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Boden für Behälter bei hohen Temperaturen
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Boden für Behälter bei hohen,
wechselnden Temperaturen, insbesondere für gasgekühlte Kernreaktoren.
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Sowohl bei gasgekühlten Kernreaktoren, deren Kern aus Brennelementblöcken,
insbesondere von sechseckigem Querschnitt, besteht, als auch bei gasgekühlten Eugelhaufenreaktoren,
wird der Boden des Reaktorbehälters oft aus sechseckigen Blöcken oder Säulen hergestellt,
die aus Graphit oder einem anderen hochtemperaturfesten Material bestehen. Da beide
Reaktortypen oft von oben nach unten vom Kühlgas durchströmt werden sollen, sind
im Reaktorboden sehr hohe Temperaturen und dementsprechend beim An- und Abstellen
erhebliche Dimensionsänderungen, die insbesondere in waagerechter Richtung den Behälter
belasten, zu erwarten. Bei der Aufheizung dehnt sich die gesamte Graphit struktur
des Reaktorkerns und des Reaktorbodens aus. Um hierbei Zwangskräfte zu vermeiden,
müssen genügend große Ausdehnungsspalte vorgesehen sein. Bei mehrmaligem Aufheizen
und Abkühlen muß gewährleistet sein, daß diese Ausdehnungsspalte an keiner Stelle
weder zu groß noch zu klein werden, was beim erneuten Aufheizen zu lokalen Zwangskräften
und damit zu Beschädigungen führen könnte. Im Hochofenbau wurden diese Probleme
bei an sich vergleichbaren Temperaturen, Materialien und Dimensionen auf eine Weise
gelöst, die in der Reaktortechnik nicht angewendet werden kann. Im Hochofen
dehnt
sich beim Anheizen der harte, innere, aus Graphit bestehende Teil des Bodens nach
außen in eine nachgiebige Abstützung aus und verformt diese plastisch.
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Beim Abkühlen würden Spalte entstehen, die sich durch den Iiochofeninhalt
zusetzen und beim erneuten Aufheizen nicht mehr als Ausdehnungsspiel zur Verfügung
stehen. Hochöfen werden daher während ihrer Lebensdauer nur einmal angeheizt und
dann ständig auf Betriebstemperatur gehalten. Bei großen gasgekühlten Kernreaktoren
dagegen muß einerseits dafür Sorge getragen werden, daß das erforderliche Ausdehnungsspiel
zur Verfügung steht, darüberhinaus sollten aber auch Rückstellkräfte vorhanden sein,
die beim Abkühlen des Kerns alle Elemente wieder in die ursprüngliche Lage bringen.
Diese Rückstellkräfte sollten ständig vorhanden sein, um bei allen Betriebsbedingungen
ein -Auflockern der Kernbauteile untereinander und damit unkontrollierbare Relativbewegungen
zu verhindern.
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Federnde Elemente zwischen Boden und äußerer Abstützung könnten prinzipiell
für eine permanente Rückstellkraft sorgen, bei hohen Temperaturen sowie bei Kernreaktoren
unter Strahlenbelastung ermüden aber solche Elemente und garantieren daher nicht
die gewünschte Lebensdauer.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Boden für Behälter bei
hohen und wechselnden Temperaturen, wobei dieser Boden aus zahlreichen Elementen
aus einem bei hoher Temperatur baständigen Material besteht, die durch eine äußere
Abstützung zusammengehalten werden.
