DE2538628A1 - Waermeisoliervorrichtung fuer waagrechte abschlussflaechen eines kernreaktors - Google Patents

Description

DR. HANS ULRICH MAY

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TELEFON CO893 22 5Ο51

GF 524/1405 München, den 29. August 1975

B 3310.3 AM Dr.M./cs

Cfenissariat i. 1^}Energie Atomique in Paris/Frankreich

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WSrmsisoliervorrichtung Mr waagrechte AbsehlPisfläehen

eines Kernreaktors.

Die Erfindung betrifft eine Wärmeisoliervorrichtung, besonders zur Verwendung in einem durch ein flüssiges Metall gekühlten Kernreaktor, um dort den oberen Abschlußflächen der Kammer eines solchen Reaktors einen Wärmeschutz zu geben, wobei die Kammer einen Metallbehälter enthält, der die Masse des als Kühlmittel dienenden flüssigen Metalls einschließt, über der sich eine Neutralgasatmosphäre, im allgemeinen Argon, befindet. Zu diesen Absehlußflachen gehören besonders die eigentliche Abschlußdeckplatte _t die aus einer waag~ rechten Betonplatte besteht, die an ihrer mit dem Neutralgas in 3e~ rührung stehenden Oberfläche mit einer Gurtplatte aus rostfreiem Stahl verkleidet ist, und die Drehstopfen, welche ebenso wie die Deckplatte aufgebaute Elemente sind und eine der in der Deckplatte vorgesehenen öffnungen einnehmen» welche den Zugang zum Kern des im Inneren des Behälters befindlichen Reaktors ermöglichen.

In den natriengekühlten, mit schnellen Neutronen betriebenen Kernreaktoren ist im übrigen bekanntlich die Temperatur der Neutralgasatmosphäre über dem Natrium etwa 50O⁰C, was in der Inertgasschutzschicht zur Bildung von Aerosolen und Natriumdämpfen führt, welche

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die Abschlußplatten korrodieren, wenn keine Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden. Außerdem kommen zu diesen Korrosionseffekten noch die Auswirkimgen von mechanischen Spannungen infolge von Wärmegradienten hinzu, die sich im Inneren der Bauteile entwickeln.

Bei den bekannten Ausführungen ist für den Wärmeschutz der Deckplatte an deren zum Innenraum des Reaktorbehälters gerichteten Teilen eine Verkleidung befestigt, die aus Bauelementen au3 Metall in Form von Netzen» Matten oder Gittern besteht, die zur Bildung von Tafeln aufeinandergestapelt sind und während des Reaktorbetriebs einen annehmbaren Wärmegradienten erzeugen. Auf lange Sicht ist jedoch zu befürchten, daß eine erhebliche Masse Natrium in einem solchen Bauteil zurückgehalten -wird, das sich im inneren der von den Drähten eines solchen wärmedämraenden Materials gebildeten Hohlräumen kondensiert und in diesem Material Wärmekurzschlüsse hervorruft.

Bei anderen bekannten Ausführungsformen, die im einzelnen nachstehend beschrieben sind, erfolgt der Wärmeschutz der Drehstopfen durch einen Stapel von Platten, der von einem an dem zu schützenden Bau« teil angeschweißten Mantel getragen ist, wobei zwischen den Platten und den Haltern Spielräume vorgesehen sind_s um Ausdehnungen des wärmedämmenden Materials bezüglich des Bauteils zu ermöglichen· Diese geringen Ausdehnungen im Fall kleinerer zu isolierender Flächen werden erheblich, wenn die Größe dieser Flächen ansteigt und führt zu nicht mehr annehmbaren Verformungen in den zu schützenden Bauteilen·

Die Erfindung bezweckt nun eine Wärmeisoliervorrichtung aus einem gegen Korrosion durch Natrium beständigen Material, welche die Abschlußflächen der Kammer des Reaktors während der gesamten Betriebsdauer des Reaktors thermisch schützen kann und nicht die erwähnten

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Nachteile aufweist, also kein Natrium in den Zwischenräumen der Isolierstruktur zurückhält und im Fall von großen, mit einer Wärmeisolation au versehenden Flächen keine nachteiligen Auswirkungen der Wärmeausdehnungen zeigt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Wärmeisoliervorrichtung £Ur waagrechte Abschlußflächen des Behälters eines Kernreaktors gegenüber einer im Behälter befindlichen heißen Gasatmosphäre, welche Vorrichtung in bekannter Weise aus einer Anordnung von in regelmäßigen Abständen voneinander und parallel zu den Flächen angeordne-

und
ten waagrechten Metal!platten/einem dies© Platten umgebenden Mantel besteht„ erfindungsgemäß in der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Weise ausgebildet«

