DE2138046C2 - Druckbehälter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Druckbehälter mit einer Auskleidung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Druckbehälter ist aus dem Kongreßbericht »Proceedings of the Third i iternational Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, New York 1965, Band 8, Seite 428 bis 430 bekannt Bei diesem Druckbehälter umschließt eine äußere Betonkonstruktion einen mit einer Auskleidung versehenen, eine heiße Flüssigkeit enthaltenden Hohlraum. Zwischen der Auskleidung und der äußeren Betonkonstruktion ist an deren Innenfläche ein Kühlmantel angeordnet; der Zwischenraum zwischen dem Kühlmantel und der Auskleidung ist mit einem Beton hoher Porosität ausgefüllt, der eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist Diese Schicht geringer Wärmeleitfähigkeit dient — zusammen mit dem Kühlmantel — dazu, die äußere Betonkonstruktion gegen die im Innern des Behälters herrschende hohe Temperatur zu isolieren.

Dieser Aufbau des bekannten Druckbehälters hat die Nachteile, daß wegen der geringen Wärmeleitfähigke t der Schicht kein ausreichender Wärmeausgleich in der Auskleidung stattfinden kann, insbesondere, daß sich in dem eingetauchten Teil der Auskleidung heiße Stellen bilden können, und daß in der Auskleidung in Höhe des Flüssigkeitsspiegels ein starkes Temperaturgefälle besteht mit entsprechenden Wärmespannungen, die sich bei Steigen oder Fallen des Flüssigkeitsspiegels rasch ändern können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Druckbehälter zu schaffen, bei welchem sich in dem untergetauchten Teil der Auskleidung eine möglichst gleichförmige Temperatur aufrechterhalten läßt, bei welchem ferner nur kleine Temperaturgradienten und dementsprechend geringe Temperaturspannungen im Bereich des Flüssigkeitsspiegels auftreten und diese sich bei wechselndem Flüssigkeitsspiegel relativ langsam ändern, und bei welchem auch die Sicherheit erhöht wird. Dabei soll die Temperatur der äußeren Betonkonstruktion dennoch niedrig gehalten werden.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zwischen dem Kühlmantel und der Auskleidung befindliche Schicht aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht

Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit der Schicht ergibt sich eine gute Wärmeleitung zwischen verschiedenen Stellen der daran angrenzenden Ausk'eidung. Somit gleichen sich Temperaturunterschiede im untergetauchten Bereich der Auskleidung weitgehend aus, und das Temperaturgefälle in der Auskleidung im Bereich des Flüssigkeitsspiegels wird relativ niedrig gehalten; folglich treten bei Steigen oder Fallen des Flüssigkeitsspiegels auch keine schnellen Temperaturspannungsänderungen auf. Die Schicht hoher Wärmeleitfähigkeit bildet einen zusätzlichen Kühlpfad, über den Wärme abgeführt werden kann, falls die normalen Kühlungen ausfallen; damit wird die Betriebssicherheit erhöht

Die Materialschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit nach der Erfindung und der Kühlmantel dienen unter normalen Arbeitsbedingungen dazu, sowohl die Temperatur der Auskleidung des Behälterinnenraumes innerhalb eng gesteuerter Grenzen als auch die Höchsttemperatur des äußeren Betonmantels auf einem erträglichen Niveau zu halten, wobei die Auskleidung dazu dient, ein Austreten von Flüssigkeit aus dem Behälterinnenraum zu verhindern, und der Kühlmantel eine weitere undurchdringliche Sperre darstellt Unter »heiß« ist eine über etwa i00°C liegende Temperatur zu verstehen. Wenn es sich um einen mit Flüssigmetall gekühlten Kernreaktor handelt, nimmt der Behälterinnenraum einen Vorrat flüssigen Natriums auf, das unter normalen Betriebsbedingungen Temperaturen in der Größenordnung von 400⁰C erreicht, und ferner enthält der Behälterinnenraum Reaktorbauteile, die in diesem Natriumvorrat arbeiten.