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Dieser Boden soll auch nach langer Betriebszeit und nach mehrfachem
Anheizen und Abkühlen seine Form beibehalten und auf die dabei verwendeten Elemente
keine unzulässigen Kräfte ausüben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird. vorgeschlagen, daß diese Elemente
auf an sich bekannten Wälzkörpern gelagert sind, deren Wälzebenen zur Abstützung
und / oder zu einem Festpunkt hin abwärts geneigt sind. Durch diese Anordnung werden
die den Boden eines Behälters bildenden Elemente aufgrund ihres Eigengewichtes gegen
eine äußere
Abstützung oder einen Festpunkt gepreßt. Bei allen temperaturbedingten
Ausdehnungen bewegen sich die Elemente mit geringer Reibung und unter einer berechenbaren
Belastung auf den Wäizkörpern die geneigten Ebenen hinauf und werden bei Abkühlung
automatiscn wieder in ihre ursprüngliche Lage zurückversetzt. Da die äußeren Abmessungen
von Körpern aus Materialien von hoher Temperaturbeständigkeit, wie z. Beispiel Graphit
oder Kohlestein begrenzt sind, ist es zweckmäßig, mehrere dieser Körper übereinander
zu einer Säule zu stapeln, die sich j ls auf einen Wälzkörper abstützt. An den Begrenzungsfugen
zwischen verschiedenen Gruppen solcher Säulen kann man an den Randelementen Überdeckungen
vorsehen, so daß auch im kalten Zustand keine durchgehenden Spalte entstehen. Diese
Anordnung ist prinzipiell für beliebige Bodenformen, also auch für rechteckige Böden
geeignet.
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Bei hohen Drücken wird man zweckmäßigerweise runde oder polygonartige
Behälterquerschnitte vorsehen. In diesem Fall werden mehrere ringsegmentförmige
Gruppen von Säulen mit Trapezquerschnitt vorgesehen, zwischen denen radiale Ausdehnungsfugen
vorhanden sind und das Widerlager, das die nach außen gerichtete Komponente des
Gewichts aufnimmt, wird durch einen äußeren gekühlten Ring oder ein Polygon gebildet.
Als Festpunkt für rotationssymetrische Böden kann auch die Mitte des Bodens dienen,
sodaß keine Kräfte nach außen wirken.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß zwei
in einem Behälter einander gegenüberliegende Wälzebenen entgegengesetzte Neigungen
aufweisen. Auf diese Weise können die auf zwei Wälzebenen angeordneten Elemente
sich in entgegengesetzter Richtung bewegen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß entweder
die Abstützung bzw. das Widerlager außerhalb des Behälters liegen wird und keine
wesentlichen Temperaturänderungen erfahren wird oder der Festpunkt in der Mitte
des Bodens liegt. Auch diese Ausgestaltung ist grundsätzlich für beliebige Querschnittsformen
geeignet, bei runden oder polygonartigen Behältern ergibt sich dann eine trichterförmige
oder kegelförnige Anordnung der Wälzebenen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung für Schüttgutbehälter wird
vorgeschlagen, daß die Neigung einer Wälzebene zur Neigung des darüber angeordneten
Behälterbodens entgegengesetzt verläuft. Durch diese Anordnung wird das Gewicht
des Schüttgutes ebenfalls genutzt, um die auf den geneigten Ebenen angeordneten
Elemente gegen ihre Abstützung oder einen Festpunkt zu drücken.
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Bei temperaturbedingten Ausdehnungen bewegen sich die Elemente nicht
nur vom Festpunkt weg, sondern auch nach oben in die Schüttung hinein, die ja wesentlich
nachgiebiger ist als jede starre Konstruktion.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung für einen gasgekühlten Kugelhaufenreaktor,
der einen annähernd trichterförmigen Boden aufweist, wird vorgeschlagen, daß dieser
Boden aus mehreren ringsegmentförmigen Gruppen von Elementen besteht, wobei die
Oberseiten dieser Gruppen aus jeweils zwei dachförmig zueinander geneigten Ebenen
bestehen, deren Firstkanten zur Behältermitte hin abfallen und deren Unterseiten
jeweils Wälzebenen von zur Oberseite entgegengesetzter Neigung aufweisen. Bei dieser
Anordnung hat der trichterförmige Boden in der Mitte eine Abzugsöffnung. Der eigentliche
Trichter besteht aus mehreren, im allgemeinen gleichmäßig über dem Umfang verteilten
Ringsegmenten mit radialen Ausdehnungsfugen dazwischen. Jedes Ringsegment bildet
an seiner Oberseite ein Dach mit einem radial- zur Mitte hin abfallenden Dachfirst.
Zwischen je zwei benachbarten Ringsegmenten entsteht auf diese Weise ein ebenfalls
radial zur Mitte hin abfallendes Tal, das die Kugeln zum zentralen Kugelabzug hinleitet.
