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Die Grösse des Reaktor-Druckbehälters eines Kernkraftwerkes wird durch dessen Leistung bestimmt. Anderseits bestimmt der Innendurchmesser und der Auslegedruck die Zugkraft in der Wand und somit deren Dicke. Aus technologischen Gründen ist aber bei Stahlbehältern die Wandstärke begrenzt. Vor allem wegen der Durchhärt- barkeitkannman etwa350mm als obersteGrenze ansehen. Bei Wandstärken über 300 mm sind ausserdem die
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zurückgegriffen, die schon vor langem für die chemische Industrie entwickelt worden war. Beim Reaktorbetrieb entstanden jedoch Schwierigkeiten durch die verschieden grossen Aufheizungen der einzelnen Schichten durch radioaktive Bestrahlung (Neutronen und Gammastrahlen). Es blieb daher bei Versuchsbauten.
Die Schwierig- keiten ergeben sich daraus, dass für die Wandung eines Reaktordruckbehälters aus technologischen Gründen ein ) Konstruktionsstahl verwendet werden muss, der eine begrenzte Zugfestigkeit aufweist und dessen Streckgrenze weit unterhalb der Streckgrenze beispielsweise eines Spannstahles liegt. Bei den bekannten Reaktordruckbehäl- tern aus Stahl war daher der Innendurchmesser aus technologischen Gründen begrenzt und das erreichbare Mass lag unter demjenigen Mass, welches für grosse Leistungen des Reaktors gefordert wurde.
Man verliess deshalb den Stahl als Konstruktionsmaterial und stellte die grösseren Druckbehälter aus Spann- beton her. Dabei ergaben sich jedoch eine ganze Reihe von Problemen, die nur näherungsweise gelöst werden konnten. Das Schwinden und Kriechen des Betons bei hohen Temperaturen, das Verhalten des Betons im Tem- peraturgefälle und bei plötzlicher Hitzeeinwirkung, die Wärmeisolierung, die mangelnde Risssicherheit, der räumliche Spannungszustand in sehr dicken Wänden usw. brachten grosse Schwierigkeiten mit sich.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, einen Druckbehälter aus einem Konstruktionsstahl, welcher aus techno- logisch bedingten Gründen eine begrenzte Zugfestigkeit aufweist, zu schaffen, u. zw. insbesondere einenre- aktordruckbehälter, bei welchem diese Nachteile vermieden werden. Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, dass der Druckbehälter mehrachsig durch Vorspannglieder aus einem Stahl mit hoher Streckgrenze vor- gedrückt ist. Auf diese Weise wird die Wandung des Druckbehälters durch die Vorspannglieder so weit entlastet, dass bei gleichem Innendurchmesser die Wandstärke wesentlich herabgesetzt werden kann bzw. dass der Innen- durchmesser des Druckbehälters beträchtlich vergrössert werden kann, ohne dass die Wandstärke unzulässig ver- grössert werden muss.
Vorzugsweise ist gemäss der Erfindung die Vorspannung der Vorspannglieder in drucklosem
Zustand des Behälters so hoch gewählt, dass die zulässige Druckbelastung der Behälterwände voll ausgenützt ist.
Damit ergibt sich die grösstmögliche Druckentlastung für die Behälterwände im normalen Betriebszustand.
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eine beträchtliche Explosionsgefahr. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist nun aber der Querschnitt der Vorspannglieder so gross gewählt, dass im Falle einer übermässigen Steigung des Innendruckes des Behälters bis zur Überschreitung der Streckgrenze des Konstruktionsstahles der Behälter die rechnungsgemässe Be- anspruchung des Materials der Vorspannglieder noch unterhalb der Streckgrenze verbleibt, wenn der gesamte Innendruck des Behälters allein durch die Vorspannglieder aufgenommen wird, ohne dass eine Zugbelastung der Behälterwandung selbst in Rechnung gestellt wird.
