DE1650201B2

DE1650201B2 - Thermische abschirmung fuer einen beheizten behaelter

Info

Publication number: DE1650201B2
Application number: DE1967S0113477
Authority: DE
Inventors: Yves Paris Lecourt
Original assignee: Societe pour les Reacteurs Nucleaires htr (SHTR) S.A., Courbevoie (Frankreich)
Priority date: 1966-12-23
Filing date: 1967-12-22
Publication date: 1977-03-10
Also published as: US3489206A; GB1199639A; FR1516058A; BE707539A; DE1650201A1

Description

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hältern oder öfenTür die Durchführung chemischer Reaktionen sowie bei Kernreaktoren der Bauart mit jjnetn Behälter aus Spannbeton zur Aufnahme des - -· des Kühlmedinms. Gerade in diesem Falle es sich als notwendig, die in dem gesamten ►n des Behälters herrschende Temperatur auf einen niedrigen und gleichförmigen Wert zu begrenzen, vährend der Betrieb des Kernreaktors im Behälterinnekren Bedingungen in Druck und Temperatur entstehen MQt. die für die bisher bekannten isolierenden Gefüge

hr hart sind. Dieses Ziel wird im allgemeinen mit Hilfe

ner in dem Behälter untergebrachten, die Abdichjjjitungshaut des Reaktors gegenüber dem thermischen "" "luß isolierenden Abschirmung erreicht Diese Abschirnung ist zumeist aus Metallfolien, die ein Gas ^unbeweglich zwischen sich einschließen, oder aus nsbeton aufgebaut

Bisher ist man bei der Konstruktion von Kernenergie- tnlagen auf diesem Gebiet auf zahlreiche ernste Schwierigkeiten gestoßen, die auf das schlechte Verhalten der bisher bekannten thermischen Isolier- materialien unter Druck zurückgehen, das entweder zu die Baukosten vergrößernden Wandstärken oder zu für die Wirtschaftlichkeit des Betriebes schädlichen thermischen Verlusten führt: Praktisch haben die bis heute üblichen Strukturen in erheblichem Umfange unter Konvektionsbewegungen und Druckänderungen in dem den Wärmetransport im Reaktor übernehmenden Medium, in das sie eintauchen, zu leiden.

Ganz allgemein führt die Bindung an die Funktionsweise und den Betrieb eines Kernreaktors für diesen Typ einer thermischen Abschirmung zu einer Anzahl sehr harter Bedingungen, die sich wie folgt zusammenfassen lassen:

Das Gefüge oder das thermisch isolierende Material darf an den Reaktor oder seine verschiedenen Kreise keinerlei Verunreinigungen abgeben.

Das verwendete Isoliermaterial darf unter dem Einfluß der Kernstrahlung oder innerhalb der für den besonderen Reaktor vorgesehenen Dosisgrenzen nicht wesentlich altern.

Die Betriebssicherheit der thermischen Abschirmung muß in vollkommener Weise gewährleistet sein, da es unmöglich ist, irgendeine Eingriffsmöglithkeit während der gesamten Lebensdauer des Reaktors vorzusehen.

Schließlich kann man noch weitere Bedingungen mechanischer Art erwähnen, die mit der praktisch absoluten Starre des Spannbetonbehälters und mit der großen Variationsbreite in den Betriebsbedingungen eines zur Stromerzeugung eingesetzten Kernreaktors verknüpft sind.

Während des Hochfahrens der Reaktorleistung und der Aufheizung des der Wärmeübertragung dienenden Mediums muß die thermische Abschirmung ein mit den verschiedenen Relativbewegungen durch die auf die Aufheizung der Materialien folgende Ausdehnung oder die Änderungen im Druck des der Wärmeübertragung dienenden Mediums verträgliches mechanisches Verhalten zeigen. Insbesondere müssen die ve^rwendeten Strukturen und Materialien abrupten Änderungen in Temperatur und Druck widerstehen können, die in bestimmten Fällen in dem der Wärmeübertragung dienenden Medium auftreten.

Bei Kernreaktoren der Bauart mit einem Spannbetonbehälter ist die innere Oberfläche des Behälters im allgemeinen mit einer als Abdichtungshaut bezeichneten, dichten metallischen Struktur überzogen, die, und zwar in sehr gleichförmiger Weise, auf der tiefstmögli-

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60 chen Temperatur (wenn möglich unterhalb von 30⁰C) gehalten werden muß.

Um dies zu ermöglichen, wurde bei einem derartigen Behälter eine thermische Abschirmung der eingangs erwähnten Gattung (GB-PS 10 39 588) in Form einer Zwischenwand eingesetzt, die aus einzelnen Bimsbetonblöcken zusammengesetzt ist, die ihrerseits von einem Gehäuse aus rostfreiem Stahl umgeben sind. Für den Durchgang des Kühlmittels aus der Kühlkammer in das Behälterinnere dienen nur die Spalten zwischen den einzelnen Blöcken, da die Blöcke selbst für das Kühlmittel undurchlässig sind. Die Kühlkammer und die Zwischenwand bilden so eine statische Wärmesperre mit einem relativ unbeweglich gehaltenen Kühlmittel, so daß eine wirksame Kühlung der Behälterwandung bzw. der Abdichtungshaut trotz der zusätzlichen Wärmesperre nur sehr bedingt möglich ist

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die thermische Abschirmung für einen beheizten Behälter zu schaffen, durch die bei einfachster Betriebsweise und optimaler Sicherheit 4\e Temperaturen der Innenwand und der Abschirmhaut des Behälters wesentlich herabgesetzt werden.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Ganz allgemein besteht die poröse Sperre der thermischen Abschirmung gemäß der Erfindung aus einer Aufhäufung oder Schichtung von im allgemeinen zu der Ebenen der Sperre parallelen Lagen von Geweben aus Metall- oder Mineralfasern von variabler Textur. Diese Schichtung von Gewebelagen wird allgemein durch Einpressen zwischen zwei mit öffnungen versehene Metallplatten oder Bleche zusammengehalten.

