DE1525609A1

DE1525609A1 - Waermeisolierung

Info

Publication number: DE1525609A1
Application number: DE19661525609
Authority: DE
Inventors: Jacques Faure; Sergio Finzi; Jean Lebrun
Original assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Current assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Priority date: 1965-06-16
Filing date: 1966-06-16
Publication date: 1969-08-28
Also published as: FR1529550A; ES327562A1; BE665555A; GB1147905A; NL6607874A; LU51336A1; US3396079A

Description

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PATENTANWALT DIPL.-INO. HIOHARD MÜLLER-BÖRNER PATENTANWALT DIPL.-1NG. HANS-HEINRICH WEY

BERLIN-DAHLEM - PODBIELSKIALLEE 68 '"" MÜNCHEN 22 · WIDENMAYERSTRASSE 49 TELEFON: 76 29 07 · TELEGRAMME: PROPINDUS TELEFON : 22 BS 83 · TELEGRAMME! PROPINDUS

17 445/6 Berlin, den16. Juni 1966

Europäische Atomgemeinschaft (EURATOM), Brüssel (Belgien)

Wärmeisolierung

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Die Erfindung betrifft eine leichte, selbstzentrierende Wärmeisolierung für ein in eine kalte Flüssigkeit getauchtes heisses Rohr, wobei die Isolierung aus wenig Material besteht und^ich von selbst um ein heisses Rohr zentriert»

Bei schwerwassermoderierten Kernreaktoren mit heissen Druckrohren ist es erforderlich? zwischen die heissen Druckrohre und das kalte Sohwerwasser eine Vorrichtung einzusetzen, mit der eine gute Wärmeisolierung erreicht wirdj die dabei wenig Keutronen absorbiert und sioh selbst unter der Wirkung der Gammastrahlung nur wenig, erwärmt* Eine zur Realisierung einer solchen Isolierung schon angewandte lösung besteht darin, das Druckrohr mit einem sogenannten Verkleidungsrohr aus Metall zu umgeben» In dem so gebildeten Ringraum wird die Wärmeisolierung durch einen stagnierenden oder nur langsam umlaufenden Gasmantel gewährleistet» Auoa bei zufriedenstellender Wirkungsweise hat diese lösung noch Nachteile* denn sie macht die Verwendung eines sehr komplizierten Kreislaufs zur Erzielung des Isolier«·

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gasumlaufs erforderlich, der mit Pumpen, Filtern für den radioaktiven Staub, Dichtungseinrichtungen usw» versehen sein muss» Ausaerdem absorbiert das Umhüllungsrohr aus Metall in nicht unerheblichem Masse die Neutronen,, Ein anderer Nachteil des Umhüllungsrohrs besteht darin, dass es genau konzentrisch um das Druckrohr angeordnet sein muss, und zwar nicht nur an seinen beiden Enden, sondern über seine gesamte Länge, was seine Herstellung undllontage erschwert und die Anordnung von Verstrebungen erforderlich rnaoht, die seinen Wärmewirkungsgrad vermindern»

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Wärmeisolierung zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile vermeidet»

Diese Aufgabe wird für eine Wärmeisolierung der eingangs genannten Sattung gelöst durch eine Hülle aus porösem, leichten und schmiegsamen Material, die in einem Abstand von einigen Millimetern konzentrisch um das heisse Rohr iierum angeordnet ist * und durch einen zwischen der Hülle und dem heissen Rohr liegenden Ringraum für eine durch Berührung mit dem heissen Rohr aus der Plüsaigkeit entstehende und das heisse Rohr ringförmig umgebende Dampfhülle»

Die Zeichnungen zeigen Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenatandes. Ea zeigen«

Pig· 1 eine schematiaohe Darstellung des Prinzips der Erfindung ι

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Fig» 2 eine graphische Darstellung des Temperaturabfalls zwischen dem heissen Rohr und der kalten Flüssigkeit;

Figo 3 eine schematisohe Darstellung der erfindungsgemässen Mrmeisolierung, wobei der besseren tJbersioht wegen nur ein horizontales Druckrohr eingezeichnet ist, das das Reaktionsgefäss eines mit einer kalten Flüssigkeit moderierten Kernreaktors durchsetzt, welohesheiss ist und durch die erfindungsgemässe Isolierung gegenüber dem Moderator thermisch isoliert ist\

Fig· 4 eine ähnliche Anordnung wie Fig« 3_f jedoch mit einem vertikalen Druckrohr· .

