Резервуар высокого давления, в частности, кипящей атомной силовой установки

 

Изобретение относится к резервуару высокого давления, в частности к предохранительному резервуару кипящей атомной силовой установки, который выполнен из железобетона и металлической уплотнительной структуры. Резервуар высокого давления состоит из внутреннего цилиндра и окружающего внутренний цилиндр внешнего цилиндра. Между внутренним цилиндром и внешним цилиндром образовано кольцевое пространство для размещения конденсационной камеры и бака для затопления. Резервуар высокого давления пригоден для выдерживания внутреннего давления до, например, 20 бар, имеет компактную конструкцию при низких затратах на обслуживание. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к резервуару высокого давления, в частности, используемого в качестве предохранительного резервуара кипящей атомной силовой установки.

В DE 3326585 A1 раскрыт ротационно симметричный предохранительный резервуар для атомной силовой установки. Предохранительный резервуар выполнен с одной оболочкой и имеет стенки, которые состоят из по меньшей мере двух вставленных друг в друга, взаимно охватывающих слоев, выполненных из стальных листов. Промежуточные пространства между соседними слоями заполнены бетоном, за счет чего фиксируется положение слоев относительно друг друга. Слои с помощью соответствующих соединительных средств соединены с бетоном. По меньшей мере внутренний слой выполнен газонепроницаемым. В промежуточном пространстве между внутренним слоем и внешним слоем расположены отдельные пересекающиеся стержневые элементы, которые следует рассматривать в качестве арматуры из арматурной стержневой стали. Многослойная конструкция стенок предохранительного резервуара должна предотвращать выход радиоактивных паров и газов при образовании трещин в по меньшей мере одном из слоев. Реализация этой многослойной конструкции стенок является чрезвычайно сложной в отношении выполнения стальных конструкций, арматуры и укладки бетона. Кроме того, она связана с опасностью, что в заключенном в стальные листы бетоне может оставаться вода для затворения, которая не требуется для гидратации бетона или которая не может полностью выйти вследствие эффектов затвердевания. Возникающее под действием высоких температур давление водяного пара может разрушить конструкцию стенок.

В статье "Резервуары высокого давления для реакторов из напряженного бетона", Й. Шенинг, Beton 4/1983, описан цилиндрический резервуар высокого давления из предварительно напряженного бетона для охлаждаемого газом высокотемпературного реактора на атомной силовой установке Хамм-Уентроп в Федеративной Республике Германия. Этот реакторный резервуар высокого давления рассчитан на рабочее давление 39,2 бар и испытательное давление 46,1 бар. Предохранительный резервуар на внутренней стороне имеет газонепроницаемое покрытие из стальных листов, так называемую облицовку. Предохранительный резервуар имеет стенки из бетона с толщиной стенки 4,45 м, который предварительно напряжен как в горизонтальном, так и вертикальном направлениях. Предварительное напряжение бетона с помощью стали для предварительно напряженной арматуры обеспечивает более низкую по объему степень армирования, чем ненапряженная арматура из арматурной стержневой стали, а также меньшую опасность образования трещин. За счет этого должно достигаться то, что имеется возможность простого выполнения множества конструктивных отверстий в стендах для технических устройств установки.

В ЕР 0465272 A1 раскрыт предохранительный резервуар для атомного реактора. Предохранительный резервуар содержит внутреннюю облицовку из стали, примыкающей к ней снаружи изолирующий слой, который в свою очередь окружен внешним бетонным слоем. Бетонный слой представляет собой слой из предварительно напряженного бетона, который как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении пронизан трубами, в которых расположены элементы для предварительного напряжения. При этом толщина бетонного слоя составляет три и более метров, а толщина изолирующего слоя и стальной облицовки совместно составляют около 50 см, при этом толщина стальной облицовки значительно меньше, чем толщина изолирующего слоя.