Die beiden Bleche liegen im Betrieb auf unterschiedlicher Temperatur. Im folgenden soll das Blech, durch das frisches Kühlmittel eintritt, als kaltes Blech bezeichnet werden, während das in unmittelbarem Kontakt mit der Wärmequelle befindliche Blech heißes Blech genannt wird.

Die Maschen verleihen dem Gewebe die erforderliche Porosität. Die Durchlässigkeit der Sperre ist eine Funktion der Feinheit des Gewebes, seiner Textur (Leinen, Rips usw.), der für die Gesamtheit der Gewebe mit ihren unterschiedlichen Eigenschaften getroffenen Anordnung und schließlich des Kompaktheitsgrades des gesamten Gebildes.

Die Natur der porösen Sperre variiert erfindungsgemäß je nach den chemischen Eigenschaften des die Sperre durchsetzenden frischen Kühlmediums sowie entsprechend den verschiedenen, in dem Behälter enthaltenen Strömungsmedien. Für den Fall eines Einsatzes der Erfindung bei einem Kernreaktor der Bauart mit einem Spannbetonbehälter ist das verwendete frische Kühlmedium das gleiche wie das für den Wärmetransport in dem Reaktor benutzte Medium (Gas, Wasser, flüssiges Metall), das zuvor auf die gewünschten Bedingungen hinsichtlich Temperatur und Druck gebracht worden ist.

Je nach dem Mechanismus für das Durchströmen des frischen Kühlmediums kann die bei der thermischer Abschirmung verwendete poröse Sperre entsprechenc verschiedenen Ausführungsformen aufgebaut sein.

Bei einer ersten Ausführungsform weist die thermi sehe Abschirmung eine poröse Sperre auf, die von derr frischen Kühlmittelstrom über ihre gesamte Oberfläch' senkrecht zu ihrer Ebene durchquert wird.

Bei einer zweiten Ausführungsform wird die di(

thermische Abschirmung bildende poröse Sperre von dem frischen Kühlmedium auf Wegen mit zu ihrer Ebene paralleler Richtung durchquert. Zu diesem Zwecke weist die poröse Sperre eine bestimmte Anzahl von inneren Trennwänden in Form von Schikanen auf, die den Zweck haben, das frische Kühlmedium zu zwingen, die Sperre entlang eines Weges zu durchlaufen, der die Form einer oder mehrer aufeinanderfolgender Haarnadeln von zu der Ebene der Sperre selbst paralleler Richtung haben. Eine Variante dieser letzten Ausführungsform besteht darin, in der Ebene jeder der Trennwände eine thermisch isolierende Lamelle vorzusehen, die aus dem gleichen Material besteht wie die Sperre, jedoch nicht von dem Kühlmedium durchströmt wird. Diese Anordnung gestattet es, die Menge an Strömungsmedium, die die Sperre durchquert, erheblich zu vermindern, d. h. bei gleichem thermischem Wirkungsgrad den Durchsatz an Kühlmedium zu begrenzen. Um das Kühlmedium an einem Umlauf in der isolierenden Lamelle zu hindern, wird diese durch zwei to Lamellen aus dünnen Metallfolien begrenzt und sind eine bestimmte Anzahl von ösen vorgesehen für die Ausrüstung der Ränder der Durchtrittsöffnungen von einem Abieil der Schikane zum anderen.

Die Art der porösen Sperre ist jedoch bei den verschiedenen Ausführungsarten die gleiche, lediglich ihre hydrodynamischen Eigenschaften verändern sich.

Die eingangsseitigen Gewebe für den Aufbau der Sperre haben beispielsweise Leinentextur, die sich besonders gut für die Erreichung des mit der Aufeinanderfolge von Lagen unterschiedlicher Feinheit angestrebten Zweckes eignet; denn die Durchbiegungen der Fäden zweier aufeinanderfolgender Lagen durchdringen einander dann in befriedigender Weise. Jedoch kann sich auch jede andere Gewebetextur in gleicher Weise eignen, insbesondere eine Ripstextur, die es gestatten muß. eine größere Feinheit als mit Leinentextur zu erreichen.

Beim Einsatz der thermischen Abschirmung gemäß der Erfindung bei Kernreaktoren mit schwerem oder leichtem Wasser oder bei Reaktoren mit einer Metallschmelze als wärmeübertragendes Medium bestehen die Gewebe vorzugsweise aus rostfreiem Stahl. Jedoch lassen sich auch andere Metalle, wie z. B. die hochfeuerfesten Metalle Wolfram, Tantal, Molybdän usw. einsetzen, obwohl ihr Preis wesentlich höher liegt. Im Falle eines mit Gas gekühlten Kernreaktors können die Gewebe von mineralischer Art sein und beispielsweise aus Glas, Siliziumdioxyd, Asbest usw. bestehen. Im letzteren Fane kann es sich empfehlen, Mischstrukturen zu verwenden, die aus einer Aufeinanderfolge von Metallgeweben und Mineralfasergeweben bestehen. Einer der wesentlichsten technologischen Vorteile der Gewebematerialien für den Aufbau der porösen Sperre der erfindungsgemäßen thermischen Abschirmung liegt ss darin, daß sich diese Materialien den durch den Betrieb des Kernreaktors aufgezwungenen thermischen Veränderungen anpassen, ohne daß es zu unerlaubten Reaktionen in der Gefügestruktur kommt Dieser Vorteil gestattet es, das Problem der thermischen Ausdehnung befriedigend zu lösen, mit dem man im allgemeinen bei den üblichen starren Strukturen konfrontiert wird. FOr diese Eigenschaft ist es wichtig, daß die das Gewebe aufbauenden Faden gewellt sind, was es ihnen ermöglicht, sich normal zu der Ebene des Gewebes zu verformen, so daß dessen ebene Form während einer Temperaturänderung erhalten bleibt.