Da die Ringsegmente jeweils an ihrer Unterseite zwei Wälzebenen von zur Oberseite
entgegengesetzter Neigung bilden, werden die einzelnen Ringsegmente nicht nur durch
ihr eigenes Gewicht, sondern auch durch das Gewicht der darauf liegenden Kugelschüttung
einerseits in sich zusammengepreßt und andererseits gegen die äußere Abstützung
gedrückt. Auf diese Weise werden die aus mehreren Elementen bestehenden Ringsegmente
nur auf Druck beansprucht und brauchen nicht durch besondere Zuganker
zusammengehalten
zu werden. Durch die Anordnung mehrerer dachförmig zueinander geneigter Ebenen an
der Unterseite wird der trichterförmige Boden trotz der Lagerung auf Wälzkörpern
im Ganzen gegen Verdrehen gesichert und zentriert.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung für einen gasgekühlten Kugelhaufenreaktor,
der in einem annähernd trichterförmigen Boden einen zentralen, mit der Spitze nach
oben angeordneten annähernd kegelförmigen Körper aufweist, wird vorgeschlagen, daß
die äußere trichterförmige Zone des Bodens aus Ringsektoren besteht, die auf nach
innen ansteigenden Wälzebenen gelagert sind, während der zentrale kegelförmige Körper
aus Sektoren besteht, die auf zur Mitte hin abfallenden Wälzebenen gelagert sind.
Die Vorteile eines mit der Spitze nach oben in einem trichterförmigen Boden angeordneten
kegelförmigen Körpers sind in den Deutschen Offenlegungsschriften P 24 08 926.7
und P 24 56 405.4 dargestellt.
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Bei einer solchen Konstruktion läßt sich die hier vorgeschlagene Erfindung
besonders gut verwirklichen. Da zwischen der äußeren trichterförmigen Zone des Bodens
und dem inneren Kegel ein ringförmiger Ausdehnungsspalt vorgesehen ist, kann man
die Wälzebenen so anordnen, daß die äußeren Ringsegmente sich zur Mitte hin ausdehnen
können, während die inneren sektorförmigen Elemente sich bei Erwärmung von der Mitte
nach außen bewegen können.
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Auf diese Weise werden nicht nur die äußeren ringsegmentförmigen Teile,
sondern auch der innere Kegel durch Eigengewicht und das Gewicht der darauf ruhenden
Kugelschnttung zusammengehalten und nur auf Druck beansprucht. Auf diese Weise liegt
der innere mit der Spitze nach oben angeordnete Kegel mit einem zentralen Festpunkt
in einem Trichter von mehreren zur Mitte hin geneigten Wälzebenen und wird auf diese
Weise automatisch zentriert. Da dieser Kegel sich radial nach allen Seiten frei
ausdehnen kann, braucht er keine radialen Ausdehnungsspalte.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung, wobei die den Boden züsammenhaltende
äußere Abstützung die Form eines
Polygons aufweist, wird vorgeschlagen,
daß zwischen diesem Polygon und den angrenzenden Segmenten oder Ringsegmenten Wälzkörper
angeordnet sind. Diese zugsweise in senkrechten Wälzebenen angeordneten Wäizkörper
bewirken, daß sich die Segmente bzw.
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Ringsegmente, die ja in senkrechter Richtung erhebliche Abmessungen
aufweisen, auch in senkrechter Richtung frei ausdehnen können. Da die Segmente bzw.
Ringsegmente erfindungsgemäß ständig gegen die Abstützung gepreßt werden, kann man
mit geringen konstruktiven Aufwand sicherstellen, daß diese Wälzkörper nicht im
Spalt nach unten wandern. Die unteren Mitten einer Polygonseite werden hier jeweils
als Festpunkte betrachtet.
