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Gebiet der Technik
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Aufnahmebehälter, der mehrere aneinandergrenzende
Zellen umfasst, von denen jede zur Aufnahme von konditionierten
radioaktiven Stoffen bestimmt ist, wie z.B. von Kernbrennstoffen
von Atomreaktoren oder anderen.
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Der
Aufnahmebehälter
gemäß der Erfindung kann
insbesondere dazu verwendet werden, den Transport oder die Lagerung
in trockener oder feuchter Umgebung von Kernbrennstoffen von Atomreaktoren
oder aller anderen nuklearen Stoffe sicherzustellen. Zu diesem Zweck
kann der Aufnahmebehälter
gemäß der Erfindung
in einen Transport- oder Lagerbehälter, in einem Bad eines Atomreaktors
oder im Innern eines Gebäudes
angeordnet werden. Er kann auch in geologische Schichten eingegraben werden.
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Übrigens
ist die Erfindung besonders geeignet zur Herstellung von kompakten
Behältern
mit einem geraden regelmäßigen polygonalen,
beispielsweise hexagonalen Querschnitt. Solche Behälter können in
einem optimierten Volumen Brennelemente mit hexagonalem Querschnitt,
wie z.B. Elemente von VVER-Typ aufnehmen, die in bestimmten Atomreaktoren
verwendet werden. Der Behälter
gemäß der Erfindung
kann natürlich
auch aus Zellen mit einfacherem Querschnitt gebildet sein, beispielsweise quadratisch
oder rechteckig, welche Kernbrennelemente, wie diejenigen, die aktuell
bei Leichtwasser-Atomreaktoren verwendet werden, gebildet sein.
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Stand der Technik
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Die
Brennelemente von Atomreaktoren sowie die anderen radioaktiven Stoffe,
die transportiert oder gelagert werden sollen, werden allgemein
vorab in Behältnissen
oder in Zellen eines Behälters
(auch als Gehäuse
oder Gestelle bezeichnet), die wiederum in dem inneren Hohlraum
eines Transport- oder Lagerbehälters
angeordnet werden, oder in einer geeigneten Lagereinrichtung. Die
Behälter
dieses Typs müssen
verschiedene Funktionen erfüllen.
Diese Funktionen umfassen im einzelnen den mechanischen Widerstand
und das Feststellen bzw. die Verkeilung radioaktiver Stoffe sowie
die Fähigkeit,
gehandhabt werden zu können.
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Außerdem muss
der Behälter
je nach Art der radioaktiven Stoffe verschiedene Funktionen erfüllen, die
mit der nuklearen Sicherheit des Transports oder der Lagerung verbunden
sind. Unter diesen Funktionen ist hauptsächlich die Notwendigkeit anzuführen, den
von den in dem Aufnahmebehälter
enthaltenen Stoffen erzeugten Wärmefluss
abzuführen, und
die kritische nukleare Schwelle zu steuern, wenn diese Stoffe spaltbare
Stoffe sind, welche eine Kettenreaktion auslösen können.
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Die
mechanische Widerstandsfunktion hat die Aufgabe, die Geometrie des
Aufnahmebehälter bei
Handhabungsvorgängen
unter der Einwirkung von im Verlauf eines Transports auftretenden
Beschleunigungen aufrechtzuerhalten, aber auch im Fall eines Stoßes oder
eines versehentlichen Falls, um die Kontrolle der kritischen nuklearen
Schwelle unter solchen Umständen
zu bewahren. Die bestehenden Aufnahmebehälter umfassen für gewöhnlich geradlinige
Zellen, die meistens von Verbundwänden vom Sandwich-Typ begrenzt
sind, die aus sukzessiven Schichten verschiedener Materialien gebildet sind,
welche derart aneinanderliegen, dass jede von ihnen mindestens eine
der vorgenannten Funktionen erfüllt.
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So
wird beispielsweise eine Schicht aus einem guten Wärmeleitermetall
vorgesehen, wie z.B. Aluminium, Kupfer und ihre Legierungen, eine Schicht
aus einem Strukturmaterial, welches den mechanischen Widerstand
des Aufnahmebehälters
im Fall eines versehentlichen Stoßes gewährleistet, und eine Schicht
aus einem Material, das ein Neutronen-Absorptionselement, wie z.B. Bor oder
Cadmium enthält.
Das Strukturmaterial kann im einzelnen ein rostfreier Stahl, ein
Kohlenstoffstahl, Aluminium und dessen Legierungen sein. Das Material,
welches das neutronenfressende Element aufweist, ist meistens ein
rostfreier Stahl, Aluminium oder dessen Legierungen, oder aber ein
Frittenmaterial, beispielsweise auf der Basis von Bor-Kohlenstoff
B4C. Im Fall von rostfreiem Stahl oder Aluminium
wird das neutronenfressende Element oft in dieses Material eingeleitet,
ohne dass sein mechanischer Widerstand stark gemindert würde. Eine
solche Materialschicht genügt
hierbei, den mechanischen Widerstand und die Steuerung des kritischen
Werts sicherzustellen. Bei einem ersten Typ bestehender Aufnahmebehälter werden
die Verbund-Trennwände
der Zellen durch Nebeneinanderstellen und Miteinander-Kreuzen in
der Longitudinalrichtung der Zellen, der flachen oder profilierten Elemente,
auch als "Bänder" bezeichnet, erhalten. Jedes
Band ist dabei aus einer Mehrschicht-Schichtung von Materialien wie dem vorgenannten
gebildet. Um eine regelmäßige und
robuste Schichtung in der Longitudinalrichtung herzustellen, ist
es auch bekannt, die Bänder
mit Einkerbungen zu versehen, die zusammenwirken, und zwar so, dass
sich die Bänder senkrecht
zu der Achse der Zellen kreuzen und miteinander fest verbunden sind.
