DE2618345C3 - Austrittsstutzen- und Eintrittsleitungs-Kombination für einen Kernreaktor-Druckbehälter - Google Patents
Austrittsstutzen- und Eintrittsleitungs-Kombination für einen Kernreaktor-DruckbehälterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine die Druckbehälterwand eines Atomkernreaktors durchdringende Austrittsstutzen-
und Eintrittsleitungs-Kombination für das Speisewasser eines innerhalb des Druckbehälters befindlichen
Wärmetauschers.
Bei den bekannten Kernreaktoren wird im allgemeinen Wasser als Sekundärkühlmittel benützt, das
innerhalb des Wärmetauschers erwärmt wird, bis es verdampft und Dampf bildet. Dieser Dampf strömt von
dem Wärmetauscher aus dem Druckbehälter über einen Druckstutzen heraus zu einer oder zu mehreren
Dampfturbinen für die Energieerzeugung. Der Abdampf strömt dann aus den Dampfturbinen in einen
Kondensator, der den Dampf wieder in flüssiges Wasser zurückverwandelt. Dieses Wasser, auch Speisewasser
genannt, wird wieder in die Wärmetauscher über eine Speisewassereintrittsleitung eingeführt, die die Druckbehälterwand
durchdringt. Vorzugsweise haben diese Wärmetauscher eine Reihe von im allgemeinen
parallelen Rohren, die das Primärmittel enthalten. Das Speisewasser für den Sekundärkühlmittelkreislauf
durchströmt die Räume zwischen den Rohren, um die Wärme aus dem Primärkühlmittel aufzunehmen, das
innerhalb dieser Rohre strömt
Obwohl eine solche konstruktive Anordnung einen verhältnismäßig wirtschaftlichen und wirksamen Kernenergie-Reaktor
darstellt, gibt es eine Anzahl von Konstruktionsschwierigkeiten. So erfordern beispielsweise
die Speisewassereintrittsleitung und der Dampfaustrittsstutzen jeweils getrennte Druckbehälterdurchtritte.
Dieses wiederum erfordert einen großen Aufwand an qualitativ hochwertigen Spezialbearbeitungen,
Schweißungen und Schweißnahtprüfungen. Die Schweißnahtprüfungen müssen außerdem nicht nur
während der Fertigung durchgeführt werden, sondern auch in regelmäßigen Inspektionsabständen während
der Betriebsdauer des Reaktors. Weiterhin haben in diesem Zusammenhang die Druckbehälterdurchtritte,
die erforderlich sind, um alle diese Leitungen und Stutzen aufzunehmen, die Tendenz, die Druckbehälterkonstruktion
zu schwächen und unerwünschte Bereiche örtlicher Spannungskonzentrationen zu schaffen.
Wegen der Dehnungen und Schrumpfungen, die Metalle bei Temperaturänderungen erfahren, neigen die
bekannten Durchtritte auch dazu, störende, unterschiedliche Wärmebewegungen zu erzeugen; der verhältnismäßig
heiße Druckbehälter dehnt sich z. B. stärker als die kältere zugehörige Speisewassereintrittsleitung aus.
Zur Ausschaltung dieser Nachteile ist es bereits bekannt, daß zum Wärmetauscher führende Stutzen in
Form von die Druckbehälterwand durchdringenden konzentrischen Röhren ausgebildet werden (DE-AS
15 64 054).
Wie zuvor beschrieben, haben einige dieser Konstruktionen eine Anzahl von bausteinartigen Wärmetauschern,
die innerhalb des Druckbehälters angeordnet sind. Natürlich müssen diese Bausteine innerhalb des
Druckbehälters in einer Weise befestigt werden, die es erlaubt, die erwarteten Spannungen auszuhalten, denen
jeder der Bausteine ausgesetzt sein wird. Angesichts der
thermisch verursachten Dehnungen und Schrumpfungen, Schocks und Spannungen, die während der Anfahr-,
Übergangs- und Abschaltzustände eines Leitungsreaktors auftreten, sowie wegen der Notwendigkeit, die
Bausteine für gelegentliche Inspektionen und Reparaturen mit Fernmanipulatoren — bedingt durch die
Strahlungsgefährdung — auszubauen, ist das Problem der geeigneten Bausteinmontage äußerst schwierig zu
lösen. In der Vergangenheit angestellte Versuche zur Lösung dieses komplizierten Tragproblems haben in
typischer Weise Stützpratzen, eine aufgebaute Metalleiste und verschraubte Tragplatten eingeschlossen, die
alle innerhalb des Druckbehälters angeordnet wurden. Diese Konstruktionen erfordern jedoch kostenaufwendige
und präzise Bearbeitungen wie auch zeitraubende, sorgfältig durchzuführende Ein- und Ausbauverfahren.
