DE1221370B - Druckbehaelter fuer einen Kernreaktor - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

G21c

Deutsche KL: 21g-21/20

Nummer: 1221370

Aktenzeichen: A 46901 VIII c/21 \

Anmeldetag: 20. August 1964

Auslegetag: 21. Juli 1966

Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckbehälter für einen Kernreaktor, der durch ein unter Druck stehendes Strömungsmittel gekühlt wird, welcher einen inneren und einen äußeren Druckkessel aufweist, deren Wände sich im drucklosen Zustand in Abstand voneinander befinden, wobei die beiden Druckkessel gemeinsam in der Lage sind, den Arbeitsdruck des Strömungsmittels zu absorbieren.

Ein großer Druckkessel, der hohen inneren Drücken ausgesetzt ist, würde eine beachtliche Wanddicke erfordern. Es ist bekannt, daß die Dicke der Wand dadurch vermindert werden kann, daß man den Kessel in einen äußeren Druck absorbierenden Behälter einbringt, der den Arbeitsdruck insgesamt oder teilweise absorbiert. Dieser äußere Behälter kann z. B. eine Felsenkammer oder ein Kessel aus vorgespanntem Beton sein. Der Raum zwischen dem inneren und diesem äußeren Kessel ist mit Gas oder einer Flüssigkeit gefüllt, die den Druck von dem inneren auf den äußeren Kessel überführen.

Wenn man den äußeren Kessel den gesamten Arbeitsdruck absorbieren läßt, kann man die Wanddicke des inneren Kessels theoretisch auf ein sehr kleines Maß herabsetzen. In der Praxis ist es jedoch nicht möglich, solch eine geringe Wanddicke zu erreichen. Der Grund dafür ist, daß der innere Kessel eine bestimmte Steifheit besitzen muß, die eine bestimmte minimale Wanddicke erfordert. Der Erfindungsgedanke besteht nun darin, aus der Wanddicke des inneren Kessels den Vorteil zu ziehen, einen wesentlichen Teil des Arbeitsdruckes zu absorbieren, während der Rest des Druckes durch den äußeren Kessel aufgenommen wird. Dies kann erfolgen, ohne daß man ein getrenntes druckübertragendes Gas oder enie solche Flüssigkeit in den Zwischenraum zwischen die beiden Kessel einführt. Erfindungsgemäß wird dies beim eingangs genannten Druckbehälter dadurch erreicht, daß der innere Druckkessel so dimensioniert ist, daß er sich während der Druckbelastung elastisch ausdehnt und sich dadurch an den äußeren Druckkessel anlegt, der jede weitere Druckerhöhung absorbiert.

Die Erfindung setzt voraus, daß die Ausdehnungselastizität des inneren Kessels bei einem inneren Druck größer ist als die des äußeren Kessels bei dem gleichen inneren Druck, so daß die Ausdehnung des äußeren Kessels infolge des Druckes die relativen Bewegungen zwischen den beiden Kesseln nicht bis zu einem größeren Ausmaß beeinflußt. Zweckmäßigerweise wird der innere Kessel aus Stahl und der äußere aus vorgespanntem Beton hergestellt.

Druckbehälter für einen Kernreaktor

Anmelder:

Aktiebolaget Atomenergi, Stockhohn

Vertreter:

Dr. H. H. Wfflrath und Dipl.-Ing. H. Roever,
Patentanwälte, Wiesbaden, Hildastr. 32

Als Erfinder benannt:
Karl Ivan Gunnar Beliaev,
Saltsjöbaden (Schweden)

Beanspruchte Priorität:

Schweden vom 22. August 1963 (9178)

Zur Vereinfachung wird nachfolgend in der Beschreibung der innere Kessel mit »der Stahlkessel« und der äußere Kessel mit »der Betonkessel« bezeichnet. Der Einfachheit halber sei auch vorausgesetzt, daß der Betonkessel sich weder infolge von Druck noch infolge von Wärme ausdehnt.

Der Prozeß der Drucksteigerung von einem drucklosen Zustand zu einem Arbeitszustand ist nicht kompliziert, wenn dieser bei einer konstanten Temperatur stattfindet. Zuerst wird der Druck durch den Stahlkessel völlig absorbiert. Nachdem der Stahlkessel in Berührung mit dem Betonkessel kommt, wird das fortgesetzte Ansteigen des Druckes vollständig durch den Betonkessel absorbiert, während die Belastung des Stahlkessels praktisch unverändert bleibt.