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Bei
einem anderen Typ bestehender Aufnahmebehälter sind die Verbundbänder durch
aufeinanderfolgende Schichten verschiedener Materialien ersetzt,
die in der Longitudinalrichtung der Zellen alternieren. Genauer
gesagt, werden hierbei alternierend Bänder der gleichen Geometrie
aufeinandergeschichtet, die aus unterschiedlichen Materialien hergestellt
sind, und zwar so, dass in der Longitudinalrichtung eine Aufeinanderfolge
von Komponenten hergestellt wird, die jeweils mindestens eine der
vorgenannten Funktionen erfüllen.
Das Dokument EP-A-0329581 beschreibt einen auf diese Weise hergestellten
Korb bzw. Behälter.
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Es
ist bekannt, in bestimmten Fällen
und unter bestimmten Bedingungen einen Behälter unter Verwendung nur eines
einzigen Materials herzustellen. Beispielsweise ist Aluminium ein
gut wärmeleitendes
Metall, dem leicht ein Neutronen-Absorptionselement, wie z.B. Bor,
eingegliedert werden kann. Um den Aluminiumelementen einen ausreichend hohen
mechanischen Widerstand zu geben, werden hierbei diese Elemente
in der Form von Platten einer ausreichenden Dicke oder von Trägern mit
einem starren geraden Querschnitt in H-Form oder U-Form hergestellt.
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Die
Verringerung der Anzahl verwendeter Materialien, welche die Herstellung
vereinfachen und die Kosten reduzieren können, führt hingegen oft zu bestimmten
Leistungsschwächungen.
So ist es in dem vorgenannten Beispiel eines gänzlich aus einer Aufeinanderschichtung
von Aluminiumkomponenten zusammengesetzten Aufnahmebehälter schwierig, das
mechanische Verhalten, insbesondere bei hohen Temperaturen, wie
sie bei einer radioaktive Stoffe enthaltenden Platte anzutreffen
sind, sicherzustellen. Aus diesem Grund muss die Dicke der Aluminium-Komponenten
verbreitert werden, oder es müssen
ihnen spezielle dichte Formen gegeben werden, wie vorher erwähnt wurde.
Daraus ergibt sich ein Überschuss
an Gewicht und an Platzbedarf des Behälters, der von Nachteil ist,
sofern nicht die Anzahl von Zellen und damit die Kapazität des Aufnahmebehälters verringert
wird.
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Umgekehrt
sind, wenn es nötig
ist, beispielsweise wegen der Art der radioaktiven Stoffe oder wegen
der strikten Masse- und Platzbedarfseinschränkungen einen Hochleistungs-Aufnahmebehälter herzustellen,
die Aufnahmebehälter,
die eine Verbundstruktur aufweisen, das heißt, die aus mehreren an jede
der Funktionen angepassten Materialien gebildet sind, allgemein
besser geeignet, trotz ihrer Komplexität und ihrer höheren Kosten.
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Unabhängig von
der Anzahl der verwendeten Materialien ist die Herstellung bestehender
Aufnahmebehälter
mit Schwierigkeiten verbunden. Die Bänder müssen nämlich mit sehr großer Präzision hergestellt
werden, damit sie perfekt ausgerichtet werden können, wenn sie aufeinandergeschichtet werden.
Diese Bedingung ist unerlässlich,
um Zellen mit konstantem Querschnitt und mit vollkommen glatten
Wänden
zu erhalten, die jegliches Risiko eines Zusammenstoßes bzw.
Verhängens
beim Einführen und
Entnehmen der radioaktiven Stoffe vermeiden. Wenn die Bänder Einkerbungen
aufweisen, muss ferner deren Bearbeitung sehr präzise mit einem geringfügigen Montagespiel
sein, um den Aufnahmebehälter
die erforderliche Steifigkeit zu geben, ohne die Ausrichtung der
Bänder
zu beeinträchtigen.
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Wenn
die Zellen einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen,
ermöglichen
es Präzisionsbearbeitungen,
diese Schwierigkeiten mit nicht unerheblichen Kosten zu meistern.
Wie 6 des Dokuments EP-A-0329581 veranschaulicht,
werden, wenn der Aufnahmebehälter
Zellen dieser Art aufweist, oft Bänder aus einem Stück verwendet, welche
den geraden Querschnitt des Aufnahmebehälters von einer Seite zur andern
durchqueren, ohne dass es eine Diskontinuität im Stoff zwischen den benachbarten
Wänden
der Zellen gäbe.
Diese Konfiguration ist für
die Kohäsion
und die mechanische Festigkeit des Aufnahmebehälters günstig.
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Die
Umsetzung dieser Techniken ist viel schwieriger im Fall von Aufnahmebehältern, die
polygonale (beispielsweise sechseckige) Zellen mit einer größeren Anzahl
von Seiten aufweisen. Wenn man nämlich
das Beispiel von sechseckigen Zellen nimmt, müssen hierbei Bandelemente verwendet
werden, die in Form einer unterbrochenen Linie gefaltet bzw. geknickt
sind, der anschließend
die geeigneten Richtungen gegeben werden, wie dies in 5 des
bereits zitierten Dokuments EP-A-0329581 veranschaulicht ist. In
diesem Fall ist es nicht möglich, Bänder aus
einem Stück
zu verwenden, welche den geraden Abschnitt des Aufnahmebehälters durchqueren,
sondern es muss eine große
Anzahl von Bandelementen in diesem geraden Abschnitt angeordnet
werden. Die Diskontinuität
der Bandelemente, die sich aus dieser Anordnung ergibt, hat die
Auswirkung, die transversale Steifigkeit und damit die mechanische
Festigkeit des gesamten Aufnahmebehälters zu mindern. Die Vervielfachung
der Anzahl der Bandelemente sowie ihrer Formen, die Faltungen aufweisen,
haben auch als Konsequenz die vorher angeführten Schwierigkeiten bei der
Herstellung und Montage erheblich zu vergrößern. Da anschließend alle
diese Bandelemente auf der gesamten Höhe des Aufnahmebehälters dupliziert
und geschichtet werden müssen,
ist hierbei die Erzielung von Zellen konstanten Querschnitts und
mit glatten Wänden
nur dank speziellen Herstellungsverfahren möglich, welche die Abmessungstoleranzen
und die Montagespiele auf ein Minimum reduzieren. Dies führt zu sehr hohen
Herstellungskosten.
