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Behälter zum Transportieren und/oder Lagern von radioakti-
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ven Substanzen, insbesondere abgebrannte Brennelemente.
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Die Erfindung betrifft einen Behälter zum Transportieren und/ oder
Lagern von radioaktiven Substanzen, insbesondere abgebrannte Brennelemente, mit
einem einen Aufnahmeraum für die radioaktiven Substanzen umschließenden Behältermantel.
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Reaktör-Brennelemente geben - auch wenn sie abgebrannt sind -in für
die Umwelt sehr gefährlichem Ausmaße radioaktive Strahlung ab und entwickeln große
Wärmemengen. Aus diesem Grunde ist es notwendig, die Brennelemente in besonders
ausgebildeten Behältern zu transportiern, beispielsweise zu einem Zwischenlager9
wo sie bis zu ihrer Wiederaufbereitung gelagert werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Behälter
der eingangs genannten Art zu schaffen, der für
die Lagerung und/oder
den Transport insbesondere von Brennelementen geeignet ist und hierbei neben einer
ausreichenden Strahlungsabschirmung und den weiteren allgemein bekannten Erfordernissen,
z. B. große Stabilität, vor allem eine sichere Wärmeabfuhr unabhängig von der Behälterlage
- also sowohl bei stehendem als auch bei liegendem Behälter - gewährleistet.
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Dabei sollen die Gestehungskosten möglichst niedrig und ein Aufstellen
auch im Freien möglich sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Behältermantel
im wesentlichen aus betonartigem Material in Gestalt eines Wärmeleitbetons besteht,
der gestückelte, z. B. granulatförmige, körnige oder spanförmige Metallteilchen
aus einem Metall mit großer Wärmeleitzahl , insbesondere aus Kupfer, enthält.
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Durch die Beimengung solcher Teilchen wird der Behältermantel in hohem
Maße wärmeleitend, d. h. die im Behälter-Inneren von den Brennelementen ausgehende
Wärme wird schnell nach außen abgeführt und dort an die Umgebung abgegeben. Man
erhält somit eine sichere und schnelle Wärmeabfuhr, ohne daß hierfür ein flüssiges
Kühlmittel erforderlich wäre, d. h.
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es handelt sich um einen hinsichtlich der Sicherheit wesentlich günstigeren
Trockentransport bzw. um eine rung der Brennelemente. Die Metallteilchen bringen
ferner eine Stabilitätserhöhung des Behältermantels mit sich und verbessern wegen
ihrer großen Dichte die Strahlungsahschirmung (vor allem Gamma-Strahlen). Kupfer
als Material der Metallteilchen ist wegen seiner großen Wärmeleitzahl bestens
geeignet,
außerdem besteht wegen des hohen Schmelzpunktes von Kupfer selbst bei ungünstigsten
Bedingungen nicht die Gefahr eines Aufschmelzens. Derartige Metallteilchen sind
auch billig, so daß die Gestehungskosten für den Behältermantel niedrig sind.
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Der Wärmeleitbeton absorbiert also einerseits die auftretende Strahlung
und leitet die Wärme sehr gut, so daß ein komplizierter und aufwendiger Behältermantel
aus Stahl od. dgl.
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entfällt. Der Behälter kann im Wasserbecken des Kernkraftwerks mit
den Brennelementen befüllt, anschließend in ein Zwischenlager transportiert und
dann dort aufgestellt werden, auch im Freien, was mit Bezug auf eine Hallenlagerung
hinsichtlich der Sicherheit z. B. bei einem Flugzeugabsturz, der Handhabung und
der Baukosten für das Zwischenlager vorteilhaft ist.
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Zweckmäßigerweise enthält der Wärmeleitbeton die Metallteilchen in
einer solchen Menge, daß die Wärmeleitzahl Lambda (A) des Wärmeleitbetons im Bereich
von etwa 20 kcal/m x h x OC oder höher liegt. Ein derartiger Wert läßt sich beispielsweise
mit Hilfe von Kupferteilchen ohne weiteres erreichen.
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Der Wärmeleitbeton kann ferner zusätzlich ebenfalls gestückelte Metallteilchen
aus Eisen oder Stahl enthalten. Die Wärmeleitzahl dieses Materials ist zwar niedriger
als z. B. von Kupfer, diese Teilchen tragen jedoch ebenfalls zur guten Wärmeleitung
bei und dienen im übrigen zur Erhöhung der Stabilität und zur Strahlungs-Absorption.
