DE10141304A1 - Verfahren z. Verringern d. Erosionskorrosion in Anschlussleitungen im Primärkreis eines Kernkraftwerks vom Typ CANDU - Google Patents

Verfahren z. Verringern d. Erosionskorrosion in Anschlussleitungen im Primärkreis eines Kernkraftwerks vom Typ CANDU

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verringern der Erosionskorrosion in Anschlussleitungen (12a, b) im Primärkreis des Kernkraftwerks vom Typ CANDU. Gemäß der Erfindung wird hierzu eine durch den Betrieb des Kernkraftwerkes verursachte Oberflächenrauhigkeit der primärseitigen Innenwand der Wärmetauscherrohre (22) eines im Primärkreis angeordneten Dampferzeugers (20) durch Behandlung mit einem Strahlmittel verringert.

Description

  • Verfahren zum Verringern der Erosionskorrosion in Anschlussleitungen im Primärkreis eines Kernkraftwerks vom Typ CANDU
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verringern der Erosionskorrosion in Anschlussleitungen im Primärkreis eines Kernkraftwerks vom Typ CANDU.
  • Der Reaktorbehälter (calandria) eines Kernkraftwerkes vom Typ CANDU enthält eine Vielzahl von Druckrohren (pressure or calandria tubes), in die in deren Längsrichtung Brennelemente eingeführt und die in dieser Längsrichtung vom Heizmittel - schweres Wasser - durchströmt werden. Jedes dieser Druckrohre ist eingangs- und ausgangsseitig an eine Anschlussleitung (feeder pipe) angeschlossen, die von einem gemeinsamen Einlassverteiler (inlet header) ausgehen bzw. in einen gemeinsamen Auslasssammler (outlet header) münden. Diese Anschlussleiten haben einen relativ kleinen Innendurchmesser (etwa 2,5 cm und weisen aufgrund der beengten Verhältnisse mehrere Bögen mit relativ kleinen Krümmungsradien auf.
  • Insbesondere in den ausgangsseitigen Anschlussleitungen wird nun ein Materialabtrag an der Innenoberfläche beobachtet, der auf Erosionskorrosion zurückzuführen ist. Diese Erosionskorrosion wird unter anderem verursacht durch das Auftreten eines aus Dampfblasen und Schwerwasser bestehenden Zweiphasengemisches am Ausgang der Druckrohre. Der Materialabtrag erreicht dabei mit zunehmender Betriebsdauer so hohe Werte, es sind beispielsweise Abtragsraten in der Größenordnung von 150 µm pro Jahr beobachtet worden, dass aufgrund der damit einhergehenden Wanddickenschwächung - noch vor Erreichen der Auslegungslebensdauer der Anlage ein Austausch dieser Anschlussleitungen erforderlich werden kann. Aufgrund der Vielzahl dieser Anschlussleitungen und der beengten Einbauverhältnisse wäre jedoch ein solcher Austausch mit einem erheblichen technischen Aufwand und einer erheblichen Stillegungszeit und somit hohen Kosten verbunden.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verringern der Erosionskorrosion in Anschlussleitungen im Primärkreis eines Kernkraftwerks vom Typ CANDU anzugeben, das mit geringem Aufwand durchgeführt werden kann und zu einer deutlich höheren Standzeit der Anschlussleitungen führt.
  • Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bei dem Verfahren zum Verringern der Erosionskorrosion in Anschlussleitungen im Primärkreis eines Kernkraftwerks vom Typ CANDU wird gemäß der Erfindung eine durch Abscheidung von Korrosionsprodukten verursachte Oberflächenrauhigkeit der primärseitigen Innenwand der Wärmetauscherrohre durch Behandlung mit einem Strahlmittel, vorzugsweise einem Mehrphasengemisch aus Gas und in Teilchenform vorliegendem Feststoff, verringert.
  • Aus der US-Patentschrift 5,883,512 ist es zwar grundsätzlich bekannt, Wärmetauscherrohre mit einem Strahlmittel zu behandeln. Dieses Behandlung dient aber lediglich als vorbereitende Maßnahme für die Durchführung einer Wirbelstromprüfung, um durch Verminderung des Rauschpegels die frühzeitige Erkennung von Materialschädigungen wesentlich zu verbessern.
  • Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, dass die Oberflächenrauhigkeit der Wärmetauscherrohre und die damit einhergehende Verringerung der Wärmeübertragungsleistung der Dampferzeuger dazu führt, die in den Anschlussleitungen auftretende Erosionskorrosion und damit den Materialabtrag an deren Innenoberfläche mit wachsender Betriebsdauer zu beschleunigen.