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Die bisher beschriebenen Wälzkörper können in bekannter Weise Kugeln
oder, da die tatsächlichen Ausdehnungswege gering sind, Säulen mit kugeligen Endflächen
von gemeinsamem Kugelmittelpunkt sein.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung, wobei die W§lzkörper Zylinderflichen
aufweisen, wird vorgeschlagen, daß jeweils zwei Ebenen von Wälzkörpern übereinander
angeordnet sind, deren älzkörperachsen unter einem Winkel von vorzugsweise 9o° zueinander
angeordnet sind. Die an sich bekannten zylindrischen Wälzkörper haben gegenüber
kugeligen Wälzkörpern aufgrund der größeren Auflage fläche eine erheblich größere
Tragkraft. Im vorliegenden Fall haben aber zylindrische Wälzkörper den Nachteil,
daß sie sich nur in einer bevorzugten Richtung nahezu reibungsfrei bewegen können.
Durch die vorgeschlagene Anordnung von zwei Wälzkörperebenen übereinander wird erreicht,
daß sich diese Konstruktion in jeder beliebigen Richtung mit geringer Reibung bewegen
kann.
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In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß
diese zwei Wälzkörperebenen mit unterschiedlicher Neigungsrichtung übereinander
angeordnet sind. Durch diese Anordnung unterschiedlicher Ebenen kann man sich den
Gegebenheiten der unter- und oberhalb
dieser Ebenen angeordneten
Bauteile besser anpassen. In bezug auf die Ausdehnungsrichtung wirken diese beiden
übereinander liegenden Ebenen von unterschiedlicher Neigung wie eine einzige Ebene
mit einer dazwischen liegenden Neigung.
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Die Figuren 1 - 4 zeigen mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung
an einem gas gekühlten Kugeln haufenreaktor mit einem zylindrischen Kernbehälter
von ca. 12 m Durchmesser und 1o m Höhe, der einen trichterförmigen Boden und darin
einen zentralen mit der Spitze nach oben angeordneten Kegel aufweist.
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Bei einer Temperaturdifferenz von ca. loooo C würde sich ein solcher
Boden aus Graphit ohne besondere Maßnahmen im Durchmesser um ca. 60 mm ausdehnen
müssen.
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Figur 1 zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch einen solchen Kernbehälter
entsprechend Schnitt AB in Fig. 2.
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Figur 2 zeigt einen waagerechten Querschnitt durch einen solchen Kernbehälter.
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Figur 3 zeigt eine Ansicht von der Seite auf ein ringsegmentförmiges
Teil des trichterförmigen Kernreaktorbodens im vergrößerten Maßstab, entsprechend
Schnitt C-D in Fig. 2.
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Figur 4 zeigt eine perspektivische Ansicht auf ein einzelnes quadratisches
Wälzlager, das in zwei Ebenen übereinander jeweils zwei zylinderförmige Wälzkörper
enthält.
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In Figur 1 und 2 enthält der zylindrische Kernbehälter 1 eine Schüttung
von zahlreichen Brennstoffkugeln 2. Sein Boden besteht aus einem äußeren trichterförmigen
Teil 3 und einem inneren kegelförmigen Teil 4 mit einem ringförmigen Spalt 5 dazwischen.
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Wie aus Figur 1 ersichtlich, sind Trichter 3 und Kegel 4 aus zahlreichen
Blöcken aufgebaut, von denen jeweils mehrere übereinander eine Säule bilden, die
sich
auf einen Wälzkörper 6 abstützt, der mit anderen IYålzkörpern
6 auf Platten 7 und 8 gelagert ist, die wiederum über Fundamente 9 und 10 auf einem
waagerechten, ebenen Boden 11 ruhen. Die zylindrischen Seitenwände des Kernbehälters
werden von innen nach außen gebildet durch eine als Reflektor wirksame Schicht von
Graphitblöcken 12, einer als Isolierung wirksamen Schicht, beispielsweise aus Kohlesteinen
13 und einem äußeren Polygon aus metallischen, miteinander verschraubten Elementen
14, die von außen gekühlt. werden. Da dieses äußere Polygon seine Temperatur und
damit auch seine Dimensionen nur wenig ändert, kann man es als feste Abstützung
für die Blöcke des Trichters 3 betrachten, die sich beim Anheizen einerseits radial
zur Behältermitte und andererseits senkrecht nach oben in die Kugelschüttung hineinbewegen.