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Gewichtsmäßig kann der überwiegende Bestandteil des Wärmeleitbetons
von den Metallteilchen gebildet werden. Ferner ist es zweckmäßig, daß der Wärmeleitbeton
eine Rohdichte in der Größenordnung von etwa 5 000 kg/m3 besitzt, von der etwa 1
500 - 2 000 kg/m3, zweckmäßigerweise etwa 1 700 kg/m3, auf Kupferteilchen und ein
der Größenordnung nach ähnlicher Anteil z. B. von 2 000 - 2 500 kg/m3, zweckmäßigerweise
etwa 2 300 kg/m3, auf Eisen- oder Stahlteilchen entfällt, wobei gegebenenfalls noch
Stahlfasern z. B. mit einer Rohdichte in der Größenordnung von etwa 100 - 200 kg/m3
enthalten sind und Hämatit z. B. mit einer Rohdichte von einigen hundert kg/ m3,
z. B. 300 kg/m3, enthalten sein kann und der Zementanteil etwa 400 - 500 kg/m3 betragen
kann.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzt der Behältermantel
eine Innenwand und eine Außenwand aus Stahl, zwischen die der Wärmeleitbeton eingefüllt
ist, wobei zweckmäßigerweise die Innenwand an ihrer dem Wärmeleitbeton zugewandten
Außenseite mit einem Neutronenabsorbermaterial, insbesondere Borcarbid, beschichtet
ist. Dieses Beschichten kann auf an sich bekannte Weise z. B. durch Plasmastrahlen
oder Flamm-Spritzen erfolgen.
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Eine weitere sehr zweckmäßige Maßnahme besteht darin, daß der Behältermantel
parallel zur Axialen Richtung von unten und oben offenen, über den Umfang verteilten
Konvektionsrohren durchzogen ist, die zweckmäßigerweise rundum in den Wärmeleitbeton
eingebettet sind. Wegen ihrer offen Ausbildung ist in diesen Konvekti onsrohren
ein Naturzug vorhanden, so daß
die von der Rohrwandung in das Rohr-Innere
abgegebene Wärme von der Umgebungsluft mitgenommen wird. Diese Konvektionskühlung
stellt eine ausgezeichnete zusätzliche Kühlmöglichkeit dar, wobei sich infolge der
Konvektionsrohre d-er Wärmeleitbeton weniger erwärmt. Vor allem tritt im Bereich
der Außenwand des Behältermantels eine Temperaturernied-rigung ein, da die Konvektionsrohre
sozusagen einen über den Umfang gehenden Wärmeleitvorhang bilden, der nur einen
Teil der Strahlungswärme nach radial außen durchläßt und den Rest in axialer Richtung
abführt. Da die Konvektionsrohre zweckmäßigerweise rundum in den Wärmeleitbeton
eingebettet sind, d.h. die Konvektionsrohre erstrecken sich innerhalb des Wärmeleitbetons
mit Abstand zur Behältermantel-Innenwand, bildet die zwischen der Innenwand und
den Konvektionsrohren befindliche Wärmeleitbetonschicht eine Strahl enabschirmung,
so daß kaum mehr radioaktive Strahlen in den Luftstrom gelangen können. Im übrigen
kann der Behältermantel selbstverständlich so ausgelegt sein, daß z;B. bei liegendem
Behälter oder wenn die Konvektionsrohre aus irgendeinem Grunde verschlossen sein
sollten, die gesamte Wärme über den Wärmeleitbeton abgeleitet wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie weitere zweckmäßige Maßnahmen
werden nun anhand der Zeichnung beschrieben.
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Es zeigen; Fig. 1 einen Transport- und/oder Lagerbehälter für Brennelemente
im halben Längsschnitt gemäß der Schnittlinie I-I in Fig. 2 in schematischer Darstellung
und
Fig. 2 den Behälter nach Fig. 1 im Querschnitt gemäß der Schnittlinie
II-II in Fig. 1 in Teildarstellung.
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Der in der Zeichnung dargestellte Behälter zum Transportieren und/oder
Lagern von radioaktiven Substanzen, insbesondere von abgebrannten Brennelementen,
weist einen zentralen Aufnahmeraum 1 für die nicht eingezeichneten Brennelemente
auf, die über einen nur gestrichelt angedeuteten Deckel 2, der abgenommen werden
kann, eingesetzt und entnommen werden können.