  • Die im Laufe der Betriebszeit beobachtete Zunahme der Oberflächenrauhigkeit der Innenoberfläche der Wärmetauscherrohre entsteht ihrerseits durch die im Primärkreis hauptsächlich in den ausgangsseitigen Anschlussleitungen auftretende Erosionskorrosion. Bei der Erosionskorrosion wird der im Primärkreis verwendeten niedrig- oder unlegiertem Kohlenstoffstahl - insbesondere in den ausgangsseitigen Anschlussleitungen - erodiert und dabei werden als Ionen vorliegende Eisenverbindungen gebildet und ins Heizmittel (schweres Wasser) freigesetzt. Diese ionalen Eisenverbindungen werden in den Dampferzeuger transportiert und auf der Innenoberfläche der Wärmetauscherrohre als Oxide abgelagert.
  • Diese Ablagerungen führen nun zu einer höheren Oberflächenrauhigkeit der Innenwände der Wärmetauscherrohre und im geringen Maße auch zu einer durch die Ablagerung bedingten Querschnittsverringerung und einer damit verbundenen Verminderung des Heizmitteldurchflusses. Dies wiederum hat eine Verringerung der Wärmeübertragungsleistung der Dampferzeuger und damit eine mit zunehmender Betriebsdauer zunehmende Temperatur des im Primärkreis zirkulierenden Heizmittels (schweres Wasser) auf der Ausgangsseite der Dampferzeuger und somit auch auf der Eingangsseite des Kernreaktors zur Folge.
  • Die Erfindung beruht nun auf der Überlegung, dass diese relativ kleine Temperaturerhöhung in der Größenordnung von 2 bis 3°C ausreicht, um den Dampfblasenanteil am Ausgang der Druckrohre des Kernreaktors in einem die Erosionskorrosion in den ausgangsseitigen Anschlussleitungen signifikant beeinflussenden Ausmaß zu erhöhen.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden nun die für die Ausbildung der Oberflächenrauhigkeit verantwortlichen Oxidablagerungen unabhängig von der Geometrie der Heizrohre wirksam entfernt und die Oberflächenrauhigkeit der Innenoberfläche der Wärmetauscherrohre signifikant verringert und damit die Wärmeübertragungsleistung der Dampferzeuger signifikant erhöht. Damit geht eine Temperaturerniedrigung auf der Eingangsseite des Reaktors einher. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme können nach der Strahlbehandlung eingangsseitige Temperaturwerte erreicht werden, die annähernd den Temperaturwerten bei der Inbetriebnahme des Kraftwerkes entsprechen.
  • Die Erhöhung der spezifischen Wärmeübertragungsleistung der Dampferzeuger hat außerdem eine Druckerhöhung im sekundärseitigen Dampfsystem und damit eine Verbesserung des Wirkungsgrads im Turbinenbereich zur Folge.
  • Durch dem mit der Behandlung mit einem Strahlmittel verbundenen Abtrag der Ablagerungen und die Glättung der Oberfläche der Wärmetauscherrohre werden zusätzlich die Aussagekraft der bei der Wirbelstrom- oder Ultraschallprüfung gewonnenen Ergebnisse verbessert als auch aufgrund der verringerten Reibung geringerer Verschleiß, d. h. höhere Standzeiten der durch das Wärmetauscherrohr hindurchgeführten Prüfsonden erzielt.
  • Mit dem Verfahren nach der Erfindung wird eine dem neuwertigen Zustand des Dampferzeugers vergleichbare Wärmeübertragungskapazität (Auslegungs-Wärmeübertragungskapazität) erreicht, so dass die ursprüngliche Auslegungsleistung des Kernkraftwerkes wenigstens annähernd wiederhergestellt wird.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist das äußerst geringe Volumen an Sekundärabfall im Vergleich zu einer chemischen Reinigung oder chemischen Dekontamination der Wärmetauscherrohre. Ein chemisches Verfahren erzeugt ein Vielfaches des Abfallvolumens des Verfahrens gemäß der Erfindung. Dadurch wird der Aufwand für die Entsorgung der in diesem Fall anfallenden erheblichen Mengen an Sekundärabfall deutlich reduziert.
  • Vorzugsweise wird als Strahlmittel ein Gas/Feststoffgemisch verwendet. Dadurch ist die Geschwindigkeit des Abtrags erhöht und die Aufbereitung des Strahlmittels erleichtert.
  • In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden die Wärmetauscherrohre vor der Strahlbehandlung durch Evakuieren und/oder Zirkulation getrockneter Umgebungsluft getrocknet. Dieser Trocknungsvorgang führt zu lokalem Integritätsverlust der abgelagerten Oxidbeläge und unterstützt die Wirksamkeit der Mehrphasenbehandlung.
