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Die Erfindung bezieht sich auf einen Atomreaktor mit einem vorgespannten,
metallischen Druckbehälter zur Aufnahme des Reaktorkerns. Derartige Atomreaktoren
sind bekannt (vgl. französische Patentschrift
1435 453). Bei der bekannten
Ausführungsform ist der metallische Druckbehälter aus zylindrischen Wandelementen,
in Schweißkonstraktion ausgeführtem kuppelförmigern Deckel und entsprechendem Boden
sowie einem zentralen Zwischenstück zusammengespannt. Die Spannelemente sind Spannbolzen,
die in Flansche von Boden, Deckel und Zwischenstück eingesetzt sind. Die damit erzeugten
Spannkräfte bedingen zugleich auch eine Vorspannung. Die beschriebenen Elemente
bestehen vorzugsweise aus Stahl. Ihre Wandung ist so dünn, daß sie eine wesentliche
Abschirmfunktion nicht erfüllen können. Es ist daher bei diesen aus Elementen
zusammen espannten Druckbehältern, aber auch bei einheitlichen Druckbehältern
aus Stahl erforderlich, den Druckbehälter von einer behälterförmigen Betonabschirmung
und zumeist noch von einem besonderen Wärmeschild in Form eines Stahli)anzers zu
umL-eben. Das ist in der
| konstruktiven GestallUiag aufwendl und -s- |
| besondere f .'. 9- |
| Es sind dfflr andere Bäuweisea tgeworden. |
| So hat man vorgelg M_'M fhälter aus |
| Beton. und zwar als 3f617wo #[Lye -DiEnbetonkon- |
struktionen, auszuführen, wobei der Beton gleichzeitig eine Abschirmfunktion erfüllt
(vgl. britische Patentschrift
861513, Fachzeitschrift »Kerntechnik«, November
1962, S. 485 bis 491). Das bereitet um so größere Schwierigkeiten beim Vorspannen,
je dicker die Betonwandungen sind. Im allgemeinen werden daher solche Spannbetonkonstruktionen
mehrschalig ausgeführ4 mit einer besonderen Schale zur Aufnahme der Strahlungs-
und Wärmebeanspruchungen, die, druckentlastet sind, und einer dickwandigen äußeren
Schale zur Aufnahme der Drücke (vgl. deutsche Auslegeschrift
1185 362). Auch
das ist aufwendig und bringt statische Schwierigkeiten. Stets bereitet die statische
Berechnung des Spannungszustandes derartiger dickwandiger Tragwerke aus Beton erhebliche
Probleme. Vor allem stört bei diesen Ausführungsformen, daß durchTemperatur- und/oder
Strahlungseinflüsse Betonschäden (Dehydratationen) auftreten können, so daß regelmäßig
aufwendige Kühlung erforderlich ist, die nur minderwärtige Wärme liefert, so daß
das Kühl:mittel (zumeist Wasser) nicht für Zwecke der Energieerzeugung kraftwirkend
zugeführt werden kann.
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Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, einen Kernreaktor der eingangs
beschriebenen Art zu schaffen, bei dem Druckbehälter und Abschirmung zu einer weitgehend
temperaturunempfindlichen Einheit zusammengefaßt sind, ohne daß betontechnologische
oder statische Probleme'in Kauf genommen
werden müssen.
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Die Erfindung geht aus von einem Atomkernreaktor mit einem vorgespannten
metallischen Druckbehälter zur Aufnahme des Reaktorkerns. Die Erfindung besteht
darin, den Druckbehälter aus Gußeisen aufzubauen und seine Wanddicke in an sich
bekannter Weiw, für. die Abschirmung ausreichend zu bemessen. -Se 'ß#iv#iständlich-
-,-"besitzt di eser D ru ckbehälter die üblichen öffndnidi#,- die je nach
der Art des Atomreaktors beispielsweise für die Zuführung und die Abführung von
Druckwasser und die Einführung der Brennstoffelemente bzw. für die Einführung von
Regelstäben erforderlich sind. Unter ». . .. Wanddicke für die Abschirmung
ausreichend bemessen ... « ist im Rahmen der Erfindung zu verstehen, daß
die Abschirmung hauptsächlich in der Druckbehälterwandung erfolgt, aus welchem Grunde
die erfindungsgemäßen Druckbehälter als Abschirmungsdruckbehälter bezeichnet werden.
