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Dokumentenidentifikation DE4308207A1 22.09.1994
Titel Reaktordruckbehälter mit limitierten Versagenszonen
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Senski, Gregor, Dipl.-Phys., 8500 Nürnberg, DE
DE-Anmeldedatum 15.03.1993
DE-Aktenzeichen 4308207
Offenlegungstag 22.09.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.09.1994
IPC-Hauptklasse G21C 13/02
IPC-Nebenklasse G21C 9/004   
IPC additional class // B01J 3/04  
Zusammenfassung Zumindest im unteren Teil (2) des Reaktordruckbehälters sind erste Teilbereiche (8) mit geringerer Wandstärke (a) und zweite Teilbereiche (10) mit größerer Wandstärke (A) vorgesehen. Die geringere Wandstärke (a) ist auf den bestimmungsgemäßen Betrieb des Reaktordruckbehälters ausgelegt. Im Falle einer Überlast versagt zunächst einer dieser ersten Teilbereiche (8), dann der nächste, wodurch der Zerstörungsprozeß vergleichsweise langsam abläuft, so daß keine Reaktionsstöße von unbeherrschbarer Größe auftreten.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen Reaktordruckbehälter für einen Kernreaktor.

Ein solcher Reaktordruckbehälter besteht üblicherweise aus einem unteren Teil, der als Kalotte ausgebildet ist, und einem anschließenden oberen Teil, der zylindrisch ausgebildet ist. Der Reaktordruckbehälter wird in der Regel durch sogenannte Befestigungspratzen festgehalten. Das Wandmaterial ist heutzutage üblicherweise ferritischer Werkstoffstahl, der für diesen speziellen Anwendungszweck entwickelt wurde und der beispielsweise unter der Bezeichnung 20 MnMoNi55 bekannt ist. Im Betrieb steht der Reaktordruckbehälter unter einem hohen Innendruck, der bis ca. 170 bar betragen kann. Um diesem Druck standzuhalten, ist der untere Teil mit einer Wandstarke von etwa 15 cm und der obere Teil mit einer Wandstärke von etwa 25 cm ausgelegt. Im Kernkraftwerk ist der Reaktordruckbehälter von einem Reaktorschutzgebäude (Containment) umgeben, das im wesentlichen aus Beton besteht.

Die bisher üblichen Sicherheitsüberlegungen gingen davon aus, daß infolge von Materialwahl und Dimensionierung ein Versagen des Reaktordruckbehälters nicht zu befürchten ist. Im Zuge intensiverer sicherheitstechnischer Überlegungen zur Kernenergienutzung wird aber neuerdings auch der Fall in die Überlegungen einbezogen, daß ein Reaktordruckbehälter einmal "versagt", und sei dieser Fall auch noch so unwahrscheinlich. Insbesondere ein neuer Reaktortyp, der Europäische Druckwasserreaktor EPR (European Pressurized Water Reactor), basiert auf solchen Überlegungen. Im Gegensatz zur bisherigen Sicherheitsphilosophie wird bei diesem Reaktortyp ein Kernschmelzunfall - ein sogenannter GAU (größter anzunehmender Unfall) - nicht generell ausgeschlossen. Auch sind Überlegungen angestellt worden, ob nicht während eines Kernschmelzunfalls Dampfexplosionen auftreten können, und ob der in einer solch kritischen Phase schlagartig entstehende Wasserdampf den Druckbehälter nicht zum Platzen bringen kann. Es besteht keine Frage, daß solche Unfälle - so theoretisch sie auch sein mögen - beherrschbar sein müssen.