In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise dargestellt Es zeigen

F i g. 1 einen Druckbehälter für die Aufnahme eines mit Flüssigmetall gekühlten Kernreaktors im Schnitt nach der Linie I-I in Fig.2;

F i g. 2 den Behälter nach F i g. 1 in Ansicht von oben, wobei die durch die Pfeile A bzw. Äbzw. C bzw. D gekennzeichneten Quadranten eine Draufsicht bzw. etwa horizontal gelegte Schnitte längs der Linien B-B bzw. C-Cbzw. D-D in F i g. 1 kennzeichnen; und

so F i g. 3 eine Einzelheit der Wand des Behälters nach den F i g. t und 2 im Schnitt, jedoch in vergrößertem Maßstab.

Der in den F i g. 1 bis 3 dargestellte Druckbehälter soll einen mit Flüssigmetall gekühlten schnellen Brutreaktor aufnehmen; als Kühlmetall dient Natrium. Bei maximalem Dauerbetrieb erreicht die Temperatur des Natrium-Kühlmittels den Wert von etwa 400⁰C. Während der Erneuerung des Brennstoffs fällt diese Temperatur bis auf etwa 200⁰C Eine Gasschicht oberhalb des flüssigen Kühlmittels wird auf einem Nenndruck von etwa 0,14 N/mm² gehalten. Dazu addiert sich ein maximaler

Natriümdämpfdfuek von etwa 0,175 N/mm² wegen des

in dem Behälter befindlichen Natriums.

Der in den Zeichnungen wiedergegebene Druckbe-

hälter, der in der speziellen, gezeichneten Ausführungsform insgesamt zylindrisch mit vertikaler Zylinderachse ausgebildet ist, weist ein äußeres vorgespanntes monolithisches Betonteil 1 mit außen herumgeführten

Rinnen 2 für die Aufnak.-.ic {nicht dargestellter) Spanndrähte auf. Das Betonteil 1 kann demnach Vorspannung erhalten, indem Draht unter Spannung in die Rinnen 2 gewickelt wird. Statt der in die Rinnen gelegten Spanndrähte können auch (nicht gezeichnete¹! gerade oder gebogene Sehnen verwendet werden. Zusätzlich zu dieser am Umfang angreifenden Vorspannung wirf! aucit eine Vorspannung in der Vertikalen durch insgesamt in vertikaler Richtung verlaufende Spannstähle 3 ausgeübt Das Betonteil 1 umschließt den als Hohlraum für den Natriumvorrat dienenden Behälterinnenraum 4. Bei dein ge^i-.ch;K fen speziellen Druckbehälter hat der Behälterinnenraum 4 einen Durchmesser von etwa 15,2 m und eine Höhe von etwa 18,3 m. Die Gesamtdicke der durch einen Betonmantel 5 gebildeten gebogenen Wand, in der sich der Behälterinnenraum befindet, beträgt etwa 3,4 m, die Bodenplatte 6 unterhalb des Behälterinnenraumes hat eine Gesamtstärke von etwa 4,6 m, und eine Deckplatte 7 über dem Behälterinnenraum ist etwa 3,7 m stark.

Der Behälterinnenraum 4 wird von einer inneren Auskleidung 8 umgeben, deren Innenseite: eine Isolierschicht 9 trägt Diese (im einzelnen nicht darges'ellte) Isolierschicht 9 besteht bei einer Ausführungsform aus herumgeführten Wellblechen, die untereinander- mit weiteren Wellblechen verbunden sind. Die Bleche sind an ihren aneinanderstoßenden Teilen verschweißt oder auf eine andere Weise miteinander verbunden, so daß die öffnungen stillstehende Gasblascn bildea Einzelne Teile der Isolierschicht 9 sind miteinander verschweißt oder auf andere Weise miteinander verbunden, so daß die Schicht 9, als Ganzes betrachtet, dem Durchtritt von Natrium einen maximalen Widerstand entgegensetzt, wobei die Wärmeausdshnung, die auftritt, wenn die Schicht 9 in Berührung mit Natrium kommt, das eine Temperatur von etwa 400⁰C hat, durch Verbiegen der Wellungen aufgenommen wird. Um das Auftreten von Konvektionsströmen in dem in den Taschen der Isolierschicht 9 abgeschlossenen Gas zu verhindern, können diese Taschen mit einem geeigneten Füllmaterial lose gefüllt werden, etwa mit geschmolzener Kieselerde oder Tonerde.