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Folglich
gestattet keine der derzeitigen Herstellungstechniken von Aufnahmebehältern für radioaktive
Stoffe, auf einfache und optimale Weise alle erforderlichen Funktionen
zu erfüllen,
ohne die Performance des Aufnahmebehälters zu mindern, insbesondere
hinsichtlich der Aufnahmekapazität,
und zwar unabhängig
von der Form der Zellen und auch im Fall irgendwelcher polygonaler
Formen, wie z.B. sechseckiger Formen.
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Abriss der Erfindung
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Gegenstand
der Erfindung ist ein Aufnahmebehälter, der geeignet ist, radioaktive
Stoffe aufzunehmen, wie z.B. Brennelemente von Atomreaktoren, indem
auf optimierte Weise alle erforderlichen Funktionen für einen
solchen Aufnahmebehälter
erfüllt
werden, wie z.B. die Kontrolle der kritischen Stelle, die Wärmeübertragung
und die mechanische Festigkeit, und zwar unabhängig von der Form der Zellen,
wobei die Aufnahmekapazität
bestehender Aufnahmebehälter
beibehalten oder verbessert wird.
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Gemäß der Erfindung
wird dieses Ergebnis erzielt mit einem Aufnahmebehälter für aktive
Stoffe mit mehreren geradlinigen Metallrohren, die in Bündeln angeordnet
sind, sowie Anordnungs- bzw. Montagemitteln, welche die Rohre parallel
zueinander in einem regelmäßigen Netz
gruppieren, so dass sie mehrere aneinandergrenzende Zellen bilden,
welche die radioaktiven Stoffe aufnehmen können, wobei jedes der Rohre
eine erste, zu einer entsprechenden Zelle im wesentlichen kontinuierliche
Wand bildet, wobei der Behälter
dadurch gekennzeichnet ist, dass er außerdem mehrere Metall-Kreuzstreben umfasst, die
jeweils mindestens drei Flügel
enthalten, welche untereinander durch einen gemeinsamen Steg verbunden
sind, wobei die Kreuzstreben zwischen den Rohren derart angeordnet
sind, dass sie um die erste Wand jeder Zelle herum und zumindest
in teilweisem Kontakt mit dieser eine zweite, im wesentlichen kontinuierliche
Wand festlegen.
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Da
jede der Zellen durch eine erste Wand begrenzt ist, die von einem
sie umgebenden Rohr gebildet ist, sowie durch eine zweite Wand,
die von Flügeln
von zwischen den Rohren eingefügten
Kreuzstreben gebildet sind, wobei die Herstellung von Aufnahmebehältern mit
Zellen eines beliebigen geraden Querschnitts ohne besondere Schwierigkeit
möglich ist.
Außerdem
ermöglicht
der Verbundcharakter der Zellwände,
leicht alle vorher genannten Funktionen zu erfüllen. Mit anderen Worten gestatten
die Aufnahmebehälter
gemäß der Erfindung
auf einfache Weise die bestmögliche
Nutzung der Eigenschaften der verschiedenen Materialien, um die
Leistungen und die Aufnahmekapazität der Behälter zu optimieren und dabei
eine große
Vielfalt von Formen im Gegensatz zu dem Aufnahmebehälter nach
dem Stand der Technik zu gestatten.
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Bei
den bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung stehen die Kreuzstreben in Kontakt miteinander über Endränder ihrer
Flügel,
die den gemeinsamen Stegen bzw. Graten gegenüberliegen. Auf diese Weise
wird der thermische Kontakt zwischen den Flügeln der Kreuzstreben und die
Kontinuität
der zweiten Wand gewährleistet.
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Je
nach Fall können
die Endränder
der Flügel
der Kreuzstreben hierbei Abflachungen aufweisen, die im wesentlich
parallel zu den Ebenen der Flügel
sind, durch die die Kreuzstreben in Kontakt miteinander stehen,
oder komplementäre
Formen von der Art Zapfen-Zapfenloch, durch die die Kreuzstreben
ineinandergreifen.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung haben die Rohre einen quadratischen oder rechteckigen
geraden Querschnitt und die Kreuzstreben umfassen vier Flügel, die
in zwei zueinander orthogonalen Richtungen ausgerichtet sind.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung weisen die Rohre einen geraden sechseckigen Schnitt
auf und die Kreuzstreben umfassen drei Flügel, die in drei untereinander einen
Winkel von 120 Grad bildende Richtungen ausgerichtet sind.
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Gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung haben die Rohre einen kreisförmigen geraden Schnitt, und
die Kreuzstreben umfassen vier Flügel, die in zwei zueinander
orthogonale Richtungen ausgerichtet sind.
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In
allen Fällen
kann jede Kreuzstrebe entweder aus einem Stück gebildet sein, dessen Länge im wesentlichen
gleich der Länge
der Rohre ist oder aber aus mehreren Kreuzstreben-Teilstücken gebildet
sein, die im Stoß angeordnet
sind und deren kumulierte Länge
hierbei im wesentlichen gleich der Länge der Rohre ist.
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Um
zur Effizienz des Wärmetransports
beizutragen, umfassen die Kreuzstreben vorzugsweise mindestens eine
Schicht aus einem Material, das aus der Aluminium, Kupfer und ihre
Legierungen umfassenden Gruppe ausgewählt ist.