Theoretische Überlegungen gehen von folgendem aus: Bei Überlast thermischer Art (Überhitzung) oder mechanischer Art (Überdruck), insbesondere im Falle eines Kernschmelzunfalls, könnte es lokal in der homogenen Wand des Reaktordruckbehälters zu einem Riß kommen, der sich mit hoher Geschwindigkeit fortpflanzt. Er kann sich dann auf größere Bereiche unkontrolliert ausbreiten. Damit besteht die Möglichkeit, daß ein größerer Bereich herausbricht, beispielsweise die gesamte Kalotte im unteren Teil. Ähnliches könnte passieren, wenn bei dem hohen Innendruck der untere Teil des Reaktordruckgefäßes mit Kernschmelze gefüllt wird. Falls ein solches größeres Teil herausbrechen würde, würde es im Zeitbereich von weit weniger als einer Sekunde zu einem Reaktionsstoß kommen, bei dem der obere Teil des Reaktordruckgefäßes aus den Befestigungspratzen gerissen werden könnte, um raketenartig nach oben gegen die Innenwand des Containments geschleudert zu werden. Das Containment muß diesem Aufprall widerstehen. Ebenso muß das Containment dann ausreichend Widerstand leisten, wenn der Reaktordruckbehälter "explodiert", das heißt in mehrere größere oder kleinere Teile zerplatzt. Es ist schwierig, selbst mit einer größeren Beton-Konstruktion, solche explosionsartigen Einwirkungen aufzufangen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Reaktordruckbehälter für einen Kernreaktor anzugeben, bei dem die Sicherheit weiter erhöht ist. Also selbst im unwahrscheinlichen Fall eines Risses in der Behälterwand infolge thermischer und/oder mechanischer Überlast (Überhitzung, Überdruck) soll die Sicherheit des Kernkraftwerks gewährleistet sein. Dies soll insbesondere auch für den Fall eines Kernschmelzunfalls im Reaktordruckbehälter gelten.

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß ein spontanes globales Versagen des Reaktordruckbehälters vermieden oder eingegrenzt werden muß. Hierbei ist insbesondere an ein Herausbrechen eines größeren Teils, beispielsweise des gesamten unteren kugelkalottenförmigen Teils, aus der Behälterwand gedacht. Wenn dies gelingt, dann kann im Falle des angenommenen Unfalls kein unbeherrschbar hoher Reaktionsstoß auftreten. Mit anderen Worten: Dann sind die auf die Halterung oder Befestigung (Befestigungspratzen) des Reaktordruckbehälters einwirkenden Reaktionskräfte konstruktiv zu bewältigen. Die Erfindung beruht weiter auf der Überlegung, daß der Reaktionsstoß durch eine zeitliche Dehnung eines - wie auch immer unwahrscheinlichen - Rißprozesses klein gehalten werden kann.

Die genannte Aufgabe wird demgemäß erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Reaktordruckbehälter zumindest im unteren Teil erste Teilbereiche mit geringerer Wandstarke und zweite Teilbereiche mit größerer Wandstärke besitzt, wobei die geringere Wandstarke auf den bestimmungsgemäßen Betrieb ausgelegt ist.

Eine konstruktiv vergleichsweise einfache Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die ersten Teilbereiche mit geringerer Wandstärke Ausnehmungen auf der Außenfläche zumindest des unteren Teils sind. Die Wand eines Reaktordruckbehälters läßt sich erfahrungsgemäß leichter von außen als von innen bearbeiten. Außerdem ist - was von besonderer Bedeutung ist - eine leichte Prüfbarkeit des Reaktordruckbehälters von außen gewährleistet, weil dann der Innenbereich glatte Oberflächen aufweisen kann. Überdies kann man im Inneren auf Einbauten zum Ableiten einer hypothetisch auftretenden Kernschmelze verzichten.

Bevorzugt sind die Ausnehmungen nach innen gerundet insbesondere kalottenförmig ausgebildet. Von Vorteil für die Herstellung ist es auch, wenn die Ausnehmungen - bei Betrachtung in Richtung auf die Außenfläche des Reaktordruckbehälters - eine symmetrische Konfiguration besitzen. Sie können also beispielsweise rund, ellipsenförmig oder hexagonal ausgebildet sein.

Bezüglich der Anzahl der Ausnehmungen und ihrer Größe gibt es - je nach Anwendungsfall und unterstelltem Unfall - eine große Variationsbreite. Aus Herstellungsgründen wird man jedoch bevorzugt dafür sorgen, daß alle ersten Teilbereiche oder Ausnehmungen dieselbe Größe besitzen. Bezüglich der Anzahl haben Überlegungen gezeigt, daß - je nach Größe - im unteren Teil des Reaktordruckbehälters zwischen 8 und 30 erste Teilbereichen oder Ausnehmungen ausreichend sind. Die genannten ersten Teilbereiche, insbesondere die genannten Ausnehmungen auf der Außenfläche, können dabei symmetrisch verteilt sein.