Somit ist die Forderung der Fachleute, einen wirksameren und weniger aufwendigen thermischen
Schutz für Speisewassereintrittsleitungen zu schaffen und die Tragkonstruktion für Wärmetauscher-Bausteine
innerhalb eines Reaktordruckbehälters zu verbessern, in einem weiten Ausmaß unerfüllt geblieben.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Austrittsstutzen- und Eintrittsleitungs-Kombination
zu schaffen, die die geschilderten Nachteile weitgehend ausschaltet und einen sicheren Betrieb
gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß diese Kombination in an sich bekannter Weise die
Druckbehälterwand in Form von konzentrischen Röhren durchsetzt, daß der rohrförmige Austrittsstutzen
mit einem Flansch unter Zwischenlage von Abdichtungen an der Druckbehälterwand befestigt ist,
daß die Eintrittsleitung innerhalb des rohrförmigen Durchtrittsstutzens zum Wärmetauscher geführt ist, daß
am Wärmetauscher ein Kragen vorhanden ist, der vom Wärmetauscher in Richtung auf den Austrittsstutzen
vorsteht, und daß Mittel vorgesehen sind, um den Kragen mit der Druckbehälterwand zu verbinden und
daß dem Kragen Mittel zugeordnet sind, um den Wärmetauscher innerhalb des Druckbehälters abzustützen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Öffnung im rohrförmigen Austrittsstutzen zur
Aufnahme der Eintrittsleitung einen geflanschten Anschlußnippel auf, der aus dem rohrförmigen Austrittsstutzen
vorsteht.
Durch die Erfindung entsteht der Vorteil, daß die obengenannten und zahlreiche andere Schwierigkeiten,
die den Stand der Technik gekennzeichnet haben, weitgehend überwunden werdea Dadurch, daß die
Speise Wassereintrittsleitung innerhalb des Dampf aus- ι ο trittsstutzens angeordnet wird, werden viele der
Probleme, die beim Stand der Technik durch thermisch induzierte Spannungen aufgetreten sind, gelöst.
Dadurch wird nicht nur das Wärmegefälle zwischen der Speisewassereintrittsleitung und der umgebenden
Druckbehältermasse vermindert, sondern auch der völlig unerwartete Vorteil erzielt, der darin besteht, daß
die Anzahl der Speisewassereintritts- und Dampfaustritts-Durchtritte
in der Druckbehälterwand um die Hälfte vermindert wird.
Ein weiterer Vorteil entsteht erfindungsgemäß dadurch, daß die einzelnen Wärmetauscherbausteine
von dem Druckbehälter an dem gleichen Standort getragen werden wie die ineinander verschaltete
Speisewassereintrittsleitungs- und Dampfaustrittsstutzen-Kombination.
Dadurch ist es nicht erforderlich, die bei störenden, unterschiedlichen Wärmedehnungen
auftretenden Probleme durch Spezialkonstruktionen innerhalb des Dnickbehälters zu lösen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher
beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 ein Schnitt eines Teils eines Kernreaktorsystems in Vorderansicht und
Fig.2 eine Vorderansicht einer anderen Ausführungsform
der Erfindung im Schnitt.
Gemäß der Darstellung in F i g. 1 weist eine horizontale angeordnete Speisewasser-Eintrittsleitung
10 einen Bogen U von 90° auf, der die Leitung 10 vertikal nach unten führt. Eine Stopfbüchse 12 bewirkt
eine Abdichtung an der vertikalen Durchtrittsebene zwischen der Außenfläche eines horizontalen Stücks der
Eintrittileitung 10 und einem im allgemeinen zylindrischen Teil eines Dampfaustrittsstutzens 13, der einen
Teil der Leitung 10 und den Bogen 11 umschließt.
Der Stutzen 13 besitzt auch einen vertikal angeordneten zylindrischen Anschlußnippel 14, der es erlaubt,
Dampf aus dem Stutzen 13 abzuführen. Der zylindrische Teil des Stutzens 13 endet in einem Flansch 15 der an
der Außenfläche des Reaktor-Druckbehälters 16 durch Schrauben 17 befestigt ist.