Es erscheint hiebei vorteilhaft, die Bemessung der Vorspannglieder so durchzuführen, dass bei Überschreitung der Streckgrenze des Konstruktionsstahles des Behälters die rechnungsgemässe Beanspruchung des Materials der Vorspannglieder bei Aufnahme des gesamten Innendruckes durch die Vorspannglieder allein wenigstens 20% unter der Streckgrenze des Spannstahles liegt.
Auf diese Weise kann eine Explosion mit voller Sicherheit vermieden werden. Wenn bei Erreichung eines übermässigen Innendruckes die Streckgrenze der Behälterwandung überschritten wird und die Behälterwandung reisst, so dass eine Zugbelastung der Behälterwandung überhaupt nicht mehr in Rechnung gesetzt werden kann, wird der gesamte Behälter durch die Vorspannglieder allein zusammengehalten. Es kann daher, soferne die Überhöhung des Innendruckes bis zu einem Riss in der Behälterwandung geführt hat, was bei den bekannten Konstruktionen eine Explosion bedeutet, das im Behälter befindliche Medium höchstens langsam ausströmen, jedoch kann eine Explosion nie eintreten.
Die Erfindung ermöglicht somit nich nur eine wesentliche Ersparnis an Material für den Behälter und insbesondere amKonstruktionsstahl für dieselben, wobei die Vorteile einer geringeren Wandstärke des Behälters ausgenützt werden können, sondern bietet darüber hinaus eine völlige Sicherheit gegen eine Explosion.
In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles schematisch veranschaulicht.
Es zeigen Fig. l einen lotrechten Schnitt durch einen erfindungsgemässen Reaktordruckbehälter, die Fig. 2 und 3 vergrössert je einen Ausschnitt der zylindrischen Behälterwand im lotrechten Schnitt bzw. im waagrechten Schnitt und Fig. 4 eine Draufsicht auf den Behälter.
Der in Fig. l dargestellte stählerne Reaktordruckbehälter besteht aus einem zylindrischen Mittelteil-lmit einem Durchmesser von beispielsweise 8 m, sowie je einem oberen und einem unteren Abschlussteil-2 bzw. 3-, die über Flansche-4, 5 bzw. 6, 7-mit dem Mittelteil-l-verbunden sind.
An der Aussenseite des Behälters sind Gruppen von Vorspanngliedern vorgesehen, um auf seine Stahlwand - 8-eine mehrachsige Druckvorspannung auszuüben. Am zylindrischen Mittelteil sind hiezu in Umfangsrichtung verlaufende Vorspannglieder-9-und axiale bzw. parallel zu den Erzeugenden verlaufende Vorspann- glieder -10- vorgesehen. Ebenso sind die sphärisch gewölbten Abschlussteile-2 bzw. 3-mit Vorspannglie-
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dern -13- versehen. Die Anordnung der Vorspannglieder wird an Hand der weiteren Zeichnungsfiguren näher erläutert.
Die Fig. 2 und 3 zeigenAusschnitte der zylindrischen Behälterwand im lotrechten bzw. waagrechten Schnitt,
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derter ringförmiger Spannglieder könnten auch ein oder mehrere Spannglieder in einer Anzahl von Windungen um den Behälterumfang gewickelt werden. Die vorher erwähnten Käfige --11- dienen dem Schutz und der
Ordnung der Spannglieder sowie deren Verankerung, sie sind jedoch nicht unbedingt erforderlich.
Die in Richtung der Erzeugenden verlaufenden Vorspannglieder --10-- sind in Schutzrohren-12-unter- ) gebracht und zwischen den Flanschen --5 und 7-des zylindrischen Mittelteiles-l-, z. B. mittels Spann- schrauben, Keilen oder Exzentern, gespannt gehalten.
