DE2632466B2

DE2632466B2 - Wärmeisoliervorrichtung für einen Kernreaktorbehälter

Info

Publication number: DE2632466B2
Application number: DE2632466A
Authority: DE
Inventors: Guy Le-Puy-Sainte- Reparade Lemercier (Frankreich)
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1975-07-24
Filing date: 1976-07-19
Publication date: 1979-09-20
Also published as: JPS5952796B2; IT1071156B; ES450146A1; DE2632466C3; GB1505615A; BE843975A; NL7607951A; FR2319074A1; FR2319074B1; JPS5248795A; US4055465A; DE2632466A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeisoliervorrichtung für die Innenwand des unter einem waagerechten Verschlußdeckel aufgehängten Hauptbehälters mit senkrechter Achse eines mit schnellen Neutronen arbeitenden und durch flüssiges Metall gekühlten Kernreaktors, die eine Mehrzahl von über- und nebeneinander angtsordneten Wärmedämmelementen aufweist, die in einem Ringraum zwischen diesem Hauptbehälter und einem koaxial in ihm angeordneten, das flüssige Metall enthaltenden Innenbehälter angeordnet sind, der mit seinem oberen freien Ende in das zwischen dem Verschlußdeckel und dem flüssigen Metall befindliche Neutralgaspolster reicht, vgl. die DE-OS 24 51 448.

Bei diesem bekannten Kernreaktortyp hat der das als Kühlmittel dienende flüssige Natrium enthaltende

ι ϊ Hauptbehälter im allgemeinen die Form einer seitlichen zylindrischen Ringwand mit senkrechter Achse, die sich an ihrer Unterseite in einem halbkugelförmigen Boden fortsetzt Dieser Hauptbchälter ist an seiner Oberseite offen und unter einem waagerechten Verschlußdeckel aus mit Stahl verkleidetem Beton aufgehängt, wobei der freie Raum zwischen dem Verschlußdeckel und dem flüssigen Natrium im Behälter durch ein Neutralgaspolster, gewöhnlich Argon, gefüllt ist, das sich beim Betrieb des Reaktors mit Niitriumaerosolen belädt Im Primär kreislauf des Natriums durch den Reaktorkern, die Wärmeaustauscher und die Pumpen enthält der Hauptbehälter gewöhnlich einen zweiten Behälter mit dünnerer Wand, den sogenannten innenbehälter, der eine seitliche Stufe aufweist, welche die beiden Bereiche voneinander trennt, wo das Natrium sich vor und nach dem Durchgang durch die Wärmeaustauscher bei verschiedenen Temperaturen befindet. Diese Stufe weist vorteilhafterweise einen Außenrand auf, der an die Wand des Hauptbehälters angeschlossen ist.

κ Schließlich wird der Hauptbehälter, damit er nicht über seine Höhe zu großen Wärmegradienten unterworfen ist, dadurch gekühlt, daß ein Teil des kalten Natriumstroms am Ausgang der Wärmeaustauscher abgezweigt wird, um ihn in Berührung mit der Innenfläche des

«ο Hauptbehälters zwischen diesem und einer der Behälterform folgenden Mantelwand strömen zu lassen. Gegebenenfalls ist dieser Mantel an die Stufe des Innenbehälters angeschlossen und verlängert sie als dem Hauptbehälter gegenüberliegende Wand und begrenzt so mit diesem einen durchgehenden Ringraum. Bei derartigen Ausführungsformen des Kernreaktors bildet jedoch die Abnahme eines etwa 3% des Gesamtdurchsatzes betragenden Anteils des Natriumdurchsatzes zum Kuhlen des Behälters eine nicht zu

v) vernachlässigende Ursache für eine Begrenzung der Wärmeleistung der Anlage. Im übrigen ist eine solche Lösung nur relativ wirksam, da in einem Reaktor hoher Leistung von etwa 1200 MWe der Wärmeverlust in der Größenordnung von 20 MW liegt. Es sei bemerkt, daß in

