DE2632466C3 - Wärmeisoliervorrichtung für einen Kernreaktorbehälter - Google Patents
Wärmeisoliervorrichtung für einen KernreaktorbehälterInfo
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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 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, vgl. die DE-OS 24 51448.
Bei diesem bekannten Kernreaktortyp hat der das als Kühlmittel dienende flüssige Natrium enthaltende
Hauptbehälter im allgemeinen die Form einer seitlichen zylindrischen Ringwand mit senkrechter Achse, die sich
an ihrer Unterseite in einem halbkugelförmigen Boden fortsetzt Dieser Hauptbehälter 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 Natriumaerosolen belädt Im Primärkreislauf
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.
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 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 Kühlen des Behälters eine nicht zu
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 Hauptbehälter den erwähnten Ringraum begrenzt, ein freies Ende im Neutralgaspolster unter
dem Verschlußdeckel aufweist, da dieser Innenbehälter wegen seiner erheblichen Dimensionsveränderungen im
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 Druckgleichgewicht 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 Innenbehälters eine Mehrzahl von über-
und nebeneinander angeordneten Wärmedämmeiementen aufweist, die je einzeln und starr mit der den
Innenbehälter bildenden Metallwand durch an diese angeschweißte Stehbolzen und aufgeschraubte Muttern
verbunden rind. Die Wärmedämmelemente sind selbst nicht elastisch, sondern es sind nur die Zwischenräume
zwischen ihnen durch elastische Füllelemente gegen den normalen Fluß des flüssigen heißen Natriums im
wesentlichen verschlossen. Die Rückseite der so wärmeisolierten Metallwand steht in Berührung mit
dem kühleren flüssigen Natrium.
Diese bekannte Wärmeisoliervorrichtung dient also nicht der unmittelbaren Wärmeisolation des Hauptbehälters
eines Kernreaktors des oben angegtoenen Typs und wäre dafür auch nicht geeignet, weil in diesem FaJf
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
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.
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 WärmeisolieiVorrichtung 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 ->rn Verschlußdeckel, wo
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 Wärmedämmelemente;
— Fig.3 eine andere Einzeldarstellung einer abgewandelten Ausführungsform.
F i g. 1 zeigt einen schematischen Schnitt eines mit schnellen Neutronen arbeitenden und durch flüssiges
ίο 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 Ver-"
> schlußdeckel 4 verschlossen ist Dieser Verschlußdeckei
trägt schematisch skizzierte Handhabungselemente, 5, weiche den Zugang in den Innenraum 3 durch den
Verschlußdeckei 4 ermöglichen, und weist Durchtrittsöffnungen 6 für die zum Betrieb des Kernreaktors
2(i 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
2"> einem etwa halbkugelförmigen Boden aufweist und mit seinem oberen Teil unter dem Verschlußdeckei 4
aufgehängt ist. Der Hauptbehälter 9 enthält den Reaktorkern und ist außen durch einen zweiten
Behälter 10 von gleichem Umriß verdoppelt, der zum
in ersten Behälter koaxial ist und als Sicherheitsbehälter
bezeichnet wird.
Der Hauptbehälter enthält ein entsprechendes Volumen des als Kühlmittel dienenden flüssigen Metalls
11, im allgemeinen Natrium, dessen Niveau 12 im
π Hauptbehälter in der Zeichnung angegeben ist. Zwischen diesem Niveau 12 und dem Verschlußdeckei 4
ist so ein Raum 13 abgegrenzt, der zur Aufnahme eines Neutralgaspolsters, im allgemeinen Argon, bestimmt ist,
das den Verschlußdeckei gegenüber dem flüssigen
κι 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
t") 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,
■in 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
r>r> 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
W) 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.
hr> 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 zuriickgeleitet, 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 des Hauptbehäiters 9 einen durchgehenden Ringraum
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 isolieren. 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 kontinuierlich 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 Wärmekurzschlüsse 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 33b
unter dem Verschlußdeckel oder schließlich in einer
seitlichen Ringwand 33c fortsetzt, die durch eine waagrechte Krempe 33c/ mit der Innenfläche des
Hauptbehälters 9 verbunden ist. Unter der Gurtplatte 336 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 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
33c/, 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 ihrer 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
27a angeordnet sind, können beispielsweise den in der DE-OS 25 38 574 beschriebenen Vorrichtungen entsprechen.
Es sei bemerkt, daß diese Elemente 28i anfangs im oberen Bereich des Raums 27a gehalten sind
um die Schweißnaht 39 des Hauptbehälters 9 bei desser 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 Hauptbehältei
9 und Sicherheitsbehälter 10 trennenden Raum gehalter sein, wobei die Elemente in diesem Fall beiderseits eines
Tragelements 41 angeordnet sind, das mittels Zugstan gen 42 am oberen Teil des Verschlußdeckels A
aufgehängt ist.
Bei einer anderen, in F i g. 3 gezeigten Ausführungsform weist das unter der Verkleidung 33 de:
Verschlußdeckels 4 angebrachte Leitblech 36a eine Krempe 35a und eine untere Verlängerung 37b auf, die
in eine mit der Innenwand der Verlängerung 26 de« Innenbehälters fest verbundene Rinne 43 taucht, die mi
einer entsprechenden Menge von Natrium 44 gefüllt ist um eine Dichtung zwischen den Räumen 27 und 13 zi
bilden.
Unabhängig von der gewählten Ausführungsforrr ermöglicht das Einsetzen von nachgiebigen unc
elastischen Wärmedämmelementen in den zwischen dei Verlängerung des Innenbehälters und dem Hauptbehäl
ter vorgesehenen Ringraum die Ausschaltung einei Ursache von verhältnismäßig erheblichen Wärmeverlu
sten und gleichzeitig den Schutz der Innenwand de: Hauptbehälters gegenüber erheblichen Wärmegradien
ten und damit die Begrenzung der daraus folgender mechanischen Spannung. Im übrigen ermöglicht du
Anbringung einer Glocke unter dem Verschlußdeckel die in das Niveau des als Kühlmittel des Reaktor
dienenden und im Hauptbehälter enthaltenen flüssige! Metalls eintaucht, den so mit Wärmedämmelementei
gefüllten Ringraum gegenüber Aerosolen des flüssiger
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 (7)
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, dos flüssige Metall enthaltenden Innenbehälter angeordnet sind,
der mit seinem oberen, freien Ende in das zwischen dem Verschiußdeckel und dem flüssigen Metall
befindliche Neutralgaspolster reicht, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wärmedänimelemente elastisch sind und in dem Ringraum (27)
zwischen dem Hauptbehälter (9) und dem Innenbehälter (18, 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 (32ajbesteht.
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.
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