DE1279225B - Thermische Abschirmung fuer einen Behaelter eines Atomkernreaktors - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES -^V^ PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

G21c

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 21g-21/20

P 12 79 225.5-33 (J 23797)

30. Mai 1963

3. Oktober 1968

Die Erfindung bezieht sich auf eine thermische Abschirmung für einen aus vorgespanntem Beton bestehenden Behälter eines durch Druckgas gekühlten Atomkernreaktors mit einem außerhalb einer zwischen dem Reaktorkern und der Behälterinnenwand in der Nähe der letzteren angeordneten metallischen thermischen Schutzwand in zur Behälterinnenwand parallelen Rohren geführten Kühlmittel.

Auf dem vorgespannten Beton eines derartigen Behälters ruhen bei den heute üblichen Kühlmitteldrucken im Reaktorinneren erhebliche Kräfte, denen der Beton nur dann auf Grund seiner mechanischen Festigkeitseigenschaften standzuhalten vermag, wenn er gegenüber dem Kühlmittel, das den Reaktorkern durchsetzt und Temperaturen von bis zu 800° C annehmen kann, thermisch in einwandfreier Weise abgeschirmt wird. Es sind hier bereits eine Reihe von Wegen beschritten worden, um eine derartige Abschirmung der Betonwandung des Reaktorbehälters zu erreichen, die jedoch sämtlich nicht völlig zu befriedigen vermögen.

Die theoretisch einfachste Möglichkeit besteht darin, auf der Innenseite der Behälterwandung eine Isolierschicht vorzusehen. Diese muß jedoch selbst dann, wenn man sie in der belgischen Patentschrift 566119 beschriebenen Weise von einem Kühlmittel durchsetzen läßt und außerdem gegebenenfalls in der aus dem Directory of Nuclear Reactors, Band 1, Seiten 152 und 153 sowie aus Nuclear Engineering vom Dezember 1955, Seite 435 bekannten Weise durch ein mehrschichtiges Blech von der Behälterwand trennt, eine erhebliche Stärke annehmen, um auch nur einigermaßen den erforderlichen Temperaturabfall zu erzielen, wodurch sich sehr hohe ; Herstellungskosten für eine derartige Abschirmung ergeben. Außerdem ist selbst bei einer solchen Wandstärke noch keine Gewähr dafür gegeben, daß sich nicht doch einzelne heiße Stellen an der Innenwand des Betonbehälters ausbilden, die dort die Festigkeit des Betons in unzulässiger Weise vermindern.

Diese Gefahr einer Ausbildung lokal überhitzter Partien der Behälterinnenwandung ist schließlich auch durch die aus den französischen Patentschriften 1207 935 und 1274088 bekannte Methode einer Kühlung der Betonwand des Reaktorbehälters mit Hilfe von in diese Betonwand eingelassenen, von einem Kühlmittel durchflossenen Rohren nicht zu vermeiden, da man aus Festigkeitsgründen ebenso wie aus Gründen der Herstellungskosten einen bestimmten Mindestabstand der kühlmitteldurchflossenen Rohre voneinander nicht unterschreiten kann.

Der Erfindung liegt daher ausgehend von dem Thermische Abschirmung für einen Behälter
eines Atomkernreaktors

Anmelder:
INDATOM, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Beetz

und Dipl.-Ing. K. Lamprecht, Patentanwälte,

8000 München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:

Pierre Bourgade, Melun, Seine-et-Marne

(Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 30. Mai 1962 (899 322)

oben geschilderten Stande der Technik die Aufgabe zugrunde, eine thermische Abschirmung für einen aus vorgespanntem Beton bestehenden Behälter zur Aufnahme des im Reaktorinneren herrschenden Druckes anzugeben, die einerseits eine hinreichende Absenkung der Temperatur an der Innenwandung dieses Behälters gewährleistet und außerdem dafür sorgt, daß diese Temperatur längs der gesamten Behälterinnenwand die gleiche ist, ohne daß sich einzelne überhitzte Stellen ausbilden können.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Abschirmung der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die von dem Kühlmittel durchströmten Rohre zwischen wenigstens einem die thermische Schutzwand bildenden gewellten dünnen Innenblech und einem in Wärmekontakt mit den Rohren stehenden, eine größere Wandstärke als das Innenblech aufweisenden Außenblech angeordnet sind.