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Der Aufnahmeraum 1 ist unten durch einen beim Ausführungsbeispiel
aus mehreren übereinanderliegenden Bodenplatten 3, 4, 5 bestehenden Boden abgeschlossen,
unterhalb dem noch eine Standplatte 6 angebracht ist. Der Boden 3, 4, 5, 6 und der
Deckel 2, der ebenfalls mehrteilig sein kann, bestehen, wie an sich bekannt, aus
Stahl. Der Aufnahmeraum 1 wird von einem Behältermantel 7 umschlossen, mit dessen
Ausbildung sich die vorliegende Erfindung beschäftigt.
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Eine Behältermantel-I-nnenwand 8, die den Aufnahmeraum 1 begrenzt,
erstreckt sich in axialer Richtung und besteht beim Ausführungsbeispiel aus Stahl.
Dieses Stahl rohr sitzt im Bodenbereich in eine Ringnut 9 der untersten Bodenplatte
3 ein, die sich radial noch weiter nach außen erstreckt und auch die untere Begrenzung
des Behältermantels 7 bildet.
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Die beiden anderen Bodenplatten 4, 5 liegen von innen her an der Innenwand
8 an. Oben endigt diese Innenwand 8 im Deckelbereich. Nach außen hin wird der Behältermantel
7 von einer Außenwand 10 abgeschlossen, die beim Ausführungsbeispiel
ebenfalls
aus Stahl gefertigt ist.
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Der ringförmige Zwischenraum zwischen den mit Abstand zueinander angeordneten
Wänden 8, 10, der unten durch die Bodenplatte 3 und oben von einer Abdeckplatte
11 verschlossen ist, ist mit betonartigem Material in Gestalt eines Wärmeleitbetons
12 ausgefüllt. Dieser Wärmeleitbeton verleiht dem Behältermantel eine sehr große
Stabilität,und er dient zur Strahlenabschirmung. Vor allem wird über ihn jedoch
die im Aufnahmeraum 1 von den Brennelementen abgegebene Wärme nach außen hin abgeführt.
Hierzu enthält der Wärmeleitbeton 12 gestückelte Metallteilchen, die z. B. granulatförmig,
körnig oder spanförmig sind. Diese sind dem Wärmeleitbeton beigemischt und befinden
sich in statistischer Verteilunq in großer Menge in ihm. Sie bestehen ferner aus
einem Metall mit großer Wärmeleitzahl, wobei sich Kupferteilchen besonders gut eignen.
Die Wärmeleitzahl Lambda(Alvon Kupfer ist nämlich groß und beträgt etwa 340 kcal/m
x h x OC. Außerdem liegt der Schmelzpunkt von Kupfer bei verhältnismäßig hohen Temperaturen,
so daß nie die Gefahr eines Aufschmelzens besteht.
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Im Falle eines anderen Metalls sollte man zweckmäßigerweise einen
Schmelzpunkt von jedenfalls höher als 8000 C wählen.
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Die genannten Metallteilchen wirken sich außerdem günstig auf die
Behälterstabilität aus) Durch eine entsprechende enge von Metallteilchen läßt sich
ohne weiteres eine Wärmeleitzahl Lambda(A)des Wärmeleitbetons erzielen, die im Bereich
von mindestens etwa 20 kcal/m x h OC liegt
Zusätzlich zu den Kupferteilchen
kann man auch ebenfalls gestückelte Eisen- oder Stahlteilchen beimengen, durch die
die Stabilität erhöht, die Strahlenabschirmung verbessert und die Wärmeleitfähigkeit
mit Bezug auf üblichen Beton ebenfalls verbessert wird.
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Die geschilderte Wärmeleitung von innen nach außen über die Innenwand
8, den Wärmeleit-Betonkörper 12 und die Außenwand 10 erfolgt unabhäbgig davon, ob
der Behälter steht oder liegt, d. h. sie ist stets wirksam.
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Weitere Bestandteile des Wärmeleitbetons können Stahl fasern, Hämatit,
Zement und chemisch gebundenes Wasser sein. Beim Ausführungsbeispiel ist für den
Wärmeleitbeton eine Rohdichte in der Größenordnung von etwa 5 000 kg/m3 vorgesehen,
wobei die Rohdichten der einzelnen Bestandteile, also der mengenmäßige Anteil der
Bestandteile, etwa folgendermaßen sind: Kupferteilchen: etwa 1 500 - 2 000 kg/m3,
zweckmäßigerweise etwa 1 700 kg/m3; 3 Eisen- oder Stahlteilchen: z. B. 2 000 - 2
500 kg/m , zweckmäßigerweise etwa 2 3n0 kg/m3; Stahl fasern: etwa 100 - 200 kg/m3;
Hämatit: einige hundert kg/m3, z. B. 300 kg/m3; 3 Zement: etwa 400 - 500 kg/m ;
'eP chemisch gebundenes Wasser: größenordnungsmäßig etwa 80 Liter.