Wenn jedoch die Temperatur gleichzeitig steigt (was gewöhnlich bei Kernreaktoren zutrifft), wird das Verfahren etwas komplizierter, da sich der Stahlkessel teilweise infolge der Druckerhöhung und teilweise infolge der thermischen Expansion ausdehnt. Ein ähnlicher Prozeß wird nachfolgend unter Bezug auf Fig. 1 erläutert. Danach wird ein Kernreaktor mit einem Druckkessel nach der Erfindung in F i g. 2 beschrieben.

Fig. 1 betrifft einen Kernreaktor, dessen Druckkessel zwei Phasen, nämlich Wasser und Dampf, enthält. Auf der Abszisse ist die Temperatur t aufgetragen, während auf der Ordinate der Druck P in dem Stahlkessel sowie die Dehnungsspannung c aufgetragen sind, welche letztere durch den Druck in dem Material hervorgerufen wird, aus dem der

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Stahlkessel und der Betonkessel bestehen. Die Leitungen 11 und 12 zirkulieren zu lassen, wenn dies

Kurve OABC zeigt das Verhältnis zwischen der Tem- erwünscht ist, und zusätzliches Gas durch eine dieser

peratur und dem Dampfdruck in dem Stahlkessel. Leitungen einzuführen, etwa um einen vorbestimm-

Wenn Druck und Temperatur von kaltem, druck- ten Druck in dem Zwischenraum 3 aufrechtzuerhal-

losem Zustand her erhöht werden, wird der Druck 5 ten, wenn dies erwünscht ist.

zuerst vollständig durch den ■ Stahlkessel aufgenom- Zum Schutz des Betons und der vorgespannten men, der sich elastisch ausdehnt. Wenn der Druck Seile gegenüber Hitze ist die innere Wand des und die Temperatur Punkt A erreicht haben, kommt Betonkessels mit Betonblöcken 4 ausgekleidet, die der gesamte Stahlkessel in Berührung mit dem als Isolation wirken. Die Blöcke sind voneinander Betonkessel. Die Dehnungsspannung in dem Mate- io durch enge Zwischenräume getrennt, wodurch sie rial des Stahlkessels wird durch die Linie AH ver- nicht Hitzespannungen ausgesetzt sind. Außerdem anschaulicht. Während . weiteren Ansteigens des sind Röhren S für Kühlwasser in dem Beton nahe Druckes und der Temperatur wird der Betonkessel der inneren Wand vorgesehen,
eine weitere Ausdehnung des Stahlkessels verhin- Der Stahlkessel enthält den Reaktorkern 8. Bedern. Diese verhinderte Ausdehnung würde zwei 15 schickungswasser wird durch eine Leitung 6 eingemögliche Ergebnisse liefern. Erstens wird das fort- führt und fließt zuerst aufwärts durch den Reaktorgesetzte Ansteigen des Dampfdruckes entlang der kern, wo es als Moderator wirkt, und danach abKurve AB völlig durch den Betonkessel absorbiert. wärts in den Raum 10 zwischen dem Kern und dem Zweitens ergibt die fortgesetzte thermische Expan- Stahlkessel (s. die Pfeile) und schließlich aufwärts sion in dem Stahlkessel bis zur Arbeitstemperatur t 20 durch die Brennstoffleitungen 9 (von denen der ein Ansteigen bis zu einem äußeren Druck auf den Klarheit halber nur eine dargestellt ist), wo es zum Stahlkessel. Dieser äußere Druck vermindert die Sieden gebracht wird. Der erzeugte Dampf wird Dehnungsspannung in dem Material des Stahlkessels, durch eine Leitung 7 abgezogen. Der normale die durch den inneren Dampfdruck verursacht wird. Wasserspiegel ist bei 13 gezeigt.
Das Ergebnis wird sein, daß die Dehnungsspannung 25 Die Leitungen 6 und 7 für Beschickungswasser in dem Stahl, wie durch Linie AD erläutert, ab- und Dampf sind so dimensioniert, daß sie den genehmen wird. Bei einer Arbeitstemperatur von ^₁ samten Arbeitsdruck absorbieren. Diese können dawird daher die Dehnungsspannung in dem Stahl- her im Gegensatz zu dem Stahlkessel selbst durch kessel durch die Linie DF wiedergegeben, während eine nicht Druck absorbierende Isolation, wie z. B. die Dehnungsspannung in dem Betonkessel durch 30 Glaswolle, gegenüber Hitze isoliert werden,
die Linie BD repräsentiert wird. Beim Starten des Reaktors findet eine elastische