Bei der erfindungsgemäßen Abschirmung weist das dünne Innenblech dank seiner geringen Leitfähigkeit in Längsrichtung einen erheblichen thermischen Widerstand auf. Es erreicht daher im Betrieb eine beträchtliche Temperatur und wirkt zugleich als thermischer Reflektor. Ergänzend dazu stellt das wesentlich stärkere Außenblech einen thermischen Kurzschluß dar, der die ganze Behälterinnenwand auf gleicher Temperatur hält und das Auftreten

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einzelner heißer Stellen an dieser Innenwand mit Sicherheit verhindert.

Einzelheiten der Erfindung lassen sich aus der nachstehenden Beschreibung einiger in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele ersehen. Dabei zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Teilansicht eines mit einer erfindungsgemäßen thermischen Abschirmung versehenen Reaktorbehälters,

F i g. 2 und 3 weitere Ausführungsbeispiele für eine erfindungsgemäße Abschirmung im Querschnitt,

Fig. 4 ein Schaltbild für den Kühlmittelkreislauf bei auf einem Kernreaktor mit in den Behälter eingebauten primären Wärmetauschern,

F i g. 5 ein entsprechendes Schaltbild für einen Reaktor mit nicht in den Behälter eingebauten Wärmetauschern.

In Fig. 1 ist ein Teil eines Behälters 1 aus vorgespanntem Beton dargestellt, der zur Aufnahme des im Reaktorinneren herrschenden Kühlgasdruckes dient. Innen ist der Behälter 1 mit einer Stahlhaut 2 ausgekleidet, die als Abdichtungshaut gegenüber dem Kühlgas wirkt.

Erfindungsgemäß ist eine Vielzahl von für Absenkung der Temperatur an der Behälterwand gedachten Rohre 3, die von einem Kühlmittel (beispielsweise Wasser) durchströmt werden und von denen in F i g. 1 nur zwei veranschaulicht sind, längs der Stahlhaut 2 im Innern eines Metallmantels 5 angeordnet, der aus zwei gewellten Blechen, einem dickeren Außenblech 6 und einem dünneren Innen- : blech 7 besteht. Die Bleche 6 und 7 begrenzen zwischen sich Bereiches, die zur Aufnahme der Kühlrohre 3 dienen und eine freie thermische Ausdehnung gestatten. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 ist der Metallmantel 5 als Ganzes an Stahl- bändern 9 befestigt, die ihrerseits über geeignete Verbindungsmittel, beispielsweise Schrauben 10, an der Stahlhaut 2 befestigt sind.

Bei einer insbesondere zum thermischen Schutz einer senkrechten Mauer verwendbaren möglichen Abwandlung dieser Ausführung hängt das Außenblech 6 von der Oberseite der Mauer herunter und bildet einen Rock, der sich frei nach unten ausdehnen kann, wobei die einzige Berührung zwischen diesem Außenblech und der Abdichtungshaut etwa in einigen Zentrierzapfen besteht.

Bei dem 'Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 sind die Bleche 6 und 7 an den Stellen 12 mit den Rohren 3 verschweißt, die ihrerseits an den Stahlbändem 9 befestigt sind.

Bei dem in F i g. 3 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Bleche 6 und 7 einfach untereinander im halben Abstand zwischen den Rohren 3 durch geeignete Verbindungselemente 13 (Schraubenbolzen od. dgl.) verbunden. Diese Ausführung schafft infolge des Fehlens einer Schweißverbindung zwischen den Blechen 6 und 7 und den Rohren 3 eine bessere Verteilung der thermischen Spannungen in den Blechen und verhindert dadurch _6o sonst möglicherweise auftretende Deformationen der Rohre 3. -

Der freie Raum zwischen den-beiden Blechen 6 und 7 kann mit Stahl- oder Glaswolle oder einem anderen gleichwertigen Isolierstoff ausgefüllt werden.

