DE19844984A1 - Kerntechnische Anlage - Google Patents

Abstract

Zur Wärmeisolierung einer in einem Wärmekreislauf (6, 10) geschalteten Komponente (16) einer kerntechnischen Anlage (1) sind üblicherweise mit Isolationsmaterial gefüllte Isolierkassetten vorgesehen. Um den Abfall an Isolationsmaterial zu reduzieren, ist erfindungsgemäß die Komponente (16) mit einer Anzahl von Isolationselementen (18, 18A, 18B, 18C) versehen, welche ein evakuierbares Innenvolumen (I) aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine kerntechnische Anlage mit minde­ stens einer in einem Wärmekreislauf geschalteten Komponente, z. B. einer Rohrleitung oder einem Behälter.

Bei einer kerntechnischen Anlage, z. B. einem Siedewasser­ reaktor oder einem Druckwasserreaktor mit einem Reaktordruck­ behälter, wird die im Reaktorkern freigesetzte Wärme zur Er­ zeugung von Dampf für eine Dampfturbine verwendet. Die Wärme- oder Energieübertragung erfolgt üblicherweise in ein oder mehreren heißes Wasser oder heißen Dampf führenden Wärme­ kreisläufen, die beispielsweise in den Primärkreislauf für den Reaktorkern und den Sekundärkreislauf für die Dampfturbi­ ne unterteilt sind. Der Wärmekreislauf umfaßt üblicherweise mehrere miteinander verbundene Komponenten. Je nach Auslegung und Einsatzart des Wärmekreislaufs sind als Komponenten bei­ spielsweise eine Rohrleitung, ein Behälter oder eine Armatur, z. B. ein Ventil, vorgesehen.

Jede Komponente wird beim Betrieb der kerntechnischen Anlage üblicherweise durch das sie durchströmende heiße Medium, z. B. Wasser oder Dampf, aufgeheizt. Bedingt durch die star­ ken Temperaturbelastungen wird zur Verminderung von Wärmever­ lusten durch Strahlung und Konvektion jede Komponente mittels isolationsmaterial isoliert. Üblicherweise wird als Isolati­ onsmaterial Mineralwolle, Glaswolle oder Fiberglas, das von einem Blechgehäuse umgeben ist, verwendet. Eine derartige Isolierung wird als Matratzen- oder Kassettenisolierung be­ zeichnet.

Infolge von Temperaturschwankungen oder Strömungspulsationen, bei denen die von dem Medium durchströmte Komponente einer mechanischen und thermischen Beanspruchung ausgesetzt ist, oder bedingt durch äußere Einflüsse kann es zu einer Beschä­ digung der Isolierung kommen. Derartige Beschädigungen, z. B. das Aufreißen der Isolierung oder das Herausreißen von Isola­ tionsmaterial, haben zur Folge, daß durch die dabei freige­ setzten Isolationsmaterialien oder Bruchstücke, wenn diese insbesondere flusenartig ausgebildet sind, ein unterhalb des Reaktorkerns angeordneter Auffangbehälter oder eine Rückhal­ teeinrichtung verstopft werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kern­ technische Anlage der obengenannten Art weiterzubilden, daß bei besonders hoher Isolationswirkung eine Verstopfung der Rückhalteeinrichtung sicher vermieden ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem die in dem Wärmekreislauf geschaltete Komponente zur Wärmeisolation mit einer Anzahl von Isolationselementen versehen ist, welche ein evakuierbares Innenvolumen aufweisen.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß eine Verstopfung der Rückhalteeinrichtung durch Bruchstücke des Isolationsmaterials sicher vermieden ist, indem das Isolati­ onselement flusenfrei gebildet ist. Um dabei eine besonders hohe Isolationswirkung sicherzustellen, sollte das jeweilige Isolationselement einen besonders geringen Wärmeübergangs­ koeffizienten aufweisen. Der Wärmeübergang ist insbesondere bei einem Isolationselement besonders gering, welches als ein Hohlkörper ausgeführt ist. Durch die Ausbildung des Isolati­ onselements als Hohlkörper, der aus Blechen gebildet sein kann, ist das Isolationselement flusenfrei. Die Isolations­ wirkung ist dabei durch eine Innenevakuierung des Hohlraumes oder Innenvolumens erhöht. Dazu ist das aus mehreren Wandbe­ reichen gebildete Isolationselement vorteilhafterweise vaku­ umdicht verschweißt.