« allen Fällen die Verlängerung des Innenbehälters, die mit dem Hauptbeliälter den erwähnten Ringraum begrenzt, ein freies Ende im Neutralgaspolster unter dem Verschlußdeckel aufweist, da dieser Innenbehälter wegen seiner erheblichen Dimensionsveränderungen im

w> Durchmesser und in der Höhe bei den während des Betriebs des Reaktors auftretenden Wärmezyklen nicht mit einem starren Bauteil, z. B. dem Verschlußdeckel, verbunden werden kann, um den Ringraum dicht abzuschließen, so daß letzterer also im Druckgleichge-

»^r> wicht mit dem Neutralgas über dem Natriumniveau ist

Zur Vermeidung von Wärmeverlusten zwischen der im Innenbehälter befindlichen heißen Natriumfüllung und der zwischen Innen- und Hauptbehälter befindli-

chen kühleren Natriumfüllung ist aus der genannten DE-OS 24 51448 eine Wärmeisoliervorrichtung bekannt die auf der der heißen Natriumfüllung zugewandten Seite des innenbehälter eine Mehrzahl von über- und nebeneinander angeordneten Wärmedämm ilementen aufweist, die je einzeln und starr :r.ii der den Innenbehälter bildenden Metallwand durch an diese angeschweißte Stehbolzen und aufgeschraubte Muttern verbunden sind. Die Wärmedämmelemente sind selbst nicht elastisch, sondern es sind nur die Zwischenräume ι ο zwischen ihnen durch elastische Füllelemente gegen den normalen Fluß des flüssigen heißen Natriums im wesentlichen verschlossen. Die Rückseite der so wärmeisolierten MetaHwand steht in Berührung mit dem kühleren flüssigen Natrium.

Diese bekannte Wärmeisoliervorrichtung dient also nicht der unmittelbaren Wärmeisolation des Hauptbehälters eines Kernreaktors des oben angegebenen Typs und wäre dafür auch nicht geeignet, weil in diesem Fall an der Wand des Hauptbehälters eine Vielzahl von Stehbolzen angeschweißt sein müßte, wodurch die mechanische Festigkeit der Hauptbehälterwand herabgesetzt sein kann und zusätzliche Spannungen auftreten können.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeisoliervorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die wirksam ist und Wärmeaustauschvorgänge in diesem Ringraum begrenzt und damit die im Hauptbehälter bei Wärmezyklen erzeugten Spannungen besonders im Bereich seiner Aufhängung unter dem so Verschlußdeckel des Kernreaktors wesentlich verringert und die das Eindringen von Natriumaerosoldämpfen in diesen Ringraum und den darüber befindlichen Raum unter dem Verschlußdeckel im wesentlichen verhindert S5

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Allgemein sei bemerkt, daß der Ausdruck »Innenbehälter« hier im weitesten Sinn zu verstehen ist, also die Wärmeisoliervorrichtung gemäß der Erfindung in gleicher Weise in jedem Ringraum benutzt werden kann, der zwischen der Innenwand des Hauptbehälters und einem gegenüberliegenden, diese Wand verdoppelnden Element ausgebildet ist, wobei das letztgenannte Element sowohl von der Außenfläche des eigentlichen Innenbehälters wie von einer Ringwand oder einer parallelen Prallwand, die mit dem Innenbehälter verbunden oder nicht verbunden ist, gebildet sein kann.

Die Wärmeisoliervorrichtung gemäß der Erfindung erreicht zum einen die Wärmeisolation der Hauptbehälterwand durch Verhinderung von Wärmekonvektion des im angrenzenden Ringraum vorhandenen Mediums ohne mechanische Beanspruchung der Hauptbehälterwand und andererseits eine besonders gute, da durch eine Glocke gegen das Eindringen von Aerosoldämpfen abgeschirmte, Wärmeisolation im Bereich der Aufhängung des Hauptbehälters am Verschlußdeckel, wo feo besonders große Wärmegradienten auftreten können.