Gremäss der Erfindung wird als Isoliermaterial der Trockendampf des als Bremsatoff dienenden schweren Wassers verwendet, der eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit hat» Die Wandung des Drüokrohrs des Reaktors hat in der Tat eine solche £3mperatur, dass das schwere Wasser bei seiner Berührung mit dieser verdampft»

Um diesen Dampf an der Oberfläche des Rohrs zu halten und um zu verhindern, dass er in den Moderator eindringt, was ein Aufsieden, das die Wärmeübertragung erhöhen "wilrde und im Hinblick auf die Heutronen untragbar wäre, mit sioh bringt j genügt es, in einem Abstand von einigen Millimetern von dem heissen Rohr ein p&röses Isolationsmiterial, wie beispielsweise Siliziumdioxid- oder Kohlenatoffflfcbänder, anzuordnen, wobei der Temperaturabfall in dem Isoliermaterial ausreicht^ um zu gewähr-

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leisten, dass es an seiner Innenoberfläche mit dem Dampf und an seiner Aussenoberflache mit der Moderatorflüssigkeit in Berührung steht, ohne dass an irgendeiner Stelle ein Sieden eintritt·

Pig» 1 zeigt einen Kernreaktorkanal 1, der die Brennstoffelemente enthält, und .ein das Kühlmittel abgrenzendes, heisaes Druckrohr 2» Das Druckrohr.2 ist von einer mit einem Abstand von einigen Millimetern von ihm angeordneten Hülle 3 aus einem porösen Gewebe umgeben, die wenig Neutronen absorbiert und sich unter der Wirkung der gammastrahlung· nur wenig erwärmt© Beispielsweise wurde eine Hülle aus fünf Lagen von 0,3 mm starken und zu 50 96 pDarösen Siliziumdioüdfilzbändern hergestellt* In Bezug auf die Neutronen verhält sich eine solche Hülle ebenso wie eine Hülse aus gesintertem Aluminiumpulver mit 0,2 mm Wandstärke» Zwischen dem Druckrohr 2 und der porösen Hülle 3 befindet sich ein Ringraum 4» der mit darin eingeschlossenem Trockendampf des schweren Wassers gefüllt ist© Der Abstand von einigen Millimetern zwischen dem heissen Rohr 2 und der porösen Hülle 3 genügt, um eine gute Isolierung durch den Dampf zu gewährleisten, und er ist nicht gross genugy dass Konvektionsbewegungen in der Dampfschicht entstehen können· Die Innenwandung der Hülle 3 steht mit dem Sohwerwasserdampf in Berührung, während seine Aussenwandung mit dem im flüssigen Zustand sich befindenden äohweren Wasser 5 des Reaktionsgefässes in „Berührung ist·

In Pig» 2 ist die Temperatur als Punktion des Abstands R von

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der Achse des Kanals 1 graphisch dargestellt» Tön der Aussenwand des heissen Ibruckrohra 2 zur Innenwand der Hülle 3 erfolgt in dem Ringraum 4 ein steiler Temperatursturz, so dass die Temperatur an der Innenwand der Hülle 3nicht mehr als 100° C beträgt» Dieser Teil der Kurve zeigt eindeutig das bedeutende Isoliervermögen des Trockendampfesο '

Anschliessend sinkt die Temperatur noch einmal um etwa zwanzig G-rad in der Wandung der Hülle 3» in der praktisch nur in den feinen Poren der Hülle eingeschlossene kleine Tropfen des schweren Wassers enthalten sind, während sioh der Dampf praktisch nur an der Innenoberfläche der Hülle 3 befindete Dieser Temperaturabfall in der Wandung der Hülle 3 reicht aus, um ein Sieden zu verhindern, das zu einem Wärmeaustausch mit dem schweren Wasser führen würde und im Hinblick auf die Neutronen unerwünscht wäre»