Die Auskleidung 8 besteht aus Metall, etwa aus Flußstahl, und hinter ihr befindet sich eine Schicht aus als Konstruktionsbeton nicht geeignetem Boden, der so aufgebaut ist, daß seine Wärmeleitfähigkeit etwa doppelt so groß ist wie die von normalem Bauwsrksbetoa Um dieser Schicht 10 aus als Konstruktionsbeton nicht geeignetem Beton eine hohe Wärmeleitfähigkeit zu verleihen, kann sie mit Stahlschrot oder Stahlspänen usw. angereichert werden, oder es kann bei der Herstellung des Betons ein natürliches Mineral mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet werden etwa Haematic

Die Schicht 10 aus als Konstruktionsbeton nicht geeignetem Beton ist von dem äußeren, dem Bauwerksbeton des monolithischen Bauteils 1 getrennt durch einen aus einer äußeren Metallauskleidung 11, etwa aus Flußstahl, bestehenden Kühlmantel, wobei der aufrecht stehende, gebogene Teil dieser Auskleidung 11 an seiner Außenseite eine Anordnung von Kühlluftleitungen 12 aufweist Diese Leitungen werden gebildet durch rechteckige Wellblechrinnen, die an der Auskleidung 11 angebracht sindlVerankerungszapfen 13, die von dem äußeren Bauwerksbeton umschlossen sind, durchsetzen die äußere Auskleidung 11 und die Schicht 10 aus als Konstruktionsbeton nicht geeignetem Beton und sind mit drx innenliegenden Auskleidung fest verbunden. Bei einer nicht gezeichneten anderen Ausführungsform werden die Zapfen 13 ersetzt durch Verankerungen, die die Auskleidungen S und 11 miteinander verbinden.

Bei der speziellen AusfOhrng:'' «ϊϊι de» .wiäidwv-'.en Druckbehälters ist die Isolierschitiii S er^a i 2,7 rm stüi k, die Innenauskleidung 8 etwa 2$ cm stark, die Schient 10 von nicht als Konstruktionsbeton brauchbarem Llc-on etwa 3Q₁S cm stark, die äußere Auskleidung 11 etwa 0^5 cm stark, und die Blechrinnen bestehen aus Rinnen von 10,2 χ 10,2 cm. Der äußere Bauwerksbeton ist etwa 2,90 m stark.

Der Bodenteil der äußeren Auskleidung 11 besitzt an ihrer Unterseite zwei Reihen Kühlieilungen 14,15. Die Reihe der Leitungen 14 besteht aus Wellblechrinnen, die in der oben beschriebenen Weise mit der Auskleidung 11 verbunden sind. Die Reihe der Leitungen 15 wird entweder durch Rinnen hergestellt, die an einem Blech befestigt sind, das seinerseits an den Rinnen befestigt ist, die die Reihe der Leitungen 14 bildet, oder durch Leitungen mit Rechteckquerschnitt, die an den Rinnen befestigt sind, die die Reihe der Leitungen 14 bildea Diese beiden Leitungjanordnungen sind so getroffen, daß die Leitungen 14 und 15 rechtwinklig zueinander verlaufen. Instrumente zum Nachweis von Radioaktivi.ät (Instrumente nicht eingezeichnet) sind zur Überwachung der

Abluftenden der Leitungen 14 und 15 vorgesehen, und

(ebenfalls nicht gezeichnete) Ventile sind zum Isolieren einzelner Leitungen 14 und 15 oder von Gruppen dieser

Leitungen vorgesehen. Natürlich ist die Deckplatte 7, obwohl in den Zeich-

nunigen nicht hervorgehoben, mit den erforderlichen Einrichtungen für das Versorgen mit Brennstoff und den sonstigen für den Betrieb erforderlichen Anlagen verseher.
Wie erwähnt, nimmt Natrium als Kühlmittel bei maximalem Dauerbetrieb des in den speziellen beschriebenen Druckbehälter eingebauter. Reaktors eine Temperatur von etwa 400⁰C an. Die Isolierschicht 9 ist so ausgebildet, daß diese Temperatur mit dem Durchschreiten der Isolierschicht 9 auf etwa 200⁰C abfällt, und durch die Leitungen 12 wird Luft in der Weise geblasen, daß unter diesen Umständen die Schicht aus dem als Konstniiktionsbeton nicht geeigneten Beton neben der Auskleidung 8 einem sehr steilen Temperaturgradienten ausgesetzt ist, indem ein Abfall von 200⁰C an der inneren Auskleidung auf 50⁰C an der äußeren Auskleidung in einer Stärke von 30,5 cm stattfinden. Innerhalb der aus Bauwerksbeton bestehenden Wand nimmt diese Temperatur noch von 50° C auf 20° C, d. h. auf Umgebungstemperatur ab.

