DE1639394B1 - Atomkernreaktor mit einem vorgespannten metallischen Druckbehaelter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Atomkernreaktor mit einem vorgespannten metallischen Druckbehälter zur Aufnahme des Reaktorkerns. Derartige Atomkernreaktoren sind bekannt (vgl. französische Patentschrift 1435 453). Bei der bekannten Ausführungsform ist der metallische Druckbehälter aus zylindrischen Wandelementen, in Schweißkonstruktion ausgeführtem kuppeiförmigem 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 wesentliehe Abschirmfunktion nicht erfüllen können. Es ist daher bei diesen aus Elementen zusammengespannten 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 Stahlpanzers zu umgeben. Das ist in der konstruktiven Gestaltung aufwendig, und zwar insbesondere für Atomkernreaktoren größerer Leistung. Es sind daher andere Bauweisen bekanntgeworden. So hat man vorgeschlagen, die Druckbehälter aus Beton, und zwar als dickwandige Spannbetonkonstruktionen, 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 ausgeführt, mit einer besonderen Schale zur Aufnähme 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 4" bereitet die statische Berechnung des Spannungszustandes derartiger dickwandiger Tragwerke aus Beton erhebliche Probleme. Vor allem stört bei diesen Ausführungsformen, daß durch Temperatur- und/oder Strahlungseinflüsse Betonschäden (Dehydratationen) auftreten können, so daß regelmäßig aufwendige Kühlung erforderlich ist, die nur minderwärtige Wärme liefert, so daß das Kühlmittel (zumeist Wasser) nicht für Zwecke der Energieerzeugung kraftwirkend zugeführt werden kann.

Der Erfindung liegt 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.

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 Weise für die Abschirmung ausreichend zu bemessen. Selbstverständlich besitzt dieser Druckbehälter die üblichen Öffnungen, die je nach der Art des Atomkernreaktors 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 öder 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 Ab- g schirmdruckbehälter einstückig zu gießen. Im allge- ™ meinen 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 Zylinderringe ausgeführt sind. Nach einem anderen Vorschlag der Erfindung, 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 Abschirmungsdruck- ( behälter, zumindest im Bereich der Stoßfugen der vorgefertigten Gußeisenelemente, eine Abdichtungsauskleidung und/oder Abdichtungsmittel in den Stoßfugen aufweist, die entsprechend druckfest auszuführen ist. Aus statischen, hauptsächlich aber aus Abschirmungsgründen ist es vorteilhaft, die vorgefertigten Gußeisenelemente an den Stoßstellen formschlüssig ineinanderfassen zu lassen, wozu sie Verbundausbildungen in Form von Vorsprüngen, Nut- und Federausbildungen u. dgl. aufweisen können.

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 Vorspannzugmitteln aufweisen. Es empfiehlt sich jedoch aus vorspanntechnischen Gründen, auf den Mantel des Abschirmungsdruckbehälters 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

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aus Segmenten zusammengesetzt und die Vorspan- Atomkernreaktors auch aus sphärolitischem Gußnung als Schrumpfspannung von einer oder mehreren eisen (Gußeisen mit Kugelgraphit) aufzubauen. Immer längs des Umfanges verteilten Schweißnähten in den sollte jedoch der Kohlenstoffgehalt möglichst hoch Vorspannstahlringen aufgebracht wird. Dazu wird gewählt werden.

vorzugsweise mit V-Nähten gearbeitet. Nach einem 5 Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer anderen Vorschlag der Erfindung wird zunächst mit lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichschlaffen Vorspannelementen der Druckbehälter aus nung ausführlicher erläutert; es zeigt den vorgefertigten Elementen zusammengebaut und Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen erfin-

die Vorspannung danach durch Innendruck (im Sinne dungsgemäßen Atomkernreaktor, eines Aufblähens) erzeugt. Endlich besteht die Mög- io F i g. 2 einen Horizontalschnitt durch den Gegenlichkeit, den Druckbehälter zunächst durch Einfüllen stand nach Fig. 1, ausschnittsweise und in gegeneiner Kühlflüssigkeit zu entkühlen und dann ring- über der Fig. 1 vergrößertem Maßstab, förmige Vorspannelemente aufzusetzen, wobei nach Der in den Figuren dargestellte Atomkernreaktor

Entfernung der Kühlflüssigkeit (z. B. durch Verdun- besitzt einen metallischen Druckbehälter 1 zur Aufstung) die Wärmedehnung des Druckbehälters von 15 nähme des in den Figuren nur angedeuteten Cores 2. den Ringen aufgenommen wird und die Vorspannung Der Druckbehälter 1 besteht aus vorgespannten Gußbewirkt, eisenelementen und ist bezüglich der Wanddicke

Eine besondere Kühlung der Abschirmungsdruck- gleichzeitig für die Abschirmung ausgelegt. Es fehlt behälter ist bei den erfindungsgemäßen Atomkern- also ein besonderer Abschirmungsbehälter, der diesen reaktoren nicht erforderlich. Verzicht auf besondere 20 Druckbehälter umgibt.