Sohliesalioh ist noch ein geringes Temperaturgefälle in der

Grenzschicht "des schweren Wassers'um die Ausaenwand der Hülle herum erkennbar*

Fig· 3 zeigt die Verwendung der Wärmeisolierung gemäss der Erfindung bei einem horizontalen Druckrohr 6, das das Gefäss 7 eines Kernreaktors durchsetzt, das mit sohwerem Wasser 5 gefüllt ist, über dem sich eine Gashülle 11 befindete Die poröse Hülle 3 kann an ihren Enden 9 und 10 mit Durchtrittssohlitzen 12 für das schwere Wasser versehen sein, was aber nicht unbedingt er-

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forderlich ist» Wenn der Reaktor kalt ist₉ ist der Ringraum 4 mit schwerem Wasser im flüssigen Zustand gefüllte Bei ansteigender Reaktortemperatur bewirkt das Rohr 6 die Verdampfung des in dem Ringraum 4 befindlichen schweren Wassers, durch dessen fortschreitend ansteigenden Druck die flüssigkeit durch das poröse Gewebe und die Schlitze 12 (falls vorhanden) hinduroh in das Gefäss 7 verdrängt wird, bis in dem Ringraum 4 nur noch Dampf enthalten ist«. Ausserdem wird die Hülle 3 unter P dem Dampfdruck prall und somit selbsttätig um das Rohr 6 herum zentriert» Damit ist eine Wärmeisolierung gemäss der Erfindung hergestellte Aus der vorstehenden Beschreibung geht klar hervor, wie einfach die Wärmeisolierung gemäss der Erfindung zu verwirklichen ist»

Bei vertikalen Druckrohren kann es vorteilhaft sein, eine leioht abgeänderte Anordnung zu verwenden,, vie sie im Folgendem beschrieben wird»

Bei einer vertikalen Anordnung kann es durch den aus dem oberen Sohlita- bzwe den oberen Sohlitzen und dem oberen Teil der porösen Hülle austretenden Dampf und das durch den unteren Schlitz bzw» die unteren Schlitze und den unteren Teil der porösen Hülle eintretende schwere Wasser zu einem Konvektionsstrom des Dampfes kommen* Durch diese Bewegung von Teilchen werden die isolierenden Eigenschaften, der in dem Ringraum 4 eingeschlossenen Dampfhülle beeinträchtigt*

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Um einen Konvektionsstrom durch die Schlitze hinduroh zu verhindern, genügt es, diejenigen von ihnen zu verschliessen, die den Ringraum 4 mit dem schweren Wasser 5 des Sefässes am oberen oder unteren Ende der Hülle verbinden. Eine bevorzugte Anordnung, in der der obere Teil der Hülle verschlossen worden ist» ia.t in Pig» 4 dargestellt» in der gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen wie in den anderen Figuren versehen sind* Der Schlitz oder die Sahlitze 12 müssen horizontal und auf gleicher Höhe angeordnet sein, um in dem Isolierraum einen Konvektionsstrom oder "Schornsteineffekt" zu vermeiden· Es kann aber sein, dass der oben erwähnte Verschluss nicht ausreicht, um die Entstehung eines Konvektionsströme zu verhindern» Tatsäohlioh kann der Sohwerwasserdampf unter der Wirkung seines Drucks in Richtung der Pfeile 8 duroh den oberen Teil der porösen Hülle 3 hindurohtreten, da der hydrostatische Gegendruck des schweren Wassers 5 und des Stickstoffs oder Heliums 11 in dem Gefäss oben niedriger ist als unten, während schweres Wasser bei 12 eintritt, um zu verdampfen und den nach aussen durchgesickerten Dampf zu ersetzen, was wieder zur Entstehung einea Konvektionsstroms 'führte-.;' ■

Um diesen Nachteil zu beseitigen, genügt es, die Innenoberflache der Hülle 3 beispielsweise durch Anbringung einer extrem dünnen Folie 13 (Fig. 1)-mit einer Stärke bis zu 1/10.0 mm und weniger — aus einem Dichtungsmaterial, das wenig Neutronen absorbiert» wie Aluminium, Magnesium, Beryllium oder bestimmte Kunststoffe»