Es wurde bereits angeführt, daß bei einem Reaktordruckbehälter der obere Teil vorzugsweise zylindrisch ausgebildet ist. Es ist möglich, die ersten Teilbereiche mit geringerer Wandstarke auch im oberen Teil des Reaktordruckbehälters vorzusehen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von zwei Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Reaktordruckbehälter nach dem Stand der Technik und

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Reaktordruckbehälter mit Ausnehmungen im unteren und oberen Teil.

Nach Fig. 1 umfaßt ein konventioneller Reaktordruckbehälter für ein Kernkraftwerk einen sphärischen unteren Teil 2 und einen zylindrischen oberen Teil 4. Die Symmetrielinie ist mit 5 bezeichnet. Beide Teile 2, 4 besitzen Wände, die innen und außen im wesentlichen glatt sind. Im Bereich einer Übergangsstelle 6 sind die Teile 2, 4 innig miteinander verbunden. Heutzutage werden die Teile 2, 4 üblicherweise aus einem ferritischen Werkstoffstahl hergestellt. Der untere Teil 2 hat eine relativ dünne Wand der Stärke a&min;. Die Starke a&min; ist ausgelegt für den bestimmungsgemäßen Innendruck pi, der beispielsweise 160 bis 170 bar betragen kann. Die Wandstärke A&min; des zylindrischen oberen Teils 4 ist etwa um den Faktor 2 größer. Auch er ist für den bestimmungsgemäßen Innendruck pi plus einem Sicherheitszuschlag ausgelegt. Übliche Werte sind a&min; = 15 cm und A&min; = 25 cm. Von Bedeutung ist, daß die Wände der Teile 2, 4 bisher homogen und jeweils für sich gleich stark ausgebildet wurden.

Hiervon ist bei dem Reaktordruckbehälter gemäß Fig. 2 abgewichen. Dieser Druckbehälter enthält, wie im folgenden näher ausgeführt werden wird, im unteren Teil 2 und gegebenenfalls auch im oberen Teil 4 limitierte Versagenszonen oder -bereiche.

Fig. 2 zeigt einen für einen Druckwasserreaktor bestimmten erfindungsgemäßen Reaktordruckbehälter, der ebenfalls einen kalottenförmigen unteren Teil 2 und einen zylindrischen oberen Teil 4 besitzt. Der Übergangsbereich ist wiederum mit 6 bezeichnet. Der untere Teil 2 besitzt erste Teilbereiche 8 mit geringerer Wandstärke a und zweite Teilbereiche 10 mit größerer Wandstärke A. Die geringere Wandstärke a ist hier auf den bestimmungsgemäßen Betrieb des Reaktordruckbehälters beim Innendruck Pi ausgelegt. Entsprechend besitzt der Reaktordruckbehälter im oberen Teil 4 erste Teilbereiche 12 mit geringerer Wandstärke b und zweite Teilbereiche 14 mit größerer Wandstärke B, wobei auch hier wiederum die geringere Wandstarke b auf den bestimmungsgemäßen Betrieb ausgelegt ist. Insbesondere kann die Wandstärke a gleich der Wandstarke a&min; (d. h. a = a&min;) und die Wandstärke b gleich der Wandstarke A&min; (d. h. b = A&min;) sein.

Die ersten Teilbereiche 8 im unteren Teil 2 werden durch Ausnehmungen 18 auf der Außenfläche 16 gebildet. Entsprechend werden im oberen Teil 4 die Teilbereiche 12 mit geringerer Wandstarke b durch Ausnehmungen 22 auf der Außenfläche 16 gebildet. Die Ausnehmungen 18, 22 sind nach innen gerundet, insbesondere haben sie eine kalottenförmige Ausgestaltung. Bei Betrachtung in Richtung auf die Außenfläche 16 besitzen die Ausnehmungen 18, 22 eine symmetrische Konfiguration. Sie können also beispielsweise rund, ellipsenförmig oder hexagonal erscheinen. Alle Ausnehmungen 18 - und damit alle ersten Teilbereiche 8 - haben vorliegend dieselbe Größe. Entsprechend haben auch alle Ausnehmungen 22 - und damit alle ersten Teilbereiche 12 - dieselbe Größe.