Wie ebenfalls bereits erwähnt, fällt die Temperatur des Natriumkühlmittels während des Erneuerns des Brennstoffs auf etwa 2C0°C ab, und es ist einzusehen, daß ein entsprechender Temperaturabfall der inneren Auskleidung 8 eine erhebliche thermische Beanspruchung dt. Auskleidung darstellen würde. Außerdem werden durch Belastungsänderungen des Reaktors im normalen Betrieb Temperaturschwankungen des Natriumsi hervorgerufen, die ebenfalls eine Wärmebeanspruchung der Auskleidung 8 bedeuten würden. Um die thermische Beanspruchung an der Auskleidung 8 so niedrig wie möglich zu halten, wird die Temperatur der durch die Leitungen 11 geführten Luft so gesteuert, daß die Temperatur der Auskleidung so weit irgend möglich konstant gehalten wird. Wird der Reaktor zum ersten Mal in Betrieb gi-?<,<■.». cn, so wird daher Warmluft durch ά.. Leitungen <2 geblasen, bis ein Temperatur-Dauerzustand innt.halb der Konstruktion erreicht ist und dann wird rjßerdem das Kühlsystem so eingestellt,

daß die Temperatur des Natriums bis auf Betriebsniveau angehoben wird. Danach werden Änderungen der Temperatur des Natriums, die sich aus Belastungsänderungen des Reaktors ergeben, durch Einstellen der Kühlluftmenge ausgeglichen, die durch die Leitungen geblasen wird Während der Neubeschickung mit Brennstoff wird die Temperatur der durch die Leitungen 12 geblasenen Luft erhöht, um den gesamten Temperaturabfall von der Innenauskleidung 8 zur äußeren Auskleidung U herabzusetzen. Üblicherweise werden an der inneren Auskleidung 8 150° C und an der äußeren Auskleidung Il 80⁰C aufrechterhalten. Der Temperaturgradient in dem äußeren Bauwerksbeton nimmt entsprechend zu, die Maximaltemperatur in dem Bauwerksbeton erreicht 80" C Jedoch sind Temperaturen im Bereich zwischen 50⁰C und 80°C für üblichen Bauwerksbeton noch durchaus erträglich.

Wenn der Reaktor vollständig abgeschaltet und das Natrium herausgezogen werden muß, damit der Reaktor zugänglich wird, muß der Druckbehälter nach einem sorgfältig gesteuerten Programm abgekühlt werden, das dem Programm bei der Inbetriebnahme entspricht.

Bei einem möglichen Unfall kann im Druckbehälter Natrium, wenn es die Isolierung 9 und die innere Auskleidung 8 durchdringen sollte, in Berührung mit dem als Konstruktionsbeton nicht geeigneten Beton der Schicht 10 kommen. Der Beton der Schicht 10 ist so ausgeführt, daß das Natrium mit ihm nicht in Reaktion tritt, jedoch kann das Natrium ihn durchdringen. Da aber die äußere Auskleidung 11 auf einer Temperatur gehalten wird, die unterhalb der Erstarrungstemperatur des Natriums liegt, geht alles Natrium, das etwa durch die Betonschicht 10 hindurchtritt, beim Auftreffen auf die Auskleidung 11 in den festen Zustand über und dichtet damit die Leckstelle ab.

Bei einem Unfall kann ferner schmelzflüssiger Brennstoff in den Natriumvorrat gelangen, und ein wenig Brennstoff kann in Form einzelner Brocken bis auf den Boden des Behälterinnenraumes 4 geraten, wo er durch die Auskleidungen brennen und möglicherweise tief durch den Beton in die darunterliegende Fundamentierung gelangen kann. Um die Auswirkungen eines solchen Durchbrennunfalls so weit wie möglich zu vermindern, erhält die Grundplatte 6 eine beträchtliche Dicke, so daß viel Raum für Kühlkanäle und Rohrleitungen bleibt und das Bedienungspersonal für Überwachungs- und Wartungsarbeiten Zutritt erhält, und damit ferner eine ausreichende Betonstärke verfügbar ist, durch die schmelzflüssiges Material hindurchbrennen muß, ehe es aus der Hauptanlage austreten kann. Außerdem wird die Grundplatte auf einer weiteren Fundamentierung aus billigerem Beton oder einem Bett aus Quarzteilchen aufgebaut, die als Sumpf wirkt, in der die Wärmeenergie des schmelzflüssigen Brennstoffs vernichtet werden kann.