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Wenn
die radioaktiven Stoffe spaltbare Stoffe sind, umfasst mindestens
ein Material, welches die Rohre und/oder die Kreuzstreben bildet,
ein Neutronen-Absorptionselement. Dieses Neutronen-Absorptionselement
kann Bor, Hafnium oder Cadmium sein. Im einzelnen handelt es sich
hierbei vorteilhafterweise um Bor, das mit Bor 10 mit mindestens
80 Gewichtsprozent angereichert ist.
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Bei
einer Ausführungsform
umfassen die Flügel
der Kreuzstreben mindestens zwei unterschiedlichen Materialschichten,
die aufeinander gelegt sind.
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Um
zu ermöglichen,
dass die Rohre eine ihrer Hauptfunktionen erfüllen, die darin besteht, die mechanische
Festigkeit des Aufnahmebehälters
unter allen Umständen
sicherzustellen, sind die Rohre vorteilhafterweise aus einem Material
hergestellt, das aus der rostfreie Stähle, Kunststoffstähle, Aluminium und
deren Legierungen umfassenden Gruppe ausgewählt ist, die gute mechanische
Eigenschaften besitzen, sowie Titan.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Montagemittel umfassen diese mindestens zwei metallische Umschließungsstrukturen,
welche das Rohrbündel
auf verschiedenen Höhen umgeben. Vorteilhafterweise
sind die Umschließungsstrukturen hierbei
aus einem Material hergestellt, das einen Wärmedehnungskoeffizienten aufweist,
der höchstens
gleich demjenigen des Materials ist, aus dem die Rohre hergestellt
sind.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Montagemittel umfassen diese mindestens zwei Platten, die sich
auf unterschiedlichen Höhen
des Aufnahmebehälters
befinden, sowie Verbindungselemente, welche die Platten untereinander
fest verbinden bzw. einstückig
machen, wobei jede Platte von einem Netz aus Löchern durchsetzt ist, die die
Form des geraden Querschnitts der Rohre aufweisen und in denen die
Rohre aufgenommen sind.
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In
diesem Fall befindet sich mindestens eine der Platten vorzugsweise
auf Höhe
eines Endes des Aufnahmebehälters.
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Übrigens
sind die Verbindungselemente vorteilhafterweise durch Schrauben
an den Platten befestigt.
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Bei
der zweiten Ausführungsform
der Montagemittel umfasst jedes Verbindungselement vorzugsweise
eine untere, zu der äußeren Umhüllung des Rohrbündels und
den zugeordneten Kreuzstreben komplementäre Innenfläche und eine regelmäßige Außenfläche, die
eine äußere Oberfläche des
Aufnahmebehälters
bildet und diesem einen regelmäßigen Charakter
verleiht.
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In
allen Fällen
kann der Aufnahmebehälter auch
einen starren Boden aufweisen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Im
folgenden werden anhand von nicht-einschränkenden Beispielen verschiedene
Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
in denen zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht, die schematisch einen Aufnahmebehälter für radioaktive Stoffe
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung darstellt,
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2 eine
Schnittansicht in vergrößertem Maßstab des
Behälters
der 1 in einer Horizontalebene,
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3A und 3B der 2 vergleichbare Schnittansichten,
die in noch stärker
vergrößertem Maßstab zwei
mögliche
Ausführungen
der Endränder
der Flügel
der Kreuzstreben veranschaulichen,
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4 eine
der 1 vergleichbare Ansicht zur Darstellung einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung,
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5 eine
Schnittansicht in größerem Maßstab des
Behälters
der 4 in einer Horizontalebene,
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6 eine
auseinandergezogenene, perspektivische Ansicht zur Darstellung einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung, und
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7 eine
Schnittansicht in vergrößertem Maßstab des
Behälters
der 6 in einer Horizontalebene.
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Detaillierte
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung
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Ein
Aufnahmebehälter
für radioaktive
Stoffe gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist in
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1 dargestellt.
Dieser Aufnahmebehälter umfasst
mehrere Rohre 10, mehrere Kreuzstreben 12 (2),
die zwischen den Rohren 10 angeordnet sind, sowie Montagemittel 14,
die die Kohäsion
und die Kompaktheit der Baueinheit sicherstellen.
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Wie
bereits erwähnt
wurde, können
die radioaktiven Stoffe, die in dem Aufnahmebehälter transportiert werden können, von
beliebiger Art sein. Es kann sich insbesondere um Brennelemente
von Atomreaktoren mit quadratischem oder sechseckigem Querschnitt
handeln.
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Die
Rohre 10 sind geradlinige Metallrohre, die alle identisch
sind. Im einzelnen haben alle Rohre 10 den gleichen Querschnitt
und die gleiche Länge und
sind aus den gleichen Materialien hergestellt. Die Montagemittel 14 gruppieren
die Rohre 10 zu zueinander parallelen Bündeln in einem regelmäßigen Netz.
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Genauer
gesagt, ist das Rohrbündel 10 zur vertikalen
Ausrichtung vorgesehen. Auf diese Weise werden mehrere benachbarte
Zellen 16 gebildet, von denen jede konditionierte radioaktive
Stoffe aufnehmen kann, wie z.B. Brennelemente von Atomreaktoren,
um für
deren Transport und/oder deren Lagerung zu sorgen.
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Jedes
der Rohre 10 bildet eine erste Wand der entsprechenden
Zelle. Diese erste Wand umgibt die Zelle praktisch ohne Unterbrechung
auf ihrer gesamten Höhe
und auf ihrem gesamten Umfang.
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Die
Kreuzstreben 12 sind Metallteile, die aus einer bestimmten
Anzahl planer Platten 18 gebildet sind, auch als "Flügel" bezeichnet, und
die allgemein keine Öffnungen
aufweisen. Alle Flügel 18 einer Kreuzstrebe 12 sind
untereinander durch einen gemeinsamen geradlinigen Grat verbunden
und in regelmäßigen Winkelintervallen
um den Grat herum verteilt.
