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Druckbehälter für Atomkernreaktoren
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckbehälter für Atomkernreaktoren,
bei denen wenigstens eine zwei Kavernen verbindende Leitung mit einem im Spannbeton
des Druckbehälters gehaltenen Verankerungsrohr vorhanden ist, das ebenso wie die
Kavernen eine Auskleidung aus einer von einer Isolierbetonschicht getragenen Dichthaut
besitzt, wobei zwischen dem Spannbeton und der Auskleidung bzw. dem Verankerungsrohr
eine Kühlung vorgesehen ist.
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Rohrleitungsanschlüsse bieten bei Spannbetonbehältern von Atomkernreaktoren
stets Schwierigkeiten, vor allem aber dann, wenn die Dichthaut nicht gekühlt wird,
weil die Durchdringung der Dichthaut durch die Rohrleitung für die ohnehin bereits
hoch beanspruchte Dichthaut eine beträchtliche Störung darstellt. Auf Grund der
Wärmebelastung der Dichthaut der Rohrleitung dehnt sich diese in axialer Richtung
aus, was entsprechende Biegebeanspruchungen der mit der Leitungsdichthaut verbundenen
Dichthaut der Kaverne bewirkt. Um diese zusätzlichen Beanspruchungen der Kavernendichthaut
zu vermeiden, wurde bereits vorgeschlagen, die Leitung aus einem druckführenden
Rohr zu bilden, das sich von der Kaverne weg in axialer Richtung frei ausdehnen
kann. Diese bekannte Konstruktion läßt sich jedoch nur dort verwirklichen, wo die
Leitung nur einseitig an eine Kaverne angeschlossen werden muß. Für eine zwei Kavernen
verbindende Leitung ist dieser Lösungsvorschlag jedoch
ungeeignet,
weil in einem solchen Fall die Wärmedehnungen an beiden Leitungsenden vermieden
werden müssen, die ja beide mit den Kavernendichthäuten verbunden sind.
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Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, einen Druckbehälter
mit wenigstens einer zwei Kavernen verbindenden Leitung zu schaffen, bei der trotz
heißer Dichthaut eine Uberbeanspruchung der angeschlossenen Kavernendichthäute vermieden
wird.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß die Leitung
im Bereich ihrer beiden Enden jeweils einen an ihre Dichthaut angeschlossenen Verstärkungsring
aufweist, der mit der Dichthaut der jeweiligen Kaverne über einen sich zur Kaverne
hin öffnenden Stützkegel sowie einen in Richtung der Leitung zugfest an das Verankerungsrohr
angeschlossenen Anschlußring verbunden ist, daß die Mantelerzeugenden des Stützkegels
zumindest angenähert die Richtung der resultierenden Kraft aus den bei einer Wärmebelastung
auftretenden Reaktionskräften der Leitungsdichthaut und des Verstärkungsringes in
der jeweiligen Axialebene besitzen und daß der Stützkegel eine auf die resultierende
Kraft abgestimmte, bei der Wärmebelastung eine wenigstens angenähert gleich große
Reaktionskraft bewirkende Wandstärke aufweist.
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Durch das Vorsehen des an die Dichthaut der Leitung angeschlossenen
Verstärkungsringes wird bei einer Wärmebelastung der Leitung eine radial nach außen
gerichtete Sprengkraft erreicht, die sich der axialen Reaktionskraft der Dichthaut
der Leitung überlagert, so daß eine unter einem bestimmten Winkel zur Leitungsachse
geneigt verlaufende, nach außen gerichtete resultierende Kraft entsteht. Diese nur
von der Geometrie der Dichthaut und des Verstärkungsringes, nicht aber von der tatsächlich
auftretenden Wärmebelastung abhängige Richtung der resulierenden Kraft entspricht
aber der Richtung der Mantelerzeugenden des Stützkegels, dessen Mantel natürlich
ebenfalls der Wärmebelastung ausgesetzt ist und sich daher in Richtung
der
Mantelerzeugenden auszudehnen versucht. Einem solchen Dehnvorgang steht allerdings
die aus den Reaktionskräften der Leitungsdichthaut und des Verstärkungsringes resultierende
Kraft entgegen, so daß durch den Stützkegel eine Reaktionskraft erreicht wird, die
die entgegengesetzte Richtung der resultierenden Kraft besitzt und dieser Kraft
mit gleicher Größe entgegenwirkt, wenn die Wandstärke des Stützkegels entsprechend
gewählt wird.