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Der gewichtsmäßig überwiegende Bestandteil des Wärmeleitbetons wird
also von den Metallteilchen gebildet, wobei die Kupferteilchen und die Eisen- oder
Stahlteilchen der Größenordnung nach etwa in gleicher Menge vorhanden sein können.
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In diesem Wärmeleitbeton werden auch die Gamma-Strahlen und Neutronenstrahlen
absorbiert. im Hinblick auf die Abschirmung thermischer Neutronen kann man auch
die Innenwand 8 an ihrer dem Wärmeleitbeton 12 zugewandten Außenseite 14 mit einem
Neutronenabsorbermaterial beschichten, insbesondere mit Borcarbid. Dieses kann man
beispielsweise durch Plasmastrahlen oder Flammspritzen aufbringen. Eine zweckmäßige
Schichtdicke liegt bei ca. 1 - 2 mm, z. B. 1,5 mm.
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Der Behältermantel 7 ist außerdem parallel zur axialen Richtung von
Konvektionsrohren 15 durchzogen, die unten und oben, d. h. im Boden- bzw. Deckelbereich
offen sind. Es ist eine Vielzahl solcher Konvektionsrohre vorgesehen, die über den
Umfang verteilt sind. Beim Ausführungsbeispiel weist die untere Bodenplatte 3 an
der Stelle jedes Konvektionsrohres 15 einen Konvektionsdurchbruch 16 und einen nach
innen hin vorstehenden Stutzen 17 auf, auf den das zugehörige Konvektionsrohr 15
aufgesteckt ist. Im Bereich der oberen Abdeckplatte 11 ist eine entsprechende Anordnung
vorhanden, d. h.
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die Abdeckplatte 11 weist ebenfalls Konvektionsdurchbrüche 18 und
nach innen vorstehende Stutzen 19 zur Halterung der Konvektionsrohre auf. In den
Konvektionsrohren 15 herrscht eine Kaminwirkung, wobei die Umluft über die Durchbrüche
16 der Bodenplatte 3 einströmt - wegen der Platte 6 oder einer
entsprechenden
Unterstützungseinrichtung sind die Durchbrüche 16 von der Unterlage frei - und aus
den Durchbrüchen der oberen Abdeckplatte 11 ausströmt. Im Boden- und Deckelbereich
kann die Luftführung auch anders, z. B. radial sein. Die Wandung der Rohre 15 besteht
aus Metall, wobei beim Ausführungsbeispiel Kupfer gewählt ist. Die ankommende Wärme
wird also sehr schnell in das Rohr-Innere abgegeben und von dem Naturzug mitgenommen.
Kupfer besitzt außerdem den Vorteil, daß in Zusammenhang mit Feuchtigkeit keine
Korrosion auftritt.
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Sind die Konvektionsrohre 15 vorhanden, erhält man also nicht nur
in radialer Richtung über den Wärmeleitbeton 12, sondern auch in axialer Richtung
eine Wärmeableitung. Wegen dieser axialen Wärmeabfuhr nimmt die Temperatur des Wärmeleitbetons
in radialer Richtung gesehen anschließend an die Wrmeleitrohre sprungartig ab, so
daß sich eine sehr niedrige Behälter-Außentemperatur ergibt. Dies ist dann von großer
Bedeutung, wenn man mehrere Behälter in einem Lager dicht nebeneinanderstellt.
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Prinzipiell könnte man die Konvektionsrohre 15 unmittelbar entlang
der Innenwand 8 verlaufen lassen. Zweckmäßirrerweise sind sie jedoch rundum in den
Wärmeleitbeton eingebettet, d.h.
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die Rohre 15 sind mit Abstand zur Innenwand 8 angeordnet.
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Hierdurch erhält man durch das zwischen der Innenwand 8 und den Wärmeleitrohren
15 befindliche Wärmeleitbetonmaterial eine Strahlenabschirmung, so daß das Innere
der Konvektionsrohre praktisch frei von Gamma-Strahlen und Neutronenstrahlen ist.
Daß die thermischen Neutronen bereits an der Außenseite der Innenwand 8 absorbiert
werden, wurde schon oben erwähnt.