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In
der in 1 dargestellten Ausführungsform ist die Länge der
Kreuzstreben 12 im wesentlichen gleich der Länge der
Rohre 10.
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In
einer (nicht dargestellten) Ausführungsvariante
ist jede Kreuzstrebe 12 aus mehreren im Stoß angeordneten
Kreuzstreben-Teilstücken
gebildet. Die kumulierte Länge
dieser Teilstücke
ist hierbei im wesentlichen gleich der Länge der Rohre 10.
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Jede
der Kreuzstreben 12 ist einer Gruppe aneinandergrenzender
Rohre 10 zugeordnet, deren Anzahl und Anordnung von dem
geraden Schnitt der Rohre und von der Form des von dem Rohrbündel gebildeten
Netzes abhängig.
Der gemeinsame Grat der Kreuzstrebe befindet sich in der Mitte der
Rohrgruppe 10 und ist parallel zu den Achsen der Rohre angeordnet.
Die Anzahl der Flügel 18 der
Kreuzstreben 12 ist gleich der Anzahl der Rohre 10 der
Gruppe. So ist ein Flügel 18 der
Kreuzstrebe 12 zwischen jedem benachbarten Rohrpaar der
Rohrgruppe 10 angeordnet.
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Die
Flügel 18 jeder
der Kreuzstreben 12 erstrecken sich zwischen den Rohren 10 derart,
dass der Endrand jedes Flügels 18,
welcher dem gemeinsamen Grat gegenüberliegt, parallel zu dem Grat
und in Kontakt mit dem Endrand des Flügels der benachbarten Kreuzstrebe 12 ist,
die zwischen das gleiche Paare Rohre 10 eingefügt ist.
Die Kreuzstreben 12 bilden so eine zweite, im wesentlichen
kontinuierliche Wand um jede der Zellen 16 herum.
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Übrigens
ist die Anordnung, die von den Montage- bzw. Anordnungsmitteln 14 hergestellt wird,
derart, dass jeder der Flügel 18 der
Kreuzstreben 12 mit jedem der auf beiden Seiten dieses
Flügels 10 angeordneten
Rohre 10 praktisch auf der gesamten Höhe des Aufnahmebehälters in
Kontakt steht. Die zweite, von den Kreuzstreben 12 um jede Zelle 16 herum
gebildete Wand steht also zumindest teilweise in Kontakt mit der
von den Rohren 10 gebildeten ersten Wand.
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Bei
der genauer in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungsform
weist jedes der Rohre 10 einen geraden quadratischen Querschnitt
auf. Das von dem Rohrbündel 10 gebildete
regelmäßige Netz ist
hierbei ein Netz mit quadratischer Teilung, so dass jede Rohrgruppe
aus vier benachbarten Rohren 10 gebildet wird. Gemäß der vorher
aufgestellten Regel umfasst jede Kreuzstrebe 12 hierbei
vier Flügel 18, die
in zwei zueinander senkrechten Richtungen ausgerichtet sind. Diese
Anordnung, die klar aus den 1 und 2 hervorgeht,
gewährleistet
einen integralen Oberflächenkontakt
zwischen den Flügeln 18 der
Kreuzstreben 12 und den benachbarten Flächen der Rohre 10.
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Um
einen sicheren Kontakt zwischen den Endrändern der Flügel 18,
die den gemeinsamen Graten bzw. Stegen der Kreuzstreben 12 gegenüberliegen,
wie vorstehend beschrieben wurde, herzustellen, sind verschiedene
Anordnungen möglich. Gemäß einer
ersten Anordnung, die in 3A dargestellt
ist, weisen die Endränder
der Flügel 18 Abflachungen 20 auf,
die im wesentlichen parallel zu den Ebenen der Flügel ausgerichtet
sind. Genauer gesagt sind die Abflachungen 20 in der Mittelebene
der Flügel
gelegen und so ausgerichtet, dass sie einander zugewandt sind, wenn
die beiden benachbarten Kreuzstreben 12 eingefügt sind.
Die Abflachungen 20 stehen hierbei auf dem Großteil ihrer
Oberflächen miteinander
in Kontakt. Diese Anordnung gestattet es, die Kontaktflächen zwischen
den Flügeln 18 der Kreuzstreben 12 zu
vergrößern, und
infolgedessen den Transport der Wärmeströmung von einer Kreuzstrebe
zur anderen zu erleichtern.
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Gemäß einer
zweiten Anordnung, wie in 3B dargestellt
ist, weisen die dem mittleren Grat bzw. Steg gegenüberliegenden
Endränder
der Flügel der
Kreuzstreben 12 komplementäre Formen von einer Kreuzstrebe
zur anderen auf, so dass sie ineinandergreifen. Diese komplementären Formen
sind beispielsweise eine Zapfenform 22 und eine Zapfenlochform 24.
Diese Anordnung liefert die gleichen Vorteile wie die vorangehende,
wobei noch eine Eingriffswirkung hinzukommt, welche die Kontakte
und die Ausbreitung des Wärmestroms
weiter verbessert.
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Bei
dem Aufnahmebehälter
gemäß der Erfindung
haben die Rohre 10, welche die ersten Wände der Zellen bilden, die
Funktion, die mechanische Festigkeit des Behälters sicherzustellen, und
zwar bei normalen Nutzungsbedingungen wie bei Unfall-Bedingungen
(beispielsweise ein Umstürzen
des Aufnahmebehälters).
Die Beibehaltung der Geometrie des Behälters ist unter allen Umständen gewährleistet,
was dazu beträgt,
die Kontrolle über
die kritische nukleare Schwelle zu bewahren.
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Um
zu ermöglichen,
dass sie diese Funktion wirksam erfüllen, sind die Rohre 10 vorteilhafterweise
aus einem widerstandsfähigen
Material hergestellt, das vorzugsweise aus der Gruppe der rostfreien
Stähle,
der Kohlenstoffstähle,
der Aluminiumsorten und Aluminiumverbindungen, die gute mechanische
Eigenschaften aufweisen, sowie Titan ausgewählt ist. Diese Materialliste
ist keineswegs einschränkend.
