DE2843356C2

DE2843356C2 - Unter hohem Druck eines gasförmigen Mediums stehender Stahlbehälter mit einem Innenbehälter

Info

Publication number: DE2843356C2
Application number: DE2843356A
Authority: DE
Inventors: Erwin 6730 Neustadt Becker; Erik Bodmann; Mani 6800 Mannheim Pradhan
Original assignee: Hochtemperatur Reaktorbau 4600 Dortmund GmbH; Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Current assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1978-10-05
Filing date: 1978-10-05
Publication date: 1985-08-22
Also published as: DE2843356A1

Description

Die Ei¹HiIdUiIg beil lift einen Unter liGucfn Druck CiPCS

gasförmigen Mediums stehenden Stahlbehälter, vorzugsweise für den nichtnuklearen Bereich eines Kernkraftwerks, bei dem in dem von der Stahlwand umschlossenen Raum im Abstand ein Innenbehälter vorgesehen ist, der öffnungen für ein Annassen des Druckes beiderseits des Innenbehälters aufweist.

Im nichtnuklearen Bereich eines Kernkraftwerks wird für einen Gasbehälter aus Gründen der Ausfallwahrscheinlichkeit ein spontanes Versagen unterstellt; d. h. es muß dami' 2ürechnet werden, daß die Wandung eines solchen Behälters platzt und der Inhalt des Behälters schlagartig freigesetzt wird. Auch unter der Voraussetzung, daß das ausströmende gasförmige Medium keine wsentlichen chemischen oder radiologischen Schäden in der Umgebung verursacht, können die rein mechanischen Auswirkungen des Versagens des Behälters (Druckwelle, Strahlkräfte, umherfliegende Wandteile) die Zuverlässigkeit des gesamten Kernkraftwer-' kes stark vermindern, da die Gefahr besteht, daß sicherheitstechnisch bedeutsame Bau- und Anlagenteile durch die Auswirkungen des Behälterberstens zerstört werden.

Um die genannten schädlichen Auswirkungen zu unterbinden, sind eine Anzahl von Maßnahmen bekannt: zu diesen gehören das Abbunkern und Ummanteln von druckführenden Komponenten und die Ausführung von druckführenden Komponenten in Reaktordruckbehälter-Qualität. Diese Maßnahmen sind jedoch sehr aufwendig hinsichtlich ihrer Kosten und ihres Raumbedarfs und lassen sich nachträglich nur schwer durchführen. In manchen Fällen sind auch aufwendige Nachweise über die Auswirkungen bei ihrem Versagen erforderlich.

Bekannt ist es auch (FR-PS 7 97 835), einen Druckbehälter mit großen Dimensionen und für sehr hohe Drükke mehrwandig auszubilden, um die Verwendung leichteren oder billigeren Materials zu ermöglichen. Jede Wand oder Schale dieses bekannten Behälters steht bei Normalbetrieb unter einem bestimmten Druck p. der nur ein Teildruck des in dem eigentlichen Behälterinnenraum herrschenden Druckes ist. Das heißt keine der Schalen ist auf den vollen Innendruck ausgelegt, sondern jede Schale braucht nur den Differenzdruck ρ zwischen den in den beiden angrenzenden Zwischenräumen herrschenden Drücken η · ρ und (η + I) · ρ aufzunehmen. Wm Druckausgleich zwischen benachbarten Zwischenräumen findet über Sicherheitsventile statt. Diese öffnen nur, wenn der Differenzdruck ρ nicht mehr eingehalten wird (vor allem bei Füllen oder Entleeren des Behälterinnenraums). Zur Aufrechterhaltung der unterschiedlichen Drücke in den einzelnen Zwischenräumen ist ein besonderer (elektrisch oder mechanisch betriebener) Steuerungsmechanismus vorgesehen. Auch dieser Druckbehälter ist hinsichtlich seiner Kosten und seines Raumbedarfs sehr aufwendig. Außerdem müssen die unterschiedlichen Drücke in den Zwischenräumen ständig überwacht werden, wozu en^prechende Apparaturen erforderlich sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den eingangs beschriebenen Stahlbehälter so auszugestalten, daß auf relativ einfache und billige Weise die Umgebung des Stahlbehälters vor Explosionsauswirkungen ge ;chützt ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Öffnungen so ausgebildet und angeordnet sind, daß ein Ausströmen des Gases aus dem "nnenbehälter bei einem Bruch des Stahlbehälters kontinuierlieh erfolgt, wobei der Innenbehälter so bemessen ist, daß er den gesamten Innendruck kurzfristig aufnehmen kann.

