DE1965849A1 - Waermeisolierung fuer Spannbetondruckbehaelter,insbesondere fuer Atomkernreaktoren - Google Patents

Description

• Wärmeisolierung für Spannbetondruckbehälter, insbesondere für Atomkernreaktoren Der Spannbetondruckbehälter bietet im Einsatz für Kernreaktoren eine Reihe bekannter Vorteile: Der Transport großer schwerer Stahlgefäße wird vermieden; ferner entfällt das Schweißen und Prüfen großer Wandstärken, wodurch die Herstellung billiger und die Fertigungszeit verkürzt wird. Die Sicherheit des Betonkes#els ist größer als die des Stahlkessels. Insbesondere aber bieten Betondruckgefäße die Möglichkeit, größere Kesseldurohmesser als bei Stahlgefäßen herzustellen.
• Bei gas gekühlten Reaktoren ist der Spannbetonkessel bereits mehrfach im Binsatzm für Wasserreaktoren sind Jedoch die Probleme der thermischen Isolierung des Kessels noch ungelöst. Die hohe W§rmeübergangs zahl auf der Wasserseite schließt eine direkte Beaufschlagung der Betonkessel-Stahldichthaut (Liner) mit heißem Druck wasser unter freier Konvektion aus, denn die zulässige Temperatur des Betons liegt bei 60 - 700C, die Temperatur des ReaktorkUhlmittels beträgt dagegen 290 bis 3200C.
• Es wurden bereits engmaschige Gitter aus rostfreiem Stahl als thermische Isolierung vorgeschlagen, die auf Grund des Reibungewiderstandes, den diese dem diffundierenden Waseer entgegensetzen, die Konvektion des Wassers verhindern und eine stagnierende Wasserschicht als Ieolierung erzeugen, die etwas wErmedämmend wirkt. Die relativ großen Ioolierungedicken, die mit diesen Gittern erforderlich sind, machen Jedoch diese Art der Isolierung unwirtschaftlich.
• Mehrere Schichten von metallischen Folien als Wärmeisolierung scheiterten daran, daß sich entweder nicht genügend schnell ein Druckausgleich mit sllen Hohlräumen des Folienpaketes einstellen kann und dadurch bei Druckanstieg des Kühlmittels die Gefahr des Zusammendrückens bzw. bei Druckabfall des Aufblähens des Folienpaketes besteht, oder aber so viel Ausgleichsöffnungen vorgesehen werden müssen, daß das Folienpaket die Wirkung als Konvektionssperre verliert.
• Metallisch umhüllte Isolierziegel aus Beton oder dergleichen haber den Nachteil, daß die Umhüllung, die relativ hohen thermischen Spannungen ausgesetzt ist, undicht wird und dann das Reaktorkühlmittel den Isolierbeton auswäscht und dadurch verunreinigt wird.
• Auch ist es nicht möglich, den Kessel-Liner völlig fugenfrei mit Isolierziegeln auszukleiden, so daß Konvektionsbrücken nicht auszuschließen sind, die zu großen Temperatur- und Spannungsunterschieden der Dichthaut des Kessels und des Betons führen können.
• Darüber hinaus ist ein isolierender Gasspalt zwischen Reaktortank und Beton-9iner vorgeschlagen worden, der unter gleichem Druck wie das Primärkühlmittel steht. Der Nachteil dieser Isolierung besteht darin, daß die Brucheicherheit des Reaktortankes allein von der Funktionssicherheit des Druckhaltesystems abhängt oder bei direktem Druckausgleich durch Kontakt mit dem Reaktorkühlmittel ein verhältnismäßig großer Aufwand zur Trockenhaltung des Isoliergases getrieben werden muß. Auch besitzt Gas bei dem Betriebsdruck eines Reaktors in Höhe von ce. 150 at bereits eine verhEltnismEßig gute Wärmeleitfähigkeit, so daß auch im Gasspalt zusätzliche Konvektionesperren angeordnet werden müssen.
• Der Nachteil all dieser Isolierungevorschläge liegt ferner darin, daß sie die Zugänglichkeit des Kessel-Linere zur Inspektion oder Reparstur erschweren bzw. unmöglich machen.
• Erfindungsgemäß wird gerade Wert auf eine Zugänglichkeit des Kesse Linere gelegt und eine Isolierungsart vorgeschlagen, die ohne Schwierigkeiten zu entfernen ist. Die Isolierung der Erfindung besteht darin, daß eine körnige Schüttung aus wärmeisolierendem und hitzebeständigem keramischen Material zwischen dem zu isolierenden heißen Reaktortank und der kalten Stahldichthaut des Kessels vorgesehen ist, wobei der Reaktortank das heiße Kühlmittel, Flüssigkeit oder Gas, vollkommen einschließt und die Schüttung trocken gehalten wird.
• Die Schüttung löst die Aufgabe, eine inkompressible Wärmedämmschicht zwischen dem Reaktortank und der Stahldichthaut des Betonkessels zu erzeugen. Sie überträgt gleichförmig die Druckbeaufschlagung des Reaktortankes auf den Betonkessel bei gleichzeitiger Wärmedämmung.
• Der heiße Reaktortank ist somit in eine Schüttung aus keramischem Material eingebettet, die neben der Isolierfähigkeit eine hohe Druckfestigkeit besitzt. Der freitragende Reaktortank tritt an die Stelle des bisherigen Stshldruckbehälters eines Kernreaktors.
• Als gute Wärmeisolatoren sind die feuerfesten Oxide wie z.B.
