CH619317A5 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckentlastungsvorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Der Druckkessel eines Kernreaktors besteht im allgemeinen aus einer länglichen zylindrischen Konstruktion, die am einen Ende durch einen konvexen Boden und am andern Ende durch eine kuppeiförmige Abdeckung verschlossen ist, und besitzt in einer Ebene quer zur Längsachse des Druckkessels mit einem Winkelabstand angeordnete, die Druckkesselwand durchsetzende Einlass- und Auslassstutzen für das Reaktorkühlmittel. Innerhalb des Reaktordruckkessels befindet sich unter anderem der im allgemeinen von einem Tragzylinder getragene Reaktorkern, wobei der Tragzylinder von einer an der inneren Oberfläche des Druckkessels ausgebildeten kreisringförmigen Tragfläche gehalten wird. Der Kerntragzylinder weist einen Verteilerring auf, von dem aus das primäre Kühlmittel durch den Auslassstutzen abfliesst, sowie einen Wärmeschild, der die Brennstoffelemente im Reaktorkern trägt und in Verbindung mit dem Verteilerring und der Innenwand des Reaktordruckkessels als ringförmige Führung für das einströmende primäre Kühlmittel dient.

Während des Betriebes des Kernreaktors strömt das unter Druck zirkulierende Kühlmittel durch den Einlassstutzen in den Druckkessel und durch den zwischen der inneren Oberfläche des Druckkessels und dem Kerntragzylinder gebildeten Führungsring, und steigt durch den Reaktorkern auf, worauf es durch den Auslassstutzen aus dem Druckkessel abfliesst.

Wegen der geforderten Sicherheit sind Kernreaktoren ausserdem im allgemeinen in einer im wesentlichen dichten Schutzhülle aus Beton oder Stahl eingeschlossen, um das Entweichen radioaktiven Materials wie gasförmigen, dampfförmigen, festen oder gelösten Spaltprodukten im Falle eines Reaktorunfalls zu verhindern. Ein solcher Unfall kann durch den Kühlmittelverlust infolge irgendeines Defektes hervorgerufen werden. Dabei verpufft das unter hohem Druck stehende primäre Kühlmittel, setzt den Schutzbehälter unter Druck und führt zu einer raschen Verdampfung des im Reaktorkessel verbleibenden restlichen primären Kühlmittels, so dass der Druck weiterhin ansteigt. Es sind deshalb schon verschiedene Sicherheitssysteme vorgeschlagen worden, um die Ausbildung des

Dampfdruckes im Schutzbehälter zu unterdrücken und auch, um eine Notkühlung für den Reaktorkern oder ein Fluten vorzusehen. Beim Auftreten eines Unfalls oder eines katastrophalen Versagens des Reaktorsystems findet jedoch ein sehr s rascher Druckanstieg im Reaktorkessel statt, so dass zwischen dem Verteilerring und dem Ringraum in etwa einem Hundertstel einer Sekunde ein Druckunterschied in der Grösse von 35 at auftreten kann und infolge dieses Druckes die Notkühlung des Reaktorkerns bzw. das Fluten des heissen Kerns mit einem io Kühlmittel unmöglich gemacht wird. Wenn z. B. die Zuflussleitung für das primäre Kühlmittel von einem Versagen betroffen wird, wird der Zufluss unterbrochen und es kann kein primäres Kühlmittel in den Reaktorkern eintreten. Der heisse Reaktorkern erzeugt jedoch weiterhin Energie in Form von Hitze. Der i5 Kühlmitteldruck innerhalb des Reaktordruckkessels steigt daher rasch bis zum Sättigungsdruck an, in welchem Augenblick sich der Kühlmitteldampf sammelt und den Druck im Bereich des Verteilerringes erhöht. Ausserdem verlangt ein üblicher Kernreaktordruckkessel während des normalen 20 Betriebes einige tausend Liter Kühlmittel pro Minute für eine entsprechende Kühlung des Reaktorkerns. Eine Unterbrechung des primären Kühlmittelflusses ermöglicht daher eine extreme Wärmeansammlung im Reaktorkern und bewirkt eine übermässige Wärmeübertragung auf das restliche Kühlmittel 25 innerhalb des Druckkessels. Die übermässige Wärmeübertragung auf das restliche Kühlmittel kann einen ausreichenden Überdruck im Druckkessel hervorrufen, dass das Notkühlmittel am Einströmen in den Reaktorkern wegen des Überdruckes gehindert wird und den Kern nicht ausreichend kühlt. So kann 3o die Wirksamkeit des Notkühl- oder Flutungssystems vereitelt oder zumindest reduziert werden, wodurch ein weiterer Anstieg der Zerfallswärme im Reaktorkern und möglicherweise ein Durchschmelzen des Kernes hervorgerufen wird.