Der druckfeste Innenbehälter hat somit die Aufgabe, im Falle des spontanen Versagens des über dem Innenbehälter liegenden eigentlichen Druckbehälters aus Stahl für einen begrenzten Zeitraum die volle Druckhalte-Funktion zu übernehmen und das gasförmige Medium kontrolliert abströmen zu lassen. Lediglich die zwischen dem Innenbehälter und der Stahlwand des Druckbehälters befindliche Gasmenge wird kurzfristig freigt setzt. Da sie aber klein ist, bleiben auch Druckwelle, Splitterwirkung und Strahlkraft bei einer Explosion niedrig.

Die Anzahl und die besondere Anordnung der öffnungen ermöglichen den Druckausgleich zwischen dem Hauptvolumen des Stahlbehältcrs und dem in dem Spalt zwischen Innenbehälter und Stahlwand befindlichen kleinen Volumen, so daß der Innenbehälter während des stationären Betriebs keiner Druckbelrstung ausgesetzt ist. Allerdings muß dafür Sorge getragen werden, daß der Querschnitt der Druckausgleichsöffnungen eine bi stimmte Größe nicht unterschreitet Durch diese ölfnungen strömt das gasförmige Medium bei Bruch de·. Stahlbehälters kontrolliert aus; ferner ist mit einem Nachströmen aus Versorgungsleitungen zu rechnen. Die hierbei auftretende Ausströmrate beträgt bei geeigneter Wahl der Querschnitte und Anzahl der Druckausgleichsöffnungen jedoch nur einen Bruchteil der Leckrate, die sich bei spontanem Versagen des Stahlbchälters einstellen würde. Der Innenbehälter gewährleistet somit die Einhaltung des Kriteriums »Leck-vor-Bruch«.

Durch die Reduktion der Ausströmrate werden

Druckwelle. Splitterwirkung und Strahlkräfte um eine bis zwei Größenordnungen gegenüber dem Platzen ei nes Stahlbehälters herabgesetzt, der nicht gemäß dir Erfindung ausgestaltet ist.

Aus der deutschen Patentschrift 24 22 842 ist es /war bekannt, den Sicherheitsbehälter eines Kernreaktors mit einer Innenauskleidung zu versehen und durch Öffnungen in dieser Auskleidung für einen Druckausgleich zwischen dem Behältervolumen und dem Volumen in dem Spalt zwischen Behälterwandung und Innenauskleidung zu sorgen. Die Innenauskleidung besteht hier jedoch aus Beton und dient dem Splitterschutz, des Si-

tr> chcrhcitsbchiillcrs gegenüber dem Rcaktordruckbehiilterfürden Rill, daß der Reaktordruckbchällcrzu Bruch gehl.

Weist der Stahlbchällcr einen Anschlußslulzen auf,so

kann der innenbehälter in diesem Bereich mit einer Öffnung in der Größe des Stutzenquerschnittes versehen sein und hier eine Verstärkung besitzen. Diese wird entsprechend den üblichen Bemessungsgrundlagen festgelegt

Wie sich aus strömungstechnischen Berechnungen ergibt, entstehen auch bei transienten Vorgängen (Leeren bzw. Auffüllen des Stahlbehäitcrs) keine nennenswerten Beanspruchungen' des Innenbehälters, da die Druckdifferenz während des Leerens bzw. Auffüllens sehr weit unter der Festigkeitsgrenze des Innenbehälters liegt Der Innenbehälter ist daher keinen Schädigungen infolge von Zeitstandbeanspruchung oder Ermüdung ausgesetzt. Seine Wandstärke kann somit knapp dimensioniert werden.

Ein besonders geringes Verhältnis der Wandstärke des Innenbehälters zu der Wandstärke des Stahlbehälters ergibt sich bei Stahlbehältern mit Auslegung nach Zeitstandwerten, da die Dimensionierung des Innenbehälters in jedem Fall nach den höheren Kurzzeit-Festig-Keitswerten erfolgen kann. Die kleinen Dnickatisgleichsöffnungen in dem Innenbehälter stellen m Fail des Versagens des Stahlbehälters keine Schwächung dar; ein lokales Fließen in unmittelbarer Nähe der Druckausgleichsöffnungen hat keine Auswirkung auf die Funktionserfüllung des Innenbehälters.