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■.abzudichten» Dazu ist zu bemerken, daas diese Folie keine andere Aufgabe hat· als die Innenoberfläche der porösen Hülle abzudichten und,dabei so wenig wie möglieh Neutronen zu absorbieren» Man kann sich deshalb mit einem Bogen Metallpapier ode dgl» begnügen oder das Dichtungsmaterial mit der Pistole aufspritzen, ohne sich um seine mechanischen Eigenschaften zu kümmern» da es nur unbedeutenden Beanspruchungen ausgesetzt ist»

Auch ist es möglich, den unteren Teil der Hülle zu. versehliesaen und ihren oberen" Teil offen zu lassen, wobei,die Öffnung in diesem Pail in der Helium- oder Stickstoffhülle über dem schweren Wasser liegt» Doöh ist diese Lösung weniger interessant als die vorhergehende j da der Ringraum 4_r, selbst wenn er anfänglich mit Schwerwasserdampf gefüllt ist, sich nach und nach mit Stickstoff oder Helium aus der Gashülle des Gefässes anfüllt, so dass ein Austausch zwischen den beiden Medien unvermeidlich ist»

Da die Wärmeleitfähigkeit des Heliums sechsmal grosser als die des Sohwerwasserdampf.es ist, leuchtet es sofort ein, dass diese Lösung weniger vorteilhaft ist» Da dem hydrostatischen Druck d'es schweren Wassers im Gefässböden in diesem Fall in dem Kingraum 4 nur der in der Gashülle 11 herrschende Druck entgegenwirkt ₉ kann die dünne Hülle unten eingedrückt .werden«" Wenn es^ äuoh möglich ist, die Schlitze auf jeder Höhe unterhalb des Spiegels des schweren Wasser in der Hülle" anzubringen, so ist es aua dem gleichen Grund (Eindrücken des unteren Teils der Hülle) doch *

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vorzuziehen,, die Schlitze am. unteren Ende der Hülle vorzusehen·

Die --vtDrli eg ende- Erfindung hat zahlreiöhe Vorteile· Ihre Verwirklichung ist äusserst einfaoh, und sie erfordert nur ein Minimum, an Jfeterialaufwand, was wiohtig ist, um die Erwärmung durch Absorption der Gammastrahlung zu begrenzen und um einen wirtschaftlichen Neutronenhaushalt z.u erzielen, umso mehr als das zur Herstellung der Hülle 3 und/oder der Dichtungsfolie dienende Material einzig unter Berücksichtigung der die Heutro— nen betreffenden Belange und unter Auaseraohtlassung der aus einer mechanischen. Beanspruchung sioh ergebenden Probleme gewählt werden kann» Die Hülle 3 kann beispielsweise aus Siliziumdioxid— oder Kohlenstoff ilz oder —gewebe hergestellt werden» Wie äch'on erwähnt, entspricht eine aus fünf Lagen eines 0,3 mm starken, zu 50 # porösen Siliziumdioxidgewebes hergestellte Hülle im Hinblick auf die Neutronen einer Hülle aus gesintertem Aluminiumpulver von maximal 0,2 mm Stärke» Hoch interessanter ist Kohlenstoffilz*

Wenn man 0,3 mm als äquivalente Stärke von gesintertem Aluminium» pulver annimmt, was ein zu hoher Wert ist, dann beläuft sioh der bei der Stärke des Umhüllungsrohre gegenüber der öasisolierung und dem Umhüllungarohr (Stärke 2,5 mm gesintertes Aluminiumpulver oder 1,5 mm ZIHQALOX) für einen Heaktor mit 500 Kanälen von je 6 m Länge erzielte Gewinn auf etwa 6 t gesinterte» AluminiUBQ>ul-Ter oder 8 to ZIHOALOT*