В цилиндрическом предохранительном резервуаре с кожухом из предварительно напряженного бетона, который предварительно напряжен как горизонтально, так и вертикально, за счет предварительного напряжения создается напряжение сжатия, которое по абсолютной величине больше, чем возникающее при аварии за счет увеличения давления напряжение растяжения. Относительно высокие напряжения сжатия присутствуют всегда, а требуются только в чрезвычайно невероятном случае аварии с очень большим нарастанием давления внутри предохранительного резервуара. В противоположность этому во время нормальной работы в цилиндрических областях не возникают слишком большие нагрузки. Из-за имеющих место внутри бетона напряжений необходимо постоянно контролировать созданные усилия предварительного напряжения с целью слежения за снижением предварительного напряжения, например, вследствие ползучести или усадки бетона, вследствие релаксации или даже разрыва натяжной стали или анкеровки, и обеспечивать заданные предельные значения.

Сферические предохранительные резервуары из чисто стальных конструкций с толщиной стенок до 80 мм, хотя и в состоянии выдерживать расчетные давления до 5 бар, однако внутри реакторного здания они установлены на фундаменте самонесущим образом и не могут нести другие нагрузки здания, так как невозможна, в частности, прямая нагрузка извне на относительно тонкие стальные оболочки.

Задачей изобретения является создание резервуара высокого давления, который при низких затратах на обслуживание и компактной конструкции способен выдерживать высокие внутренние давления.

Задача решается согласно изобретению с помощью резервуара высокого давления, который содержит фундаментную плиту и перекрытие, внутренний цилиндр и окружающий внутренний цилиндр внешний цилиндр, при этом между внутренним цилиндром и внешним цилиндром образовано кольцевое пространство, и внутренний цилиндр и внешний цилиндр расположены на фундаментной плите, каждый проходит вдоль средней оси резервуара высокого давления, а также соединен с силовым замыканием с верхним перекрытием и каждый выполнен способным нести нагрузку.

С помощью двух цилиндров, которые охватывают кольцевое пространство и соединены как с фундаментной плитой, так и с верхним перекрытием, резервуар высокого давления в целом образует несущую конструкцию, которая при небольшой толщине стенок как внутреннего цилиндра, внешнего цилиндра, так и верхнего, перекрытия способна выдерживать высокие внутренние давления.

Фундаментная плита, внутренний цилиндр, внешний цилиндр, а также по меньшей мере часть перекрытия образуют, предпочтительно, бетонную структуру из железобетона, который армирован металлическим волокном, в частности стальным волокном и/или арматурными стальными стержнями. За счет соединения металлической уплотнительной структуры с усиленной волокном бетонной структурой обеспечивается хорошая передача сил между обеими структурами. Дополнительно металлическая уплотнительная структура воспринимает силы растяжения, которая для этой цели может быть выполнена толще, чем это требуется для выполнения функции уплотнения. Уплотнительная структура состоит из стальных листов.

За счет использования стальных листов с толщиной по меньшей мере 10 мм, в частности 20 мм, достигается то, что образованная из них структура является газонепроницаемой и может выполнять также несущую функцию.

За счет армирования бетона стальным волокном можно, как известно, значительно улучшить механические свойства бетона. Прежде всего, стальное волокно оказывает благоприятное воздействие при нагрузках на растяжение. Кроме того, по сравнению с бетоном без волокна можно регулировать прочность на растяжение в узких пределах. Возникающие в усиленном волокном бетоне трещины значительно меньше и распределены более благоприятно, чем в обычном армированном стальными стержнями бетоне. Это предпочтительно также в отношении предотвращения образования трещин при применении арматуры из стальных стержней с особенно большим диаметром. За счет распределяющего трещины воздействия усиленного волокном бетона значительно сокращается также опасность коррозии арматуры. Кроме того, конструктивные трудности в опасных зонах, как, например, в анкеровке металлической облицовки посредством болтов, анкеровке встроенных частей, а также в местах прохождения труб, становятся значительно меньшими. Возможно также так выбирать состав бетона для усиленного волокном, в частности стальным волокном, бетона, что даже при затрудненных условиях укладки в сложных областях конструкции обеспечивается укладка без расслоения и достаточное уплотнение. Естественно, можно работать также с усиленной волокном бетонной смесью, удобной для перекачки.