Die Isolationswirkung kann wesentlich dadurch erhöht werden, daß mindestens eine das Innenvolumen des Isolationselements bildende Grenzfläche verspiegelt ist. Die verspiegelte Grenz­ fläche bewirkt eine Reflexion der Wärmestrahlung, wodurch ge­ währleistet ist, daß die Wärmeverluste der zu isolierenden Komponente gering gehalten werden.

Vorteilhafterweise ist das Isolationselement derart direkt an der Komponente angeordnet, daß diese in einem Teilbereich ei­ ne Grenzfläche für das Innenvolumen bildet. Durch die direkte Anordnung des Isolationselements an der Komponente ist insbe­ sondere bei einer großflächigen Komponente eine besonders einfache und montagefreundliche Bauweise erreichbar. Zudem ist die bei einer Beschädigung des Isolationselements eventu­ ell anfallende Abfallmenge reduziert auf herausgerissene Bruchstücke der Außenhaut des Isolationselements. In Abhän­ gigkeit von der Wärmestrahlung der Komponente ist vorteilhaf­ terweise entweder die Grenzfläche des Isolationselements oder die Grenzfläche der Komponente verspiegelt. Es können auch beide Grenzflächen verspiegelt sein. Alternativ kann anstelle einer Verspiegelung der Grenzfläche diese eine rauhe Oberflä­ che aufweisen. Die Aufrauhung der Oberfläche bewirkt eine Stauung der Wärmestrahlung, wodurch die Wärmeisolationswir­ kung des Isolationselements positiv beeinflußt wird.

Zweckmäßigerweise weist mindestens ein Wandbereich des Isola­ tionselements - also derjenige Wandbereich des Isolationsele­ ments, der die der Komponente abgewandte Innenseite des In­ nenvolumens begrenzt - ein Profil auf. Dabei ist das Profil bevorzugt durch eine wellenförmige Oberflächenstruktur oder durch einzelne Vertiefungen, z. B. Sicken, gebildet. Eine sol­ che Profilierung des Wandbereichs bewirkt eine besonders hohe Vakuumfestigkeit des Isolationselements, selbst bei geringfü­ gigen mechanischen Verformungen. Für eine besonders robuste und vakuumfeste Ausführung des Isolationselements ist dieses vorzugsweise aus austenitischem Stahl gebildet. Die Vakuumfe­ stigkeit ist dabei durch die gewählte Dicke und Profilierung des Stahls bestimmt. Durch die Verwendung von austenitischem Stahl sind sowohl eine Verspiegelung der Grenzfläche des Iso­ lationselements als auch die Profilierung des Wandbereichs besonders einfach ermöglicht.

Ferner ist in vorteilhafter Ausgestaltung zur Formstabilität des Isolationselements mindestens ein Abstandshalter vorgese­ hen. Der Abstandshalter ist dabei zwischen der Grenzfläche der Komponente oder einem Wandbereich des Isolationselements und einem gegenüberliegenden Wandbereich des Isolationsele­ ments angeordnet. Je nach Größe des Innenvolumens des Isola­ tionselements können mehrere Abstandshalter vorgesehen sein. Darüber hinaus bewirkt der Abstandshalter neben einer beson­ ders guten Formstabilität auch ein Abfangen der aus thermi­ schen und mechanischen Beanspruchungen resultierenden Bewe­ gungen ("Einbeulen") des Wandbereichs des Isolationselements.