In allen Fällen ist das Innenblech 7, das die Rolle eines thermischen Reflektors spielen kann, wesentlich dünner als das Außenblech 6. Das Verhältnis der beiden Wandstärken kann .den Wert 20 übersteigen, solange zwischen den Blechen kein Füllisolierstoff vorgesehen ist.

Das dünne Blech 7, das von dem Kühlgas des Reaktors bestrichen wird, ermöglicht eine beträchtliche Verminderung des Wärmeflusses, der von dem-Gas auf die das Rohr 3 durchströmende Kühlmittel übertritt.

Dieser letztere Punkt ist von besonderer Bedeutung, da es auf diese Weise möglich ist, das Außenblech auf annähernd gleicher Temperatur zu halten, ohne seine Stärke allzu groß zu wählen. Da man ferner den Beton auf einer ziemlich niedrigen Temperatur zu halten sucht, wird der thermische Fluß, der bei einem niedrigen Energieniveau herausgeholt wird, auf diese Weise vermindert.

Das Außenblech 6 hat eine ziemlich große Stärke, und zwar in allen Fällen wenigstens 2 mm. Bei einem gegenseitigen Abstand der Rohre 3 von 20 cm oder darüber und einer Temperaturänderung der Stahlhaut, die einige zehn Grad Celsius nicht übersteigt, können Bleche von mehreren Zentimetern Stärke notwendig sein. Das Blech muß einen sehr kleinen thermischen Widerstand besitzen, damit sich der beispielsweise bei Außerbetriebnahme eines Rohres 3 auftretende Verluststrom gut verteilt.

Die nach Art einer Kesselheizung angeordneten Rohre 3 weisen beispielsweise einen Abstand von 20 cm auf. Das Außenblech 6 ist über angeschweißte Flügel 14 an den Stahlbändern 9 befestigt. Ebenso erfolgt dieBefestigung an derStahlhaut2 über Rohre, die kalt bleiben, was das Entstehen heißer Stellen an dieser Haut verhindert.

Vor dem Innenblech 7 können thermische Schirme vorgesehen werden, die den von diesem Blech aufgenommenen Wärmefluß verringern. Fehlen solche Schirme, so erreicht das Innenblech dank seiner geringen Stärke eine solche Temperatur, daß die Zufuhr aufgenommener Wärme verhältnismäßig gering bleibt.

Fig. 4 zeigt schematisch, wie die Rohre3 eines Kernreaktors in dem Behälter 1 mit eingebauten primären Wärmetauschern mit Kühlwasser gespeist werden können. Dabei ist im Innern des Behälters 1 ein primärer Wärmetauscher 15 mit einem Vorwärmer· 15 a, einem Verdampfer 15 b und einem Überhitzer

15 c vorgesehen. Nach Entspannung in einer Turbine

16 und Kondensation in einem Kondensator 17 wird das Kühlwasser über eine Pumpe 18 und eine Hauptleitung 19 durch aufeinanderfolgende Erhitzer 20, 21 und 22 hindurch bis zum Wiedereintritt in den Vorwärmer 15 α gefördert, womit ein neuer Kreislauf beginnt.

Bei dieser Ausführung sind die Rohre 3 der erfindungsgemäßen thermischen Abschirmung an der Wand des Behälters 1 in einem einzigen Mantel angeordnet, der aus zwei Gruppen besteht. Diese beiden Gruppen liegen parallel zueinander zwischen jginem Eingangssammler 23, der über einen Abzweig 24 der Hauptleitung 19 mit Wasser von 40° C gespeist wird, und einem Ausgangssammler 25 für das bei diesem Ausführungsbeispiel bis auf 70° C erhitzte Wasser. Die Rückführung des Wassers aus den Rohren 3 in den Hauptkreislauf erfolgt über eine Leitung 26, die zwischen den Erhitzern 20 und 21 mündet. Bei den vorstehend angegebenen Temperaturen genügen 300 Rohre 3 vom Kesselheizungstyp mit Durchmessern von 36,5/41,5, die erfindungs-

gemäß längs der Innenseite der Stahlhaut angeordnet und von Kühlwasser mit einer Geschwindigkeit von 1 m/sec durchflossen werden, um eine Leistung von 37 MW herauszuführen.