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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin,; dass sich die Hülle 3 selbsttätig um das Rohr 2 zentriert, indem:sie unter der Druckwirkung der in dem Hingraum 4 enthaltenen Dampfhülle prall wird» Ausserdem wird diese biegsame Isolierung praktisch nicht durch Schwingungen,. Stösse oder eventuelle seismische Erschütterungen gestört» Sie funktioniert wieder ganz normal» sobald die Störung vorbei istβ Wenn der mit «iner Isolierung gemäss der Erfindung ausgestattete Reaktor mit einer organischen Flüssigkeit gekühlt wird, ist es sehr einfach, die Kanäle nach einem Stillsetzen des Reaktors zu "enteisen"} es genügt in der Tat, das die Druokrohre umspülende schwere Wasser auf eine Temperatur zu bringen, die ausreicht, das lärmeträgermaterial schmelzen zu lassen»

Die Erfindung beschränkt sich nicht nur; auf mit schwerem Wasser' oder einer anderen kalten Flüssigkeit moderierte Kernreaktoren-Sie kann auch in allen lallen, in denen eine wirksame und leiohte Wärmeisolierung zwiaohen einem heissen Rohr und einer kalten Flüssigkeit notwendig ist, wie beispielsweise auf dem Gebiet der Raumfahrtantriebe, angewandt w.erden_e Ferner kann die Isolierung auch gut dem Jail angepasst werden, in dem die heissen Rohre 2 nicht geradlinig verlaufen; es genügt hierbei, lediglich die Hülle von einer Stelle zur anderen festzulegen, damit sie das heisse Rohr an den Krümmungen nicht berührt»

Die Isolierung gernäSB der Erfindung kann andererseits auch dazu verwendet werden, jede Art von heissen. Oberflächen gegen eine

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kalte Flüssigkeit zu isolieren» Konkave, ebene oder konvexe Oberflächen, und somit auch G-efässe jeder Porm, können wirksam isoliert werden^ Obwohl die Verwendung einer schmiegsamen Hülle besonders zweckmässig und vorteilhaft ist_s kann selbs tver<ständliGh auch eine starre poröse Hülle verwendet werden»

"Patentanspruch et - ä

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Claims

P at e η ta η a ρ r Ü oh et

1* Leichte, selbstzentrierende Wärmeisolierting für ein in eine kalte Flüssigkeit getauchtes heisses Rohr, gekennzeichnet • durch eine Hülle (3) aus porösem, leichten und schmiegsamen Material» die in einem Abstand von einigen Millimetern konzentrisch um das heisse Rohr (2 bzw« 6) herum angeordnet ist und durch einen zwischen der Hülle und dem hei ssen Rohr lie·» genden Ringraum (4) für eine durch Berührung mit dem, heissen Rohr aus der Flüssigkeit (5) entstehende und das heisse Rohr, ringförmig umgebende Dampfhülle·

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2· Wärmeisolierung nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Hülle (3) an ihren Enden mit jeweils in gleicher Höhe angeordneten Schlitzen (12) versehen ist, die eine Verbindung zwischen der Dampfhülle und.der Flüssigkeit (5) herstellen können» .

3» Wärmeisolierung nachAnspruch 1 oder 2 zur Verwendung mit einem langen, vertikal angeordneten heissen Rohr (6), dadurch

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INSPECTiD

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gekennzeichnet, dass an einem der Enden, vorzugsweise am Unteren Ende, der eine Verbindung zwischen der Dampfhülle und'der Plussigkeit (5) herstellenden Sohlitze (12) ein Verschluss vorgesehen und an der Innenoberfläohe der porösen Hülle (3) eine dünne, die Entstehung eines Dampfkonvektions« ' Stroms vermeidende Diohtungaauskleidung (13) angebracht ist»

4· Wärmeisolierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das heisse Bohr (2 bzw. 6) ein. heisaea Druokrohr eines mit einer kalten Flüssigkeit (5) moderierten Kernreaktors ist und dass die poröse Hülle (3) sowie die dünne Diohtungaauskleidung (13) aus einem Material hergestellt sind, das die Neutronen nur in geringem Masse absorbiert und das durch die Gammastrahlung nur wenig erwärmt wird, wie beispielsweise Siliziumdioxid- oder Kohlenstoff-* filz.

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