Um eine zusätzliche Reflektorwirkung erzielen zu können, weist das Innenvolumen des Isolationselements vorteilhafter­ weise eine Anzahl von Spiegelelementen auf. In Abhängigkeit von der zu erzielenden Wärmeisolierung der Komponente können mehrere Spiegelelemente in mehreren jagen übereinander, z. B. schichtweise oder stapelweise, im Innenraum des Isolationse­ lements angeordnet sein. Die mehrere Lagen oder Schichten bildenden Spiegelelemente bewirken eine mehrfache Spiegelung, wodurch die Wärmestrahlung der Komponente aufgrund des Kaska­ deneffekts reduziert ist. Insbesondere ist - bei gleicher Isolationswirkung - das Isolationselement mit vergleichsweise geringerer Dicke ausführbar.

Zweckmäßigerweise ist das jeweilige Spiegelelement aus einer Metallfolie gebildet, welche insbesondere beidseitig verspie­ gelt ist. Ein derartig dünnes Spiegelelement ermöglicht ein besonders kleinvolumiges und demzufolge besonders klein be­ messenes Isolationselement bei besonders hoher Wärmeisola­ tionswirkung. Darüber hinaus ist ein ein solches Spiegelele­ ment umfassendes Isolationselement besonders kostengünstig herstellbar.

Je nach Größe und Abmessung der zu isolierenden Komponente sind vorteilhafterweise eine Anzahl von im Querschnitt die Komponente vollständig umschließenden Isolationselementen vorgesehen. Beispielsweise kann eine als eine Rohrleitung ausgeführte Komponente durch zwei schalenförmige Isolationse­ lemente umschlossen sein, welche mittels Befestigungselemen­ ten miteinander verbunden sind. Eine derartige aus mehreren Modulen zusammengesetzte wärmeisolierende Umhüllung der Kom­ ponente ermöglicht einen besonders einfachen Austausch eines defekten oder beschädigten Isolationselements. Durch das Her­ ausnehmen einzelner Isolationselemente sind darüber hinaus Wartungsarbeiten oder Sichtkontrollen an dem freigelegten Teilbereich der Komponente ermöglicht. Bei dem direkt an der Komponente angeordneten Isolationselement wird für Wartungs­ arbeiten an der Komponente eine zwei Wandbereiche des Isola­ tionselements verbindende Dichtnaht, z. B. eine Schweißnaht, aufgetrennt.

Zweckmäßigerweise ist das Isolationselement mittels minde­ stens eines umlaufenden Spannelements an der Komponente ge­ halten. Um ferner bei einem Leck der Komponente ein Heraus­ dringen des die Komponente durchströmenden Mediums zu verhin­ dern, ist vorzugsweise zwischen zwei aneinander anschließen­ den Isolationselementen mindestens ein Dichtelement, z. B. ein Dichtgummi, angeordnet. Hierdurch wird insbesondere eine Luftzirkulation (Konvektion) zwischen der Oberfläche der Kom­ ponente und der Umgebung verhindert, indem die Isolationsele­ mente möglichst dicht aneinander anschließen. Vorteilhafter­ weise sind die aneinander anschließenden Wandbereiche der beiden Isolationselemente angeschrägt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde­ re darin, daß bei einem innenevakuierten Isolationselement eine besonders große Wärmeisolationswirkung auch ohne Verwen­ dung von flusenhaltigem Isolationsmaterial ermöglicht ist. Insbesondere tritt bei einem innen evakuierten Isolationsele­ ment keine Konvektion und nur sehr geringe Wärmeleitung über die Wände des Isolationselements auf. Darüber hinaus ist die Abmessung eines innenevakuierten und zusätzlich mit einer verspiegelten das Innenvolumen bildenden Grenzfläche versehe­ nen Isolationselements gegenüber der Abmessung eines mit ei­ nem Isolationsmaterial, z. B. Gas oder Füllstoff, gefüllten Isolationselements besonders deutlich reduziert. Mit einem derartigen Isolationselement läßt sich eine Doppelfunktion erreichen - besonders hohe Wärmeisolationswirkung bei gleich­ zeitiger Vermeidung von Abfall durch Isolationsmaterial.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich­ nung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer kerntechnischen Anlage,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer mit einer An­ zahl von Isolationselementen versehenen Komponente in Draufsicht,