Die Erfindung wird erläutert durch die folgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, die sich auf die Zeichnungen bezieht. Hierin zeigt

— F i g. 1 eine schematische Ansicht, teilweise im *"> Längsschnitt, eines mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktors, der einen Hauptbehälter und einen Innenbehälter aufweist, die einen Ringraum begrenzen, in dem die Wärmeisoliervorrichtung gemäß der Erfindung angebracht ist;

— Fig.2 eine Einzeldarstellung im größeren Maßstab eines Teils des Ringraums und der WärmedämmelemerUe;

— Fig.3 eine andere Einzeldarstellung einer abgewandelten Ausführungsform.

F i g. 1 zeigt einen schematischen Schnitt eines mit schnellen Neutronen arbeitenden und durch flüssiges Metall gekühlten Kernreaktors, der in seiner Gesamtheit mit 1 bezeichnet ist Dieser Kernreaktor weist besonders einen dickwandigen Betonbehälter 2 auf, der einen Innenraum 3 begrenzt, der oben durch einen ebenfalls aus Beton bestehenden waagrechten Verschlußdeckel 4 verschlossen ist Dieser Verschlußdeckel trägt schematisch skizzierte Handhabungselemente, 5, welche den Zugang in den Innenraum 3 durch den Verschlußdeckel 4 ermöglichen, und weist Durchtrittsöffnungen 6 für die zum Betrieb des Kernreaktors notwendigen Bestandteile auf, wie die Wärmeaustauscher 7 und Förderpumpen 8. Der Innenraum 3 des Betonbehälters 2 umschließt einen ersten Behälter 9, den sogenannten Hauptbehälter, der eine Ringwand von zylindrischer Form mit senkrechter Achse mit einem etwa halbkugelförmigen Boden aufweist und mit seinem oberen Teil unter dem Verschlußdeckel 4 aufgehängt ist Der Hauptbehälter 9 enthält den Reaktorkern und ist außen durch einen zweiten Behälter 10 von gleichem Umriß verdoppelt, der zum ersten Behälter koaxial ist und als Sicherheitsbehälter bezeichnet wird.

Der Hauptbehälter enthält ein entsprechendes Volumen des als Kühlmittel dienenden flüssigen Metalls Ii, im allgemeinen Natrium, dessen Niveau 12 im Hauptbehälter in der Zeichnung angegeben ist Zwischen diesem Niveau 12 und dem Verschlußdeckel 4 ist so ein Raum 13 abgegrenzt, der zur Aufnahme eines Neutralgaspoisters, im allgemeinen Argon, bestimmt ist, das den Verschlußdeckel gegenüber dem flüssigen Metall isoliert. Die an das Gaspolster grenzende Oberfläche des Verschlußdeckels ist vorteilhafterweise mit einer Wärmeisolierverkleidung 14 versehen, um die Elemente und Konstruktion des Verschlußdeckels vor der im Gaspolster 13 herrschenden Temperatur sowie den darin suspendierten Natriumaerosolen zu schützen.

Der Reaktorkern 15 ist im Hauptbehälter 9 angeordnet und wird in an sich üblicher Weise von nebeneinandergestellten Brennelementanordnungen gebildet, von denen nur eine, mit 16 bezeichnet, schematisch in der Zeichnung gezeigt ist Der Reaktorkern 15 ruht auf einer Tragkonstruktion 17, die sich selbst am Boden des Hauptbehälters 9 abstützt. Das heiße Natrium ist vom übrigen Volumen im Hauptbehälter durch einen Innenbehälter 18 mit dünnerer Wand abgetrennt, der den Reaktorkern koaxial zum Hauptbehälter umgibt und eine seitliche Schürze oder Stufe 19 aufweist, durch die die Wärmeaustauscher 7 und Förderpumpen 8 mittels schematisch gezeigter Abdichtungsvorrichtungen 20 geführt sind. Das heiße Natrium im Innenbehälter 18 dringt durch die Eintrittsöffnungen 21 in die Wärmeaustauscher 7 ein und nach Abkühlung in diesen durch die Austrittsöffnungen 22 aus den Wärmeaustauschern in einen Raum 23 aus, der zwischen dem Innenbehälter 18 und dem Hauptbehälter 9 liegt. Dieses kalte Natrium wird dann von den Förderpumpen 8 eingesaugt und durch Leitungen 24, die an der Ausflußseite dieser Pumpen angebracht sind und einen großen Querschnitt aufweisen, unter die Tragkonstruk-

tion 17 des Reaktorkerns zurückgeleitet, um erneut durch den Reaktorkern zu strömen.