Es ist bereits ein einfaches schweres Klappenventil vorge-35 schlagen worden, das auf den Druckunterschied anspricht und bei Druckanstieg im Kerntragzylinder automatisch öffnet und so eine Druckentlastung ermöglicht. Da der Druckanstieg im Kerntragzylinder z. B. während eines Kühlmittelverlustes fast augenblicklich erfolgt, öffnet das Ventil explosionsartig und 40 wird auf eine Geschwindigkeit nach aussen gegen die Innenwand des Reaktordruckkessels beschleunigt, die nahe der Schallgeschwindigkeit des Dampfes liegt. Da ausserdem die Abmessungen des Ringraumes zwischen dem Kerntragzylinder und der Innenwand des Reaktordruckkessels begrenzt sind, 45 stösst eine Ventilplatte von ausreichender Grösse für einen entsprechenden Druckausgleich beim explosionsartigen öffnen des Ventils mit solcher Kraft gegen die Innenwand des Reaktordruckkessels, dass schwerwiegende Verformungen des Ventils hervorgerufen werden. Wegen dieser Verformungen der so Ventilplatte ist überdies vorgeschlagen worden in das Ventilsystem schwere Versteifungen einzubauen, die von der Platte nach aussen in den Ringraum ragen. Da jedoch auch diese schweren Versteifungen explosionsartig mit der Kesselwand in Berührung kommen, besteht die Gefahr, dass die Versteifungen 55 und die Ventilplatte die Kesselwand in der Nähe des Berührungspunktes örtlich überbeanspruchen. Ausserdem kann die bei der Berührung zwischen Ventilplatte und Wand auftretende Kraft auch den Scharnierbolzen des Ventils erheblich deformieren, so dass das Ventil, wenn es sich später durch das 60 einströmende Notkühlmittel wieder geschlossen hat, bei einem nachfolgenden verhältnismässig kleinen Druckunterschied im Kerntragzylinder nicht mehr öffnet.

Es besteht daher eine Notwendigkeit im Verteilerring des Kerntragzylinders eines Kernreaktordruckkessels eine Druck-65 entlastungsvorrichtung vorzusehen, die während eines Versagens oder Unfalls des Reaktors den im Kerntragzylinder aufgebauten Druck vermindert, ohne die Druckkesselwand übermässig zu belasten, und nach dem ersten Ansprechen auf einen

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Druckanstieg im Kerntragzylinder, z. B. während eines Kühlmittelverlustes, für nachfolgende verhältnismässig kleine Druckunterschiede funktionsfähig bleibt.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 enthaltenen Merkmale gelöst. 5

Die energieabsorbierende Druckentlastungsvorrichtung gemäss der Erfindung schafft so eine wirksame automatische Einrichtung für die Druckentlastung im Kerntragzylinder,

wobei die Belastung der Reaktordruckkesselwand begrenzt wird. io

Zum besseren Verständnis der Erfindung und ihrer Vorteile wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielsweise anhand der Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Reaktordruckkessel teilweise im Schnitt mit einer erfindungsgemässen Einrichtung. Fig. 2 stellt einen 15 Schnitt durch einen Kerntragzylinder mit dem erfindungsgemässen Druckausgleichsventil dar und zeigt auch einen Teil des Druckkessels im Schnitt. Fig. 3 ist die Ansicht des Druckausgleichsventils nach Fig. 2 aus der Richtung der Linie 3-3 gesehen und Fig. 4 die Ansicht des Druckausgleichsventils nach 2o Fig. 2 aus der Richtung der Linie 4-4 gesehen.

In Fig. 1 ist ein Reaktordruckkessel 10 dargestellt, der aus einer länglichen, zylindrischen Wand 11 besteht, die am einen Ende durch einen konvexen Boden 12 und am andern Ende durch eine kuppeiförmige Abdeckung 13 abgeschlossen ist und 2s Kühlmitteleinlass-und Kühlmittelauslassstutzen 14 und 15 enthält, die von der Kesselwand 11 in der Nähe der Abdeckung 13 wegstehen. Diese Stutzen 14 und 15 sind im allgemeinen in der selben quer zur Längsachse des zylindrischen Druckkessels verlaufenden Ebene angeordnet und um einen bestimmten 30 Winkel voneinander entfernt. In dem Druckkessel 10 dient eine an der Innenwand 11 ausgebildete kreisringförmige Tragfläche 16 zur Aufnahme des Kerntragzylinders 18, der auch einen vertikal verlaufenden Verteilerring 19 aufweist. Dieser Ring besitzt eine mit dem Auslassstutzen 15 zum Ableiten des Reak- 35 torkühlmittels fluchtende Öffnung 20.

