DE2149088B2 - Isoliermantel für wärmeempfindliche Bauelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Isoliermantel für wärmeempfindliche Bauelemente mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Verwendung von flüssigem Natrium als Kühlmittel in Kernreaktoren wirft eine Reihe von Problemen in bezug auf die Wärmeisolation auf. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Natrium ist es notwendig, wärmeempfindliche Reaktorkernelemente wie Steuerstäbe, Behälterwandungen, Rohre usw. innerhalb des flüssigen Natriums zu isolieren. Dabei ist vor allen bei den Coreelementen, die zur Verhinderung oder Verminderung der Krümmung infolge des dosis- und temperaturabhängigen Strukturmaterialschwellens möglichst kalt gehalten werden sollen, die Anbringung einer äußeren Wärmeisolation unbedingt notwendig. Die Wärmeisolation unterbindet dabei die wesentliche Wärmezufuhr von vorteilhafter Weise benachbarten Brennelementen her und vermeidet dort unzulässig starke artliche Temperaturabsenkungen. Bei der Wahl einer derartigen Wärmeisolation in Reaktoren sind mehrere Gesichtspunkte zu beachten. Isolationsmaterialien, die in Flüssigkeiten eingesetzt werde.!, lassen sich nicht unbedingt in flüssigem Natrium verwenden.

to Infolge des meist stark eingeengten Raumes im Reaktor darf die Gesamtwandstärke einer Wärmeisolation eine Wandstärke von 1 bis höchstens 2,0 mm nicht überschreiten. Darüber hinaus muß die Wärmeisolation ebenso strahlungsbeständig sein wie die übrigen Strukturwerkstoffe des Reaktors. Es dürfen für die Wärmeisolation keine Stoffe Verwendung finden die zu einer unzulässigen Verunreinigung des Primär-Natriums im Falle eines Versagens von Teilen der Isolation führen können. Darüber hinaus muß die Wärmeisolation so beschaffen sein, daß sie thermische Dehnungen und Schwelldehnungen ohne Zerstörungsgefahr aufnehmen kann.

Es ist bekannt, für diesen Zweck der Isolation entweder massive Schichten aus rostfreiem Stahl oder mit Edelgas gefüllte Hohlkugeln (DE-AS 12 34 870) zu verwenden. Die Wärmeleitfähigkeit des rostfreien Stahles ist jedoch verhältnismäßig hoch, so daß bei seiner Verwendung verhältnismäßig große Dicken der Isolationsschicht erforderlich sind. Große Dicken der Isolationsschicht jedoch ergeben ein hohes Baugewicht und einen unerwünschten hohen Strukturmaterialanteil im Reaktor. Die mit Inertgas gefüllten Hohlkugeln im Wärmeisolationsmantel haben den Nachteil, daß sie einerseits auf dem zu isolierenden Kernelement dick auftragen und andererseits sehr schlecht verarbeitbar sind Darüber hinaus ist die Herstellung von gasgefüllten Hohlkugeln sehr kostspielig.

Aus den deutschen Offenlegun^sschriften 16 25 480 und 20 39 238 sind weiterhin Wärmeisolationsmäntel bekannt, die aus zwei im wesentlichen parallelen Metallschichten bestehen, die so miteinander durch Schweißungen verbunden sind, daß eine Mehrzahl von geschlossenen Räumen innerhalb der Metallschichten entsteht Diese gasgefüllten Räume sind mit Begrenzungsmitteln versehen, welche die innere Konvektion gegenüber dem Wert herabsetzen, welcher sonst in dem darin befindlichen Gas aufträte. Als Begrenzungsmittel sind horizontal starre Schichten vorgesehen, die entweder mit Rundeindrückungen, Falten oder Wellen

so versehen sind. Diese Isoliermäntel sind jedoch insbesondere auf langgestreckte Elemente, bei denen sie um enge Krümmungen herumgeführt werden müssen, schlecht aufbringbar, da sie ohne Isolationsverluste nicht differentiell unterschiedlich elastisch verformbar sind. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine einfach herzustellende Wärmeisolierung für Kernbauteile, insbesondere natriumgekühlter Kernreaktoren mit relativ niedriger Wärmeleitfähigkeit zu schaffen, welche auch unter den eingangs erwähnten Bedingungen beständig, leicht auf die zu schützenden Bauelemente aufbringbar und darüber hinaus billig ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Isoliermantel der eingangs erwähnten Bauart durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Zwischenschichte gelöst.