Ein weiterer Vorteil der porösen Sperre der thermischen Abschirmung gemäß der Erfindung liegt darin, daß ein Gewebe eine nachgiebige und dennoch unzerbrechliche Struktur darstellt und gleichzeitig stets in sich zusammenhängend bleibt Diese Besonderheit führt dazu, daß die Gefahr einer Emission von Staubteilchen oder von Fasern oder ganz allgemein von kerntechnisch unerwünschten Teilchen als praktisch nicht vorhanden angesehen werden kann.

In thermischer Hinsicht ergeben die schichtförmig zusammengefügten und zusammengepreßten Gewebematerialien eine sehr geringe thermische Eigenleitfähigkeit, eine Eigenschaft, die für die Begrenzung der die Sperre durchquerenden Wärmemenge unabdingbar ist. Diese geringe Eigenleitfähigkeit geht auf die punktförmig Berührung zwischen nebeneinanderliegenden Gewebelagen und den hohen thermischen Widerstand an den Berührungsstellen zurück.

Bei der Abschirmung nach der ersten Ausführungsform der Erfindung wird das frische Kühlmedium, das durch die poröse Sperre hindurchtreten soll, in eine Verteilerkammer eingeführt, die durch die zwischen der thermisch zu schützenden Behälterwand und der Sperre gelegene Kühlkammer gebildet wird. In dem besonderen Falle eines Kernreaktors der Bauart mit einem Spannbetonbehälter wird diese Kühl- und Verteilerkammer durch die Sperre mit ihrem hohen Druckabfall und die Abdichtungshaut oder ein gegen diese Haut abgestütztes Hilfsblech begrenzt Sie enthält ein Net? von Verteilerrohren oder Speisesammlern, die von großen, gleichmäßig verteilten Öffnungen durchsetzt werden, die eine doppelte Aufgabe, nämlich die Zufuhr frischen Kühlmediums und die Abfuhr von durch die Sperre hindurchgedrungener Wärme, übernehmen. Dieses Rohrnetz gewährleistet durch den Satz in die Rohre eingearbeiteter öffnungen eine gleichmäßige Verteilung des gesamten, durch die poröse Barriere hindurchtretenden Durchsatzes an frischem Kühlmedium über die gesamte Oberfläche der porösen Sperre.

Bei der Abschirmung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung kann das in der Kühlkammer enthaltende Rohrnetz entweder in der gleichen Weise wie bei dem vorher beschriebenen Fall eine Verteilerkammer speisen, oder es kann unmittelbar die Schikanen mit Kühlmedium versorgen. Im letzteren Falle befestigt man die Zufuhrsammler vorteilhafterweise unmittelbar an dem kalten Blech der porösen Sperre.

In Wirklichkeit werden die Zufuhrsammler von einer Menge an Strömungsmedium durchflossen, die weit größer ist als die Menge an Kühlmittel die durch die poröse Sperre hindurchtritt Die Aufgabe des nicht durch die Sperre hindurclitretenden Kühlmittels liegt in der Abführung der durch die poröse Sperre hindurchge drungenen Wärmemengen.

Bei dem Einsatz der thermischen Abschirmung wird eine bestimmte Menge an frischem Kühlmittel unter Druck aus den Zufuhrsammiern der Kühlkammer durch die poröse Sperre mit ihrem geringen Permeabilitätsko effizienten hindurchgedrückt, wobei dieser letztere die Aufgabe hat. eine gleichmäßige und stabile Verteilung dieses Durchsatzes über die gesamte zu schützende Oberfläche zu gewährleisten. Die Außenwand des Behälters wird auf diese Weise erfindungsgemäß ständig auf der Temperatur des frischen Kühlmediums bei seiner Einführung in die thermische Abschirmung gehalten.

Das durch die poröse Sperre hindurchgedrungene frische Kühlmedium kann man entweder am Ausgang zurückgewinnen oder nicht Bean Einsatz der Erfindung

bei einem Kernreaktor ermöglicht es die Artgleichheit zwischen dem durch die Abschirmung hindurchdringenden Kühlmedium und dem für die Wärmeabfuhr in dem Reaktor vorgesehenen Strömungsmedium, einen Druckausgleich zwischen diesen beiden Medien durch öffnung einer dauernden Verbindung zwischen den beiden verschiedenen Strömungskreisen zu erreichen.

Dies stellt einen weiteren Vorteil der Erfindung dar.

Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung ausführlich beschrieben.