Der Kerntragzylinder 18 oder genauer sein Verteilerring 19 setzt sich in einem Haltering 22 und einem Wärmeschild 24 fort, der zusammen mit der Kesselwand 11 einen ringförmigen Führungskanal 26 zur Aufnahme des einströmenden primären 40 Kühlmittels bildet. Das Kühlmittel tritt in diesen Ringkanal 26 in Richtung des Pfeiles 28 ein. Der Haltering 22 trägt die nicht dargestellten Brennstoffelemente des Reaktorkerns.

Während des Betriebes tritt das primäre Kühlmittel durch den Einlassstutzen 14 in den Druckkessel 10 ein, strömt durch 45 den Ringkanal 26 nach unten und innerhalb des Kerntragzylinders 18 nach oben durch den heissen Reaktorkern (nicht dargestellt) zu dem Bereich 19A des Verteilerrings, worauf das erhitzte Kühlmittel aus dem Druckkessel 10 durch die Öffnung 20 des Verteilerrings und den Auslassstutzen 15 abfliesst. 50

Im Verteilerring 19 ist eine Mehrzahl von Druckentlastungsventilen 30 angeordnet, von denen in Fig. 1 nur eines dargestellt ist. Diese Ventile schliessen die Druckentlastungskanäle 32 im Verteilerring 19. Vorzugsweise sind die Ventile 30 in einer Ebene oberhalb der Einlass- und Auslassleitungen, also 55 näher dem oberen Ende des Verteilerringes 19, und mit vertikalem Abstand von den im Ringkanal 26 angeordneten Einlässen (nicht dargestellt) für die Notkühlung und das Fluten des Kerns angeordnet.

Wie in den Fig. 2,3 und 4 gezeigt ist, weist jedes Ventil 30 60 einen in dem Verteilerring 19 angebrachten Haltering 34 auf, der eine Verbindung für die Flüssigkeit in Form eines Flüssigkeitskanals 35 bildet. Ausserdem besitzt der Haltering 34 einen radial nach innen gerichteten Flansch 36 sowie zwei von durch den Ring verlaufende Bohrungen 40 zur Aufnahme je eines Bol- 65 zens 42, der in jede Bohrung 40 eingeschweisst ist und zur richtigen Positionierung des Ventilsitzes 37 dient. Ein Ende der Bolzen 42 steht aus der Bohrung 40 nach innen gegen den Bereich

19A des Verteilerringes innerhalb des Kanals 35 vor. Zum leichteren Einsetzen besitzt der Bolzen ein konisches Ende 42 A. Das Ventil 30 umfasst des weitern einen mit Hilfe von mehreren Befestigungsschrauben 38 am Ring 34 abnehmbar befestigten Ventilsitz 37. Die Schrauben sind am Umfang rund um den Ventilsitz 37 angeordnet, wo sich auch zwei Bohrungen 41 von entsprechender Abmessung für das Ausrichten des Ventilsitzes 37 mit Hilfe der konischen Enden der Bolzen 42 des Ringes 34 während des Zusammenbaues befinden. Dadurch wird der Ventilsitz 37 im Kanal 35 zentriert gegen den Flansch 36 geschraubt, so dass er dicht im Ring 34 sitzt. Der Ventilsitz 37 enthält darüber hinaus den durch den Verteilerring 19 hindurch führenden Druckentlastungskanal 32A, der während eines Unfalls die Druckreduktion bewirken kann. Über dem Druckentlastungskanal 32A liegt dicht eine Ventilplatte 43 mit einer Sitzfläche 37A, die mit Hilfe von Scharnierbändern 44 an einem Scharnierbolzen 45 angebracht ist, der mit Hilfe der Augen 45A am Ventilsitz 37 befestigt ist und das Schwenken der Ventilplatte nach aussen ermöglicht. Infolgedessen ist das Ventil 3r oder genauer die auf Kräfte, die auf sie einwirken, ansprechende Platte 43 normalerweise geschlossen. Sie wird durch den hohen Druck, der in den Kanal 26 einströmenden Flüssigkeit dicht an die Sitzfläche 37A gedrückt, d. h. durch die auf die Platte 43 wirkende, radial nach innen gerichtete Druckdifferenz. Im Falle eines Versagens oder Unfalls ist die auf das Ventil 30 wirkende Druckdifferenz jedoch nach aussen gerichtet, d. h. der Druck innerhalb des Verteilerringes 19 ist grösser als der Druck im Kanal 26 des primären Kühlmittels. Die Ventilplatte 43 wird daher automatisch um den Scharnierbolzen 45 in den Kanal 26 geschwenkt und öffnet den Bereich 19A zum Kanal 26, so dass sich der Druck im Zylinder 18 erniedrigt.