Als Wandmaterial wird im unteren und oberen Teil 2, 4 auch hier bevorzugt ein ferritischer Werkstoffstahl eingesetzt. Die geringste Wandstarke a in den besagten ersten Teilbereichen 8 im unteren Teil 2 beträgt etwa 15 cm, und die übrige Wandstarke A beträgt hier etwa 25 cm oder mehr. Im oberen Teil 4 beträgt die geringste Wandstarke b in den besagten ersten Teilbereichen 12 etwa 25 cm, und die übrige Wandstarke B beträgt mehr als 25 cm. In diesem Konstruktionsbeispiel ist also b = A&min; gewählt worden. Der Durchmesser jeder der Ausnehmungen 18, 22 liegt etwa im Bereich von 0,5 bis 2 m.

Im Übergangsbereich 6 zwischen dem unteren Teil 2 und dem oberen Teil 4 ist hier auf der Außenfläche 16 des Reaktordruckbehälters noch zusätzlich eine ringförmige Wandverdichtung oder ein Ring 26 vorgesehen oder angearbeitet. Dieser Ring 26 soll zusätzlich als Sicherheitsmaßnahme dienen und das Abreißen des kalottenförmigen unteren Teils 2 vom oberen Teil 4 unbedingt verhindern.

Im unteren Teil 2 sind vorliegend mindestens acht erste Teilbereiche 8 mit geringerer Wandstärke a vorgesehen. Steigert man die Anzahl der Ausnehmungen 18 von acht auf fünfzehn, so kann man immer noch davon ausgehen, daß der Reaktordruckbehälter von außen relativ leicht durch die sogenannten wiederkehrenden Prüfverfahren prüfbar ist. Wird die Anzahl der ersten Teilbereiche 8 beispielsweise weiter auf 30 gesteigert, so wird das hier theoretisch vorausgesetzte Unfallszenario noch leichter beherrschbar.

Die ersten Teilbereiche 8 mit der geringeren Wandstarke a sind im unteren Teil 2 bevorzugt symmetrisch verteilt. Dies kommt durch die eingezeichnete Symmetrielinie 5 zum Ausdruck.

Wichtig ist vor allem, daß erste Teilbereiche 8 mit geringerer, aber dem bestimmungsgemäßen Betrieb angepaßter Wandstarke a im kalottenförmigen unteren Teil 2 vorgesehen sind. Zusätzlich können aber auch, wie dargestellt, solche ersten Teilbereiche 12 mit geringerer Wandstarke b auch im zylindrischen oberen Teil 4 angeordnet sein.

Zur Funktion läßt sich folgendes sagen: Die Wand des Reaktordruckbehälters ist konstruktiv derart gestaltet, daß die dort vorgesehenen ersten Teilbereiche 8, 12 bei thermischer oder mechanischer Überlast zuerst versagen. Man kann diese ersten Teilbereiche 8, 12 als Sollbruchstellen ansprechen. Mit anderen Worten: In der insgesamt wesentlich dickeren Wand (Starke A bzw. B) sind räumlich verteilt die ersten Teilbereiche 8, 12 mit der kleineren Wanddicke a bzw. b eingebracht. Diese Teilbereiche 8, 12 kann man auch mit "Maschenaugen" bezeichnen. Die kleinere Wanddicke a, b ist dabei für die Belastungen des bestimmungsgemäßen Betriebes ausgelegt. Die "dickeren" Zonen, also die zweiten Teilbereiche 10, 14 mit der größeren Wandstarke A bzw. B, stellen dann eine Verstärkung der Behälterwand dar. Dies kann man als ein zusätzliches "Traggerüst" ansehen.

Der Einfachheit halber sei von nun an nur der untere Teil 2 betrachtet. Im Falle einer lokalen thermischen Überhitzung, zum Beispiel infolge einer Benetzung durch herabgefallene Kernschmelze 30, werden zuerst die dünneren Wandbereiche 8, also die Maschenaugen, versagen. Dies liegt daran, daß sie zeitlich viel schneller erwärmt werden als die dickere Wand des Traggerüsts, in dem infolge des Innendrucks pi zudem noch eine wesentlich kleinere mechanische Spannung herrscht.