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Die
Rohre 10 können
gemäß einer
beliebigen Herstellungstechnik erhalten werden, beispielsweise durch
Rollen oder Biegen eines Blechs zu der gewünschten Form, und anschließendes Wiederverschließen durch
eine Longitudinalschweißung.
Im Fall von Aluminiumrohren werden vorteilhafterweise übliche Extrusionstechniken
eingesetzt, die durch Extrudieren den Erhalt von Rohren aller Formen
und Dimensionen ermöglichen,
und die keine Schweißnaht
aufweisen.
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Bei
dem Aufnahmebehälter
gemäß der Erfindung
wird die Funktion der Abführung
der von den radioaktiven Stoffen erzeugten Wärme hauptsächlich von den Kreuzstreben 12 erfüllt. Diese
Funktion ist besonders wichtig, wenn die radioaktiven Stoffe Brennelemente
sind, die vorher in Atomreaktoren verstrahlt wurden, da diese Elemente
eine hohe thermische Energie emittieren.
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Bei
der Anordnung gemäß der Erfindung wird
der von den radioaktiven Stoffen erzeugte Wärmestrom zunächst durch
das Metall der die ersten Wände
bildenden Rohre 10 auf das Metall der Kreuzstreben 12 übertragen.
Diese Übertragung
wird durch die Tatsache erleichtert, dass die Flügel 18 der Kreuzstreben 12,
die die zweiten Wände
der Zellen bilden, in unmittelbarer Nähe zu den Wänden der Rohre 10 gehalten
werden, welche die ersten Wände der
Zellen bilden, so dass die Wärmeübertragung
erleichtert wird. Die Wirksamkeit dieser Wärmeübertragung wird vorteilhafterweise
dadurch gesteigert, dass das Material der Kreuzstreben unter den
gut wärmeleitenden
Metallen ausgesucht wird, wie z.B. Kupfer und seinen Legierungen
oder Aluminium und seinen Legierungen.
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Der
Wärmestrom
durchwandert dann die Materie der Kreuzstreben 12, die über ihre
Endränder miteinander
in Kontakt stehen, und zwar von dem Innenraum des Aufnahmebehälters nach
außen.
Im einzelnen geht wegen des zwischen den Endrändern der Flügel der
Kreuzstreben hergestellten Kontakts der Wärmestrom praktisch ohne Unterbrechung
von dem Aufnahmebehälter
nach außen,
und zwar ohne auf größere thermische
Widerstände
zu treffen, welche einen übermäßigen internen
Temperaturanstieg im Aufnahmebehälter
hervorrufen könnten.
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Der
Wärmestrom
wird anschließend
in die Atmosphäre
verteilt oder in die Struktur eines Transport- oder Lagerbehälters, in
den der Aufnahmebehälter
aufgenommen ist.
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Wenn
der Behälter
mit spaltbaren radioaktiven Stoffen gefüllt ist, die eine Kettenreaktion
hervorrufen können,
müssen
seine Komponenten auch eine dritte wesentliche Funktion erfüllen, die
die Steuerung der kritischen nuklearen Schwelle ist.
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Diese
Steuerung bzw. Kontrolle wird zunächst durch den mechanischen
Widerstand des Aufnahmebehälters
gewährleistet,
der dank des Widerstands der Rohre 10 erhalten wird, welche
die ersten Wände
der Zellen bilden, wie vorstehend beschrieben wurde.
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Die
Kontrolle der kritischen nuklearen Schwelle wird auch durch die
eventuelle Hinzufügung
von neutrophagen Giften, wie z.B. Bor oder Cadmium in die Strukturen
des Aufnahmebehälters sichergestellt.
Diese Gifte können
in verteilter Form entweder in das Metall der Rohre 10 oder
in das Metall der Kreuzstreben 12 oder aber in die beiden
Komponenten gleichzeitig eingebracht werden. Alternativ kann das
Gift auch unter der Form einer Materialschicht, wie z.B. eines Frittenmaterials
auf der Basis von Bor-Kohlenstoff hinzugefügt werden, das auf die Flügel der
Kreuzstreben 12 aufgebracht wird. Wenn das neutrophage
Gift Bor ist, wird dieses vorteilhafterweise mit Bor 10 angereichert,
welches das als Neutronenabsorbierer wirksame Bor-Isotop ist. Diese Eigenschaft
ermöglicht
es, das mechanische und metallurgische Verhalten der verwendeten
Materialien nicht zu sehr zu verändern,
indem ihr Gesamtgehalt an Bor verringert wird.
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In
einem Ausführungsbeispiel
sind die Flügel der
Kreuzstreben 12 Verbundwände, die eine Plattierung bzw.
Verblendung eines sehr gut wärmeleitenden
Metalls, wie z.B. Kupfer oder eine Kupferlegierung aufweisen, und
aus einem Material mit hohem Borgehalt, wie z.B. einem Frittenmaterial
auf der Basis von Bor-Kohlenstoff B4C.
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Wie
in dem vorangehenden Beispiel dargestellt ist, kann ein und dieselbe
Komponente des Behälters
gleichzeitig mehrere vorgenannten Funktionen erfüllen, um die Leistung zu optimieren.
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Bei
der in 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung werden
die Montage- bzw. Anordnungsmittel 14 durch Umschließungsstrukturen
gebildet, welche das Rohrbündel 10 und
die Kreuzstreben 12 auf verschiedenen Höhen umgeben. Die Anzahl der
Umschließungsstrukturen 14 beträgt mindestens
zwei. In 1 ist diese Anzahl gleich drei. Jede
Umschließungsstruktur
umfasst ein Umschließungsband 26, welches
das Rohrbündel
umgibt, und ein Spannsystem (nicht dargestellt). Vorteilhafterweise
sind die Umschließungsbänder 26 aus
einem Metall gefertigt, dass sich von dem der Rohre 10 unterscheidet.