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Um ein Ausdehnen des Stützkegels gegen das Kaverneninnere hin zu
vermeiden, ist der Stützkegel an das Verankerungsrohr der Leitung zugfest angeschlossen.
Über diese am Anschlußring angreifende zugfeste Verbindung wird der Teil der auf
den Anschlußring wirkenden Reaktionskraft des Stützkegels abgefangen, der ein Abheben
des Stützringes bzw. der Kavernendichthaut von der Kavernenwand verursachen würde,
da das Verankerungsrohr gekühlt wird und daher die Wärmedehnungen nicht mitmachen
kann. Der in Richtung der Kavernendichthaut verlaufende Kraftanteil der Reaktionskraft
des Stützkegels wird durch die entgegengesetzt gerichtete Reaktionskraft der Kavernendichthaut
selbst aufgehoben, so daß die Reaktionskräfte der Leitung tatsächlich ohne wesentliche
Biegebeanspruchung der Kavernendichthaut aufgefangen werden.
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Die zugfeste Verbindung zwischen dem Anschlußring und dem Verankerungsrohr
kann dabei in verschiedener Weise ausgebildet werden. Eine günstige Verbindung wird
beispielsweise durch einen entsprechenden Rohrstutzen erreicht.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, Zugbolzen od.dgl.
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zu verwenden, die den Vorteil der einfachen und nachstellbaren Verbindung
mit sich bringen, aber den Nachteil besitzen, daß im Angriffsbereich der Bolzen
örtliche Spannungsspitzen auftreten.
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Um einen möglichst weitgehenden Kräfteabgleich und damit ein möglichst
vollständiges Gleichgewicht aller Reaktionskräfte zu erhalten, kann schließlich
derAnschlußring einen bei einer Wärmebelastung eine der verbleibenden,
unkompensierten
Reaktionskraft der Kavernendichthaut entsprechende Reaktionskraft bewirkenden Querschnitt
aufweisen, was allerdings auch unterschiedliche Querschnitte des Anschlußringes
bedingen kann, weil die Reaktionskräfte der Kavernendichthaut, die üblicherweise
Zylinderform besitzt, entlang des Anschlußringes verschieden groß ist.
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Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen kann folglich eine Verbindung
zwischen der Dichthaut der Kaverne und der Leitung hergestellt werden, die Wärmedehnungen
vermeidet und die Dichthaut daher auch vor unerwünschten Biegebeanspruchungen schützt.
Da die Richtungen der auftretenden Reaktionskräfte nur von der Geometrie der Konstruktionsteile,
nicht aber von der Wärmebelastung abhängen, weil alle Reaktionskräfte proportional
der Wärmebelastung sind, wird durch die vorgeschlagenen Maßnahmen eine Temperaturabhängigkeit
gewährleistet.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt.
Es zeigen Fig.1 eine erfindungsgemäße, zwei Kavernen eines Druckbehälters verbindende
Leitung im Axialschnitt, Fig.2 den Anschluß der Leitungsdichthaut an die Dichthaut
der Kaverne ebenfalls im Axialschnitt, jedoch in einem größeren Maßstab und Fig.3
eine der Fig.2 entsprechende Darstellung einer Konstruktionsvariante.
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Wie aus Fig.1 hervorgeht, sind im Druckbehälter aus Spannbeton 1
zwei Kavernen 2 und 3 vorgesehen, die miteinander durch eine Leitung 4 verbunden
sind. Diese Leitung 4 wird von einem im Spannbeton 1 des Druckbehälters gehaltenenVerankerungsrohr
5 gebildet, das5 wie auch die beiden Kavernen, mit einer von einer Isolierbetonschicht
6 getragenen Dichthaut 7 bzw. 8 ausgekleidet ist, wobei die Dichthäute 7 und 8 im
Ausführungsbeispiel nach Fig.2 durch Kopfbolzendübel 9 in der Isolierbetonschicht
6 verankert sind.
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Die Dichthaut 7 der Leitung 4 ist an beiden Leitungsenden mit einem
Verstärkungsring 10 versehen, der an einen sich gegen die jeweilige Kaverne 2 bzw.