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Wärmeisoliervor« richtung ergeben sich aus den ühteransprttchen ·

Die so ausgebildete erfindungsgemäße Wärmeisoliervorrichtung weist

Kasten,
also einen oben offenen / auf, der die Metallplatten vollkoinm-λ umgibt· Indem so das konvektionsverhindernde Isoliersystem von Metallplatten in einen regelrechten oben offenen Kasten eingeschlossen ist» ermöglicht die erfindungsgemäöe Wärmeisoliervorrdchtung nur im oberen kalten Teil des Kastens eine Verbindung zwischen der Atmosphäre über dem flüssigen Metall und der Wärmeisolierstruktur und verhindert so jede Kondensation des Metalls in dieser Struktur.

Gleichzeitig jedoch bleibt der obere Teil frei für TsTärmeausdehnung»

Im übrigen weist die erfindungsgemäße Wärmeisoliervorrichtung, die besonders gut sum Isolieren von Brehstopfen und dem Abschlußdeckel des Behälters eines durch flüssiges Metall gekühlten Kernreaktors geeignet ist„ noch weitere Vorteile hinsichtlich ihrer Herstellung und des Einbaus auf. Man kann die Platten auf der zuvor mit den Roh-

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ren ausgerüsteten Stützplatte montieren. Die leicht und mehrfach in gleicher Weise herzustellenden Aufhängungen sind in den zu schützenden Bauteilen eingesetzt und eingeschweißt. Die vormontierte Wärraeisoliervorrichtung vird dann unter den Bauteil gebracht und mit Hilfe von z.B. Drucktöpfen angehoben, um die Aufhängungen in die Rohre einzuführen, wobei alle diese Arbeitsgänge weder ein Verschieben noch Umdrehen des Werkstückes erfordern« vas besonders bedeutsam im Fall von Werkstücken mit großem Gewicht und großen Abmessungen ist, welche sich nicht verschieben lassen·

Die Erfindung vird veiter erläutert durch die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die sich auf die beigefügten Figuren bezieht. Hierin zeigen:

- Fig. 1 einen schematischen axialen Schnitt eines durch flüssiges

Metall gekühlten Kernreaktors mit dem bekannten System zveier Drehstopfen, die an ihrer Unterseite mit der erfindungsgemäßen Wärmeisoliervorrichtung versehen sind}

- Fig. 2 in größerem Maßstab einen schematischen axialen Schnitt

der oben beschriebenen bekannten plattenförmig aufgebauten Wärmeisoliervorrichtungj

- Fig. 3 in größerem Haßstab einen axialen Schnitt der erfindungsgemäßen -Wärmeisoliervorrichtung der Drehstopfen der Fig.1;

- Fig. 4 eine schematische Ansicht der Vorrichtung der Fig. 3 als

Explosionszeichnung.

Fig. 1 zeigt den rern 1 eines mit schnellen Neutronen betriebenen Kernreaktors, der in eine Masse von flüssigem Metall, besonders Natrium, eingetaucht ist, velche den Reaktor kühlt. Der Kern 1 ist im Inneren eines sogenannten Innenbehälters 2 gehalten, der von einem zweiten» dem oben offenen sogenannten Hauptbehälter 3 umgeben

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ist, den das flüssige Natrium bis zum Spiegel 4 füllt, während sich darüber eine Neutralgasatraosphäre 5» im allgemeinen Argon, als Deckschicht befindet. Der Hauptbehälter 3 ist selbst von einem anderen, dem sogenannten sicherheitsbehälter 6 umgeben, und diese beiden Behälter, die eine gemeinsame senkrechte Achse haben, sind im Inneren eines äußeren Schutzbehälters 7 angeordnet· Dieser Schutzbehälter weist an seinem oberen Teil eine große öffnung 8 auf, in der eine Deckplatte 9 als Verschluß gehalten ist. Diese Deckplatte weist eine Mittelöffnung 10 zum Einsetzen eines Verschlußsystems mit zwei drehbaren Stopfen 11 und 12 auf, die durch eine Wärmeisolation 15 geschützt sind, die mit dem Schutzgas in Berührung steht, und durch ihre gegenseitige Drehung den Zugang zum Kern 1 ermöglichen.

Die Deckplatte 9 weist außerdem Uurchlaßöffnungen für den Einbau von Geräten, wie Pumpen und Wärmeaustauschern auf, die für den Natriumkreislauf erforderlich sind. Sin Exemplar jedes Typs ist schematisch in Flg. 1 gezeigt, und zwar eine Pumpe 14 und ein Wärmeaustauscher 13.

