmenutzungsvorrichtung mit Hilfe von Kühlgasgebläsen von unten nach oben von dem in dem HT-Kleinreaktor erhitzten Kühlgas durchströmt wird, gekennzeichnet, durch die folgenden Merkmale:

b) bei jedem Dampferzeuger (14, 15, 16) sind der äussere

c) die Dampferzeuger (14,15, 16) der Wärmenutzungsvorrichtung (13) sind derart ineinander gefügt, dass ihre verlängerten Abschnitte (22) im Umfang gleichmässig gegeneinander versetzt sind;

2. Wärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmenutzungsvorrichtung (13) aus drei Dampferzeugern (14, 15, 16) besteht, deren verlängerte Mantel-Abschnitte (22) sich an ihrer Basis höchstens bis zu einem Drittel des Mantel-Umfangs erstrecken und um 120° zueinander versetzt sind.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Wärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisewasserzuführungen (30) und die Frischdampfableitungen (33) als Durchbrüche ausgebildet sind, durch welche die jeweiligen Leitungen (31, 34) gasdicht verlegt sind.

4. Wärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Rohre jedes Dampferzeuger-Rohrbündels (14, 15,16) direkt an die Durchbrüche (30) für die Speisewasserleitungen (31) und die in Form einer Helix geführten Frischdampfleitungen (34) direkt an die Durchbrüche (33) für diese Leitungen angeschlossen sind.

5. Wärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Speisewasserleitungen (31) als auch die Frischdampfleitungen (34) jedes Dampferzeugers (14,15, 16) ausserhalb des äussersten Mantels der Wärmenutzungsvorrichtung (13) jeweils in einer Lochplatte (37) gesammelt werden, wobei alle Lochplatten (37) auf gleicher Höhe liegen und gleichmässig auf den Umfang verteilt sind.

6. Wärmenutzungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den Mänteln (18, 19) verschiedener Dampferzeuger vorhandenen freien Ringräume (20) im oberen Bereich für die Verlegung der aus den Durchbrüchen (33) herausgeführten Frischdampfleitungen (34) ausgenutzt werden.

7. Wärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an die Durchgangsöffnungen (24) für das kalte Kühlgas in den ebenen Abschlussteilen (23) der verlängerten Abschnitte (22) je eine Schiebeverbindung (25) angeschlossen ist.

8. Wärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Last jedes Dampferzeugers (14, 15, 16) über oberhalb der Speisewasserleitungen (31) und Frischdampfleitungen (34) in gleicher Höhe vorgesehene Pratzen (39) abgetragen wird.

9. Wärmenutzungsvorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Dampferzeuger (14, 15, 16) drei an seinem äusseren Mantel (18) angebrachte Pratzen (39) aufweist, von denen die eine an dem verlängertem Abschnitt (22) auf dem gleichen Teilkreis wie die Speisewasserzuführung (30) angeordnet ist und die beiden anderen symmetrisch zu der jeweiligen Frischdampfableitung (33) liegen.

10. Wärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Pratzen (39) als Teil einer Bajonett-Verbindung ausgebildet sind.

11. Wärmenutzungs Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastabtragung der Dampferzeuger über Pratzen erfolgt, die auf gleicher Höhe liegen wie die Speisewasserzuführungen.,

12. Wärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastabtragung der Dampferzeuger mittels Aufhängung erfolgt.

13. Wärmenutzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrbündel der Dampferzeuger über Tragplatten auf die jeweiligen Mäntel abgetragen werden, wobei die einzelnen Rohre jedes Rohrbündels mittels reib- und verschleissmindernder Schutzhülsen in den Tragplatten befestigt sind.

14. HT-Kleinreaktoranlage mit einer Wärmenutzungsvorrichtung nach den Ansprüchen 5, 8, 10 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmenutzungs Vorrichtung zusammen mit dem HT-Kleinreaktor in einen stehenden, zylindrischen Stahldruckbehälter (1) oberhalb des Reaktors eingebaut ist,

dass die Lochplatten mittels Wärmedehnungskompensatoren (38) in der Wand des Stahldruckbehälters befestigt sind, dass die Pratzen (39) zusammen mit Gegenlagern (40) an der Behälterwand die Bajonettverbindung bilden und'dass die Lastabtragung der Dampferzeuger über eine Hängekonstruktion erfolgt.