Wenn die Arbeitstemperatur auf t₂ gesteigert wird, Ausdehnung des Stahlkessels statt, bis der gesamte

wird die Dehnungsspannung in dem Stahlkessel, wie Stahlkessel in Berührung mit der inneren Wand des

gesehen, auf EG vermindert, während die Deh- Betonkessels kommt, mit anderen Worten bis der

nungsspannung in dem Betonkessel auf CE ansteigt. 35 Punkte in Fig. 1 erreicht ist. Während des weite-

Bei geeigneter Wahl der Wandstärke in dem Stahl- ren Ansteigens des Druckes und der Temperatur

kessel und der Dicke, des Zwischenraums zwischen wird der Stahlkessel gemäß Linie AD in Fig. 1

dem Stahlkessel und dem Betonkessel ist es möglich, etwas entlastet.

die erwünschte maximale Dehnungsspannung des Der Stahlkessel sollte eine Wand besitzen, die

Stahlkessels während des Arbeitsbeginns und des 40 dick genug ist, um einen wesentlichen Anteil des

Arbeitsendes (s. Linie AH) und die Dehnungs- Druckes des unter Druck stehenden Kühlmittels auf-

spannung des Stahlkessels während normaler Arbeit zunehmen. Der Stahlkessel sollte auch in der Lage

(Linie DF) auszuwählen. sein, sich frei in dem Betonkessel (d. h. bevor

Fig. 2 zeigt einen senkrechten Schnitt durch einen Punkte erreicht ist) auszudehnen. Zur Erleichte-Siedereaktor, indem schweres Wasser als Kühlmittel 45 rung solch einer freien Ausdehnung ist es vorteil- und als Moderator verwandt wird. Die Figur ist haft, die Reibung zwischen dem Stahlkessel und dem stark vereinfacht, indem viele Einzelheiten, die für Betonkessel durch Einbringung eines Schmiermittels die vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung sind, an einer oder an beiden Wänden der beiden Kessel, weggelassen wurden. Ein äußerer Kessel 1 aus vor- z. B. mit Graphit oder Molybdänsulfid, zu vermingespanntem Beton, der mit einem Verschluß 14 ver- 50 dem.

sehen ist, enthält einen Stahlkessel 2 mit einem Bei der Konstruktion des Druckkessels nach der Deckel 15. Der Stahlkessel ruht mit seinem Boden Erfindung ist es wichtig, eine gute Formgleichheit direkt auf dem inneren Boden des Betonkessels, ist zwischen dem Stahlkessel und dem Betonkessel zu jedoch im übrigen so dimensioniert, daß ein'Zwi- erreichen. .Um diese Gleichheit zu erreichen, sollte schenraum3 in kaltem und drucklosem Zustand 55 der. Stählkessel vorzugsweise ein wenig kleiner gezwischen dem Stahlkessel und dem Betonkessel ge- _ -macht werden als seine Endgröße, wonach der bildet wird. Der Klarheit halber ist dieser Zwischen-" Betonkessel um den Stahlkessel mit so genauen Ausraum in der Zeichnung in größerem Maßstab, als in messungen wie möglich herumgebaut wird. Danach Wirklichkeit gezeichnet. Zwei Röhren 11 und 12 wird der Stahlkessel einem inneren Druck mit HiUe reichen in den Zwischenraum 3. Durch diese Röhren 60 einer gasbildenden Flüssigkeit ausgesetzt, welcher so ist es möglich, den Zwischenraums unter geringes hoch ist, daß die Fließgrenze des Stahls überVakuum zu setzen und Proben des Gases in dem schritten wird. Gleichzeitig wird die Temperatur so Raum 3 abzuziehen, etwa um zu kontrollieren, daß einreguliert, daß sie auf einer gut definierten Höhe keine radioaktiven Produkte aus dem Stahlkessel stehenbleibt, die geringer ist als die erwünschte gesickert sind und außerdem, um ein Durchsickern 65 Arbeitstemperatur. Wenn die Fließgrenze überaus dem Zwischenraums in das umgebende Gebiet schritten ist, unterliegt der Stahl einer plastischen durch den Betonkessel zu verhindern. Auch ist es Deformation (Kaltziehen), bis der Stahlkessel sich möglich, das Gas in dem Zwischenraum 3 durch die bis zu solch einem Ausmaß ausgedehnt hat, daß er

