DE2149088C3 - Isoliermantel für wärmeempfindliche Bauelemente - Google Patents
Isoliermantel für wärmeempfindliche BauelementeInfo
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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 örtliche Temperaturabsenkungen. Bei der Wahl
einer derartigen Wärmeisolation in Reaktoren sind mehrere Gesichtspunkte zu beachten. Isolationsmaterialien,
die in Flüssigkeiten eingesetzt werden, lassen sich nicht unbedingt in flüssigem Natrium verwenden.
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 Offenlegungsschriften 16 25 480 und 20 39 238 sind weiterhin Wärmeisolationsmäntel
bekannt, die aus zwei im wesentlichen parallelen Metallschichten bestehen, die so miteinander durch
Schweißungcn 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
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 Material wie die zu isolierenden Kernelemente, vorzugsweise aus austenitischem Stahl, bestehen.
Ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Aufbringen des erfindungsgemäßen Isoliermantels besteht darin,
daß die Zwischenschichten unter Zugspannung schrau- to
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 weiche 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 austenitischem Stahl, bestehen können.
Die Zwischenschichten 2 werden nun in doppelter Lage schraubenlinienförmig mit versetzter Lage der
Stoßkanten auf die zu isolierenden Kästen aufgewickelt Dadurch sind 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 Hexagonalrohres, lokal auf eine Temperatur erwärmt wird, bei welcher das verarbeitete
Material nur noch eine geringe Festigkeit aufweist Die Innenseite der gerade verarbeiteten Schicht wird dabei
jedoch auf Raumtemperatur gehalten. Dies kann entweder 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 ist notwendig, weil mit dem
Leckwerden einzelner Kammern zu rechnen ist Bei einem Kernreaktor mit Natriumkühlung würden sich
diese Kammern mit Natrium füllen und damit die Wärmeisolationswirkung beeinträchtigen. Die doppelte
Lage 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 Strukturmaterialanteil 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
finden, die zur Verunreinigung des Natriumkreislaufes im Falle eines Versagens von Teilen der Isolierung
führen können. Unter Berücksichtigung dieser Gesichtspunkte erfüllt der erfindungsgemäße Wärmeisoliermantel die eingangs angegebene Aufgabenstellung optimal.
Claims (4)
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 Lagen übereinanderliegende Zwischenschichten (2) so gewickelt sind, daß
die Stoßkanten (9) zweier nebeneinanderliegender 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 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten (3,
4), das Drahtnetz (5) 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.
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