Die bei den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen getroffenen Anordnungen sind als Teil der Erfindung zu betrachten, wobei es jedoch selbstverständlich ist, daß alle dazu analogen Anordnungen in gleicher Weise verwendet werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. In den verschiedenen Figuren tragen einander entsprechende Bauelemente gleiche Bezugszahlen. Es zeigen:

F i g. 1 eine erste Ausführung einer thermischen Abschirmung in Form eines auseinandergenommenen Schnittes,

F i g. 2a eine zweite Ausführung gleichfalls in Form eines auseinandergezogenen Schnittes der thermischen Abschirmung mit zwei haarnadelförmigen Durchtrittswegen für das Kühlmedium,

F i g. 2b (wiederum in Form eines auseinandergezogenen Schnittes) eine Variante der Ausführungsform einer thermischen Abschirmung nach F i g. 2a, mit nur einem einzigen Durchtrittsweg,

F i g. 3a. 3b und 3c die verschiedenen Methoden für die Befestigung der thermischen Abschirmung, sowie die Mittel zum Zusammenpressen der eigentlichen porösen Sperre,

Fig.4 eine Ausführungsvariante einer thermischen Abschirmung, bei der die poröse Sperre in ihrer Mittelebene mit einer nicht von dem Kühlmedium durchströmten isolierenden Lamelle versehen ist,

F i g. 5 schließlich ein Prinzipschema für den Umlauf des durch die poröse Sperre hindurchgetretenen Kühlmediums für den Fall von deren Anwendung bei einem Kernreaktor der Bauart mit einem Spannbetonbehälter.

Zur besseren Erkennbarkeit bestimmter Einzelheiten ist die poröse Sperre in den F i g. 2 bis 4 nicht in ihrer Gesamtheit dargestellt. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die Anwendung der thermischen Abschirmung gemäß der Erfindung bei einem Kernreaktor der Bauart mit einem Spannbetonbehälter. Sie ist aber grundsätzlich bei allen Arten von beheizten Behältern, wie z. B. die in der chemischen Industrie für die Ausführung exothermer oder sich bei hohen Temperaturen abspielender Reaktionen benutzten Behälter, verwendbar.

In der F i g. 1 erkennt man in Schnittdarstellung die Betonumhüllung 1 eines Kernreaktors der Bauart mit einem Spannbetonbehälter. Auf diese Betonumhüllung 1 ist in bekannter Weise eine Abdichtungshaut 2 aufgebracht, die dazu dient, jeglichen Austritt von radioaktiven Stoffen in den Außenraum mit Sicherheit zu verhindern. Das Reaktorinnere, das von einem der Wärmeabfuhr dienenden Strömungsmedium erfüllt ist, das je nach dem vorliegenden Falle ein Gas, eine mineralische oder organische Flüssigkeit oder eine Metallschmelze sein kann, ist in der Fig. 1 mit der Bezugszahl 3 bezeichnet.

Gemäß der Erfindung weist die thermische Abschirmung, die sich zwischen der Abdichtungshaut 2 und dem Innenraum 3 des Reaktors erstreckt, im wesentlichen zwei Teile auf, nämlich eine Kühlkammer 4 und eine poröse Sperre 5 im eigentlichen Sinne, die zwischen zwei Bleche, ein kaltes Blech 6 und ein heißes Blech 7, eingezwängt ist, die eine relativ große Wandstärke (5 bis 10 mm) besitzen und mit zahlreichen öffnungen 8 versehen sind. Die Mittel zum Zusammenpressen der porösen Sperre 5 zwischen den Blechen 6 und 7 werden ebenso wie die Mittel zur Befestigung der thermischen

ίο Abschirmung als Ganzes an der Abdichtungshaut 2 des Reaktors weiter unten unter Bezugnahme auf die F i g. 3a, 3b und 3c im einzelnen beschrieben.

Die Kühlkammer 4 enthält eine bestimmte Anzahl von Sammlern 9 für die Zufuhr von frischem Kühlmedium. Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 sind die Zuführungssammler 9 unmittelbar an die Abdichtungshaut 2 des Reaktorbehälters angeschweißt. Die Zuführungssammler 9 weisen öffnungen 10 auf.die über ihre Oberfläche verteilt angeordnet sind. Die Öffnungen 10 münden in die Kühlkammer 4, die auf diese Weise die Aufgabe einer Verteilerkammer für die Verteilung des frischen Kühlmediums über die gesamte Oberfläche des kalten Bleches 6. d. h. über die öffnungen 8, und damit über die poröse Sperre 5 selbst übernimmt.

Die poröse Sperre 5 ist aus einer Schichtung von Gewebelagen aus Metall oder Minderalfasern von variabler Textur, aber zur Ebene der Sperre paralleler Richtung aufgebaut. Ihre Wandstärke kann je nach der Wärmemenge, die man abdämmen will und die die Sperre durchsetzt, in der Größenordnung einiger Millimeter bis einiger Zentimeter liegen.

Wenn das Kühlmedium normal zu der Ebene der Sperre durch diese hindurchtritt, wie das bei der ersten Ausführungsform der Erfindung der Fall ist, so erzielt man den größten Druckabfall durch eine Aufeinanderfolge von engmaschigen und weitmaschigen Geweben in der Weise, daß die durch die Maschen gesch"ffene Porosität Wege entstehen läßt, welche die größtmögliche Anzahl von Zusammenziehungen und Ausdehnungen pm Längeneinheit aufweisen. Dabei können mehrere besonders stark zusammengepreßte Gewebelagen gleichmäßig über die Wandstärke des gesamten Aufbaues verteilt werden, um dessen Durchlässigkeit zu vermindern.

Die poröse Sperre läßt sich als eine Aneinanderreihung von vorfabrizierten Tafeln oder auch ah kontinuierlicher Überzug für die gesamte zu schützende Oberfläche aufbauen. Die thermische Anpassungsfähigkeit der bei der Erfindung benutzten Gewebemateria lien gestattet praktisch einen Einsatz dieser Art Umgekehrt ist das Blech 7 für die poröse Sperre 5 wegen seiner Steifigkeit in Abschnitte unterteilt, urr eine freie Ausdehnung zu ermöglichen.