Gemäß einer bekannten Ausbildung erstreckt sich die den Innenbehälter 18 seitlich verlängernde Schürze oder Stufe 19 bis in die Nähe der Innenwand des Hauptbehälters 9, wo sie an eine zylindrische Ringwand angeschlossen ist, deren unterer Teil 25 zur Wand des Behälters 9 parallel ist und die dicht mit dem Traggerüst 17 verbunden ist Außerdem ist dieser Innenbehälter 18 durch einen Oberteil 26 verlängert, der ein bis in das Gaspolster 13 oberhalb des Niveaus 12 des Natriums im Hauptbehälter 9 reichendes freies Ende hat Diese mit dem Innenbehälter 18 verbundenen Teile der Ringwand 25 und 26 bilden so mit der gegenüberliegenden Wand

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27, der sich über den Umriß des Hauptbehälters 9 erstreckt und zum Einsetzen der Wärmedämmelemente 28 bestimmt ist, deren Ausführung im einzelnen weiter unten erläutert wird.

F i g. 2 zeigt in größerem Maßstab das obere Ende des Hauptbehälters 9 und der die Stufe 19 des Innenbehälters 18 nach unten bzw. oben verlängernden zylindrischen Wände 25 und 26. Wie ersichtlich ist der Ringraum 27 durch übereinander angeordnete elastische Wärmedämmelemente 28 gefüllt, die durch ihre konvektionshemmende Wirkung die einander gegenüberliegenden Wände der beiden Behälter voneinander isolierea Vorzugsweise bestehen diese elastischen Wärmedämmelemente 28 aus zwei L-förmigen Winkelprofilen 29 bzw. 30, die mit einem geringen Spiel 31 ineinandergesetzt sind. Der Innenbereich der durch die Winkelprofile 29 und 30 begrenzten Räume ist offen und mit einem nachgiebigen Material 32 gefüllt, das vorzugsweise aus einem Stapel von Blechen, Gittern, Netzen aus Metall oder anderen Elementen dieser Art, wie Stahlwolle oder dergleichen, gefüllt ist, wobei dieses nachgiebige Material 32 vorteilhafterweise eine Reihe von dünnen Metallplatten 32a einschließt die untereinander parallel sind und die Konvektionsströme durch die Elemente begrenzen sollen. Vorteilhafterweise sind diese Elemente so ausgebildet daß sie sich koniinuier-. lieh über die Gesamtheit des Ringraums 27 erstrecken. Die verwendeten Winkelprofile weisen dabei an einem ihrer Enden eine Verlängerung auf, die sich in das benachbarte Winkelprofil einschieben läßt um eine in sich geschlossene durchgehende Anordnung zu bilden. Derartige Anordnungen sind genauer in der DE-OS 26 32 467 beschrieben.

Der obere Teil 26 der die Stufe 19 und den Innenbehälter 18 fortsetzenden Ringwand endet frei im Gaspolster 13, und der mit den Wärmedämmelementen 28 gefüllte Ringraum 27 ist in direkter Verbindung und damit im Druckgleichgewicht mit diesem über dem Niveau 12 des Natriums im Behälter 9 befindlichen Gaspolster. Unter diesen Bedingungen könnten die in diesem Gaspolster vorhandenen Natriumaerosole sich in den Ringraum 27 verbreiten und Wärmekurzschlflsse in den dort angeordneten Elementen bewirken. Um diesen Nachteil zu beseitigen, ist gemäß der Erfindung der Ringraum 27 vom Gaspolster 13 durch eine ebenfalls in F i g. 2 gezeigte Hilfsvorrichtung isoliert