Fig. 3 schematisch eine Komponente im Längsschnitt und

Fig. 4 schematisch eine Komponente im Querschnitt.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine kerntechnische Anlage 1 mit einem in einem Reaktorbehälter 2 angeordneten Reaktorkern 4. Die durch den Reaktorkern 4 erzeugte Wärme wird über einen Primärkreislauf 6 einem Dampferzeuger 8 zugeführt. Das auf der Sekundärseite dem Dampferzeuger 8 zugeführte Speisewasser nimmt die Wärme aus dem Primärkreislauf 6 auf und verdampft. Der so erzeugte Dampf wird über einen Sekundärkreislauf 10 einer Dampfturbine 12, die mit einem Generator 14 zur Stromerzeugung gekoppelt ist, zugeführt. Der Primärkreislauf 6 und der Sekundärkreis­ lauf 10 bilden den Wärmekreislauf der kerntechnischen Anlage und umfassen eine Anzahl von Komponenten 16, z. B. ein Lei­ tungsteilstück, eine Rohrleitung, einen Behälter oder eine Armatur.

In Fig. 2 ist als Komponente 16 eine Rohrleitung darge­ stellt, die mit einer Anzahl von Isolationselementen 18 ver­ sehen ist.

Die Isolationselemente 18 sind innen hohl und beispielsweise schalenförmig ausgeführt. Die Isolationselemente 18, auch Isolierkassetten genannt, umschließen dabei die zu isolieren­ de Komponente 16 im Querschnitt vollständig. Darüber hinaus sind die Isolationselemente 18 mittels eines umlaufenden Spannelements 20 an der Komponente 16 gehalten. Die Anzahl der Spannelemente 20 ist durch die Länge oder Form der Kompo­ nente 16 bestimmt.

Je nach Aufbau der Komponente 16 oder des Wärmekreislaufsys­ tems kann von der Komponente 16 eine Teilleitung 22 abzwei­ gen. Diese ist durch das Isolationselement 18 hindurchge­ führt. Dazu ist eine entsprechende Öffnung zur Führung der Teilleitung 22 in dem betreffenden Isolationselement 18 vor­ gesehen. Vorzugsweise ist zwischen der Teilleitung 22 und dem angrenzenden Isolationselement 18 mindestens ein Dichtelement 24, z. B. ein Dichtring oder eine Dichtmasse, eingefügt.

Für eine besonders hohe Wärmeisolationwirkung weisen die Iso­ lationselemente 18 jeweils ein evakuierbares Innenvolumen I auf. Zur Evakuierung oder zum Leerpumpen des Innenvolumens I weist jedes Isolationselement 18 mindestens eine als Stutzen ausgeführte Anschlußstelle 26 auf, an welche ein Ventil 28 angeschlossen ist. Darüber hinaus dient die Anschlußstelle 26 zur Überprüfung des Vakuums. Dazu wird beispielsweise ein nicht dargestelltes Druckmeßgerät an die Anschlußstelle 26 angeschlossen. Je nach Größe und Abmessung des jeweiligen Isolationselements 18 können mehrere Anschlußstellen 26 vor­ gesehen sein.

Durch das evakuierte Innenvolumen I ist besonders vorteilhaft gewährleistet, daß die Konvektion in dem Isolationselement 18 vermieden ist. Darüber hinaus ist auch die Wärmeleitung des innenevakuierten Isolationselements 18 durch Wegfall von Iso­ lationsmaterialien, wie z. B. Gas oder Füllstoff, welche die Innenräume eines Isolationselements 18 normalerweise ausfül­ len, deutlich reduziert. Um eine Formstabilität des Isolati­ onselements 18 gegenüber den durch die Innenevakuierung ver­ ursachten Druck zu erzielen, ist das Isolationselement 18 aus austenitischem Stahl gebildet.