Die geringe Größe der einzelnen Kühlkanäle begrenzt die Menge etwa wegfließenden Natriums. Außerdem setzt die Anordnung von zwei senkrecht zueinander verlaufenden Mustern von Kanälen die Wirkung eines Durchbrennens auf die Kühlung der Grundplatte auf ein Minimum herab und bietet eine unmittelbare Möglichkeit für die Ortsbestimmung des Durchbrennvorgings, wobei die oben erwähnte Überwachungsanordnung eingesetzt wird. Die ebenfalls oben erwähnten Ventile erlauben die Isolierung und Absperrung der betroffenen Kanäle, wenn die Unglücksstelle lokalisiert worden ist. Man kann daher die Verschlüsse so wählen, daß nur ein kleiner Teil der Kühlung ausfallen muß, während der Rest der Grundplatte weiterhin gekühlt werden kann. Die Fortsetzung der Kühlung in der angegebenen Weise bietet die Sicherheit dafür, daß die äußere Auskleidung 11 auf einer unterhalb der Erstarrungstemperatur des Natriums liegenden Temperatur gehalten wird, wodurch die ganze Anlage sich selbsttätig abdichtet, bevor größere Mengen Natrium infolge eines Durchbrenntinfalls aus dem Behälterinnenraum austreten können. Die Möglichkeit des unmittelbaren Zutritts zu den Hauptluftkanälen erlaubt es, jeden blokkierten Kanal nach einem Unglücksfall wieder herzurichten. Wegen des Systems der Spanndrahtumwicklunnen bleibt die Grundplatte völlig frei von Spannstählen, so daß be· einem Durchbrennunfall keine Beschädigung des Vorspannsysttms eintreten kann.

Nachiveisapparaturen lassen sich auch an den Kanälen 12 anbringen.

Zwar ist der Druckbehälter insbesondere in Verbindung eines mit Flüssigiiut.'· gekühlten Kernreaktors beschrieben worden, jedoch kann ein derartiger Druckbehälter auch zur Aufbewahrung anderer chemisch aggressiver Flüssigkeiten neben Natrium ver-

wendet werden. In allen derartigen Fällen ist die Isolierschicht 9 aus einem Material herzustellen, das für die aufzunehmende Flüssigkeit geeignet ist, es kann aber eine von der beschriebenen Schicht abweichende Isolierschicht verwendet werden. Ferner kann die Schicht 10 aus nicht für Konstruktionszwecke verwendbarem Beton durch ein beüebiges anderes wärmeleitendes Material ersetzt werden.

Ein Druckbehälter, der nicht für die Aufnahme eines Reaktors bestimmt ist, braucht natürlich nicht so ausgebildet zu sein, daß er einem vollständigen Core-Unfall widerstehen kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Druckbehälter mit einer Auskleidung, die den Behälterinnenraum umschließt und das Austreten einer darin befindlichen, heißen, chemisch aggressiven Flüssigkeit verhindert, mit einem äußeren Betonmantel, an dessen Innenfläche ein Kühlmantel angeordnet ist, der eine weitere undurchdringliche Sperre darstellt, sowie mit einer Schicht zwischen dem Kühlmantel und der Auskleidung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (10) aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht

2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (10) aus als Konstruktionsbeton nicht geeignetem Beton hergestellt ist, dessen Wärmeleitfähigkeit etwa doppelt so groß ist wie die Wärmeleitfähigkeit des Betons des Mantels (5).

3. Druckbehälter nach Anspruch:?, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (10) mit Stahlschrot oder Stahlspänen beschwert ist

4. Druckbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch natürlicher Minerale mit hoher Wärmeleitfähigkeit zur Herstellung der Schicht (10) benutzt wird