Von der Platte 43 erstreckt sich ein energieabsorbierendes Rohrstück 46 nach aussen in den Kanal 26, das im Bereich der Fläche 49 an die Druckkesselwand 11 stösst, wie in Fig. 2 strichpunktiert dargestellt ist. Die energieabsorbierende Eigenschaft des Rohrstückes 46 wird durch die im wesentlichen ringförmige Konstruktion erreicht, die durch Änderung der Länge und Wandstärke des Rohrstückes 46 eine mechanische Kompression bei bestimmter Belastung bewirkt. Ausserdem ist eine hydraulische Absorption der Anschlagenergie durch das Rohrstück 46 vorgesehen, indem das innerhalb des hohlen Bereiches eingeschlossene Kühlmittel zusammengedrückt wird und als Ergebnis des Anschlages und der mechanischen Verformung des Rohrstückes durch eine Öffnung 47 plötzlich nach aussen stösst. Überdies kann die freie Endfläche 46A des Rohrstückes 46 mit der Rohrlängsachse einen solchen Winkel bilden, dass zwischen der Fläche 46A und der Druckkesselwandfläche 49 ein flüssigkeitsdichter Kontakt entsteht, wie aus Fig. 2 hervorgeht. Auf diese Weise kann die in das Rohrstück eingeschlossene Flüssigkeit im Augenblick der Berührung nur durch die Öffnung 47 entweichen. Ausserdem können Bereiche der Flächen 46A, wie an sich bekannt, abgeschliffen werden, um scharfe Schneidkanten zu vermeiden.

Während des normalen Betriebes des Kernreaktors hält also der Druck des primären Kühlmittels die Ventilplatte 43 an dem Ventilsitz 37 infolge der nach innen gerichteten Druckdifferenz geschlossen. Wie jedoch vorstehend dargelegt wurde, öffnet sich die Ventilplatte 43 während eines Unfalls oder Versagens durch den sehr raschen Druckanstieg explosionsartig, so dass die unter Druck stehende Flüssigkeit durch den Kanal 32 in den ringförmigen Kühlmittelkanal 26 entweichen kann.

Ausserdem ist der Aufschlag des erfindungsgemässen Ventils, im besonderen des Rohrstückes 46, an der Druckkesselwand 11 durch das leichte Gewicht der Ventilkonstruktion im Vergleich zu den schweren früheren Konstruktionen verringert. Das ergibt sich daraus, dass eine leichte Platte bei der gleichen Aufschlaggeschwindigkeit, der Schallgeschwindigkeit des entweichenden Kühlmittels, eine geringere kinetische Energie

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besitzt als eine schwere Platte. Ausserdem wird gemäss der Erfindung durch die mechanische Verformung des Rohrstük-kes 46 bei Berührung der Wand 11 und auch durch örtliche Verformung der Wand, in die das Rohrstück etwas eindringt, Energie absorbiert. Die Wucht der Platte 43 verbiegt oder verformt nicht nur die Platte, sondern verschiebt die Platte auch seitlich in einer Richtung tangential zu dem Bogen, in dem sie ausschlägt. Die Bewegung der Platte verursacht dadurch eine Beeinflussung der Scharnierbänder oder weitere Energieabsorption. So wird durch das Verbiegen oder Deformieren der Scharnierbänder, das je nach dem verwendeten Material und den Dimensionen variiert werden kann, die maximale Last auf den Scharnierbolzen 45 übertragen. Überdies wird durch das Verbiegen der leichten Platte 43 gemäss der Erfindung auch etwas von der Auf schlagenergie absorbiert und so die Spannung an der Wand 11 weiter vermindert.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung hängt die Platte 43 unter einem kleinen Winkel von etwa 5° zur Vertikalen, so dass die auf die Platte wirkende Schwerkraft das anfängliche Anliegen der Platte am Ventilsitz 37A sichert. Als Sicherheitsfaktor sind zwei Scharnierbänder 44 vorgesehen. Weiters besitzt die Platte 43 einen von ihr aus nach innen gerichteten Stempel 50. Dieser Stempel 50 ist auf Grund praktischer Erfahrung aus Sicherheit vorgesehen, um zu verhindern, dass eine abgerissene Ventilplatte während des normalen Reaktorbetriebs durch den ringförmigen Führungskanal 26 in zerstörenden Kontakt mit dem Reaktorkern kommt. Zu diesem Zweck besitzt der Stempel 50 eine ausreichende Länge, dass die Breite der Ventilplatte vom Ende des Stempels 50 bis zum Ende des Rohrstückes 46 grösser als der