Долю металлического волокна в бетоне можно выбирать в зависимости от рабочих требований к резервуару высокого давления, и она может составлять, например, от 40 до 125 кг на кубический метр. Для дальнейшего улучшения восприятия напряжений растяжения служат арматурные стальные стержни. Арматурные стальные стержни имеют, например, диаметр от 32 до 70 мм, в частности, 50 мм. За счет комбинации арматуры из стального волокна и арматурных стальных стержней получают конструкции, которые имеют особенно высокую изгибную несущую способность и хорошую способность выдерживать сдвигающие усилия.

Соотношение диаметра внутреннего цилиндра к диаметру внешнего цилиндра относительно внешних поверхностей может составлять 0,3 -0,8, предпочтительно 0,6. За счет этого образуется кольцевое пространство, которое пригодно, в частности, для размещения в кипящей атомной силовой установке так называемой конденсационной камеры, а также наливного бака необходимого объема для затопления внутреннего цилиндра. Кроме того, размеры кольцевого пространства выбирают так, чтобы в нем можно было разместить другие помещения установки.

Образованное внутренним цилиндром и внешним цилиндром кольцевое пространство может иметь по меньшей мере одно промежуточное перекрытие. С помощью имеющего, в частности, кольцевую форму промежуточного перекрытия достигается дополнительное повышение жесткости резервуара высокого давления. Промежуточное перекрытие, которое в кипящей атомной силовой установке образует дно конденсационной камеры, на ее обращенной к конденсационной камере верхней стороне может быть, предпочтительно, тороидально изогнуто. За счет такой формы могут особенно хорошо восприниматься динамические нагрузки, возникающие вследствие находящейся в конденсационной камере и вертикально колеблющейся массы воды.

Промежуточное перекрытие расположено на высоте, составляющей, предпочтительно, от 0,3 до 0,7 общей высоты резервуара высокого давления. За счет двойных стенок и ячеистой формы резервуара высокого давления возможно при тонкостенном выполнении внутреннего цилиндра и внешнего цилиндра, фундаментной плиты, а также верхнего перекрытия и одного или нескольких промежуточных перекрытий создать общую несущую конструкцию с относительно небольшими и хорошо сбалансированными нагрузками даже при усиленных внутренних нагрузках. Соединение внутреннего цилиндра и внешнего цилиндра с верхним перекрытием, фундаментной плитой, а также с промежуточным перекрытием выполняется, предпочтительно, жестким на изгиб. За счет выполнения резервуара высокого давления с двойными стенками и ячеистым его можно изготавливать особенно экономно в отношении использования пространства.

Кольцевое пространство покрыто по меньшей мере частично металлической уплотнительной структурой, которая с помощью соединительных средств, например анкеров в виде болтов с головкой, соединена с железобетоном. Металлическая уплотнительная структура, в частности стальная облицовка, расположена, предпочтительно, в тех областях кольцевого пространства, которые предусмотрены для размещения воды, и, таким образом, образует герметичный защитный слой между бетоном и водой.

На основании свойства уплотнительной структуры одновременно нести нагрузку ее можно при укладке бетонной структуры использовать в качестве опалубки. За счет этого существенно упрощается изготовление, в частности, больших резервуаров. Жесткость уплотнительной структуры настолько велика, что возникающее на отдельных стадиях укладки бетона давление бетона может выдерживаться без дополнительных элементов жесткости. В качестве средств для соединения уплотнительной структуры с усиленным волокном бетоном можно использовать известные элементы анкеровки, как например, штыри в виде болтов с головкой, металлические анкеры и т.д.