Eine bestimmte Wärmemenge tritt dennoch durch du

poröse Sperre 5 hindurch. Sie wird über eim schleifenförmige Konvektionsströmung nach Art de! Thermosiphoneffektes, die sich in der Kühl- unt Verteilerkammer 4 ausbildet, an die Sammler < herangeführt und durch das in den Sammlern * verbleibende Kühlmedium abgeführt Der Kühlmittel anteil, der in den Sammlern 9 verbleibt, ist größer als dei Anteil, der durch die poröse Sperre 5 hindurchtritt.

Als die Erfindung veranschaulichendes Ausführung» beispiel seien die nachstehenden Zahlenwerte für dn verschiedenen Größen einer bei einem Kernreaktor dt Bauart mit Graphit als Moderator und Ga» «I Kühlmedium und einem Spannbetonbehälter angre? ben. Im Reaktorinneren herrscht eine Temperatur v»·

250⁰C, und das der Wärmeübertragung dienende Kohlendioxydgas steht unter einem Druck von 40 Bar. Die poröse Sperre besteht aus Asbest und bewirkt einen Druckabfall von 0,2 Bar. Ihre Wandstärke liegt bei 6 mm, und der sie durchsetzende thermische Fluß liegt in der Größenordnung von 1300 Watt/m². Die Temperatur des durch die Sammler 9 frisch zugeführten Kohlendioxydgases liegt bei 30⁰C, und sein Durchsatz pro m² Oberfläche der Sperre beträgt 7,5 χ 10 -³ kg/sec.

Die F i g. 2a zeigt eine zweite Ausführungsform für eine thermische Abschirmung gemäß der Erfindung. Der grundsätzliche Aufbau entspricht dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Lediglich der Aufbau der porösen Sperre 5 ist wesentlich anders. Die Sperre 5 wird durch ein zu den Blechen 6 und 7 paralleles dünnes mittleres Blech 11 praktisch in zwei Teile zerlegt und weist eine bestimmte Anzahl von Abteilen, wie z. B. 12a, 12b, 12c und 12ai, 12bi, 12ci, auf, die von dünnen Z-förmigen Blechen wie z. B. 13 und 14, begrenzt werden, die gleichzeitig an dem Blech 11 und an den Blechen 6 bzw. 7 befestigt sind. Das dünne Mittelblech 11 wird von in Zeilen angeordneten Öffnungen 15a und 15b durchsetzt, die im unteren Teil jedes Abteils 12a, 12b. 12cund 12ai, 12b_t, 12ci angebracht sind. Die Bleche 6 und 7 selbst sind ebenfalls mit in Zeilen angeordneten öffnungen, wie z. B. 8b und 8c versehen, die jeweils zu dem oberen Teil eines Abteils 12b. 12i oder 12c. 12c₍ gehören. Da das heiße Blech 7 ein starkes Blech ist, so muß es in Abschnitte unterteilt werden.Unter diesen Umständen wird ein zweites darunterliegendes dünnes Blech 7a als Abdeckung angeordnet, das mit den öffnungen in dem Blech 7 entsprechenden öffnungen versehen ist und die Kontinuität der porösen Sperre 5 zwischen dem Blech 7 und den Abteilen 12a. 12b usw. aufrechterhält.

In der F i g. 2a ist eine Schikane mit zwei Durchtrittswegen dargestellt. Praktisch scheint eine Schikane mit vier Durchtrittswegen das mit den Konstruktionsschwierigkeiten zu vereinbarende Maximum darzustel- seiner Steifigkeit wieder in Abschnitte unterteilt.

Die Fig.4 schließlich zeigt eine Ausführungsvariante für die Schikane mit zwei Durchtrittswegen entsprechend der F i g. 2a, bei der die poröse Sperre 5 durch eine isolierende Lamelle 26, die aus dem gleichen Material wie die poröse Sperre selbst, d. h. aus einer Schichtung von zwei Lagen aus dünnen Blechen 37 und 38 begrenzten Gewebelagen, besteht, in zwei Durchtrittskanäle 5a und 5b unterteilt wird, die durch Profile 13 und 14 in Abteile 12a, 12b unterteilt sind. In jedem Abteil 12a, 12b ist der darin gelegene Abschnitt der isolierenden Lamelle 26 in seinem unteren Teil mit Öffnungen 27a, 27b versehen, die einen Durchtritt des frischen Kühlmediums gestatten und mit Schutzösen

28a, 28b versehen sind, die ein Eindringen des Kühlmediums in die isolierende Lamelle 26 verhindern sollen. Selbstverständlich ist die in dieser Figur gezeigte Ausführungsform nur als Erläuterungsbeispiel angegeben und kann die Sperre 5 Durchtrittswege, wie 5a und 5b, in einer größeren Anzahl als zwei aufweisen, von denen jeder von seinen Nachbarwegen entweder durch eine isolierende Lamelle 26 der oben beschriebenen Art oder durch ein dünnes Blech 11 der in Fig.2a beschriebenen Art getrennt wird.