Fig. 3 zeigt die Komponente 16 mit Isolationselementen 18, 18A, 18B, die verschiedene Ausführungsformen darstellen, im Längsschnitt. Die Wärmeisolationswirkung wird noch dadurch deutlich erhöht, indem beispielsweise mindestens eine das In­ nenvolumen I bildende Grenzfläche 30 des Isolationselements 18 verspiegelt ist. Die verspiegelte Grenzfläche 30 bewirkt eine Reflexion der Wärmestrahlung, wodurch gewährleistet ist, daß die Wärmeverluste der zu isolierenden Komponente 16 ge­ ring gehalten werden. Bevorzugt ist die Grenzfläche 30 in Ab­ hängigkeit von der geforderten Reflexionswirkung mit einem metallischen Stoff, z. B. Silber oder Chrom, beschichtet. Die metallische Schicht bildet dann eine Spiegelfläche. Alterna­ tiv kann anstelle der Verspiegelung der Grenzfläche 30 auch eine rauhe Oberfläche ausreichend sein.

Aufgrund des durch die Innenevakuierung auf das Isolationse­ lement 18 wirkenden Drucks ist ein Abstandshalter 32 vorgese­ hen. Der Abstandshalter 32 ist bevorzugt einseitig, z. B. an der die Außenfläche des Isolationselements 18 bildenden Grenzfläche 30, befestigt. Ein dabei gebildeter Spaltbereich 34 zwischen dem Ende des Abstandshalters 32 und der gegen­ überliegenden Grenzfläche 30 begrenzt die durch thermische oder mechanische Beanspruchung verursachte Bewegung der Kom­ ponente 16 oder des Isolationselementes 18.

Das alternativ ausgeführte Isolationselement 18A weist in ei­ nem Außenwandbereich 36A ein Profil, z. B. eine wellenförmige Oberflächenstruktur, auf. Durch die wellenförmige Oberflä­ chenstruktur des Wandbereichs 36A kommt es bevorzugt zu einer Streuung der Wärmestrahlung der Komponente 16, wodurch die Wärmeisolation des Isolationselements 18A besonders wirksam ist. Darüber hinaus bewirkt die profilartige Ausführung des Wandbereichs 36A eine besonders hohe Steifigkeit, Druckfe­ stigkeit und Formstabilität des Isolationselements 18A.

Das weitere, alternativ ausgeführte Isolationselement 18B weist eine Anzahl von Spiegelelementen 38, die die Wärmeiso­ lationswirkung durch eine zusätzliche Reflektorwirkung ver­ stärken. Für eine besonders kleinvolumige Abmessung des Iso­ lationselements 18B sind die Spiegelelemente 38 jeweils aus einer beidseitig verspiegelten Metallfolie gebildet. Durch die mehrlagige Anordnung mehrerer Spiegelelemente 38 wird ei­ ne mehrfache Spiegelung der Wärmestrahlung erreicht, wodurch die Wärmeleitung reduziert und die Wärmeisolationswirkung des Isolationselements 18B erhöht ist. Anstelle einer Metallfolie kann auch ein besonders dünnes Blech verwendet werden.

Zwischen aneinander angrenzenden Isolationselementen 18 oder 18A oder 18B ist jeweils ein Dichtelement 40 angeordnet. Wie für die Isolationselemente 18 und 18A gezeigt, sind für eine Vermeidung von Wärmeabstrahlung im Übergangsbereich deren an­ einander angrenzenden Wandbereiche 36 leicht schräg ausgebil­ det und aneinander angepaßt.

Fig. 4 zeigt die als ein Behälter ausgeführte großflächige Komponente 16 mit einem diese in einem Teilbereich umhüllen­ den Isolationselement 18C im Querschnitt. Dabei ist das Iso­ lationselement 18C direkt an der Komponente 16 angeordnet und vakuumdicht an die Komponente 16 angeschweißt. Die Komponente 16 bildet in einem Teilbereich 42 eine Grenzfläche 30A für das Innenvolumen I des Isolationselements 18C. Je nach Anfor­ derung sind sowohl die Grenzflächen 30 als auch die Grenzflä­ che 30A verspiegelt. Zur Evakuierung des Innenvolumens I oder zur Überprüfung des Vakuums ist analog zu dem Isolationsele­ ment 18, eine Anschlußstelle 26, an die ein Ventil 28 und be­ darfsweise ein Druckmeßgerät angeschlossen ist, vorgesehen. Die das Isolationselement 18C bildenden Wandbereiche 36C sind derart miteinander verbunden, z. B. geschweißt, daß das Isola­ tionselement 18C vakuumfest ausgeführt ist. Zur Formstabili­ tät und Druckfestigkeit weist das Isolationselement 18C ana­ log zum Isolationselement 18 einen Abstandshalter 32, der an der Grenzfläche 30A befestigt ist, auf.

Durch das ein evakuierbares Innenvolumen I aufweisenden Iso­ lationselement 18, 18A bis 18C ist der Anfall an Isolations­ material erheblich reduziert. Dies wird insbesondere durch das als Hohlkörper ausgeführte Isolationselement 18, 18A bis 18C bewirkt. Somit ist der Anfall von Füllstoff als Isolati­ onsmittel sicher vermieden. Darüber hinaus wird die Wärmeiso­ lationswirkung des Isolationselementes 18, 18A bis 18C durch innenverspiegelte Grenzflächen 30, 30A oder durch Anordnung von Spiegelelementen 38 im Innenraum wesentlich erhöht.

Claims (11)

1. Kerntechnische Anlage (1) mit mindestens einer in einem Wärmekreislauf (6, 10) geschalteten Komponente (16), die zur Wärmeisolation mit einer Anzahl von Isolationselementen (18, 18A, 18B, 18C) versehen ist, welche ein evakuierbares Innen­ volumen (I) aufweisen.

2. Kerntechnische Anlage (1) nach Anspruch 1, wobei minde­ stens eine das Innenvolumen (I) bildende Grenzfläche (30, 30A) verspiegelt ist.

3. Kerntechnische Anlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Isolationselement (18C) derart direkt an der Komponente (16) gehalten ist, daß diese in einem Teilbereich (42) eine Grenzfläche (30A) für das Innenvolumen (I) bildet.

4. Kerntechnische Anlage (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei mindestens ein Wandbereich (36A) des Isolationselements (18A) ein Profil aufweist.

5. Kerntechnische Anlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zur Stabilisierung des Isolationselements (18, 18C) mindestens ein Abstandshalter (32) vorgesehen ist.

6. Kerntechnische Anlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Isolationselement (18, 18A, 18B, 18C) aus austenitischem Stahl gebildet ist.

7. Kerntechnische Anlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Innenvolumen (I) des Isolationselements (18B) eine Anzahl von Spiegelelementen (38) aufweist.

8. Kerntechnische Anlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Spiegelelement (38) aus einer Metallfolie gebil­ det ist, welche insbesondere beidseitig verspiegelt ist.

9. Kerntechnische Anlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Anzahl von Isolationselementen (18, 18A, 18B, 18C) im Querschnitt die Komponente (16) vollständig um­ schließt.

10. Kerntechnische Anlage (1) nach Anspruch 11, wobei das Isolationselement (18) mittels mindestens eines umlaufenden Spannelementes (20) an der Komponente (16) gehalten ist.

11. Kerntechnische Anlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei zwischen zwei aneinander anschließenden Isolations­ elementen (18, 18A, 18B) mindestens ein Dichtelement (40) angeordnet ist.