Die Außenfläche des ReaKtordruckbehälters 16 ist mit einer ringförmigen Aussparung 20 versehen, die mit
einer gegenüberliegenden ringförmigen Aussparung 21 ausgerichtet ist, die in der Stirnfläche des Flansches 15
ausgebildet ist, der auf der Außenfläche des Druckbehälters 16 aufliegt Die Flanschaussparung 21 ist bei dem
Ende des zylindrischen Teils des Austrittsstutzens 13 ausgebildet Die den Druckbehälter berührende oder
erfassende Fläche des Flansches 15 hat ein Paar kreisförmiger Nuten 22, die in dem Flanschflächenabschnitt
ausgebildet sind, welcher sich zwischen der Aussparung 21 und den Schrauben 17 befindet. Diese
Nuten nehmen Dichtungen 23 auf, die dazu beitragen, eine wasserdichte Verbindung zwischen dem Flansch 15
und der Außenfläche des Druckbehälters 16 zu bilden.
Die Aussparung 20, die in der Außenfläche des Druckbehäiters 16 ausgebildet ist, weist eine Reihe von
Bohrungen 24 auf, die bis zur Innenflache des Druckbehälters 16 durchgebohrt sind. Die gewindelosen
Schäfte der Schrauben 25 werden in den Bohrungen 24 aufgenommen, um einen Wärmetauscher-Baustein 26 zu
tragen, wie es später in Einzelheiten beschrieben wird. Die ringförmige Aussparung 20 im Druckbehälter 16 hat
eine hohle zylindrische Wand 27, die in Richtung auf die gegenüberliegende Aussparung 21 im Flansch 15 und
den zylindrischen Teil des Stutzens 13 vorspringt
Ein hohler zylindrischer Kragen 30 wird mit Abstand innerhalb der zylindrischen Wand 27 aufgenommen.
Der Kragen 30 und die Wand 27 werden durch eine hohle, ringförmige Dichtung 31 verbunden. Wie es der
Fig. 1 zu entnehmen ist, wird die Dichtung 31 durch eine Schweißnaht 32 gebildet die zwei gegenüberliegende
bogenförmige Teile 33 und 34 miteinander verbindet welche von den äußersten Enden der Wand
27 bzw. des Kragens 30 vorstehen. Diese Dichtung ist nicht nur wasserdicht sondern weist eine solche
Elastizität auf, so daß die Spannungsprobleme erleichtert werden, die sonst unterschiedliche Wärmedehnungen
und Schrumpfungen verursacht würden.
Der Kragen 30 springt durch eine quer angeordnete öffnung 35 vor, die in dem Druckbehälter 16 ausgebildet
ist, um einen Strömungsweg für den Dampf zu bilden, der innerhalb des Wärmetauscher-Bausteins 26 aufsteigt,
und um es der Speisewasser-Eintrittsleitung 10 zu erlauben, den Bogen 11 zu beschreiben, wodurch die
längs nach unten geführtes Stück 36 der Leitung 10 in die Lage versetzt wird, einströmendes Sekundärkühlmittel-Speisewasser
innerhalb des Bausteinraums abzugeben, der außerhalb eines Bündels von Wärmetauscherrohren
37 liegt. Das Primärkühlmittel, das unter Druck aus dem Reaktorkern strömt (in der Zeichnung
nicht dargestellt), fließt durch die Rohre in dem Rohrbündel 37, um die beim Durchströmen des Kerns
aufgenommene Wärme an das Sekundärkühlmittel abzugeben.
Wie es in F ι g. 1 dargestellt ist, hat der Wärmetauscher-Baustein
Gewindebohrungen 40, die die Gewindeenden der Schrauben 25 aufnehmen. Somit durchdringen
die Schrauben 25 den Druckbehälter 16 und ziehen den Wärmetauscher-Baustein fest gegen die Innenfläche
des Druckbehälter, um sowohl den Baustein, den Stutzen und auch die Eintrittsleitung im wesentlichen in
der gleichen Lage zu halten, wodurch die Probleme unterschiedlicher Wärmedehnungen zum großen Teil
ausgeschaltet werden, während zusätzlich eine verhältnismäßig einfache und unkomplizierte Konstruktion
geschaffen wird, um den Wärmetauscher-Baustein ein- und auszubauen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in der F i g. 2 dargestellt. Ein horizontal angeordneter, im
allgemeinen zylindrischer Dampfaustrittsstutzen 41 besitzt einen vertikal gerichteten Flansch 42, der es
ermöglicht, daß der Stutzen 41 strömungstechnisch mit einer Hauptdampfzuführungsleitung 43 für die Turbinenanlage
verbunden wird. Der im allgemeinen zylindrische Schaft des Dampfaustrittsstutzens trägt
einen vertikalen Flanschnippel 44. Der Nippel 44 hat eine Entwässerungs- und Druckfunktion, die nachstehend
beschrieben wird. Der Nippel 44 nimmt eine Entwässerungs- und Druckanschlußleitung 45 auf, die
vertikal nach unten in einem im allgemeinen zylindrischen Kanal 46 verläuft, der innerhalb des Stutzens 41
ausgebildet ist um eine Dampfströmung zu der Hauptdampfzuführungsleitung 43 zu erlauben. Ein
Bogen zu ISO" oder eine Dehnschieife 47 in der Leitung
45 ist innerhalb des Kanals 46 angeordnet und verläuft in horizontaler Richtung durch den Stutzen 41 und
durch eine Reaktor-Druckbehälterwand 50 zu einem Krümmer 51, der die Leitung 45 nach unten in einen
Wärmetauscher 52 abbiegt.