Zwischenraum zwischen dem Druckentlastungsventil 30 und der Kesselwand 11 ist.

In der Praxis kann das Ansprechen der Ventilplatte 43 entsprechend den Sicherheitserfordernissen getestet werden, um 5 sicherzustellen, dass das Ventil in einer Not- oder Unfallsituation öffnet. Die Prüfung dieser Funktion erfolgt auf folgende Weise. Eine im Verteilerring vorgesehene Ausnehmung 51 (Fig. 2) ermöglicht den Zugang zum Druckentlastungsventil 30 mit Hilfe eines nicht dargestellten Werkzeugs, z. B. einer io Stange mit einem Haken. Die Stange erfasst mit dem Haken einen Bolzen 52 an den Scharnierbändern 44 (Fig. 2 und 4) und hebt die Platte 43 mit einem bestimmten, z. B. mit einer Federwaage gemessenen minimalen Zug vom Ventilsitz 37A ab. Weiters kann der für die Funktion des Ventils bei einer minimalen 15 Druckdifferenz erforderliche Zug für die Testzwecke durch einen Fachmann berechnet werden.

Gemäss der Erfindung ist die Verminderung des Drucks im Reaktorkern-Tragzylinder während eines Unfalls oder Versagens durch das im Verteilerring angebrachte Druckentla-20 stungsventil vorgesehen. Ausserdem besitzt das Druckentlastungsventil Einrichtungen zur Energieabsorption während der Betätigung des Ventils, so dass beim Aufschlag des Ventils an der Reaktorwand etwas von der Aufschlagenergie absorbiert und dadurch die Möglichkeit einer örtlichen Überbeanspru-25 chung der Reaktorwand vermieden wird. Darüber hinaus umfassen die Einrichtungen zur Energieabsorption auch ein Mittel zur Begrenzung der Belastung des Ventilscharniers, um Deformationen des Scharniers zu verhindern und nach dem Wiedejrschliessen des Ventils ein kontinuierliches Ansprechen 30 und Funktionieren zu gewährleisten.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

6t9 317 PATENTANSPRÜCHE

1. Druckentlastungsvorrichtung im Verteilerring (19) des Kerntragzylinders (18) eines Atomkernreaktors mit einem von einem Kühlmedium durchströmten Druckkessel (10), bestehend aus einer schwenkbar mit Hilfe eines Scharnierbolzens (45) an einer Öffnung des Verteilerringes befestigten Ventilplatte (43), welche bei einem Druckaufbau im Kerntragzylinder (18) nach aussen in Richtung zur Druckkesselinnenwand (11A) bis zur Auflage auf derselben ausschwenkt und dadurch die Öffnung im Verteilerring (19) des Kerntragzylinders (18) zum Abbau des Überdrucks in demselben freigibt, dadurch gekennzeichnet, dass auf der zur Innenwand (11A) des Druckbehälters (10) weisenden Seite der an einem Scharnierband (44) hängenden Ventilplatte (43) ein plastisch verformbares Rohrstück (46) angeordnet ist, das an seinem zur Druckbehälterinnenwand weisenden Ende (46A) offen ist und Öffnungen (47) in seiner Wandung aufweist, wobei das Rohrstück (46) eine derartige Verformbarkeit aufweist, dass es beim Aufprall auf die Innenwand des Reaktordruckbehälters (10) diesselbe sowie den Scharnierbolzen (45) des Scharniers der Ventilplatte nicht beschädigt.

2. Druckentlastungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch das Scharnierband (44) plastisch verformbar ausgebildet ist.