Das Material der porösen Sperre ist in der gleichen Weise aufgebaut wie im Falle der Fig. 1. Jedoch wird dann, wenn das Strömungsmedium entläng einer im allgemeinen zu der Ebene der Gewebeschichten parallelen Richtung hindurchströmt, wie das bei der

zweiten Ausführungsform der Fall ist, der größte Druckabfall durch eine zu der vorigen Struktur analoge Struktur erzielt, die jedoch grundsätzlich eine größere Kompaktheit aufweist. Diese Kompaktheit läßt sich erzielen und auf den gewünschten Wert einregeln, indem man die porösen Schichten der Struktur zwischen den beiden festen Blechen 6 und 7 de. Abschirmung zusammenpreßt.

Bei den schikanenartig gebauten Abschirmungen vollzieht sich die Abfuhr des thermischen Flusses in der

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len. Die Wände der Schikane und die damit verbünde- 40 gleichen Weise wie bei einer Abschirmung mit direktem

„,.__:_-- ο--«.- j:« :^~ ^...„u..: ._ _Durchgang

Die Ausführungsform mit Schikanen führt zu einem Druckabfall zwischen den beiden Oberflächen der Sperre, der merklich höher sein kann als bei einer aus porösem Material gleicher Wandstärke aufgebauten Sperre mit direktem Durchgang entsprechend dei ersten Ausführungsform. Die Anordnung mit Schikaner gestattet es daher, grundsätzlich mit geringeren di«

_L .„ Sperre durchsetzenden Mengen an Kühlmedium zi

die Elemente miteinander zu verschweißen, um jeden 50 arbeiten und dabei die gleiche Betriebssicherheit

nen Z-förmigen Profile, die jeden Durchtrittsweg begrenzen, werden aus dünnen Folien aus rostfreiem Stahl hergestellt, dessen Stärke einige zehntel Millimeter erreichen kann. Die Abdichtung zwischen den Durchtrittswegen wird in geeigneter Weise durch eine breite Überdeckung der die Wände und Dämme bildenden Folien und Profile bewirkt. Falls die Abdichtung in der Nachbarschaft zweier Abteile für nicht ausreichend gehalten wird, ist es natürlich möglich.

anormalen Durchtritt von Kühlmedium vollständig zu unterbinden.

Die F i g. 2b veranschaulicht eine Ausführungsvariante, bei der das Kühlmedium in der porösen Sperre entlang eines einzigen Weges strömt. Die dünnen Bleche 13 und 14 von Z-förmigem Profil sind dabei zwischen den Blechen 6 und 7 befestigt, und letzteres ist ebenso wie das Blech la mit öffnungen Sd versehen, die im unteren Teil jedes Abteils in Zeilen angeordnet sind. Das frische Kühlmedium strömt in jedem Abteil von den öffnungen 86 zu den öffnungen 8d

In der gleichen Weise wie bei der Ausführungsform nach F i g. 1 ist es auch hier möglich, die poröse Sperre als kontinuierlichen Überzug der gesamten zu schützen geBetrieb

erzielen. Außerdem führt sie in thermischer Hinsicht zi einer besseren Ausnutzung des durch die Sperr« hindurchtretenden frischen Kühlmediums. d.h. η geringeren thermischen Verlusten bei der gleichei

Menge an eingesetztem Material. Umgekehrt ist de Aufbau offensichtlich komplizierter.

In den Fig.3a und 3c, die sich alle beide au Ausführungsformen für eine thermische Abschirmunj mit schikaneartigen Durchtrittswegen beziehen, sind άν

Zufuhrsammlei- 39 für das frische Kühlmedium unmittel bar an das kalte Blech 6 der porösen Sperre de Abschirmung angeschweißt. In diesem Falle weist da Blech 6 eine Reihe von öffnungen 25 auf. die in da

.... ... . ^{innere d}er Sammler 39 einmünden und eine unmittelbs

den Oberfläche auszuführen oder sich einer Arbeitswei- 65 re Einspeisung frischen Kühlmediums in den kompakte

se zu bedienen, bei der die Abdichtungshaut 2 des Aufbau der porösen Sperre 5 ermöglichen

Reaktors mit individuell vorfabrizierten Tafeln abge- Das kalte Blech 6. das einen Teil des Gefüges für di

deckt wird. Im ersten Falle wird das Blech 7 wegen Halterung der porösen Sperre S darstellt gestatu

einen Wärmeaustausch auf zweierlei Art: Es spielt die Rolle einer Wärmeabführung und überträgt einen Teil der Wärmemenge unter Aufnahme durch Wärmeleitung an die Rohrsammler, die restliche Wärmemenge wird durch die gleichen Rohrsammler über Konvektion in der durch die Abdichtungshaut 2 und die poröse Sperre 5 begrenzten Kammer 4 abgeführt.

In diesem Falle enthält die Kammer 4 ein Kühlmedium, z. B. ein stagnierendes Medium von gleicher Art wie das in den Sammlern umlaufende Medium, d. h. im Falle eines Kernreaktors von der gleichen Art wie das Kühlmedium des Reaktors selbst. Dieses Medium überträgt die durch die poröse Sperre hindurchtretende Wärme durch natürliche Konvektion an die Sammler und erleichtert deren Abführung durch das in den Sammlern umlaufende Kühlmedium.

Die F i g. 3a. 3b und 3c zeigen außerdem die Einzelheiten für die Befestigung der thermischen Abschirmungen gemäß der Erfindung. Die F i g. 3a läßt erkennen, daß es bei einer der Ausführungsformen möglich ist, die poröse Sperre 5 an der Abdichtungshaut 2 des Reaktors zu befestigen. Zu diesem Zwecke sind mit der Abdichtungshaut 2 versehweißte Vorsprünge 17 mit einem Innengewinde versehen und nehmen Schrauben 18 auf, die sich an das kalte Blech 6 anlegen.