Dieses Metall ist so gewählt,
dass es einen Dehnungskoeffizienten aufweist, der kleiner oder höchstensfalls
gleich demjenigen des Metalls der Rohre ist, damit die Kohäsion und
das Aneinanderhaften der Rohre und der Kreuzstreben unverändert bleiben
oder sich verbessern, wenn die Temperatur steigt. Die Wirksamkeit
der Wärmeübertragung
wird so bewahrt. Die Spannkraft der Umschließungsstrukturen wird anfänglich auf
den gewünschten
Wert mittels Spannsystemen (nicht dargestellt) eingestellt.
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Wie
in 1 ebenfalls dargestellt ist, kann der Behälter gemäß der Erfindung
außen
den bisher beschriebenen Komponenten auch eine Bodenplatte oder
eine starre untere Platte 28, allgemein aus Metall, umfassen.
Die Rohre 10 und die Kreuzstreben 12, die durch
die Montagemittel 14 verbunden sind, ruhen auf der unteren
Platte 28. Diese ist von besonderem Nutzen, um die radioaktiven
Stoffe, beispielsweise wenn der Behälter getrennt gewartet werden muss,
festzuhalten.
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Der
Behälter
gemäß der Erfindung
kann auch mit einer Kopfplatte oder oberen Platte (nicht dargestellt)
versehen sein. Diese kann hierbei mit Vorrichtungen ausgestattet
sein, die zur Wartung des Behälters
dienen.
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In
einer Ausführungsvariante
(nicht dargestellt) werden die Rohre 10 mit geradem quadratischem
Querschnitt durch Rohre mit rechteckigem Querschnitt ersetzt. Die
Kreuzstreben 12 weisen hierbei zwei kleine, koplanare Flügel mit
gleicher Größe wie die
Hälfte
der Kurzseite des Rechtecks auf, und zwei große, zu den vorangehenden Seiten senkrechte
Flügel
einer Größe, die
gleich der Hälfte der
Langseite des Rechtecks ist.
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In
einer Ausführungsvariante
(nicht dargestellt) weisen die Rohre 10 einen geraden kreisförmigen Querschnitt
auf. Die Flügel
der Kreuzstreben 12 sind hierbei Tangenten zu den Rohren
an deren Enden. Es ist also an dieser Stelle, an der der Wärmestrom
von den Rohren auf die Kreuzstreben übertragen wird.
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Die
zweite, in den 4 und 5 dargestellte
Ausführungsform
der Erfindung unterscheidet sich wesentlich von der ersten durch
die Form der Rohre 10.
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So
haben die Rohre 10 in diesem Fall, statt einen geraden
quadratischen Querschnitt aufzuweisen, einen geraden sechseckigen
Querschnitt. Das Rohrbündel 10 bildet
hierbei ein Dreiecknetz. Die Anwendung der vorher dargelegten Prinzipien
führt dazu,
jede Kreuzstrebe 12 mit drei Flügeln 18 zu versehen,
die um 120 Grad in Bezug aufeinander angeordnet sind. Alle weitere
Charakteristika und Eigenschaften, die in Bezug auf die erste Ausführungsform der
Erfindung und ihre Varianten beschrieben wurden, sind übrigens
auch in diesem Fall anwendbar.
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In
den 6 und 7 ist eine dritte Ausführungsform
der Erfindung dargestellt.
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Wie
bei der zweiten Ausführungsform
der 4 und 5 haben die Rohre 10 einen
geraden sechseckigen Querschnitt. Statt aber aus Umschließungsstrukturen
gebildet zu sein, umfassen die Montagemittel 14 in diesem
Fall durchlöcherte
Metallplatten 30, die untereinander von Verbindungselementen 32a, 32b fest
verbunden sind, und zwar so, dass sie eine starre Armatur zum Halten
der Rohre 10 und der Kreuzstreben 12 bilden.
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Genauer
gesagt, sind die Platten 30 mindestens zwei, und sie sind
regelmäßig auf
der Höhe
des Behälters
senkrecht zu der Achse der Rohre 10 verteilt. Die Platten 30 sind
dünn (von
einigen Millimetern bis zu einigen Zentimetern), und umfassen ein Netz
von Löchern 34,
deren Form und Dimensionen denjenigen der Rohre 10 entspricht.
So sind in dem dargestellten Beispiel, bei dem die Rohre 10 sechseckig
sind, die Löcher 34 ebenfalls
sechseckig, und ihre Abmessungen sind etwas größer als die der Rohre. Ein
Rohr 10 ist also in jedes der Löcher 34 jeder der
Platten 30 mit reduziertem Spiel aufgenommen. Da die Platten 30 durch
die Verbindungselemente 32a und 32b fest miteinander
verbunden sind, wird so das Festhalten der Rohre 10 zwischen
den von den Wänden
der Platten gebildeten Stützflächen gewährleistet.
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Wie
insbesondere in 7 dargestellt ist, wird die
Dicke der zwischen den benachbarten Löchern 34 einer Platte 30 gebildeten
Wände 36 derart eingestellt
bzw. angepasst, dass sie geringfügig
größer ist
als die Dicke der Flügel 18 der
Kreuzstreben 12. Diese Anordnung gestattet es, zwischen
den Rohren 10 über
einen ausreichenden Raum zum Einsetzen der Kreuzstreben 12 zu
verfügen
und dabei das Montagespiel auf einen ausreichend niedrigen Wert
zu reduzieren, um eine unmittelbare Nähe zwischen den Flügeln der
Kreuzstreben 12 und den Wänden der Rohre zu bewahren.