Der zylindrische Schaft an dem Dampfantrittsstutzen 41 hat auch einen vertikal gerichteten sowie geflanschten
Speisewassereintrittsnippel 53, der es ermöglicht, daß Speisewasser nach oben in einen anschließenden
und horizontal angeordneten Teil der Speisewasserlei- ,0
tung 54 fließt. Die Speisewasserleitung 54 durchdringt die Reaktor-Druckbehälterwand 50 und tritt in den
Wärmetauscher 52 ein, wo sie in einer nach unten gerichteten, aus Krümmer und Sprühkopf 55 gebildeten
Kombination endet.
Der Sprühkopf 55 besitzt eine Reihe von Bohrungen, durch die das Speisewasser aus der Leitung in ein
vertikal angeordnetes, zylindrisches Fallrohr 56 innerhalb des Wärmetauschers 52 tritt. In diesem Zusammenhang
ist darauf hinzuweisen, daß die Entwässerungs- und Druckanschlußleitung 45 auch nach unten in den
Wärmetauscher 52 über das Fallrohr 56 verläuft. Die Entwässerungs- und Druckanschlußleitung erlaubt es,
Sekundärkühlmittel aus dem Wärmetauscher 52 abzuführen. Nachdem der Reaktor (in der Zeichnung nicht
dargestellt) abgeschaltet wurde und sich abkühlen konnte, wird in typischer Weise Gas unter Druck in das
Innere des Wärmetauschers 52 durch eine Druckaufbauleitung (ebenfalls in der Zeichnung nicht dargestellt)
eingeführt. Bei einem genügend hohen Gasdruck wird Sekundärspeisewasser auf dem Boden des Wärmetauschers
aus den Wärmetauscher gestoßen, indem es nach oben gedrückt wird und über die Entwässerungs- und
Druckanschlußleitung 45 ausströmt.
Der im allgemeinen zylindrisch gehaltene Teil des Dampfaustrittsstutzens 41 endet in einem vertikal
gerichteten Flansch 57, der an einer vorstehenden Gegenfläche 60 mit den Schrauben 61 oder mit anderen
geeigneten Befestigungsmittels befestigt wird. Wie es in F i g. 2 dargestellt ist, steht der Dampfkanal 46 in dem
Austrittsstutzen 41 strömungstechnisch und koaxial mit einer Bohrung 62 in Verbindung, die in der Reaktor-Druckbehälterwand
50 ausgebildet ist. Die Bohrung 62 ist tatsächlich eine Verlängerung des Dampfaustrittsstutzens
durch die Reaktorkonstruktion hindurch.
Innerhalb der Reaktor-Druckbehältenvand 50 ist eine ringförmige Aussparung 63 ausgebildet, um einen
horizontal angeordneten zylindrischen Anschluß 64 aufzunehmen, der an einer vorbereiteten Fläche 65
mittels einer Schweißnaht befestigt wird. Erläuternd ist darauf hinzuweisen, daß der Anschluß 64 strömungstechnisch
und in horizontaler Ausrichtung mit der Bohrung 62 in der Druckbehälterwand 50 und dem
Dampfkanal 46 in dem Austrittsstutzen 41 in Verbindung steht.
Das von der Innenfläche der Druckbehälterwand 50 abgelegene vertikale Ende des Anschlusses 64 ist mittels
einer Schweißnaht an einer vorbereiteten Fläche 66 auf einem Mantel 67 für den Wärmetauscher 52 befestigt.