Bei einem Versagen entsteht in einem Maschenauge oder ersten Teilbereich 8 zuerst ein Durchriß. Dieser Riß kann sich bei dem bestehenden Innendruck Pi bis zu dem Traggerüst, gebildet durch die zweiten Bereiche 10, rasch ausbreiten. Wenn er dort angelangt ist, wird er entweder gestoppt oder umgelenkt. Dabei kann sich dann der gesamte erste Teilbereich 8, das heißt die gesamte Fläche des Maschenauges, öffnen und herausfallen. Durch die so gebildete Öffnung und durch eventuell noch andere Maschenaugen-Öffnungen kann das Behältermedium (Kühlmittel, wie zum Beispiel Wasserdampf, oder auch die flüssige Kernschmelze 30) ausströmen. Dadurch fällt der Innendruck pi, wodurch wiederum ein weiteres Fortschreiten des Behälterversagens gestoppt wird. Die zweiten Bereiche 10 mit der größeren Wandstarke A sorgen also dafür, daß bei einem Riß die Zerstörung der Behälterwand relativ langsam vonstatten geht. Dadurch kann sich kein Reaktionsstoß mit hoher Amplitude ausbilden, was wiederum eine Reduzierung der Reaktionskraft auf die Halterung des Reaktordruckbehälters bedeutet. Von Wichtigkeit ist also, daß nicht sofort ein globales Druckbehälter-Versagen einsetzt, beispielsweise durch Abriß des gesamten unteren Teils 2, sondern daß allenfalls ein Maschenauge nach dem anderen versagen kann, was einen erheblichen Zeitgewinn und damit eine zeitliche Dehnung der Ausströmung des Behältermediums bedeutet. Auf diese Weise können die auftretenden Reaktionskräfte limitiert werden. Selbst ein Losreißen des Reaktordruckbehälters aus seiner Halterung dürfte dann nicht zu einer Gefährdung des umgebenden Beton-Gebäudes führen.

Abschließend sei noch angemerkt, daß sich die erfindungsgemäßen Maßnahmen prinzipiell bei allen Druckbehältern einsetzen lassen, bei denen zusätzliche Sicherheit gewährleistet sein soll, also beispielsweise bei Gasbehältern oder Behältern für die chemische Industrie.


Anspruch[de]
  1. 1. Reaktordruckbehälter für einen Kernreaktor, dadurch gekennzeichnet, daß er zumindest im unteren Teil (2) erste Teilbereiche (8,12) mit geringerer Wandstärke (a, b) und zweite Teilbereiche (10, 14) mit größerer Wandstärke (A, B) besitzt, wobei die geringere Wandstärke (a, b) auf den bestimmungsgemäßen Betrieb ausgelegt ist.
  2. 2. Reaktordruckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Teilbereiche (8, 12) mit geringerer Wandstarke (a, b) durch Ausnehmungen (18, 22) auf der Außenfläche (16) gebildet sind.
  3. 3. Reaktordruckbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (18, 22) nach innen gerundet, insbesondere kalottenförmig ausgebildet sind.
  4. 4. Reaktordruckbehälter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (18, 22) - bei Betrachtung in Richtung auf die Außenfläche (16) - eine symmetrische Konfiguration besitzen und beispielsweise rund, ellipsenförmig oder hexagonal ausgebildet sind.
  5. 5. Reaktordruckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle ersten Teilbereiche (8, 12) dieselbe Größe besitzen.
  6. 6. Reaktordruckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Teil (2) zwischen 8 und 30 erste Teilbereiche (8) mit geringerer Wandstarke (a) vorgesehen sind.
  7. 7. Reaktordruckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Teilbereiche (8, 12) mit geringerer Wandstärke (a, b) symmetrisch verteilt sind.
  8. 8. Reaktordruckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Teilbereiche (12) mit geringerer Wandstärke (b) auch im oberen Teil (4), der vorzugsweise zylindrisch ausgebildet ist, vorgesehen sind.
  9. 9. Reaktordruckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die geringere Wand starke (a) in den besagten ersten Teilbereichen (8) etwa 15 cm und die übrige Wandstarke (A) etwa 25 cm beträgt, wobei als Wandmaterial ein ferritischer Werkstoffstahl vorgesehen ist.
  10. 10. Reaktordruckbehälter nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser jeder der Ausnehmungen (18, 22) etwa im Bereich von 0,5 bis 2 m liegt.
  11. 11. Reaktordruckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem unteren Teil (2) und dem oberen Teil (4) auf der Außenfläche (16) ein Ring (26) vorgesehen ist.






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