Dabei sind vorteilhafterweise bei mehreren übereinanderliegenden Schichten die Zwischenschichten so gewickelt, daß die Stoßkanten zweier nebeneinanderliegender Lagen oder Lagenstücke sich gegenseitig

Überlappen und von dem durchgehenden Teil einer Lage der darüber liegenden Schicht und umgekehrt überdeckt sind Weiterhin ist die Erfindung in vorteilhafterweise dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten, das Drahtnetz und das Schutzband aus s demselben Materia! wie die zu isolierenden Kernelemente, vorzugsweise aus aostenitischem Stahl, bestehen. Ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Aufbringen des erfindungsgemäßen Isoliermantels besteht darin, daß die Zwischenschichten unter Zugspannung sehr au- ι ο benlinienförmig auf das zu isolierende Element aufgewickelt werden und daß beim Wickeln die Außenseite der Zwischenschicht vor der jeweiligen Biegestelle auf eine Temperatur erwärmt wird, bei welcher die Festigkeit des metallischen Schichtmateriales gegenüber der Festigkeit bei Raumtemperatur um ein Vielfaches herabgesetzt ist, während die Innenseite der Zwischenschicht auf Raumtemperatur gehalten wird.

Einzelheiten eines Ausführungsbeispiels werden im folgenden anhand der Figur näher erläutert

Die Figur zeigt die Wand 1 des zu isolierenden Bauelementes. Das Grundelement der Wärmeisolation besteht aus beispielsweise 30 mm breiten doppelwandigen Zwischenschichten, die sich auf die zu isolierenden Brennelementkästen bzw. Führungsrohre für Regelelemente usw. aufwickeln lassen. Die eine doppelwandige Zwischenschicht 2 wird aus zwei im wesentlichen parallelen Metallschichten 3 und 4 aus Blech der Breite 30 mm gebildet die an ihrem Rand mit einer Rollennaht verschweißt sind. Diese Metallschichten 3 und 4 weisen eine Dicke von beispielsweise 0,10 bis 0,15 mm auf. Beide Metallschichten 3 und 4 schließen einen Hohlraum bzw. eine Kammer 6 ein, in welche ein geflochtenes Drahtnetz 5 aus etwa 0,1 bis 0,15 mm dicken Drähten und mit etwa 0,5 mm Maschenweite gelegt ist Dieses Drahtnetz 5 hält die beiden Blechschichten 3 und 4 zur Aufrechterhaltung des mit Inertgas gefüllten Gasraumes in der Kammer 6 auf Abstand. Das Drahtnetz 5 wird in Stücken von z. B. 300 mm Länge zwischen die Metallschichten 3 und 4 eingebracht Zwischen jeweils zwei Drahtnetzstücken wird in Längsrichtung eine Lücke gelassen, die der Anbringung einer querverlaufenden Rollenschweißnaht 7 dient, wodurch der Gasraum in voneinander unabhängige Kammern unterteilt wird. Werden die Arbeiten unter vermindertem Druck in Inertgas- bzw. Argonatmosphäre vorgenommen, so sind die einzelnen gasgefüllten Kammern der Zwischenschichten automatisch mit inertgas gefüllt. Durch Druckverminderung bei der Herstellung kann vermieden werden, daß die Wärmeisolationsbandagen beim Erwärmen durch den entstehenden Gasinnendruck zerstört werden. Auf diese Weise entstehen Isolationsbänder von ca. 30 mm Breite und etwa 0,5 mm Dicke, die aus demselben Material wie die zu isolierenden Bauelemente, z. B. aus auster.itischem Stahl, bestehen können.

Die Zwischenschichten 2 werden nun in doppelter Lage schraubenlinienförmig mit versetzter Lage der Stoßkanten auf die zu isolierenden Kästen aufgewickelt Dadurch aind dann bei einer Doppelwicklung der Zwischenschichten 2 die Stoßkanten 9 zweier benachbarter Lagen der inneren Zwischenschicht gegenseitig ein Stück überlappend und von dem durchgehenden Teil einer Lage der äußeren Zwischenschichten 2 bzw. umgekehrt überdeckt Zum mechanischen Schutz und zur Verbesserung der Wirksamkeit der Zwischenschichten wird nun außen ein homogenes Schutzband in Form einer Blechbandage 8 von beispielsweise 0,5 mm Dicke aufgebracht Das Wickeln der einzelnen Schichten erfolgt in der Weise, daß das band- bzw. streifenförmige Ausgangsmaterial von einer Trommel abgewickelt wird. Die Trommel wird mit einer Bremse abgebremst, um eine gewisse Zugvorspannung des Materials zu erreichen. Das abgewickelte Band wird nun auf das zu isolierende Bauelement schraubenlinienförmig aufgewickelt wobei die Außenseite der gerade verarbeiteten Schicht direkt vor der jeweiligen Biegestelle, z. B. vor den Kanten eines Hexagonalroh:^s, lokal auf eine Temperatur erwärmt wird, bei welcher Jas verarbeitete Material nur noch eine geringe Festigkeit aufweist Die Innenseite der gerade verarbeiteten Schicht wird dabei jedoch auf Raumtemperatur gehalten. Dies kann entwecsr durch reine Ableitung der Wärme über das Bauelement, oder durch zusätzliche Luftkühlung erfolgen. Die Erwärmung kann mit einer Gasflamme durchgeführt werden. Auf diese Weise ist ein einwandfreies Aufwickeln der Isolierschichten möglich, ohne daß an der Innenseite Stauchungen und an der Außenseite Rißbildungen auftreten.