Zu diesem Zweck trägt der Verschlußdeckel 4 des Kernreaktors, unter dem die Behälter 9 und 10 aufgehängt sind, eine Metallverkleidung 33, die sich entweder in Ringkanälen 33a beim Durchgang von im Verschlußdeckel 4 für Reaktorbestandteile vorgesehenen Bohrungen 6 oder in einer unteren Gurtplatte 336 unter dem Verschlußdeckel oder schließlich in einer seitlichen Ringwand 33c fortsetzt, die durch eine waagrechte Krempe 33d mit der Innenfläche des Hauptbehälters 9 verbunden ist. Unter der Gurtplatte 33b trägt die Verkleidung 33 in der Nähe der seitlichen Ringwand 33c ein kreisförmiges Winkeleisen 34 zum Anhängen einer Krempe 35, die ein dünnwandiges Leitblech 36 verlängert, das sich senkrecht unter dem Verschlußdeckel erstreckt und innen die wärmedämmende Struktur 14 aufnimmt, wie erwähnt. Deckplatten ίο 37 sind gegen diese Struktur gedrückt und nach unten durch eine Glocke 37a verlängert, die unter das Niveau

12 des Natriums 11 im Behälter taucht und so einen Raum 38 für das Gaspolster 13 zwischer der Glocke 37a und dem oberen Teil der zylindrischen Verlängerung 26 begrenzt. Der so zur Vermeidung der Bildung einer zu großen Menge von Dämpfen und Aerosolen von Natrium begrenzte Raum 38 steht selbst mit dem Raum

13 und den Räumen 27 und 27a in Verbindung. Die letztgenannten Räume befinden sich unter der Krempe 33d, zwischen dem Behälter 9 und der Ringwand 33c, und sind durch diese begrenzt. Vorteilhafterweise wirkt das Leitblech 36 mit elastischen Wärmedämmelementen 28a zusammen, die aus U-Winkelprofilen gebildet sind, die so ineinandergesetzt sind, daß zwischen ihren Schenkeln Kapillarräume gebildet werden, welche Dämpfe und Aerosole von Natrium im Raum 38 abfangen können. Derartige Vorrichtungen sind ebenfalls in der erwähnten DE-OS 26 32 467 beschrieben. Ähnliche Elemente 286 oder andere, die im Ringraum

ίο 27a angeordnet sind, können beispielsweise den in der DE-OS 25 38 574 beschriebenen Vorrichtungen entsprechen. Es sei bemerkt daß diese Elemente 26b anfangs im oberen Bereich des Raums 27a gehalten sind, um die Schweißnaht 39 des Hauptbehälters 9 bei dessen Zusammenbau herstellen zu können, und bei Beendigung der Montage senkrecht verschoben und mittels einer Kompressionsvorrichtung 40 elastisch gegen die Elemente 28 gedrückt werden können. Schließlich können solche Elemente 286 in dem den Hauptbehälter

«ο 9 und Sicherheitsbehälter 10 trennenden Raum gehalten sein, wobei die Elemente in diesem Fall beiderseits eines Tragelements 41 angeordnet sind, das mittels Zugstangen 42 am oberen Teil des Verschlußdeckels 4 aufgehängt ist

Bei einer anderen, in Fig.3 gezeigten Ausführungsform weist das unter der Verkleidung 33 des Verschlußdeckels 4 angebrachte Leitblech 36a eine Krempe 35a und eine untere Verlängerung 376 auf, die in eine mit der Innenwand der Verlängerung 26 des Innenbehälters fest verbundene Rinne 43 taucht die mit einer entsprechenden Menge von Natrium 44 gefüllt ist, um eine Dichtung zwischen den Räumen 27 und 13 zu bilden.