Beim Abkühlen bewegen sich diese Blöcke aufgrund ihres eigenen Gewichts und aufgrund
des Gewichts der darauf liegenden Sugelschüttung auf den geneigten Platten 8 wieder
zurück in radialer Richtung auf die äußere feste Abstützung hin. Die Blöcke des
inneren Kegels 4 dagegen, dehnen sich beim Anheizen einerseits radial nach außen
aus und andererseits ebenfalls nach oben in die Kugeischüttung hinein.
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Beim Abkühlen wandern diese Blöcke aufgrund ihres Gewichts und aufgrund
des Gewichts der auf ihre schrägen Oberflächen drückenden Kugelschüttung wieder
radial zur Mitte. Auf diese Weise werden sowohl die Blöcke des Trichters 3 als auch
die Blöcke des Kegels 4 nur auf Druck beansprucht.
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In Figur 2 ist sowohl der in Figur 1 dargestellte Kegel 4 aus zahlreichen
Säulen von Blöcken 20, 21 und 22 als auch der in Figur 1 dargestellte äußere Trichter
3 aus zahlreichen Säulen von Blöcken 23, 24 und 25 aufgebaut, die jeweils segmentförmige
bzw. ringsegmentförmige Gruppen bilden. Zwischen benachbarten Säulen des inneren.
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Kegels 4 sind Trennfugen, aber keine Ausdehnungsspalte vorgesehen,
weil dessen Blöcke alle durch ihr eigenes Gewicht radial zur Mitte gedrückt werden.
Zwischen dem
Block 20 des inneren Kegels 4 und dem Block 23 des
äußeren Trichters 3 ist ein ringförmiger Ausdehnungs-Spalt 5 vorgesehen, der auch
bei der höchstmöglichen Temperatur noch vorhanden sein soll. Zwischen dem Block
23 und dem radial benachbarten Block 27 ist ebenfalls ein Ausdehnungsspalt 28 von
radialer Richtung vorgesehen, während gegenüber dem benachbarten Block 29 zwar eine
Trennfuge aber kein Ausdehnungsspalt vorgesehen ist.
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Figur 3 zeigt mit denselben Bezeichnungen wie in Figur 1 und 2, wie
die aus zahlreichen Säulen von Blöcken aufgebauten Ringsegmente des äußeren Trichters
3 über Wälzlager 6 auf geneigten Platten 8 und diese über Fundamente auf dem ebenen
Boden 11 gelagert sind..Hier wird erkennbar, wie das Gewicht der Blöcke selbst und
das Gewicht der darauf ruhenden Schüttung aus Brennstoffkugeln 2 die Blöcke eines
Ringsegmentes in waagerechter Richtung zusammenhält.
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Ebenfalls wird erkennbar, daß die Neigung der Ebenen oberhalb der
Blöcke zur Neigung der Wälzebenen unterhalb der Blöcke entgegengesetzt ist, aber
nicht denselben Neigungswinkel zur Waagerechten aufweist.
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Während die Neigung an der Oberseite der Blöcke durch das Fließverhalten
der Brennstoffkugeln bestimmt wird, muß die Neigung an der Unterseite der Blöcke
nur so groß gewählt werden, daß die Reibung in den Wälzkörpern fberwunden wird.
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In Figur 4 liegen jeweils zwei an sich bekannte zylinderförmige Wälzkörper
zusammen auf einer unteren Platte 41, die einen Steg 42 aufweist zur Führung der
mit einer Ringnut versehenen Wälzkörper 40. Auf den beiden unteren Wälzkörpern 40
liegt eine mittlere Platte 43, die jeweils an ihrer Unterseite und an ihrer Oberseite
um 900 versetzt einen Steg 42 aufweist. Darüber sind wiederum zwei um 900 zu den
unteren Wälzkörpern versetzte obere Wälzkörper 40 angeordnet, die wiederum eine
obere Platte 44 tragen, die ebenfalls einen Steg 42 aufweist. Dieses Wälzlager ist
in waagerechter Ebene frei
beweglich wie ein aus Kugeln aufgebautes
Wälzlager und hat gegenüber den Bügeln den Vorteil einer größeren Auflagefläche
und damit einer größeren Tragkraft.
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