Der druckfeste Innenbehälter kann sich über einige Auflagerflächen an der Wand des Stahlbehälters abstützen. Sonstige Verbindungen mit dem Stahlbehälter sind nicht vorgesehen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des er-'.indungsgemäßen Stahlbehälters schematisch darges.eilt, und zwar handelt es sich um einen Helium-Druckbehäiter für ein Kernkraftwerk. Da das Platzen des Druckbehälters unterstellt wird, bildet er eine Gefahr für die sicherheitstechnisch relevanten Teile des Kernkraftwerkes.

Die Zeichnung läßt einen Druckbehälter 1 im Längsschnitt erkennen, der eine Wand 2 aus Stahl zur Aufnahme des Heliui.idruckes aufweist. Der Auslegungsdruck beträgt 100 bar und die Auslegungstemperatur 100⁰C. Der Druckbehälter 1 hat im wesentlichen die Form eines Zylinders mit gewölbtem Deckel- und Bodenteil.

Bei einem äußeren Durchmesser von 100 mm in seirem zylindrischen Bereich besitzt er eine Wandstärke von si = 23 '.Tim.

In dem Druckbehälter 1 ist ein Innenbehälter 3 aus Stahl eingezogen, wobei ein Spalt 4 zwischen der Wand

2 und dem Innenbehälter 3 freibieibt, der möglichst klein gehalten wird. Die Windstärke des Innenbehälters

3 beträgt J2 = 17 mm.

Sie ist so benessen, daß der Innenbehälter 3 kurzzeitig in der Lage ist, im Fall des Aufreißens des Druckbehälters 1 die volle Druckhalte-Funktion zu übernehmen.

Über die gesamte Oberfläche des Innenbehälters 3 verteilt befinden sich kleine öffnungen 5, die dem Druckausgleich zwischen dem Hauptgasvolumen in dem Druckbehälter 1 und dem kleinen Gasvolumen in dem Spalt 4 dienen. Ihre Anzahl und Größe ist so beiressen. daß die Ausströmrate beim Platzen des Druckbchälters 1 auf ein erträgliches Maß herabgesetzt wird. Dadurch werden die Auswirkungen einer Behälterexplosion (Druckwelle, Strahlkräfte und umherfliegende Trümmer) auf Sicherheitseinrichtungen und Personal des Kemkraftwerkgs auf einen Bruchteil reduziert. Auch bei völligem Versagen der Behälterwand 2 überschreitet die Ausstrcmraw nicht die bei Bruch einer Versorgungsleitung auftretende Ausströmrate.

An dem Innenbehälter 3 sind mehrere Aufiagerflächen 6 angebracht, mit denen sich der Innenbehälter 3 an der Wand 2 des Druckbehälters 1 abstützt Eine feste Verbindung zwischen Innenbehälter 3 und Wand 2 ist nicht vorgesehen.

Der Druckbehälter 1 weist einen Anschlußstutzen 7 auf, durch den der Druckbehälter 1 über eine (nicht dargestellte) Versorgungsleitung gefüllt bzw. geleert werden kann. Der Innenbehälter 3 ist in diesem Bereich mit einer Verstärkung 8 ausgerüstet und besitzt eine Öffnung 9. die dem Querschnitt des Anschlußstutzens 7 angepaßt ist

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Unter hohem Druck eines gasförmigen Mediums stehender Stahlbehälter, vorzugsweise für den nichtnuklearen Bereich eines Kernkraftwerks, bei dem in dem von der Stahlwand umschlossenen Raum im Abstand ein Innenbehälter vorgesehen ist, der öffnungen für ein Anpassen des Druckes beiderseits des Innenbehälters aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (5) so ausgebildet und angeordnet sind, daß ein Ausströmen des Gases aus dem Innenbehälter (3) bei einem Bruch des Stahlbehälters (2) kontinuierlich erfolgt, wobei der Innenbehälter (3) so bemessen ist, daß er den gesamten Innendruck kurzfristig aufnehmen kann.