Die tatsächlich herauszuführende thermische Leistung ist im allgemeinen wesentlich geringer als dieser Wert, so daß man einen Drosselschieber einbauen kann. Das überdimensionierte System kann dann mittels Öffnung des Drosselschiebers gewisse Störungen ausgleichen, wie sie beispiesweise erfolgen, wenn große Mengen von heißem Gas in Berührung mit den Rohren 3 kommen.

Je nach der besonderen Anordnung der Wärmetauscher und der Behälterwand können verschiedene Wärmetauscherbündel oder gewisse Zu- und Abführungsrohre schirmartig vor dem dünnen Innenblech 7 angeordnet werden.

Auch in F i g. 5 ist ein Behälter 1 mit Rohren 3 zur Kühlung der Stahlhaut 2 dargestellt; der primäre Wärmetauscher 15 ist bei dieser Ausführung _ao jedoch außerhalb des Behälters 1 angeordnet.

Bei diesem Ausführungsbeispiel befindet sich der Eingangssammler 23 für das kalte Wasser immer auf einer Temperatur von 40° C, der Ausgangssammler 25 dagegen auf einer solchen von etwa 160° C. Die Rohre 3 bilden jeweils vier aufeinanderfolgende Lagen 30, 27, 28 und 29. Der Metallmantel 5 ist nur für die Lage 30 in unmittelbarer Nähe der Stahlhaut 2 des Behälters 1 vorgesehen. In den einzelnen Lagen erwärmt sich das Wasser jeweils von 40 auf 70, 70 auf 100, 100 auf 130, 130 auf 160° C. Das mit 160° C abfließende Wasser wird von dem Sammler 25 aufgenommen und über die Leitung 26 zum Eingang des primären Wärmetauschers 15 geführt.

Im folgenden seien noch einige Zahlenwerte für einen Reaktor mit eingebautem Wärmetauscher angegeben, dessen Kern durch gasförmiges Helium mit 40 at gekühlt wird. Die Temperatur des Heliums beim Eintritt in den Kern beträgt 300° C, seine Austrittstemperatur 750° C, die Temperatur des, Betons an der inneren Oberfläche des Behälters 150° C und die Wassertemperatur in den Rohren 3 am Eingang 140° C und am Ausgang 150° C. Der Druck in den Rohren 3 ist größer oder gleich 5 at; die Rohre 3 sind in vier Gruppen in einer Lage angeordnet.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Thermische Abschirmung für einen aus vorgespanntem Beton bestehenden Behälter eines durch Druckgas gekühlten Atomkernreaktors mit einem außerhalb einer zwischen dem Reaktorkern und der Behälterinnenwand in der Nähe der letzteren angeordneten metallischen thermischen Schutzwand in zur Behälterinnenwand parallelen Rohren geführten Kühlmittel, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Kühlmittel durchströmten Rohre (3) zwischen wenigstens einem die thermische Schutzwand bildenden, gewellten, dünnen Innenblech (7) und einem in Wärmekontakt mit den Rohren (3) stehenden, eine größere Wandstärke als das Innenblech (7) aufweisenden Außenblech (6) angeordnet sind.

2. Abschirmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Raum zwischen den beiden Blechen (6, T) mit einem thermischen Isoliermaterial ausgefüllt ist.

3. Abschirmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Innenblech (7) thermische Schirme angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Belgische Patentschrift Nr. 566 119;

französische Patentschriften Nr. 1207 930,
1274088;

Directory of Nuclear Reactors, Vol. I, Power Reactors, Wien 1959, S. 152, 153;

Nuclear Engineering, Vol.

4, Nr. 43, Dezember, S. 435.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 619/453 9.68 © Bundesdruckerei Berlin