3 hin öffnenden Stützkegel 11 angeschlossen ist. Die Verbindung zwischen diesem
Stützkegel 11 und der Dichthaut 8 der Kaverne 2 bzw. 3 stellt ein Anschlußring 12
her, der wiederum zugfest mit dem Verankerungsrohr 5 verbunden ist, wobei diese
Verbindung nach Fig.2 durch einen angeschweißten Rohrstutzen 13 und nach Fig.3 durch
Schraubbolzen 14 erreicht wird.
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Während die Dichthäute 7 und 8 der Temperatur des heißen Gases ausgesetzt
sind, wird der Spannbeton 1 davor durch eine Kühlung geschützt, die in einer Mörtelfuge
15 zwischen dem Spannbeton 1 und dem Isolierbeton 6 bzw. dem Verankerungsrohr 5
untergebracht und in den Fig.2 und 3 durch Kühlrohre 16 angedeutet ist.
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Auf Grund einer Wärmebelastung werden sich die Dichthäute 7 und 8
auszudehnen versuchen, was zu Reaktionskräften in Richtung der Ausdehnung führt.
In einem Axialschnitt wird somit nach Fig.2 eine in Richtung der Leitungsachse wirkende
Reaktionskraft PL wirksam werden, die bei unmittelbarer Verbindung der Dichthäute
7 und 8 zu einer Biegebeanspruchung der Dichthaut 8 führen würde. Da die Dichthaut
7 aber endseitig mit dem Verstärkungsring 10 versehen ist und dessen Wärmebelastung
eine radial gerichtete Sprengkraft P5 zur Folge hat, ergibt sich aus den Kräften
PS + PL eine resultierende Kraft, die in Richtung des Stützkegels 11 wirkt, wobei
der Neigungswinkel dieser resultierenden Kraft lediglich von den geometrischen Verhältnissen
der einzelnen Konstruktionsteile, nicht aber von der tatsächlichen Wärmebelastung
abhängt. Die Neigung der Mantelerzeugenden des Stützkegels 11 kann daher auf die
Richtung der Resultierenden PS + flL abgestimmt werden, so daß die Reaktionskraft
R des Stützkegels 11 bei der jeweiligen Wärmebelastung der Resultierenden PS + PL
entgegenwirkt.
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Die Größe der Reaktionskraft R des Stützkegels 11 wird bei gegebener
Wärmebelastung nur von der Wandstärke und den Materialeigenschaften des Stützkegels
bestimmt, was ein Abstimmen der Reaktionskraft R auf die Resultierende PS +PL möglich
macht. Bei einer solchen Abstimmung der geometrischen Ausdehnungen kann somit ein
Kräftegleichgewicht zwischen den Kräften PL, S und R erreicht werden.
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Die Reaktionskraft R des Stützkegels 11, die natürlich an beiden
Stirnseiten wirksam wird, kann durch die übrigen am Anschlußring 12 wirksam werdenden
Kräfte ebenfalls abgeglichen werden. Dieser Reaktionskraft R des Stützkegels 11
überlagert sich nämlich die Reaktionskraft der Dichthaut 8 der Kaverne 2 und die
Reaktionskraft des Anschlußringes, wodurch eine resultierende Kraft PR bewirkt wird,
die über das jeweilige Zugelement 13 bzw. 14 abgefangen werden kann, wie das durch
die angedeutete Zugkraft Pz veranschaulicht ist. Das Verankerungsrohr 5, das ja
über die Kühlrohre 16 geführt wird, unterliegt nämlich keiner Wärmedehnung, so daß
über die Zugelemente 13 bzw. 14 die resultierende Kraft PR tatsächlich abgefangen
werden kann. Der Ausdehnungskoeffizient der Zugelemente, nämlich des Rohrstutzens
13 bzw. der Zugbolzen 14, kann durch entsprechende Werkstoffwahl an den Ausdehnungskoeffizienten
der Isolierbetonschicht 6 angeglichen werden, so daß über die Zugelemente, über
die ja ein Temperaturausgleich zwischen heißer Dichthaut und gekühltem Verankerungsrohr
erfolgen muß, nur eine geringe Biegebeanspruchung der Dichthaut 8 verursacht werden
kann. Durch die Wahl eines geeigneten Werkstoffes (z.B.Nickellegierungen) mit einem
entsprechend niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Beton kann der Einfluß
der Wärmebelastung der Zugelemente noch reduziert bzw. ganz beseitigt werden.
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