Nichtsdestoweniger kann mit zusätzlichem Abschirmungsmaterial gearbeitet werden,
beispielsweise kann ein zusätzlicher Wassermantel vorgesehen oder auch eine einfache
Betonumkleidung angebracht werden. Die Vorspannung wird so gewählt, daß die Gußeisenelemente
kritische Zug- und Biegezugbeanspruchungen bei Aufnahme der betriebsmäßigen Drücke
oder auch im Katastrophenfall nicht aufzunehmen haben. Dabei sind die Regeln und
die Hilfsmittel der Spannbetontechnik zur Erzeugung der Druckvorspannungen bei dem
erfindungsgemäßen Abschirmungsdruckbehälter, insbesondere bezüglich Auslegung, Anordnung
und Montage der Vorspannelemente, ohne weiteres anwendbar. Handelt es sich um verhältnismäßig
kleine Atomreaktoren, so besteht die Möglichkeit, die Abschirmdruckbehälter einstückig
zu gießen. Im allgemeinen und insbesondere, wenn es sich um Atomkernreaktoren großer
Leistung handelt, wird man jedoch nach der Erfindung so vorgehen, daß die Abschirmungsdruckbehälter
aus vorgefertigten Gußeisenelementen zusammengesetzt sind. Dabei ist die Form dieser
Abschirmungsdruckbehälter grundsätzlich beliebig, der Grundriß kann beispielsweise
quadratisch, rechteckig oder auch oval sein, nach aus statischen Gründen bevorzugter
Ausführungsform, ist er jedoch rund. In allen Fällen empfiehlt es sich, den Aufbau
grundsätzlich so zu treffen, daß die vorgefertigten Gußeisenelemente als Bodenplatte,
Deckel und Zylindersegmente und/oder Zylinderrmge ausgeführt sind. Nach einem anderen
Vorschlag der Erfmdung, der in fertigungstechnischer Hinsicht vorteilhaft ist, ist
die Anordnung so getroffen, daß Bodenplatte und Deckel aus Stahlbeton bestehen,
während in der beschriebenen Weise der zylindrische Teil des Abschirmungsdruckbehälters
aus Zylindersegmenten oder Zylinderringen zusammengesetzt ist. Dabei empfiehlt
es sich stets, daß der Abschirmungsdruckbehälter, zumindest im Bereich der Stoßfugen
der vorgefertigten Gußeisenelemente, eine Abdichtungsauskleidung und/oder Abdichtungsmittel
in den Stoßfugen aufweist, die entsprechend druckfest ausztiführen ist. Aus statischen,
hauptsächlich aber aus Abschirraungsgründen ist es vorteilhaft, die vorgefertigten
Gußeisenelemente an den Stoßstellen formschlüssig ineinanderfassen zu lassen, wozu
sie Verbundausbildungen in Form von Vorsprängen, Nut-und Federausbildungen u. dgl.
aufweisen können.
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Um bei erfindungsgemäßen Atomkernreaktoren den Abschirmungsdruckbehälter
aus Gußeisen vorzuspannen, bestehen mehrere Möglichkeiten. So können die vorgefertigten
Gußeisenelemente Kanäle für die Aufnahme von Vorspannzugelementen in Form von
Vorspann ugmitteln aufweisen. Es empfieblt sich jedoch aus vorspanntechnischen
Gründen, auf den Mantel des Abschirrnungsdruckbehälters äußere Vorspannelemente
aufzubringen. Die Vorspannung solcher Vorspannelemente wird besonders einfach dann,
wenn die äußeren Vorspannelemente als aufgeschrumpfte Stahlringe ausgeführt sind.
Das Aufschrumpfen derartiger Stahlringe bereitet dann keine Schwierigkeiten, wenn
die Vorspannstahlringe
aus Segmenten zusammengesetzt und die Vorspannung
als Schrumpfspannung von einer oder mehreren längs des Umfanges verteilten Schweißnähten
in den Vorspannstahlringen aufgebracht wird. Dazu wird vorzugsweise mit V-Nähten
gearbeitet. Nach einem anderen Vorschlag der Erfindung wird zunächst mit schlaffen
Vorspannelementen der Druckbehälter aus den vorgefertigten Elementen zusammengebaut
und die Vorspannung danach durch Innendruck (im Sinne eines Aufblähens) erzeugt.
Endlich besteht die Mög-
lichkeit, den Druckbehälter zunächst durch Einfüllen
einer Kühlflüssigkeit zu entkühlen und dann ringförinige Vorspannelemente aufzusetzen,
wobei nach Entfernung der Kühlflüssigkeit (z. B. durch Verdunstung) die Wärmedehnung
des Druckbehälters von den Ringen aufgenoTnmen wird und die Vorspannung bewirkt.
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Eine besondere Kühlung der Abschirmungsdruck-' behälter ist bei den
erfindungsgemäßen Atomkemreaktoren nicht erforderlich. Verzicht auf besondere Kühlung
der Abschirmungsdruckbehälter ist sogar besonders vorteilhaft bei der letztbeschriebenen
Ausführungsform, da Wärmedehnungen der Gußeisenelemente und damit des Abschirmungsdruckbehälters
insgesamt die Druckvorspannung nur vergrößern. Sie können auch zur Erzeugung der
Vorspannung ausgenutzt werden. Selbstverständlich kann man jedoch bei erfindungsgemäßen
Atomkernreaktoren auch mit einer Kühlung der Abschirmungsdruckbehälter arbeiten.
Dazu empfiehlt es sich, die Anordnung so zu treffen, daß der Abschirmungsdruckbehälter
Kanäle oder Kammern, gegebenenfalls mit eingegossenen Rohren, zur Aufnahme eines
Kühlmittels bzw. eines Moderators und/oder eines Reflektorwerkstoffes aufweist,
so daß bei dem erfindungsgemäßen Atomkernreaktor der Abschirmungsdruckbehälter über
das Kühlmittel bzw. den Moderator bzw. den Reflektor Diffusionsverluste von thermischen
Neutronen auf ein Minimum reduziert. Dazu trägt auch bei, daß für den Abschirinungsdruckbehälter
bzw. die vorgefertigten Gußeisenelemente ein Gußeisen von möglichst hohem Kohlenstoffgehalt,
z. B. über 3 1/o, eingesetzt wird.
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Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind vor allem darin zu
sehen, daß bei dem erfindungsgemäßen Atomkernreaktor ein Behälter zugleich die Druckaufnahme
und die Abschirmung bewirkt, wobei gleichzeitig die statischen und auch die thermischen
Probleme der Gestaltung von Druckbehältem für Atomkernreaktoren beachtlich reduziert
sind. Gleichzeitig nutzt die Erfindung die Tatsache, daß sich aus Gußeisen beliebiger
Richtanalyse Druckbehälter oder Gußeisenelemente der beschriebenen Gestaltung ohne
große Schwierigkeiten gießen lassen, wenn die Wanddicke nicht nur nach statischen
Erfordernissen, sondem gleichzeitig nach abschirmungstechnischen Erfordemissen entsprechend
dick gestaltet worden ist. Die Erfindung nutzt außerdem in vorteilhafter Weise die
Tatsache, daß Gußeisen durch die beschriebene Vorspannung bei Dimensionierung der
Wandungen des Druckbehälters nach abschirmtechnischen Gesichtspunkten ohne weiteres
in der Lage ist, selbst. die extremen Beanspruchungen aufzunehmen, die bei einem
Reaktordruckbehälter auftreten können. Arbeitet man mit Kühlung, so kann diese als
Heißkühlung durchgeführt und die gewonnene Wärme ohne i Schwierigkeiten einer Verwertung
zugeführt werden. Selbstverständlich besteht die Möglichkeit, den Abschirmungsdruckbehälter
eines erfindungsgemäßen Atomkernreaktors auch aus sphärolitischem Gußeisen (Gußeisen
mit Kugelgraphit) aufzubauen. Immer sollte jedoch der Kohlenstoffgehalt möglichst
hoch gewählt werden.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert; es zeigt F i g. 1 einen
Vertikalschnitt durch einen erfindungsgemäßen Atomkemreaktor, F i g. 2 einen
Horizontalschnitt durch den Gegenstand nach F i g. 1, ausschnittsweise und
in gegenüber der F i g. 1 vergrößertem Maßstab.