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Jede
der Kreuzstreben 12 ist hierbei aus mehreren Kreuzstreben-Teilstücken 38 gebildet,
wobei jedes Teilstück
eine Länge
aufweist, die im wesentlichen gleich der zwei aufeinanderfolgende
Platten 30 trennenden Distanz ist, oder der Distanz, die jedes
Ende des Behälters
von der nächstgelegenen Platte
trennt. Diese Anordnung ermöglicht
es, um jede Zelle herum eine zweite, im wesentlichen kontinuierliche
Wand herzustellen.
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Wie
schematisch in 6 dargestellt ist, umfassen
die Platten 30 vorteilhafterweise Kopf- und Bodenplatten,
die jeweils an dem oberen und unteren Ende des Aufnahmebehälters gelegen
sind. In diesem Fall ist die Kopfplatte vorzugsweise mit Wartungsvorrichtungen
des Behälters,
wie z.B. Augbolzen bzw. Einschraubösen ausgestattet. Die perforierte
Bodenplatte kann auch durch eine massive Platte ersetzt oder gedoppelt
werden, wie bereits mit Bezug auf 1 beschrieben
wurde.
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Wie
insbesondere 6 zeigt, sind Verbindungselemente 32a und 32b außerhalb
des Rohrbündels 10 angeordnet,
und sie erstrecken sich parallel zu letzterem auf der gesamten Höhe des Aufnahmebehälters.
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Auf
Höhe der
Platten 30 außer
den Kopf- und Bodenplatten umfasst jedes der Verbindungselemente 32a und 32b eine
Einkerbung 40a bzw. 40b. Diese Einkerbung 40a, 40b greift
in einen Ausschnittabschnitt komplementärer Form des Umfangsrandes der
entsprechenden Platte 30 ein. Ein oder mehrere Befestigungselemente,
wie z.B. Schrauben 42, welche die Verbindungselemente 32a und 32b durchsetzen,
stellen die Befestigung dieser Elemente an jeder der Platten 30 sicher.
Wenn Kopf- und Bodenplatten vorgesehen sind, sind sie an den Enden
der Verbindungselemente 32a und 32b durch Befestigungselemente
wie Schrauben 44 befestigt.
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Die
soeben beschriebene Anordnung ermöglicht es, der von den Platten 30 und
den Verbindungselementen 32a und 32b gebildeten
Armatur eine starre Struktur zu verleihen.
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In
der in 6 dargestellten Ausführungsform sind die Verbindungselemente 32a und 32b von zwei
unterschiedlichen Typen je nach der Stelle, an der sie sich am Umfang
des Aufnahmebehälters
befinden. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass der Zusammenbau
der Rohre 10 mit geradem sechseckigem Querschnitt im Inneren
einer Umhüllung
mit geradem kreisförmigem
Querschnitt alternativ am Umfang des Aufnahmebehälters erste, halb-sechseckige
Ausnehmungsabschnitte mit geradem Querschnitt und zweite Ausnehmungsabschnitte
mit geradem Querschnitt in Sägezahnform
bildet.
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Die
Verbindungselemente 32a haben eine Innenfläche, die
komplementär
zu den ersten Ausnehmungsabschnitten ist, und die Verbindungselemente 32b haben
eine zu den zweiten Ausnehmungsabschnitten komplementäre Innenfläche. Die Außenflächen der
Verbindungselemente 32a und 32b haben die Form
von zylindrischen Sektoren und weisen alle den gleichen Krümmungsradius
auf, der demjenigen der äußeren zylindrischen
Umhüllung des
Aufnahmebehälters
entspricht. Infolgedessen bilden, wenn alle Verbindungselemente 32a und 32b um
das Rohrbündel 10 herum
angebracht sind, ihre Außenflächen die äußere zylindrische
Umhüllung des
Aufnahmebehälters.
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Die
vorstehend beschriebene Anordnung ermöglicht es, ein gleichmäßiges Spiel
zwischen dem Aufnahmebehälter
und dem Container beizubehalten, wenn der Aufnahmebehälter ins
Innere des Containers eingebracht wird. Diese Eigenschaft begünstigt die Übertragung
des Wärmestroms
zwischen dem Außenraum
des Aufnahmebehälters
und den Strukturen des Containers.
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Die
zylindrische Form der äußeren Kontur des Aufnahmebehälters wird
selbstverständlich
nur als Beispiel gegeben. Ein rechteckiger, quadratischer oder anderer
gerader Querschnitt kann ebenfalls erhalten werden, indem den Verbindungselementen geeignete
Formen gegeben werden. Die für
die Herstellung der Platten 30 und der Verbindungselemente 32a und 32b verwendeten
Materialien sind vorzugsweise Metalle, die eine gute mechanische
Festigkeit aufweisen, wie z.B. Metalle, die aus der Gruppe der rostfreien
Stähle,
der Kohlenstoffstähle
und der Aluminiumlegierungen, die gute mechanische Eigenschaften
haben, ausgewählt
sind.
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Es
ist anzumerken, dass der Aufnahmebehälter gemäß der dritten, soeben beschriebenen Ausführungsform übrigens
Charakteristika und Eigenschaften aufweist, die analog zu denjenigen
der anderen Ausführungsformen
und ihrer Varianten sind.
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Die
beschriebenen Ausführungsformen
und Varianten stellen klar die zahlreichen Vorteile der Erfindung
heraus. Insbesondere geht daraus klar hervor, dass die Erfindung
ebenso für
die Herstellung von Aufnahmebehältern
mit sechseckigen Zellen als für
die von Aufnahmebehältern
mit Zellen üblicherer Form,
wie quadratischen oder rechteckigen geeignet ist. Außerdem erleichtert
die kompakte Anordnung der Rohre und der Kreuzstreben, die von den
verschiedenen beschriebenen Montagemitteln hergestellt wird, die
Wärmeübertragungen.
Die Verwendung von Befestigungselementen wie Schrauben oder Schweißnähten wird
auf ein Minimum reduziert. Somit werden die Herstellungskosten optimiert.