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den Betonkessel ringsum berührt. Danach werden Druck und Temperatur wieder vermindert, was zur Folge hat, daß der Stahlkessel sich unter elastischer und thermischer Deformation zusammenzieht, so daß ein klar definierter Hohlraum zwischen dem Stahlkessel und dem Betonkessel erzeugt wird. Wenn der Druck dann während des Beginns der normalen Arbeitstemperatur erhöht wird, kommt der Stahlkessel in Berührung mit dem Betonkessel, bevor die Fließgrenze des Stahls erreicht wird. Der Spielraum bis zu der Fließgrenze wurde dann durch die Temperatur bestimmt, bei der das Kaltziehen vorgenommen wurde.

Es sollte bemerkt werden, daß die Überführung des Druckes von dem Stahlkessel auf den Betonkessel vollkommen automatisch infolge der Ausdehnung des Stahlkessels durchgeführt wird. In dem zu Beginn der Beschreibung erwähnten Reaktor, in dem ein Gas oder eine Flüssigkeit den Druck von dem inneren zu dem äußeren Kessel überträgt, muß der Druck in diesem Gas oder dieser Flüssigkeit mit Hilfe einer getrennten Zusatzapparatur reguliert werden.

Um die Verminderung der Wanddicke in dem Stahlkessel und/oder dem Betonkessel zu demonstrieren, die durch die Erfindung ermöglicht wird, sei folgendes Beispiel gegeben: Ein Reaktor arbeitet bei einer Temperatur von 298° C und bei einem Druck von 85 bar. Der Durchmesser des Reaktorkessels beträgt 8 m. Wenn dieser Reaktorkessel als Stahlkessel konstruiert ist, der den gesamten Arbeitsdruck absorbiert, muß er eine Wanddicke von 85 mm besitzen. Wenn der Stahlkessel in einem Betonkessel gelagert ist, der so dimensioniert ist, daß er den gesamten Arbeitsdruck aufnimmt, muß der Betonkessel eine Wanddicke von 4,6 m besitzen. Obwohl der Stahlkessel dann völlig von Druck befreit wird, muß er trotzdem eine Wanddicke von annähernd 30 mm besitzen, um überhaupt gehandhabt werden zu können. Wenn statt dessen ein Stahlkessel nach der Erfindung zur Absorption eines Teils des Arbeitsdruckes benutzt wird, kann der Stahlkessel einen Druck von etwa 30 bar absorbieren, während der Betonkessel folglich den restlichen Druck absorbiert. Dieser benötigt eine Dicke von nahezu 3 m für die Wand des Betonkessels.

Der Betonkessel wirkt gleichzeitig als biologischer Strahlenschild für den Reaktor.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Druckbehälter für einen Kernreaktor, der durch ein unter Druck stehendes Strömungsmittel gekühlt wird, welcher einen inneren und einen äußeren Druckkessel aufweist, deren Wände sich im drucklosen Zustand in Abstand voneinander befinden, wobei die beiden Druckkessel gemeinsam in der Lage sind, den Arbeitsdruck des Strömungsmittels zu absorbieren, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Druckkessel so dimensioniert ist, daß er sich während der Druckbelastung elastisch ausdehnt und dadurch an den äußeren Druckkessel anlegt, der jede weitere Druckerhöhung absorbiert.

2. Druckbehälter nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, daß der innere Druckkessel aus Stahl und der äußere Diuckkessel aus vorgespanntem Beton besteht.

3. Druckbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise Röhren für ein Kühlmittel in dem Betonkessel nahe dessen innerer Wand vorgesehen sind.

4. Verfahren zur Herstellung eines definierten Zwischenraums zwischen dem inneren Druckkessel und dem äußeren Druckkessel des Druckbehälters nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den inneren Druckkessel kleiner als seine Endgröße dimensioniert, den inneren Druckkessel einem so hohen inneren Druck aussetzt, daß die Fließgrenze des Stahls überschritten wird, daß man den inneren Druckkessel sich unter plastischer Deformation bis zur Berührung mit dem äußeren Druckkessel ausdehnen läßt und schließlich den inneren Druck nachläßt, um eine elastische Kontraktion des inneren Druckkessels hervorzurufen, wobei diese elastische Kontraktion den erwünschten definierten Zwischenraum zwischen dem inneren Druckkessel und dem äußeren Druckkessel liefert.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 046 790;
»Kerntechnik«, November 1962, S. 486.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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