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Der in den Figuren dargestellte Atomkemreaktor besitzt einen metallischen
Druckbehälter 1 zur Aufnahme des in den Figuren nur angedeuteten Cores 2.
Der Druckbehälter 1 besteht aus vorgespannten Gußeisenelementen und ist bezüglich
der Wanddicke gleichzeitig für die Abschirmung ausgelegt. Es fehlt also ein besonderer
Abschirmungsbehälter, der diesen Druckbehälter umgibt.
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Im Ausführungsbeispiel und nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung
ist der Abschirmungsdruckbehälter 1 aus vorgefertigten Gußeisenelementen
3, 4, 5 zusammengespannt. Die Form dieses Abschirmungsdruckbehälters
1 ist an sich beliebig. Sie ist im Ausführungsbeispiel zylindrisch gestaltet.
Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß die vorgefertigten Gußeisenelemente als
Bodenplatte 4, Deckel 5 und Zylinderseginente 3 ausgeführt sind. Man
kann aber auch mit Zylinderringen arbeiten. Die Fig. 1 macht ohne weiteres
deutlich, daß man Bodenplatte 4 und Deckel 5 auch aus Stahlbeton aufbauen
kann. Auch dann empfiehlt sich jedoch eine Vorspannung dieser Stahlbetonelemente.
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Der Abschirmungsdruckbehälter 1 besitzt zumindest im Bereich
der Stoßfugen 6 der vorgefertigten Gußeisenelemente eine Abdichtungsauskleidung
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und gegebenenfalls zusätzliche Abdichtungsmittel in den Stoßfugen
6. Im übrigen fassen die vorgefertigten Gußeisenelemente 3 an den
Stoßfugen formschlüssig ineinander, wozu Vorsprünge 8 und Rücksprünge
9
als Verbundausbildungen 8, 9 vorgesehen sind.
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Zum Zwecke der Vorspannung besitzen im Ausführungsbeispiel zunächst
die vorgefertigten Gußeisenelemente 3, 4, 5 Kanäle 10 für die
Aufnahme von Vorspannzugmitteln 11. Dabei kann es sich um Vorspannstähle
und Vorspannseile oder auch andere Vorspannzugmittel handeln. Zusätzlich sind auf
den Zylinderinantel des Abschirmungsdruckbehälters 1
äußere Vorspannelemente
12 aufgebracht. Es handelt sich dabei im Ausführungsbeispiel um Vorspannelemente
in Form von aufgeschrumpften Stahlringen 12. Diese sind ihrerseits aus Segmenten
13 zusammen-
gesetzt, wobei die Vorspannung als Schrumpfspannung von
einer oder mehreren längs des Umfanges verteilten Schweißnähten 14, vorzugsweise
V-Schweißnä5ten, aufgebracht sind. Schweißtechnisch wird dabei so vorgegangen, daß
alle Schweißnähte 14 gleichzeitig von innen nach außen geschweißt werden, so daß
nach Abkühlung der Schweißnähte die Schrumpfspannungen wirksam werden, die die Vorspannung
bewirken. Das ist insbesondere dann ausreichend, wenn es sich um einen Kemreaktor
handelt, bei dem der Abschirmungsdruckbehälter 1 beachtliche Temperaturen
aufzunehmen hat. Offenbar bewirken nämlich diese Temperaturen Wärmedehnungen, welche
eine Vergrößerung der Vorspannkräfte zur Folge Folge haben.
Der
Absch irmungsdruckbehälter 1 besitzt im Ausführungsbeispiel im Übrigen Kanäle
15 oder Kammern 16 zur Aufnahme eines Kühlmittels bzw. eines Mode,
rators oder auch eines Reflektorwerkstoffes. Dadurch können Verluste von thermischen
Neutronen bei dem erfmdungsgemäßen Atomkernreaktor auf ein Mnimum reduziert werden.
Dazu trägt außerdem bei, daß die vorgefertigten Gußeisenelemente 3, 4,
5 aus Gußeisen mit möglichst hohem Kohlenstoffgehalt bestehen. In F i
g. 2 sind verschiedene Ausführungsformen angedeutet.