Kühlung der Abschirmungsdruckbehälter ist sogar Im Ausführungsbeispiel und nach bevorzugter Aus-

besonders vorteilhaft bei der letztbeschriebenen Aus- führungsform der Erfindung ist der Abschirmungsführungsform, da Wärmedehnungen der Gußeisen- druckbehälter 1 aus vorgefertigten Gußeisenelemenelemente und damit des Abschirmungsdruckbehälters ten3, 4, 5 zusammengespannt. Die Form dieses Abinsgesamt die Druckvorspannung nur vergrößern. Sie 35 schirmungsdruckbehälters 1 ist an sich beliebig. Sie können auch zur Erzeugung der Vorspannung aus- ist im Ausführungsbeispiel zylindrisch gestaltet. Dagenutzt werden. Selbstverständlich kann man jedoch bei ist die Anordnung so getroffen, daß die vorbei erfindungsgemäßen Atomkernreaktoren auch mit gefertigten Gußeisenelemente als Bodenplatte 4, einer Kühlung der Abschirmungsdruckbehälter arbei- Deckel 5 und Zylindersegmente 3 ausgeführt sind, ten. Dazu empfiehlt es sich, die Anordnung so zu 30 Man kann aber auch mit Zylinderringen arbeiten. Die treffen, daß der Abschirmungsdruckbehälter Kanäle Fig. 1 macht ohne weiteres deutlich, daß man Bo- oder Kammern, gegebenenfalls mit eingegossenen denplatte4 und Deckel 5 auch aus Stahlbeton aufRohren, zur Aufnahme eines Kühlmittels bzw. eines bauen kann. Auch dann empfiehlt sich jedoch eine Moderators und/oder eines Refiektorwerkstoffes auf- Vorspannung dieser Stahlbetonelemente, weist, so daß bei dem erfindungsgemäßen Atomkern- 35 Der Abschirmungsdruckbehälter 1 besitzt zuminreaktor der Abschirmungsdruckbehälter über das dest im Bereich der Stoßfugen 6 der vorgefertigten. Kühlmittel bzw. den Moderator bzw. den Reflektor Gußeisenelemente eine Abdichtungsauskleidung 7 Diffusionsverluste von thermischen Neutronen auf ein und gegebenenfalls zusätzliche Abdichtungsmittel in Minimum reduziert. Dazu trägt auch bei, daß für den den Stoßfugen 6. Im übrigen fassen die vorgefertigten Abschirmungsdruckbehälter bzw. die vorgefertigten 40 Gußeisenelemente 3 an den Stoßfugen formschlüssig Gußeisenelemente ein Gußeisen von möglichst hohem ineinander, wozu Vorsprünge 8 und Rücksprünge 9 Kohlenstoffgehalt, z. B. über 3 %, eingesetzt wird. als Verbundausbildungen 8, 9 vorgesehen sind.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind Zum Zwecke der Vorspannung besitzen im Aus-