Фундаментная плита резервуара высокого давления состоит, предпочтительно, из плоской или изогнутой в верхней части, в частности изогнутой куполообразно выпукло вверх, плиты. Верхнее перекрытие резервуара высокого давления представляет собой кольцевую плиту, которая на ее обращенной к фундаментной плите стороне изогнута куполообразно выпукло вниз. Внутренний цилиндр служит для размещения реакторного резервуара высокого давления, отверстие в верхней плите - для загрузки и разгрузки реакторного резервуара высокого давления тепловыделяющими элементами. Отверстие можно закрывать крышкой, которая выполнена в виде стальной конструкции, которую можно жестко на изгиб и газонепроницаемо соединять с кольцевой верхней плитой.

Резервуар высокого давления, который имеет бетонную структуру без предварительного напряжения и арматуру из расположенного, в основном, беспорядочно по отношению друг к другу металлического волокна, в частности стального волокна, и/или арматурных стальных стержней, пригоден, предпочтительно, в качестве предохранительного резервуара атомной силовой установки, например кипящей атомной силовой установки или атомной силовой установки с охлаждением водой под давлением. В атомных силовых установках на легкой воде с концепцией безопасности, в которой работоспособность и надежность атомной силовой установки обеспечивается с помощью простых и нечувствительных защитных устройств и которые даже в случае чрезвычайно маловероятной аварии должны оставаться невредимыми, предохранительный резервуар должен выдерживать возникающее внутреннее давление порядка 20 бар. Для обеспечения особенно компактного выполнения такой атомной силовой установки необходимо стремиться к относительно тонкостенной конструкции. Это достигается согласно изобретению за счет бетонной структуры с усиленным волокном и арматурой из стальных стержней железобетоном без предварительного напряжения. Дополнительно предусмотрена металлическая уплотнительная структура для обеспечения газонепроницаемости предохранительного резервуара, которая выполнена с соответствующей толщиной стенок, обеспечивающей выполнение несущих функций. Она соединена с бетонной структурой с силовым замыканием.

Резервуар высокого давления согласно изобретению пригоден в общем случае для размещения находящейся под большим давлением жидкости, например, в химической технологической установке или в накопителе жидкости.

Резервуар высокого давления поясняется ниже с помощью схематичного и выполненного без соблюдения масштаба чертежа.

На чертеже показан в продольном разрезе резервуар высокого давления кипящей атомной силовой установки. Предохранительный резервуар 1 выполнен в виде круглого цилиндра и проходит вдоль средней оси 10. Непосредственно вокруг средней оси 10 образована камера 20 сжатия, в которой размещен реакторный резервуар 22 высокого давления кипящей атомной силовой установки. В геодезически верхней области камеры 20 сжатия предусмотрено загрузочное отверстие 21, которое закрыто загрузочной крышкой 12. Камера 20 сжатия окружена цилиндрической, проходящей вдоль средней оси 10 стенкой 23, которая образует внутренний цилиндр 16. Стенка 23 состоит из армированного стальным волокном и арматурными стальными стержнями бетона. Между внутренним цилиндром 16 и окружающим внутренний цилиндр 16 внешним цилиндром 14 расположены кольцевое помещение 24 для оборудования, кольцевая конденсационная камера 15 и также кольцевой бак 19 для затопления. Бак 19 для затопления лежит геодезически выше всех, к нему примыкает конденсационная камера 15, которая может быть примерно наполовину заполнена водой, и под ней расположено помещение 24 для оборудования. Предохранительный резервуар 1 имеет газонепроницаемую уплотнительную структуру 3, которая состоит из стальных листов. Уплотнительная структура 3, которая в последующем называется также стальной обшивкой 3, находится на внутренней стороне внешнего цилиндра 14 и на внешней поверхности 9a внутреннего цилиндра 16. Стальная обшивка 3 окружена армированной стальным волокном и арматурными стальными стержнями бетонной структурой 4, которая образует фундаментную плиту 18 предохранительного резервуара 1, внешний цилиндр 14, а также крышку 13 предохранительного резервуара 1. Стальная обшивка 3 с помощью стержней 11 в виде болтов с головкой или с помощью других соединительных элементов, например стальных анкеров, жестко соединена с бетонной структурой 4. Кроме того, она проходит по внешней поверхности 9a стенки 23, а также по дну 17 конденсационной камеры 15. Кроме того, она служит для полной облицовки бака 19 для затопления. Стальная обшивка 3 имеет толщину стенок около 20 мм и, таким образом, может выдерживать очень высокие давления, например до 20 бар, в камере сжатия 20, а также в конденсационной камере 15, возникающие силы растяжения в соединении с армированной волокном и стальными стержнями бетонной структурой 4.

Формула изобретения

1. Резервуар (1) высокого давления с бетонной структурой (4), которая содержит фундаментную плиту (18), верхнее перекрытие (13), внутренний цилиндр, (16), а также окружающий внутренний цилиндр (16) внешний цилиндр (14), при этом между внутренним цилиндром (16) и внешним цилиндром (14) образовано кольцевое пространство (2), и внутренний цилиндр (16) и внешний цилиндр (14) каждый расположены на фундаментной плите (18) и проходят вдоль средней оси (10), при этом внешний цилиндр (14), а также внутренний цилиндр (16) соединены с верхним перекрытием (13) с силовым замыканием и с возможностью несения нагрузки, и в кольцевом пространстве (2) по меньшей мере одно промежуточное перекрытие (17) соединено с силовым замыканием и с возможностью несения нагрузки с внутренним цилиндром (16) и с внешним цилиндром (14), и при этом бетонная структура (4) имеет арматуру из расположенного беспорядочно относительно друг друга металлического волокна и арматурных стальных стержней (8).

2. Резервуар (1) высокого давления по п.1, в котором фундаментная плита (18), внутренний цилиндр (16), внешний цилиндр (14), а также по меньшей мере частично верхнее перекрытие (13) изготовлены из железобетона, который армирован металлическим волокном и/или арматурными стальными стержнями (8).

3. Резервуар (1) высокого давления по одному из предшествующих пунктов, в котором диаметры внешнего контура внутреннего и внешнего цилиндров образуют соотношение от 0,3 до 0,8, предпочтительно 0,6.

4. Резервуар (1) высокого давления по одному из предшествующих пунктов, в котором в кольцевом пространстве (2) предусмотрено выполненное в основном параллельно фундаментной плите (18) промежуточное перекрытие (17), которое соединено как с внешним цилиндром (14), так и с внутренним цилиндром (16).

5. Резервуар (1) высокого давления по п.4, который имеет общую высоту Н и в котором промежуточное перекрытие (17) расположено геодезически над фундаментной плитой (18) на высоте h, при этом соотношение h/Н составляет между 0,3 и 0,7.

6. Резервуар (1) высокого давления по одному из предшествующих пунктов, в котором кольцевое пространство (2), по меньшей мере частично, облицовано металлической уплотнительной структурой (3).

7. Резервуар (1) высокого давления по п.6, в котором металлическая уплотнительная структура (3) выполнена в качестве опалубки для бетона.

8. Резервуар (1) высокого давления по одному из предшествующих пунктов, в котором верхнее перекрытие (13) имеет закрываемое загрузочное и разгрузочное отверстие (21).

9. Резервуар (1) высокого давления по одному из предшествующих пунктов, в котором фундаментальная плита (18) и/или верхнее перекрытие (13) соответственно являются изогнутыми, в частности куполообразными.

10. Резервуар (1) высокого давления по одному из предшествующих пунктов, который является предохранительным резервуаром (10) атомной силовой установки, в частности кипящей атомной силовой установки.

РИСУНКИ

Рисунок 1