Fig. 2 zeigt in größerem Maßstab den Aufbau einer bekannten Wärmeisoliervorrichtung mit Platten mit waagrechten Oberflächen«

Diese bekannten Vorrichtung, welche die untere Fläche des zu isolierenden Bauteils B abdeckt, weist waagrechte Platten P auf, die von Mantelkörpern ν und V gehalten sind, welche Sitze oder Durchgänge T für die verschiedenen in den Reaktorbehälter eintauchenden Bauteile begrenzen und mittels angeschweißter Halter S die Platten tragen. Diese Platten P sind voneinander durch Abstandshalter e getrennt, die sich an die Mäntel ν und V anlegen,und es sind Zwischenräume J₁, J₂, J₃ zwischen den Gruppen der aufeinandergestapelten

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Platten vorgesehen. Die die Platten P umgebenden Mäntel ν und V sind an ihrem oberen Teil an dem zu schützenden Bauteil B angeschweißt und an ihrem unteren Teil frei.

Xn diesem besonderen Beispiel dehnen sich während des Reaktorbetriebs die Platten der Warmeisoliervorrichtung, die erheblichen Wärraespannungen unterworfen sind, aus und bewirken damit besonders eine Verformung der tragenden Mäntel. Diese Ausdehnungen sind gering, falls nur kleine Bereiche zu isolieren sind, steigen jedoch erheblich an₅ sobald man große oberflächen schützen will. Das ist der Fall bei Kernreaktoren mit größeren Abmessungen, wo die Anzahl der Durchlässe für die verschiedenen Bauteile im wesentlichen gleich bleibt, was zu größeren zu isolierenden Flächen zwischen diesen Durchlässen führt. Außerdem wird im Fall von großen zu isolierenden Oberflächen das von den Mantelkörpern zu tragende Gewicht sehr groß und schafft Probleme im Bereich der Schweißstellen der Mantelkörper an den zu schützenden Bauteilen.

Ba gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Mantelkörper ν und V auch Wärmespannungen ausgesetzt und können sich an ihrem freien und nicht verschlossenen unterteil ausdehnen. Infolge dieser Ausbildung ist jedoch auch der untere Abschluß der wärmeisolierenden Vorrichtung nicht dicht, und Natriumdämpfe können sich auf den Platten abscheiden und so die Isoliereigenschaften der Vorrichtung verändern*

Fig. 3 zeigt in größerem Maßstab !einzelheiten des Aufbaus der erfindungsgemäßen Wärmeisoliervorrichtung der Drehstopfen 11 und 12.

Der große Drehstopfen 12 ist von der Deckplatte 9 auf drehbaren Drucklagern 16 gehalten. Der kleine Stopfen 11 ist seinerseits vom großen Stopfen 12 auf drehbaren Drucklagern 17 gehalten. Durch den kleinen Drehstopfen 11 ist dicht der Kernverschlußstopfen 19 und

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ein Handhabungsgerät 20 hindurchgeführt. Der große Drehstopfen 12 weist eine öffnung oder ein Mannloch auf, das im Fall einer Arbeit am Kern des Reaktors benutzt wird und im normalen Betrieb, vie die Figur zeigt, durch einen Stopfen 21 von ähnlichem Aufbau vie die beiden Drehstopfen 11 und 12 ausgefüllt ist. Die beiden Drehstopfen 11 und 12 bestehen im wesentlichen aus zwei Teilen, einem Betonteil 22, der durch Ktihlwassexvkreisläufe 23 gekühlt ist, und der erfindungsgemäßen ¥ärmeisoliervorrichtung 15»

Diese Wärineisoliervorrichtung weist eine Anoi»dnung von waagrechten Platten 24 auf, die voneinander durch Abstandshalter 25 getrennt sind, wobei die untere Platte 26 dicker ist. Durch den Plattenstapel reichen Rohre 27, die jedes eine Aufhängung in Form einer zylindrischen Stange 28 enthalten, die an ihrem unteren Ende mit einer Mutter 29 versehen ist, während ihr anderes Ende an die zu isolierende Oberfläche 30 angeschweißt ist . An der unteren Platte 26 angeschweißte Mantelwände 32, 37 und 38 umgeben die Gesamtheit der fconvektionsverhindernden Platten 24 und setzen sich bis zur oberen Höhe 34 des au schützenden Bauteils in Ringräumen 36a, 36b und 36c fort, die zwischen den verschiedenen Teilen der Stopfen sowie zwischen den Stopfen und der Deckplatte vorgesehen sind.