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Die Konvektionsrohre 15 können mit Hilfe von über die Länge verteilten
Metallbügeln 20 od. dgl. z. B. aus Stahl mit der Innenwand 8 des Behältermantels
verbunden sein. Diese Metallbügel dienen einerseits zur Halterung der Rohre 15 bei
der Behälter-Herstellung sowie zusammen mit den Rohren als Bewehrung des Wärmeleitbetons
und andererseits als Wärmeleitbrücke zwischen Innenwand 8 und den Rohren 15.
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Zur weiteren Bewehrung des Wärmeleitbetons können Baustahl-Ankerstäbe
21 eingebracht sein, die in Fig. 1 beidenends an einem knotenblech 22 bzw. 23 endigen.
Außerdem kann der Behältermantel von in den Wärmeleitbeton eingebetteten Versteifungsankern
24, zweckmäßigerweise ebenfalls aus Baustahl, durchzogen sein, die sich von der
Innenwand 8 bis zur Außenwand 10 erstrecken und hierbei zweckmäßigerweise gegen
die Radialebene z. B. um einen Winkel von etwa 450 geneigt sind.
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Diese beidenends z. B. durch Verschrauben fest angebrachten Versteifungsanker
können von einem um seine Längsachse verwundenen Baustahlband gebildet werden, um
eine bessere Verankerung im Wärmeleitbeton zu erhalten. Da die Anker 24 wie aus
Fig. 1 ersichtlich geneigt sind, nehmen sie vor allem von außen her schrag einwirkende
Kräfte auf, z. B. bei einem Sturz des Behälters. Diese Versteifungsanker 24 können
rundum und über die Höhe verteilt sein, wobei in Ergänzung der dargestellten Anker
auch entgegengesetzte geneigte Anker vorhanden sein können.
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Eine weitere zweckmäßige Maßnahme besteht darin, daß der Zwischenraum
zwischen der Innenwand 8 und der Außenwand 10
des Behältermantels
in in Behälter-Längsrichtung aufeinanderfolgende, mit dem Wärmeleitbeton ausgefüllte
Kammern 26 unterteilt ist, indem mit axialem Abstand von beispielsweise einem Meter
radiale Metall-Ringplatten 27 mit ihrem Innenumfang an der Innenwand 8 und mit ihrem
Außenumfang an der Außenwand 10 befestigt sind. Diese Stahl platten besitzen Durchbrechungen
28 für den Durchtritt der Konvektionsrohre 15, wobei nur ein loser Durchgriff vorgesehen
ist, sowie weitere Durchbrechungen 29, über die sich ein einstückiiger Verbund des
Wärmeleitbetons ergibt und durch die die Bewehrungsstäbe 21 geführt sind.
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Bei der Behälter-Herstellung kann man so vorgehen, daß zunächst die
Innenwand 8 und die Außenwand 10 mit der unteren Bodenplatte 3 oder der oberen Abschlußplatte
11 verbunden werden. Sodann bringt man die Konvektionsrohre 15 ein, wonach man die
Kammern 26 sukzessive fertigstellt. Der Behältermantel wird also nicht in einem
Stück, sondern in mehreren Teilschritten im Abstand der Ringplatten 27 gegossen.
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Zur schnelleren Drainage des eingefüllten Wärmeleitbetons kann die
Wandung der Konvektionsrohre 15 gelocht sein. Will man das Eindringen des Wärmeleitbetons
in die Rohre 15 vermeiden, kann man ein rohrförmiges Sieb in die Konvektionsrohre
einschieben, das nur Wasser durchläßt und nach dem Aushärten des Behältermantels
wieder entnommen wird.
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Der dargestellte Behälter ist im Querschnitt kreisförmig.
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Er könnte jedoch auch einen anderen, z. B. einen rechteckigen oder
quadratischen Querschnitt besitzen.
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Für den beschriebenen Behälter sind der Größenordnung nach folgende
Abmessungen zweckmäßig: Die Wandstärke des Wärmeleitbetons, d. h. der Radius-Unterschied
zwischen Außenwand 10 und Innenwand 8, beträgt etwa 415 mm. Die Wandstärke der Innenwand
8 ist etwa 80 mm und die der Außenwand etwa 20 mm. Als Durchmesser für den Aufnahmeraum
1 sind etwa 950 mm vorgesehen. Der Abstand zwischen den onvektionsrohren 15 und
der Innenwand 8 sollte mindestens etwa 100 mm betragen.