Die dabei versetzte Anordnung der aufgewickelten Zwischenschichten hat den Vorteil, daß Wärmebrücken an den Schweißnähten vermieden werden. Die doppelte Lage der Schichten iit notwendig, weil mit dem Leckwerden einzelner Kammern zu rechnen ist Bei einem Kernreaktor mit Natriumkühlung würden sich diese Kammern mit Natrium füllen und da.nit die Wärmeisolationswirkung beeinträchtigen. Die doppelte Lai?e dient damit der Funktionssicherung durch Redundanz. Bei einem solcher Art ausgebildeten Isoliermantel kann man die Wärmeleitfähigkeit in Vergleich zu der des reinen austenitischen Stahles etwa auf mindestens V20 reduzieren. Darüber hinaus hat die Erfindung den Vorteil, daß der Isoliermantel eine nur sehr geringe Bauhöhe aufweisen kann, einen relativ geringen Strukturmaterialantßil ergibt und sich sehr leicht und billig auf die zu isolierenden Bauelemente aufbringen läßt Die Wärmeisolation ist dabei so beschaffen, daß sie thermische Dehnungen und Schwelldehnungen ohne Zerstörungsgefahr mit hoher Elastizität aufnehmen kann und in ihr keine Stoffe Verwendung ^find. n, die zur Verunreinigung des Natriumkreislaufes im Falle eines Versagens von Teilen der Isolierung führen können. Ur.ter Berücksichtigung dieser Gesichtspunkte erfüllt der erfindungsgemäße Wärmeisoliermantel die eingangs angegebene Aufgabenstellung optimal.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprache:

1. Isoliermantel für wärmeempfindliche Bauelemente, die einer Temperaturdifferenz ausgesetzt sind, vorzugsweise für langgestreckte Kernelemente von natriumgekühlten Kernreaktoren, bestehend aus einer Bandage, die eine oder mehrere Zwischenschichten enthält, von denen eine oder mehrere aus zwei im wesentlichen parallelen Metallschichten bestehen oder besteht, die so miteinander verbunden sind, daß zwischen ihnen eine Mehrzahl von gasgefüllten und voneinander getrennten Kammern entsteht, wobei jede Kammer mit eingelegten Begrenzungsmitteln versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsmittel in den Kammern (6) der Zwischenschichten (2) oder der Zwischenschicht aus einem geflochtenen Drahtnetz (5) bestehen und daß die einzelnen Schichten der Bandage schraubenlinienförmig in an sich bekannter Weise um das zu isolierende Bauelement (1) gewickelt sind, wobei eine zusätzliche äußerste Schicht aus einem, auf die Zwischenschichten aufgewickelten, homogenen Schutzband (8) besteht

2. Isoliermantel nach Anspruch 1 aus mehreren übereinanderliegenden Schichten, dadurch gekennzeichnet, daß in mehreren Legen übereinanderliegende Zwischenschichten (2) so gewickelt sind, daß die Stoßkanten (S) zweier r.ebeneinanderliegender Lagen oder Lagenstücke sich gegenseitig überlappen und von dem durchgehenden Teil einer Lage der darüberliegenden Zwischenschicht (2) und umgekehrt überdeckt sind.

3. Isoliermantel nach Anspruch I oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ei Metallschichten (3, 4), das Drahtnetz (S) und das Schutzband (8) aus demselben Material wie die zu isolierenden Kernelemente, vorzugsweise aus austenitischem Stahl, bestehen.

4. Verfahren zum Aufbringen eines Isoliermantels nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschichten unter Zugspannung schraubenlinienförmig auf das zu isolierende Element aufgewickelt werden und daß beim Wickeln die Außenseite der Zwischenschicht vor der jeweiligen Biegestelle auf eine Temperatur erwärmt wird, bei welcher die Festigkeit des metallischen Schichtmaterials gegenüber der Festigkeit bei Raumtemperatur um ein Vielfaches herabgesetzt ist, während die Innenseite der Zwischenschicht auf Raumtemperatur gehalten wird.