Die F i g. 3b zeigt, wie man mit Hilfe eines an einem Ende mit einem Gewinde versehenen und an seinem anderen Ende bei 20 mit dem Blech 6 verschweißten und mit einer gegen das Blech 7 abgestützten Schraube 21 zusammenarbeitenden Dübels 19 das Zusammenpressen der porösen Sperre 5 zwischen den zu diesem Zwecke vorgesehenen Blechen 6 und 7 erreichen kann.

In der F i g. 3c ist wieder eine andere Ausführungsvariante dargestellt, bei der die beiden oben erwähnten Funktionen von am Ende mit Gewinde versehenen Bolzen 22 gleichzeitig übernommen werden, welche die thermische Abschirmung vollkommen durchsetzen und sich an der Abdichtungshaut 2 und über Schrauben 23 auch an dem Blech 7 abstützen. Zwischen der Abdichtungshaut 2 und dem Blech 6 eingefügte Abstandsstücke 24 gewährleisten die ordnungsgemäße Übertragung der mechanischen Beanspruchungen entlang der Bolzen 22.

Die F i g. 5 erläutert die Art der Speisung der thermischen Abschirmung gemäß der Erfindung mit frischem Kühlmedium. In dieser Figur ist der Kernreaktor mit seiner Betonumhüllung 1 und seinem Innenraum 3, indem sich der Reaktorkern 29 befindet, schematisch veranschaulicht Parallel zu der Umhüllung 1 erstreckt sich die poröse Sperre 5, die das frische Kühlmedium über in der Kühlkammer 4 angebrachte Sammler 9 zugeführt erhält, die in Serie von einem Hauptkreislauf 30 abzweigen, in dem das Kühlmedium durch eine Pumpe 31 in Umlauf gehalten wird Die Kühlung des Kühlmediums in dem Kreislauf 30. das bei seinem Umlauf in der Kühlkammer 4 Wärme aufgenommen hat. wird durch einen Wärmeaustauscher 32 sichergestellt. Das durch die poröse Sperre 5 hindurchgedrungene Kühlmedium, dessen Anteil übrigens bemerkenswert niedrig ist, wird über eine Leitung 33 zurückgewonnen, wobei es von einer Pumpe 34 angesaugt, in einem zusätzlichen Wärmeaustauscher 35 gekühlt und bei 36 oberhalb des Hauptwärmeaustauschers 32 wieder in den Hauptkreislauf 30 eingespeist wird.

Die Betriebsweise der thermischen Abschirmung gemäß der Erfindung gestaltet sich daher wie folgt: Ein Teil des über die Sammler 9 zugeführten frischen Kühlmediums dringt über die in dem kalten Blech 6 der porösen Sperre 5 vorgesehenen öffnungen, wie 8 oder 25, durch die poröse Sperre 5 hindurch, das Medium erwärmt sich je nach seinem Weg durch die Sperre und verläßt diese mit einer Temperatur, die zwischen seiner Eintrittstemperatur und der Temperatur liegt, die in dem der Wärmeübertragung in dem Kernreaktor dienenden Strömungsmedium in der Nachbarschaft der thermischen Abschirmung herrscht. Im Inneren der Absciiirmung selbst läuft die Wärme durch Wärmeleitung in der Abschirmung und in dem Gefüge der porösen Sperre dem Kühlmittelstrom entgegen. Sie gelangt in die Kühlkammer 4 und wird in dieser auf die Sammler 9 übertragen und von dem in diesem umlaufenden Kühlmedium aufgenommen.

Die Wärmemenge, die von der thermischen Abschirmung absorbiert wird, hängt von dem Temperaturgefälle am Eingang der porösen Sperre ab. und dieses wiederum ergibt sich aus dem Durchsatz an frischem Kühlmedium, aus dem Wärmeaufnahmevermögen dieses Kühlmediums und aus den isolierenden Eigenschaften der die poröse Sperre 5 bildenden Materialien. Zu beachten ist. daß diese von den Zuführungssammlern für das frische Kühlmedium aufgenommene Wärmemenge mit dem Durchsatz an durch die Sperre hindurchtretenden Kühlmedium abnimmt. Die durch Wärmeleitung bis zu einem bestimmten Punkt innerhalb der Wandstärke der Sperre gelangte Wärme wird nicht, wie dies bei reiner Wärmeleitung bei einem stationären System der Fall wäre, als Ganzes an die kälteren Stellen in dei Nachbarschaft abgegeben, sonderen teilweise durch da; in umgekehrter Richtung strömende Kühlmedium absorbiert. In beiden Fällen ist die zwischen derr Reaktor und dem außerhalb der thermischen Abschir mung liegenden Raum auszutauschende Wärmemenge gleich der Summe der von den Sammlern 9 abgeführter Wärmemenge und der von dem durch die Sperre ! hindurchgetretenen Anteil an Kühlmedium aufgenom menen Wärme, die dem Unterschied in der Eintrittstem peratur des frischen Kühlmediums und der Temperatu des der Wärmeübertragung im Reaktor dienendei Mediums entspricht

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

. Patentansprüche:

1. Thermische Abschirmung für einen beheizten Behälter, insbesondere für einen Spannbetonbehälter eines Atomkernreaktors, mit einer durch eine parallel zur Behälterwand und in geringem Abstand davon angeordnete Zwischenwand mit geringer Wärmedurchlässigkeit vom Behälterinneren abgegrenzten und mit einem Kühlmittel gefüllten Kammer, wobei die Zwischenwand zwischen der Kammer und dem Behälterinneren als eine für das Kühlmittel durchlässige Wärmesperre ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwand eine poröse Struktur aufwebt und daß in der Kühlkammer (4) kontinuierlich mit durch die Wärmesperre (5) hindurch in das Behälterinnere (3) einzuführendem Kühlmittel gespeiste Sammler (9; 39) angeordnet sind.

2. Abschirmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammler (9, 39) für die Zuführung des Kühlmediums in der Kühlkammer (4) mit regelmäßig verteilten öffnungen (10) versehen sind, die das Kühlmedium in zwei Teile aufspalten, von denen der erste die poröse Sperre (5) in Richtung auf das Behälterinnere (3) durchdringt und der zweite in den Sammlern umläuft und die durch die Sperre in Richtung auf die zu schützende Innenwand (2) hin durchgedrungene Wärme aufnimmt.

3. Abschirmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Sperre (5) aus einer Schichtung von zueinander parallelen Lagen eines Gewebes aus natürlichen Mineralfasern, wie z. B. Glas, Kieselsäure, Asbest besteht.

4. Abschirmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Sperre (5) aus einer Schichtung von zueinander parallelen Lagen aus einem Gewebe aus Metall, wie z. B. aus rostfreiem Stahl, besteht.

5. Abschirmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Sperre (5) aus einer Schichtung von zueinander parallelen Lagen aus einem Mischgewebe aus Metallfasern und Mineralfasern besteht.

6. Abschirmung nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Aufbau der porösen Sperre (5) verwendeten Gewebe sich von Lage zu Lage in der Textur (z. B. Leinen, Rips) und in der Bindung ändern, wobei die Anordnung der einzelnen Gewebe in Abhängigkeit von den gewünschten hydrodynamischen Eigenschaften der Sperre gewählt ist.

7. Abschirmung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Sperre zwischen zwei Blechen (6, 7) eingeklemmt ist, die Löcher aufweisen, die eine Strömung des frischen Kühlmittels senkrecht zur Sperre und eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmitteldurchsatzes über die gesamte Oberfläche der Sperre gewährleisten.

8. Abschirmung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Sperre (5) eine mittlere, zu ihrer Ebene parallele und mit mehreren Zeilen von öffnungen (9b, Sc) versehene Trennwand (11) und Schikanen bildende Querprofile (13 und 14) aufweist, die eine haarnadelförmige Strömung des frischen Kühlmediums auf zwei aufeinanderfolgenden, zur Ebene der Sperre paralle

len Bahnen gewährleisten.

9. Abschirmung nach Ansprach 8, gekennzeichnet durch eine Anordnung der Trennwand (11) und der Querprofile (13 und 14), die eine Strömung des

Kühlmediums auf einem durch mehrere aufeinanderfolgende Haarnadeln gebildeten Wege gewährleistet

10. Abschirmung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Sperre (5) aneinan-

derstoßende Abteiie (\2b) aufweist, in denen das frische Kühlmedium in Richtung der Ebene der Sperre strömt und die durch Querprofile (13 und 14) und durch zwei mit Löchern (Sb, Sd) versehene Bleche (6,7) begrenzt sind, die zu dem oberen bzw.

zu dem unteren Teü jedes Abteils gehören.

11. Abschirmung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Sperre (5) eine aus einer isolierenden Lamelle (26), die aus dem gleichen Material besteht wie die übrige Sperre, jedoch so ausgebildet ist, daß das kalte Kühlmedium sie nicht durchdringen kann, gebildete mittlere Trennwand aufweist, die mit öffnungen (27a, 27b) für den Durchtritt frischen Kühlmediums durch die Lamelle und rund um die öffnungen mit die Abdichtung

gewährleistenden ösen (28a, 286; versehen ist.

12. Abschirmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammler (9) für die Zuführung frischen Kühlmediums an der Innenwand (2) des Behälters (3) befestigt sind und öffnungen

(10) aufweisen, die im Sinne einer Verteilung des Kühlmediums über die poröse Sperre (5) in die Kühlkammer (4) einmünden.

13. Abschirmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Sammler (39) für die

Zuführung frischen Kühlmediums unmittelbar an dem hinteren Blech (6) für die Festhaltung der porösen Sperre (5) befestigt sind und daß die Kühlkammer (4) mit einem Strömungsmedium gleicher Art wie das Strömungsmedium in den Sammlern gefüllt ist.

14. Abschirmung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Kreislauf für das Kühlmedium, in dem hintereinander Sammler (9, 39) für die Zuführung frischen Kühlmediums zur Kühlkammer (4), mindestens eine Pumpe (31) für den Umlauf des Kühlmediums, ein Wärmeaustauscher (32) für die Kühlung des in der Kühlkammer erwärmten Kühlmediums vor seiner Wiedereinspeisung in die Kühlkammer und eine Leitung (33) für die Rückführung des durch die poröse Sperre (5) hindurchgedrungenen Kühlmediums oberhalb des Wärmetauschers angeordnet sind.

Die Erfindung bezieht sich auf eine thermische Abschirmung für einen beheizten Behälter, insbesondere für einen Spannbetonbehälter eines Atomreaktors, mit den Gattungsmerkmalen des Hauptanspruchs.

In der Technik gibt es zahlreiche Fälle, in denen man mit den größtmöglichen Sicherheit eine festgelegte niedrige Temperatur für die Gesamtheit oder einen Teil der inneren Oberfläche eines Behälters gewährleisten ⁶S will, in dessen Innerem Bedingungen hinsichtlich Druck und Temperatur herrschen, die in weiten Grenzen variieren können.

Dies ist insbesondere der Fall bei bestimmten