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf den Behälter mit der Anordnung der Spannglieder am oberen Abschlussteil
Es sind zwei Gruppen jeweils untereinander etwa paralleler Spannglieder --13-- vorhanden. die einan- der etwa rechtwinkelig kreuzen und die ebenso wie die Spannglieder --9 und 10-am zylindrischen Mittelteil - l-an den Kreuzungsstellen nicht miteinander verbunden sind. Noch zweckmässiger als im Falle des zylin- drischenMittelteiles ist es beim sphärisch gewölbtenAbschlussteil, wenn darauf ähnlich den Käfigen --11-- und Schutzrohren -12-- Führungen für die Spannglieder -13-- angeordnet sind. Der Übersichtlichkeit halber ist in Fig. 4 nur eine geringe Anzahl von Spanngliedern eingezeichnet.
In Wirklichkeit liegen diese viel dichter nebeneinander, so dass deren Anzahl viel grösser ist.
Auf sphärisch gewölbtenFlächen sind verschiedeneKonfigurationen der Spannglieder möglich; diese können beispielsweise auch in Umfangsrichtung und in Meridianrichtung verlaufen. Dabei müssen die in Umfangsrich- tung verlaufenden Spannglieder zusätzlich quer zu ihrem Verlauf in Richtung zum grössten Umfang hin, d. h. zum Flansch, abgespannt werden. Damit nicht alle in Meridianrichtung verlaufenden Spannglieder einander auf der Kuppe kreuzen, ist ein die Kuppe umgebender Ring vorgesehen, an dem die Spannglieder enden.
Die Streckgrenze des Konstruktionsstahles für die Behälterwand beträgt nur etwa 1/3 bis 1/4 der Streck- grenze des Spannstahles, welcher für die Zugglieder verwendet wird. Als Material für die Wandung eines Re- aktordruckbehälters wird z. B. ein Konstruktionsstahl SA-3 02-B verwendet. In Abhängigkeit vom Behälterdruck ergibt sich nun etwa folgende Druckverteilung, wobei als voller Betriebsdruck ein Druck von 176 Atü anzu- nehmen ist.
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<tb>
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Atü <SEP> Konstruktionsstahl <SEP> Spannstahl
<tb> 0 <SEP> 1275 <SEP> kg/cm <SEP> Druck <SEP> 2730 <SEP> kg/cm <SEP> Zug
<tb> 88 <SEP> 0 <SEP> 4005 <SEP> kg/cm <SEP> Zug
<tb> 176 <SEP> 1275 <SEP> kg/cm2 <SEP> Zug <SEP> 5280 <SEP> kg/cm2 <SEP> Zug
<tb> 264 <SEP> 2550 <SEP> kg/cm <SEP> Zug <SEP> 6550 <SEP> kg/cm <SEP> Zug
<tb> 352 <SEP> 3825 <SEP> kg/cm <SEP> Zug <SEP> 7825 <SEP> kg/cm <SEP> Zug
<tb>
Dabei wird aber derKonstruktionsstahl schon gestreckt und allmählich zerstört, so dass folgende Werte eintreten :
352 0 15950 kg/cm Zug.
Dieser Übergang erfolgt allmählich und nicht schlagartig. Der Spannstahl hat dann noch ein erhebliches Arbeitsvermögen und kann noch bis etwa 18500 kg/cm belastet werden. Daraus ergibt sich, dass nach Zer- störung der Behälterwandung keine Explosion, sondern nur ein langsames Ausströmen stattfinden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Druckbehälter aus einem Konstruktionsstahl, welcher aus technologisch bedingten Gründen eine begrenzte Zugfestigkeit aufweist, insbesondere Reaktor-Druckbehälter, dadurch gekennzeichnet, dasser mehrachsig durch Vorspannglieder aus einem Stahl mit hoher Streckgrenze vorgerückt ist.
2. Druckbehälter nachAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung der Vorspannglieder in drucklosem Zustand des Behälters so hoch gewählt ist, dass die zulässige Druckbelastung der Behälterwände voll ausgenützt ist.