Unabhängig von der gewählten Ausführungsform

ermöglicht das Einsetzen von nachgiebigen und elastischen Wärmedämmelementen in den zwischen der Verlängerung des Innenbehälters und dem Hauptbehälter vorgesehenen Ringraum die Ausschaltung einet Ursache von verhältnismäßig erheblichen Wärmeverlusten und gleichzeitig den Schutz der Innenwand des Hauptbehälters gegenüber erheblichen Wärmegradienten und damit die Begrenzung der daraus folgender mechanischen Spannung. Im übrigen ermöglicht die Anbringung einer Glocke unter dem Verschlußdeckel die in das Niveau des als Kühlmittel des Reaktors dienenden und im Hauptbehälter enthaltenen flüssiger Metalls eintaucht, den so mit Wärmedämmelementer gefüllten Ringraum gegenüber Aerosolen des flüssigen

Metalls zu isolieren und die Bildung von Wärmekurzschlüssen in diesen Elemerten zu verhindern, ohne daß das obere Ende der Verlängerung des Innenbehälters mit einer starren Konstruktion verbunden ist, so daß es ohne Schwierigkeiten Dimensionsveränderungen folgen kann, die durch Wärmezyklen im Betriebsverlauf des Reaktors erzwungen werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmeisoliervorrichtung für die Innenwand des unter einem waagerechten Verschlußdeckel aufgehängten Hauptbehälters mit senkrechter Achse eines mit schnellen Neutronen arbeitenden und durch flüssiges Metall gekühlten Kernreaktors, die eine Mehrzahl von über- und nebeneinander angeordneten Wärmedämmelementen aufweist, die in einem Ringraum zwischen diesem Hauptbehälter und einem koaxial in ihm angeordneten, das flüssige Metall enthaltenden Innenbehälter angeordnet sind, der mit seinem oberen, freien Ende in das zwischen dem Verschlußdeckel und dem flüssigen Metall befindliche Neutralgaspolster reicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedämmelemente elastisch sind und in dem Ringraum (27) zwischen dem Hauptbehälter (9) und dem Innenbehälter (i^l8, 25, 26) verschiebbar eingesetzt und gehalten sind und sich kontinuierlich über die Gesamtheit des Ringraums erstrecken und daß zum Schutz des freien Endes des Innenbehälters (26) gegenüber dem Gaspolster (13) eine zylindrische Glocke (37a) vorgesehen ist, die unter dem Verschlußdeckel (4) gehalten und mit dem Innenbehälter (18, 26) koaxial ist und in das flüssige Metall (11) eintaucht

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Wärmedämmelemente (28) aus Halbschalen bestehen, von denen jede aus zwei L-Winkelprofilen (29, 30) gebildet ist, die mit geringem Spiel (31) zwischen ihren gegenüberliegenden Seitenflächen ineinandergesetzt sind, wobei der im Inneren der Halbschale abgegrenzte Raum mit einem nachgiebigen und komprimierbaren wärmedämmenden Material (32) gefüllt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Winkelprofile (29, 30) an einem seiner Enden eine Verlängerung aufweist, die in ein benachbartes Winkelprofil einschiebbar ist, und so fort von einem zum nächsten Winkelprofil.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeisoliermaterial (32) der elastischen Elemente (28) aus einem Stapel von Blechen, Gittern oder Netzen aus Metall unter Zwischenschaltung mindestens eines parallel zum Boden der beiden Winkelprofile (29, 30) verlaufenden Metallplättchen (32a_>>besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glocke {37b) in eine mit flüssigem Metall gefüllte Ringrinne (43) taucht, die von der Wand (26) des Innenbehälters (18) getragen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außen- und Innenwand der Glocke (36 bzw. 37) selbst mit elastischen Wärmedämmelementen (14) verkleidet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Glocke gehaltenen elastischen Wärmedämmelemente (28a^ aus zwei U-Profilen bestehen, die ineinandergesetzt sind und zwischen ihren radialen Seiten Kapillarspalte begrenzen, um die Dämpfe und Aerosole von flüssigem Metall abzufangen.