Bei der gezeigten Ausführungsform ergibt sich die Funktionsweise des beschriebenen systems unmittelbar daraus, daß die dicke untere Platte 26 mittels der Aufhängungen 28 am unteren Teil 30 des Betonkörpers jedes Stopfens 11 und 12 aufgehängt ist, und daß die Platten 24 unmittelbar durch Schwerkraft auf dieser dicken Platte 26 ruhen. Bei der gleichen Ausführungsform dienen die Mantelwände 32, 37 und 38 gleichzeitig als Wärmeabschirmungen für die zu isolierenden Bauteile und erzeugen in den Ringräumen 36a, 36b und 36c zwischen diesen Bau-

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teilen und der Deckplatte 9 ein Labyrinth, das jede Abscheidung von Natriumkondensaten in der Wärmeisoliervorrichtung praktisch unmöglich macht, was ein Ziel der Erfindung ist.

Zur Vervollständigung der vorangehenden Beschreibung zeigt Fig. 4 eine Explosionsansicht der Fig. 3 zur Darstellung der Form des oben offenen Kastens C, der von der dicken Platte 26 als Boden und den Mantelwänden 32, 37 und 38 gebildet wird. Dieser Kasten C umgibt also vollständig und schützt die unter den Stopfen angeordneten wärmeisolierenden Strukturen und isoliert sie von Natriumdämpfen.

Im besonderen beschriebenen Beispiel werden die Platten durch Rohre aus rostfreiem stahl mit einer Wandstärke von etwa 5 mm an ihrem Platz gehalten, und der durch die Abstandshalter bestimmte Abstand zwischen ihnen ist entsprechend den thermischen Bedingungen festgelegt. Die mit dem heißen Gas in Berührung stehende Wärmeisolation dehnt sich stärker aus als der zu schützende kältere Bauteil, und diese relativen Verschiebungen führen zu einer Biegung der Aufhängungen. Wenn diese Biegung zu stark wird, kann man die in den Auf« hängungen erzeugten Spannungen verringern, indem man einerseits deren Zahl erhöht und sie andererseits dünner ausbildet.

Schließlich können sich die erheblichen Wärmegradienten ausgesetzt ten Mantelwände 32, 37 und 38 in den Ringräumen 36a, 36b und 36c frei ausdehnen, was das schwierige Problem der Wärmespannungen behebt.

Selbstverständlich kann im Rahmen der Erfindung die Halterung einer Wärmeisolation mit Plattenstruktur auch in anderer Weise als beim beschriebenen und gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgen.

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Claims (6)

1. 75Ί8678

   - 9 Patentansprüche

   (T) Wärmeisoliervorrichtung für waagrechte Abschlußflächen des Behälters eines Kernreaktors gegenüber einer in diesem Behälter befindlichen heißen Gasatmosphäre mit einer Anordnung von regelmäßig verteilten, sich parallel zu den Flächen erstreckenden Metallplatten und einer die Platten umgebenden Mantelwand, dadurch gekennzeichnet, daß die untere dickere Metallplatte (26) an den zu. isolierenden waagrechten Flächen durch an ihrer Oberfläche verteilte Aufhängungen (28)» die mit ihrem oberen Ende an den waagrechten Flächen (30) und mit ihrem unteren Ende an der dicken Platte (26) befestigt sind, aufgehängt ist und einen Stapel von durch Abstandshalter (25) voneinander getrennten Metallplatten (24) trägt, die seitlich durch eine mit der dicken Platte (26) dicht verbundene seitliche Mantelwand (32,37,38) geschützt sind, die sich an ihrem oberen Teil frei ausdehnen kann.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Aufhängung (28) aus einer zylindrischen stange besteht, die im Inneren eines Rohres (27) durch den stapel von Platten (24) geführt ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende der zylindrischen Stangen (28) an der zu isolierenden Ober-

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   fläche (30)/und das untere, mit der dicken Platte (26) verbundene Ende mit einem Gewinde und einer aufgeschraubten Befestigungsmutter (29) versehen ist,
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil der Mantelwände (32,37,38), der sich frei ausdehnen kann, sich in zwischen den verschiedenen Teilen der

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   Stopfen (11,12) sonde zwischen der Deckplatte (9) und den Stopfen vorhandenen Ringräumen (36a» 36b, 36c) bis in die obere Höhe (34) der zu isolierenden Abschlußfläche fortsetzt.
5. 5. Vorrichtimg nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet* daß der obere Teil der Mantelwände (32,37,38), der sich frei ausdehnen kann, in der oberen Höhe (30) des Stapels von Metallplatten (24) endet.
6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatten (24) dünne Platten aus rostfreiem Stahl sind.

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