vor allem darin zu sehen, daß bei dem erfindungs- führungsbeispiel zunächst die vorgefertigten Gußgemäßen Atomkernreaktor ein Behälter zugleich die 45 eisenelemente 3, 4, 5 Kanäle 10 für die Aufnahme Druckaufnahme und die Abschirmung bewirkt, wobei von Vorspannzugmitteln 11. Dabei kann es sich um gleichzeitig die statischen und auch die thermischen Vorspannstähle und Vorspannseile oder auch andere Probleme der Gestaltung von Druckbehältern für Vorspannzugmittel handeln. Zusätzlich sind auf den Atomkernreaktoren beachtlich reduziert sind. Gleich- Zylindermantel des Abschirmungsdruckbehälters 1 zeitig nutzt die Erfindung die Tatsache, daß sich aus 50 äußere Vorspannelemente 12 aufgebracht. Es handelt Gußeisen beliebiger Richtanalyse Druckbehälter oder sich dabei im Ausführungsbeispiel um Vorspann-Gußeisenelemente der beschriebenen Gestaltung ohne elemente in Form von aufgeschrumpften Stahlringen große Schwierigkeiten gießen lassen, wenn die Wand- 12. Diese sind ihrerseits aus Segmenten 13 zusammendicke nicht nur nach statischen Erfordernissen, son- gesetzt, wobei die Vorspannung als Schrumpfspandern gleichzeitig nach abschirmungstechnischen Er- 55 nung von einer oder mehreren längs des Umfanges fordernissen entsprechend dick gestaltet worden ist. verteilten Schweißnähten 14, vorzugsweise V-Schweiß-Die Erfindung nutzt außerdem in vorteilhafter Weise nähten, aufgebracht sind. Schweißtechnisch wird dadie Tatsache, daß Gußeisen durch die beschriebene bei so vorgegangen, daß alle Schweißnähte 14 gleich-Vorspannung bei Dimensionierung der Wandungen zeitig von innen nach außen geschweißt werden, so des Druckbehälters nach abschirmtechnischen Ge- 60 daß nach Abkühlung der Schweißnähte die Schrumpfsichtspunkten ohne weiteres in der Lage ist, selbst die spannungen wirksam werden, die die Vorspannung extremen Beanspruchungen aufzunehmen, die bei bewirken. Das ist insbesondere dann ausreichend, einem Reaktordruckbehälter auftreten können. Ar- wenn es sich um einen Kernreaktor handelt, bei dem beitet man mit Kühlung, so kann diese als Heißküh- der Abschirmungsdruckbehälter I beachtliche Temlung durchgeführt und die gewonnene Wärme ohne 65 peraturen aufzunehmen hat. Offenbar bewirken näm-Schwierigkeiten einer Verwertung zugeführt werden. lieh diese Temperaturen Wärmedehnungen, welche Selbstverständlich besteht die Möglichkeit, den Ab- eine Vergrößerung der Vorspannkräfte zur Folge schirmungsdruckbehälter eines erfindungsgemäßen haben.

Der Abschirmungsdruckbehälter 1 besitzt im Ausführungsbeispiel im übrigen Kanäle 15 oder Kammern zur Aufnahme eines Kühlmittels bzw. eines Moderators oder auch eines Reflektorwerkstoffes. Dadurch können Verluste von thermischen Neutronen bei dem erfindungsgemäßen Atomkernreaktor auf ein Minimum reduziert werden. Dazu trägt außerdem bei, daß die vorgefertigten Gußeisenelemente 3, 4, 5 aus Gußeisen mit möglichst hohem Kohlenstoffgehalt bestehen. In Fig. 2 sind verschiedene Ausführungsformen angedeutet.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Atomkernreaktor mit einem vorgespannten metallischen Druckbehälter zur Aufnahme des *5 Reaktorkerns, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (1) aus Gußeisen besteht und daß seine Wanddicke in an sich bekannter Weise für die Abschirmung ausreichend bemessen ist. so

2. Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschirmungsdruckbehälter (1) aus vorgefertigten Gußeisenelementen (3, 4, 5) zusammengespannt ist.

3. Atomkernreaktor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgefertigten Gußeisenelemente als Bodenplatte (4), Deckel (5) und Zylindersegmente (3) und/oder Zylinderringe ausgeführt sind.

4. Atomkernreaktor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschirmungsdruckbehälter (1), zumindest im Bereich der Stoßfugen (6) der vorgefertigten Gußeisenelemente, eine druckfeste Abdichtungsauskleidung (7) und/oder Abdichtungsmittel in den Stoßfugen, aufweist.

5. Atomkernreaktor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgefertigten Gußeisenelemente (3, 4, 5) an den Stoßstellen (6) formschlüssig ineinanderfassende Verbundausbildungen (8, 9) aufweisen.

6. Atomkernreaktor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgefertigten Gußeisenelemente (3, 4, 5) Kanäle (10) für die Aufnahmen von Vorspannzugmitteln (11) aufweisen.

7. Atomkernreaktor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich von außen auf den Zylindermantel des Abschirmungsdruckbehälters (1) äußere Vorspannelemente (12) aufgebracht sind.

8. Atomkernreaktor nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Vorspannelemente als aufgeschrumpfte Stahlringe (12) ausgeführt sind.

9. Atomkernreaktor nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannstahlringe (12) aus Segmenten (13) zusammengesetzt und die Vorspannung als Schrumpfspannung von einer oder mehreren längs des Umfanges verteilten Schweißnähten (14) aufgebracht ist.

10. Atomkernreajrtor nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschirmungsdruckbehälter (1) Kanäle (15) oder Kammern (16) zur Aufnahme eines Kühlmittels und/ oder Moderators und/oder Reflektorwerkstoffes aufweist.

11. Atomkernreaktor nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für die vorgefertigten Gußeisenelemente (3, 4, 5) ein Gußeisen von möglichst hohem Kohlenstoffgehalt eingesetzt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen