DE2059975B2 - Bruchsicherung fuer druckbehaelter von kernreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bruchsicherung für Druckbehälter von Kernreaktoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Durch die zunehmende Größe der Druckbehälter von Atomkernreaktoren und durch das Bestreben, Kernkraftwerke in der Nähe oder in Gebieten hoher Bevölkerungsdichte aufzustellen, ist bei der Sicherheitsauslegung des Reaktors in zunehmendem Maße einem Unfall durch plötzlichen Bruch des Reaktordruckbthälters Rechnung zu tragen.

In diesem Zusammenhang sind schon mehrere Maßnahmen vorgeschlagen worden, um beispielsweise den Reaktordeckel auch beim Bruch sämtlicher Deckelschrsiuben mit Hilfe einer Fangkonstruktion oder eines zweiten Fangdeckels niederzuhalten. Derartigt' Konstruktionen bieten jedoch nur Sicherheit gegen der. Bruch des Reaktordeckels, nicht aber gegen den Bruch des eigentlichen Druckbehälters. Außerdem sind solche Niederhalteeinrichtungen derart groß und schwer, daß ihre Herstellung und ihr Transport außerordentliche Schwierigkeiten bereitet.

Dahei ist besonders: ein alteret Vorschlag von Bedeutung, nach dem ein zumindest den oberen Bereich des Druckbehälters im Abstand umgebender Schutzzylinder und ein die Druckbehälterdeckelschrauben und die Oberkante des Schutzzylinders überdeckender Fangring vorgesehen sind. Bei einem Bruch des oberen Teils des Druckbehälters kann dabei die Beschleunigungsstrecke für wegfliegende Teile bis zum Auftreffen auf den Schutzzylinder durch Einsatz von Füllstücken begrenzt werden.

ι ο Schwierigkeiten ergeben sich jedoch beim Schutz des Druckbehälterteiis unterhalb der Kühlmittelstutzen, insbesondere bei einem vollständigen Umfangriß im Unterteil des Druckbehälters und einer Beschleunigung der wegfliegenden Teile nach unten.

Aus der Patentschrift 42 722 der DDR ist auch ein Kernreaktor bekannt, dessen Reaktordruckbehälter an einem ihn umgebenden Mantel über eine Schüttung aus Stahlkugeln abgestützt ist, die als Wärme- und Strahlenschutz dienen sollen. Der Mantel ist jedoch nach der zeichnerischen Darstellung zu dünn, als daß er bei einem Bruch des Reaktordruckbehälters die Funktion einer Bruchsicherung ausüben könnte.

Aus der GB-PS 9 60 789 kennt man ferner eine zusätzliche Umhüllung für die Unterseite eines aus Metall bestehenden Reaktordruckbehälters, die als äußerer Kühlmitteltank für eine Verringerung der Wärmebeanspruchung des Reaktordruckbehälters dienen soll. Auch hier kann man aber aus den Abmessungen schließen, daß an einen Schutz der Umgebung des Reaktordruckbehälters gegen die bei einem Bersten bestehende Gefahr umhergeschleuderter Bruchstücke offensichtlich nicht gedacht ist. Gerade diese Aufgabe liegt aber der Erfindung zugrunde.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bruchsicherung für zylindrische Druckbehälter von Kernreaktoren mit Kühlmitteln- und -austrittsstutzen zu schaffen, bei der beim Bersten wegfliegende Teile sicher abgefangen werden, ohne daß die Bruchsicherung durchschlagen werden kann. Dabei soll mit geringen Wandstärken auszukommen sein, damit der Aufwand für die Bruchsicherung in wirtschaftlich tragbaren Grenzen bleibt, denn schließlich ist der Druckbehälter ja so ausgelegt, daß er nicht bersten wird.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Bruchsicherung dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß der Druckbehälter unterhalb der Druckbehälterstutzen von einem topfförmigen Schutzbehälter umgeben ist, der im zylindrischen Teil mindestens in zwei Lagen ausgeführt und so dimensioniert ist, daß er die bei Bruch des Druckbehälters wegfliegenden Teile, ohne durchschlagen zu werden, abfängt.

Durch diese mehrlagige Ausgestaltung des Schutzbehälters werden schlagartige Beanspruchungen besser aufgenommen und außerdem wird die Durchschlagsfestigkeit bei scharfkantigen Bruchstücken erhöht. Gleichzeitig werden durch Wegfall eines speziellen Schlagschutzes Fertigung, Transport und Montage der Bruchsicherung erhöht.
Um eine gleichmäßige Beanspruchung der Schutzbe-

(.0 hälterwandung zu gewährleisten, kann die innerste I .agc des zylindrischen Teils des Schutzbehälters vorteilhaft in gleicher Wanddicke wie die untere Schutzbehälterkalotte ausgeführt sein. Die mehrlagige Ausführung des zylindrischen Teils des Schutzbehälters kann dadurch

'15 erreicht werden, daß die innere Lage von einem weiteren Schutzring umgeben oder daß die innere Lage des Schutzbehälter mehrlagig mit einem Blechband umwickelt ist.

Der Schutzbehälter selbst sollte im Betrieb bis auf einen durch Differenzwärmedehnungen und Fertigungstoleranzen bedingten Spalt am Druckbehälter anliegen. Man vermeidet dadurch, dali größere Wege für eine Beschleunigung von Bruchstücken zur Verfügung stehen.

Zur Vereinfachung der Herstellung und zur Erleichterung des Transportes ist es zweckmäßig, wenn der Tragflansch am oberen Ende des Schutzbehälters als Losflansdi ausgeführt und der Flanschbund mit der zylindrischen Innenlage des Schutzbehälters verschweißt ist

Es empfiehlt sich, bei einem Bruch des Druckbehälters einen unzulässigen Druckaufbau im Schutzbehälter zu vermeiden. Dazu kann man nach einer Weiterbildung der Erfindung so vorgehen, daß einerseits die Fugen und öffnungen des Schutzbehälters innerhalb des biologischen Schildes soweit abgedichtet sind und andererseits der Schutzbehälter mit Ausströmspalten in außerhalb des biologischen Schildes liegende Räume versehen ist, daß sich bei einem Bruch des Druckbehälters innerhalb des vom biologischen Schild umschlossenen Raumes höchstens ein Druck von 6 atü aufbaut.

An Hand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise nach der Erfindung näher erläutert, ^s Dabei zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch den gesamten Schlagschutz für einen Druckbehälter,

F i g. 2 einen Querschnitt durch den Druckbehälter mit dem entsprechenden Schlagschutz entsprechend der Schnittlinie 1I-II nach F i g. 1 und

Fig.3 einen Ausschnitt a der Querschnittszeichnung nach Fig. 1.

Nach F i g. 1 ist der eigentliche Reaktordruckbehälter 1, der aus dem sphärisch gewölbten Deckel 2, dem zylindrischen Unterteil 3 und der Bodenkalotte 4 besteht und der mit den Kühlmittelein- und -austrittsstutzen 5 versehen ist, von einem Betonzylinder 6 umgeben, der als biologischer Schild wirkt. Der Druckbehälter 1 ist entsprechend einem älteren Vorschlag im oberen Bereich im vorgegebenen Abstand von einem Schutzzylinder 7 umgeben, der im Oberteil aus einem lose aufgesetzten zylindrischen Schuß 11 hergestellt ist. Ferner ist oberhalb der Druckbehälterdeckelschraube 8 ein Fangring 9 angeordnet, der die 4s Deckelschrtiuben 8 und die Oberkante des Schutzzylinders 7 überdeckt. Der Fangring 9 ist über Schrauben 10, die innerhalb des Schutzzylinders 7 verlaufen, mit einem unterhalb der Druckbehälterstutzen 5 angeordneten Tragring 21 lösbar verbunden. Ferner kann es zweckmäßig sein, wenn oberhalb des Druckbehälterdeckels 2 noch ein sogenannter Fangdeckel 12 angeordnet ist, der dabei ebenfalls vom Fangring 9 niedergehalten wird.

Zum Schutz des Druckbehälter? 1 unterhalb der Druckbehälterstutzen 5 ist erfindungsgemäß der zylindrische Teil 3 und die Bodenkalotte 4 des Dmckbehälters 1 von einem topfförmigen Schutzbehälter 14 umgeben. Dieser Schutzbehälter 14 besteht, wie insbesondere aus Fig. 3 zu ersehen ist, aus dem 1«' mehrlagigen zylindrischen Teil 15, einem oberen Tragflansch 16 sowie der Bodenkalotte 17. Dieser Schutzbehälter 14 soll den eigentlichen Druckbehälter f möglichst dicht anliegend umgeben. Wegen Fertigung?· toleranzen und der Differenzwärmedehnunp zwischer ^h: beiden Behältern sind jedoch minimale Ausgleiehsspahc erforderlich, die wiederum eine Beschleunigungsstrecke für Rnichstücke im Fall eines Behälterbruches darstel-

Um den Ausgleichsdruck nach Bruch des Reaktordruckbehälters 1 aufzunehmen, ist im zylindrischen Teil 15 des Schutzbehälters 14 die doppelte Wandstärke wie in der Kalotte 17 erforderlich. Im Falle eines vollständigen Umfangsrisses im Unterteil des Reaktordruckbehälters 1 werden die abgerissenen Teile in axialer Richtung beschleunigt und schlagen auf die Kalotte 17 des Schutzbehälters 14 auf. Wäre ein Wanddickensprung zwischen Kalotte 17 und zylindrischem Teil 15 vorhanden, so würde nur dieser Übergangsbereich plastisch verformt und eventuell örtlich überbeansprucht werden, der zylindrische Teil 16 jedoch nur elastisch beansprucht Um die Schlagenergie jedoch weitgehend durch plastische Längung des langen zylindrischen Schutzbehälterteils 15 aufnehmen zu können, wird dieser Zylinderteil 15 erfindungsgemäß mindestens in zwei Lagen ausgeführt. Dabei hat die innerste Lage 18 die Wandstärke der Behälterkalotte 17 und nimmt die Schlagenergie durch geringfügige plastische Dehnung auf. Gegen eine Beanspruchung durch Innendruck wird diese innere Lage 18 in radialer Richtung durch beispielsweise einen äußeren Ring 19 abgestützt, der einteilig sein kann, zweckmäßigerweise jedoch mehrlagig ausgeführt ist. Bei einer mehrlagigen Bauweise wird dabei auf den inneren Schutz 18 eventuell nach kompletter Fertigung und Prüfung ein Blechband 19 aufgewickelt und außen durch eine axiale Naht gehalten. Dadurch fallen die schwer herstell- und prüfbaren Umfangsnähte in einem Mehrlagenring und alle Anpassungsprobleme weg, so daß Fertigung und Prüfung wesentlich erleichtert werden.

Infolge dieser konstruktiven Gestaltung wird der Schutzbehälter 14 auch dann nicht undicht, wenn bei Längsrissen im Reaktordruckbehälterunterteil 3 oder 4 scharfkantige Bruchstücke die innere Wand 18 durchschlagen sollten, sondern der Schutzbehälter 14 wird — dank der Dämpfung und Verformungsfähigkeit der Blechlagen — nur örtlich ausgebeult.

Um die Fertigung und den Transport des Schutzbehälters 14 zu erleichtern, ist es zweckmäßig, wenn der Tragflansch 16 als Losflansch ausgeführt wird, wobei dann der Flanschbund 20 als Schmiedeteil gefertigt und mit der zylindrischen Innenlage 18 des Schutzbehälters 14 verschweißt werden kann. Auf diese Weise ist der eigentliche Tragflansch 21 als einteiliges Gußstück herstellbar, was von besonderem Vorteil ist, da die erforderlichen Wanddicken für einen derartigen Flansch ohnehin nicht mehr stark durchgeschmiedet werden könnten.

Durch diese Konstruktion des Flansches vermeidet man auch Schwierigkeiten, die durch Lunker im Gußstück beim direkten Verschweißen des Flansches mit dem Schutzbehälter zu erwarten sind. Außerdem können Schutzbehälter und Tragflansch getrennt transportiert und im Gebäude montiert werden.

Der Druckbehälter 1 stützt sich dabei über die Tragpratzen 31 auf dem Tragflansch 21 ab, der wiederum über Stützen 32 und die Widerlager 33 im biologischen Schild 5 verankert ist.

Bei einem Bruch des Reaktordruckbehälters 1 oder der Stutzen 5 baut sich im Schutzbehälter 14 in kürzester Zeit der Primärkreisdruck auf. Gleichzeitig beginnt das Dampf·Wasser-Gemisch, durch den Snail 23 /wischen den in der bereits beschriebenen .Schutzzylinder 7 eingeschweißten und die Druckbehälterstutzen 5 mit Spiel umgebenden Verstärkungsstutzen 22 und den Primärrohrleitungen 24 auszuströ-

men. Dadurch kann sich jedoch zwischen der Bruchsicherung 14 und dem biologischen Schild 6 ein einseitig nach oben wirkender Druck aufbauen. Um ein Hochsteigen der Bruchsicherung 14 und des Reaktordruckbehälters 1 jedoch zu vermeiden, werden deshalb an die äußeren Enden der Verstärkungsstutzen 22 konzentrische Ausströmrohre 25 angeschweißt, durch die das Dampf-Wassergemisch in die zum biologischen Schild 6 benachbarten Räume 26 ausströmt. Die Ausströmquerschnitte der Spalte 23 lassen sich dabei mit Hilfe von Kolbenringen 27 unabhängig von Verschiebungen zwischen Reaktordruckbehälter 1 und Schutzbehälter 14 definiert einstellen.

Um die restlichen Leckagen aus den Behälterfugen zu verkleinern oder zu unterbinden, werden außerdem in die Ecken zwischen Tragflansch 21 und Schutzzylinder 7 sowie den übrigen Behälterfugen Winkelprofile 28 eingelegt, die für die Druckprobe zusätzlich durch Gummileisten abgedichtet werden können. Die noch vorhandenen Restleckagen im Falle des Kesselbruchs werden durch einen Ringspalt 29 an der Oberkante des über die Primärrohrleitungen 24 hochgezogenen biologischen Schildes 6 abgeführt, der durch einen leicht berstenden Metallbalg 30 abgedichtet sein kann.

Durch die mehrlagige Ausführung des Schutzbehälters bleibt dieser Behälter auch ohne zusätzlichen Schlagschutz nach Aufprall der denkbar größten Bruchstücke aus dem Reaktordruckbehälter dicht. Darüber hinaus ist der Schutzbehälter so dimensioniert,

ίο daß die Verlagerung des Kerns bei vollständigem spröden Abreißen der Reaktordruckbehälterkalotte minimal klein bleibt, so daß die Integrität des Kerns und damit seine Nachkühlbarkeit gewährleistet sind. Ferner ergibt sich keine Veränderung der Kerngeometrie durch Strömungskräfte, da die Ausströmraten aus der Bruchsicherung definiert klein gehalten werden. Außer diesen beträchtlichen sicherheitstechnischen Vorteilen ermöglicht die beschriebene Konstruktion auch beträchtliche Vereinfachung bei der Fertigung, dem Transport und der Montage ihrer Einzelteile.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Bruchsicherung für zylindrische Druckbehälter von Kernreaktoren mit Kühlmittelein- und -austrittsstutzen, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (1) unterhalb der Druckbehälterstutzen (5) von einem topfförmigen Schutzbehälter (14) umgeben ist, der im zylindrischen Teil (15) mindestens in zwei Lagen (18,19) ausgeführt und so dimensioniert ist, daß er die bei Bruch des Druckbehälters wegfliegenden Teile, ohne durchschlagen zu werden, abfängt

2. Bruchsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innerste Lage (18) des zylindrischen Teils (15) des Schutzbehälters (14) die gleiche Wanddicke wie die untere Schutzbehälterkalotte (17) aufweist

3. Bruchsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzbehälter (14) bis auf einen durch Differenzwärmedehnungen und Fertigungstoleranzen bedingten Spalt am Druckbehälter (1) anliegt.

4. Bruchsicherung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragflansch (16) am oberen Ende des Schutzbehälters (14) als Losflansch (20,21) ausgeführt und der Flanschbund (20) mit der zylindrischen Innenlage (18) des Schutzbehälters (14) verschweißt ist.

5. Bruchsicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Lage (18) des Schutzbehälters (14) mehrlagig von einem Blechband (19) umwickelt ist.

6. Bruchsicherung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits die Fugen und Öffnungen des Schutzbehälters (14) innerhalb des biologischen Schildes (6) soweit abgedichtet sind und andererseits der Schutzbehälter (14) mit Ausströmspalten (23) in außerhalb des biologischen Schildes (6) liegende Räume (26) versehen ist, daß sich bei einem Bruch des Druckbehälters (1) innerhalb des vom biologischen Schild (6) umschlossenen Raumes (31) höchstens ein Druck von 6 atü aufbaut.