• SiO2 bekannt. Die Wärieleitzahl von SiO2 beträgt bei 3000C < 1 kcal/mh °C. Die W&rmeleitzahl einer trockenen Schüttung von Sand beträgt deshalb nur ca. 0,5 kcal/mh °C. Eine höhere Druckfestigkeit als SiO2 (Quarz) besitzt Jedoch Sintertonerde.
• Als geeignete Substanz für die vorliegende Aufgabe bietet sich eine gebrannte Mischung aus 45 - 55 ffi Tonsubstanz, 25 % Quarz und 20 - 30 ffi Feldspat an, die unter dem Namen Steinzeug bekannt ist. Sie besitzt eine Druckfestigkeit in Höhe von 4000 kg/cm2 und eine Wärmeleitzahl in Höhe von 1,1 kcal/mh 0C. Eine körnige Schüttung von diesem Material dürfte die Wärmeleitzahl # 0,5 kcal/mh 0C besitzen.
• Dabei hat sich ergeben, daß ein binäres Gemisch von 2 Durch messerfraktionen sphärischer Partikel mit Hilfe der Infiltrationstechnik zu einer Packung gleichmäßiger Dichte vibrationsverdichtet werden kann. Insbesondere ist bei genügender Oberflächenrahigkeit der Partikel die innere Reibung der Schüttung so groß, daß eine genügende Stützwirkung von dieser ausgeht. Eine solche Packung zeigt bereits, wenn sie unter mäßigem Druck steht, kein Fließverhalten mehr. Wird beispielsweise auf die keramische Schüttung im Ringspalt um den inneren Reaktortank von oben nur mäßiger Druck ausgeübt, kann die Schüttung die Druckkräfte des Tankes auf den Betonkessel übertragen, ohne seitlich wegzufließen.
• In der Zeichnung ist eine schematische Darstellung der Kesselisolierung gezeigt. Der innere Reaktortank 1 ist freistehend und mit einer Wandstärke < 30 mm ausgeführt. Zwischen Reaktortank 1 und Stahldichthaut 2 des Betonkessels 3 ist die keramische Isolierung 4 in Form der körnigen Schüttung vorgesehen. Im Boden des Betonkessels befindet sich eine Öffnung 5, durch die die Schüttung 4 abgezogen werden kann, wenn eine Inspektion des Tankes oder der Dichthaut dies verlangt. Die Schüttung wird von einer Stahlverkleidung 6 eingefaßt, die der äußeren Form des Tankes 1 angepaßt ist. Ein definitiver Spalt 7 zwischen Tank 1 und der Stahlverkleidung 6 kompensiert einen Teil der Wärmeausdehnung des Tankes 1.
• Beim Einbringen der Isolation wird zunächst die größere Durchmesserfraktion der sphärischen Partikel eingefüllt und durch Vibration vorverdichtet. Der Durchmesser der großen Fraktion liegt z.B. im Bereich von einigen Millimetern. Ein mit Bohrungen für die kleinere Fraktion versehener Abschlußstempel hält die Grobfraktion nieder, während durch die Bohrungen die Feinfraktion unter laufender Vibration infiltriert wird. Sie füllt nach und nach alle Hohlräume zwischen den großen Partikeln aus. Die erzielbare Packungsdichte beträgt bei 2 Durchmesserfraktionen ca. 82 %.
• Da die Partikel sich während des Vibrierungsvorganges wie eine Flüssigkeit verhalten und alle Hohlräume ausfüllen, können auch kompliziertere Kesselformen und Durchführungen auf diese Weise isoliert werden. Ein weiterer großer Vorteil dieser Isolierart ist ferner, daß sie mit wenig Aufwand entfernt werden kann und dadurch der Kessel-Liner oder Reaktortank leicht inspiziert und gegebenenfalls repariert werden können.
• Bei einer angenommenen Wärmeleitzahl der Schüttung in Rohe von 0,5 keal/mh 0C, einer zulässigen Betontemperatur in Höhe von 60°C und einer Reaktortanktemperatur in Höhe von 300 0 beträgt die erforderliche Dicke x der Schüttung 0,24 m, wenn ein Wärmefluß nicht größer als 500 kcal/m2 h zum Betonkessel angestrebt wird.
• Die Trockenhaltung der Schüttung kann dabei beispielsweise durch einen durchströmenden warmen Luftstrom gewährleiatet werden, so daß such bei kleinen etwa auftretenden Lecks keine Konvektionsbrücken auftreten.
• 5 Patentansprüche 1 Fig.

Claims (5)

1. Patentansprüche

   Warmeisolierung für Spannbetondruckbehälter, insbesondere für Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zu isolierenden heißen Reaktortank (1) und der kalten Stahldichthaut (2) eine körnige Schüttung (4) aus wärmeisolierendem und temperaturbeständigem keramischen Material vorgesehen ist.
2. 2. Wärmeisolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttung aus gebrannten Körnern mit einem Anteil von etwa 45-55 Vol. % Tonsubstanz, 25 Vol. % Quarz und 20-30 Vol. % Feldepat besteht.
3. 3. Wärmeisolierung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dia Körner der Schüttung (4) sphärische Form aufweisen.
4. 4. Wärmeisolierung nach Anspruch 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttung aus mindestens zwei Durchmesserfraktionen besteht, deren Grobfraktion zuerst eingefüllt und vibrationsverdichtet und die Feinfraktion mittels Infiltrationstechnik zwischen di. Grobfraktion gebraucht wird.
5. 5. Wärme isolierung nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttung trocken gehalten wird.