Eine Bohrung 70 ist ebenfalls koaxial und strömungstechnisch mit dem Dampfkanal 46 verbunden.
Im Betrieb tritt Sekundärkühlmittel-Speisewasser in den Stutzen über den Speisewassereintrittsnippel 53 ein,
um durch die Leitung 54 und den Sprühkopf 55 in das Fallrohr 56 zu gelangen. Dieses Merkmal der Erfindung,
nämlich das Leiten des Speisewassers in den Wärmetauscher 52 durch eine Leitung 54, hat eine Anzahl
bedeutender Vorteile. In typischer Weise ist es bei dieser Konstruktion nicht erforderlich, einen Schutzmantel
um das Rohrbündel zu legen, um die Einrichtung gegen Wärmeschock zu schützen, der hervorgerufen
werden könnte, wenn kaltes Speisewasser Wärmetauscherteile berührt, die sich auf einer höheren Temperatur
befinden. Der Wegfall des Schutzmantels führt zu weiteren bedeutenden, wenn auch subtilen Vorteilen. So
kann z. B. der Wärmetauscherraum, der gewöhnlich von dem Schutzmantel eingenommen wird, jetzt für
zusätzliche Wärmetauscherberohrung zur Verfügung gestellt werden, wodurch der technische Wirkungsgrad
erhöht wird und die Anlagekosten eine Minderung erfahren.
Das Verfahren, den Wärmetauscher 52 innerhalb der Druckbehälterwand 50 durch den Schweißanschluß an
die Kupplung 64 als Teil des Dampfaustrittsstutzens 41 zu montieren, bringt auch bedeutende Vorteile infolge
der Ausschaltung der Spannungen, die gewöhnlich bei Konstruktionen dieser Art auftreten. So bewegt sich die
gesamte Wärmetauscher- und Stutzen-Kombination als eine vollständige Einheit bei Wärmedehnungen und
-Schrumpfungen.
In Fortsetzung der Beschreibung des Betriebs des Reaktors ist darauf hinzuweisen, daß das Sekundärkühlmittel-Speisewasser
Wärme dem Primärkühlmittel entnimmt das durch die Rohre in dem Wärmetauscher-Rohrbündel
strömt (in Fig.2 nicht dargestellt). Als Ergebnis verwandelt sich das Speisewasser in Dampf
der aus dem Wärmetauscher 52 über den Kanal 46 in den Stutzen 41 strömt
An den in den F i g. 1 und 2 dargestellten unc erläuternd beschriebenen Ausführungsformen der Er
findung können natürlich zahlreiche Modifizierunger vorgenommen werden. In typischer Weise kann dei
Flansch 42 in Fig.2 durch einen anderen Verbindei
ersetzt werden. Eine Leiste oder eine andere Halterung kann außerdem auf der Innenfläche der Reaktor-Druck
behälterwand 50 vorgesehen werden, um den Wärme tauscher 52 zu stützen oder weiter zu stabilisieren.
Claims (2)
1. Die Druckbehälterwand eines Atomkernreaktors durchdringende Austrittsstutzen- und Eintrittsleitungs-Kombination
für das Speisewasser eines innerhalb des Druckbehälters befindlichen Wärmetauschers,
dadurch gekennzeichnet, daß diese Kombination in an sich bekannter Weise die Druckbehälterwand (16) in Form von konzentrisehen
Röhren durchsetzt, daß der rohrförmige Austrittsstutzen (13) mit einem Flansch (15) unter
Zwischenlage von Abdichtungen (22, 23) an der Druckbehältsrwand (16) befestigt ist, daß die
Eintrittsleitung (10) innerhalb des rohrförmigen Austrittsstutzens (13) zum Wärmetauscher (26)
geführt ist, daß am Wärmetauscher (26) ein Kragen (30) vorhanden ist, der vom Wärmetauscher (26) in
Richtung auf den Austrittsstutzen (13) vorsteht, daß Mittel (31, 32, 33, 34) vorgesehen sind, um den ίο
Kragen (30) mit der Druckbehälterwand (16) zu verbinden und daß dem Kragen (30) Mittel (24, 25,
40) zugeordnet sind, um den Wärmetauscher (26) innerhalb des Druckbehälters (16) abzustützen.
2. Austrittsstutzen- und Eintrittsleitungs-Kombination
nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung im rohrförmigen Austrittsstutzen
(13) zur Aufnahme der Eintrittsleitung einen geflanschten Anschlußnippel (14) aufweist, der aus
dem rohrförmigen Austrittsstutzen (13) vorsteht
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