  • Mit einem Gas/Feststoffgemisch werden die Wärmetauscherrohre insbesondere zwischen 5 s und 10 min lang behandelt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Druck der Gasphase, vorzugsweise Stickstoff oder Luft, im Gas/Feststoffgemisch beim Eintritt in die Wärmetauscherrohre beispielsweise zwischen 0,1 MPa (1 bar) und 1 MPa (10 bar).
  • Der Feststoff besteht insbesondere aus kornförmigen, kugelförmigen, und/oder eckigen/kantigen Teilchen. Der Feststoffanteil kann auch ein Granulat sein. Insbesondere besteht der Feststoff aus Glas, Korund, Metall, Metalloxiden, Keramik und/oder aus dem Werkstoff der Wärmetauscherrohre.
  • Es ist auch möglich, eine Mischung von Feststoffen, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, einzusetzen.
  • Der Teilchendurchmesser des Feststoffes beträgt vorzugsweise zwischen 100 und 1000 µm, insbesondere zwischen 150 und 400 µm.
  • Mit dem Verfahren nach der Erfindung wird neben der Reduktion der Erosionskorrosion der Vorteil erzielt, dass die Wärmeübertragungskapazität des Wärmetauschers erhalten bleibt und dass zusätzliche Vorteile hinsichtlich der Früherkennung von Rohrschäden in den Wärmetauscherrohren erzielt werden.
  • Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, die den schematischen Aufbau eines Kernkraftwerkes vom Typ CANDU in einer Prinzipskizze zeigt.
  • Gemäß dieser Figur enthält der Reaktor 2 - die sogenannte Calandria - eines Kernkraftwerkes vom Typ CANDU eine Vielzahl von Druckrohren 4, in der Regel etwa 400, von denen in der schematischen Prinzipdarstellung aus Gründen der Übersichtlichkeit nur zwei dargestellt sind. Die Druckrohre 4 enthalten die Brennelemente 6 und sind von einem Heizmittel 8, schweres Wasser D2O, durchströmt. Die Druckrohre 4 sind in einem zylindrischen Behälter 10 parallel zu dessen Längsachse gelagert und ragen mit ihren Anschlussenden 4a, b an den Stirnseiten des Behälters 10 aus diesem heraus. Dort sind sie an eine entsprechende Anzahl von eingangsseitigen bzw. ausgangsseitigen Anschlussleitungen 12a, b angeschlossen. Die eingangsseitigen Anschlussleitungen 12a gehen von einem Einlassverteiler 14a aus. Die ausgangsseitigen Anschlussleitungen münden in einen Ausgangssammler 14b. Zwischen Einlassverteiler 14a und Ausgangssammler 14b ist jeweils ein Dampferzeuger 20 angeordnet. Jeder Dampferzeuger 20 enthält eine Vielzahl von U-förmigen gebogenen Wärmetauscherrohren 22 die die im Reaktor 2 erzeugte Wärme an das sekundärseitige Kühlmedium 24, Leichtwasser H2O, übertragen und dieses zum Antreiben der Turbinen verdampfen.
  • In der Figur ist außerdem zu erkennen, dass der Behälter 10 zusätzlich von einem Moderator 30, Schwerwasser D2O, durchströmt ist.
  • Um einen Austausch der Brennelemente 6 zu ermöglichen, sind Praxis die Anschlussleitungen 12a, b anders als im Prinzipbild nicht stirnseitig sondern seitlich an die Druckrohre 4 angeschlossen. Diese Anschlussleitungen haben deshalb relativ kleinen Innendurchmesser (abhängig von der Leistungsdichte des Druckrohres zwischen 1,5 und 3,5 Zoll) und müssen aufgrund der beengten Einbauverhältnisse quer zur Längsachse der Druckrohre 4 um die jeweils benachbarten Druckrohre 4 herumgeführt und deshalb mit relativ kleinen Radien gebogen werden.
  • Die Anschlussleitungen 12a, b bestehen aus Kohlenstoffstahl und zeigen eine ausgeprägte Erosionskorrosion. Erosionskorrosion findet insbesondere in den an den jeweiligen Ausgang der Druckrohre 4 angeschlossenen Anschlussleitungen 12b statt, da hier der Erosionskorrosion verursachende Dampfblasenanteil besonders hoch ist. Das Ausmaß dieser Erosionskorrosion kann so hoch werden, dass die damit einhergehende Wandschwächung zu einer Verkürzung der Lebensdauer führen kann.
  • Das von den Innenoberflächen der Anschlussleitungen 12a, b abgelöste Material lagert sich an den übrigen Stellen des Primärkreisleitungssystems, insbesondere in den Wärmetauscherrohren 22 ab und bewirkt eine allmähliche Reduktion des Heizmitteldurchflusses. Mit dieser Verringerung des Heizmitteldurchflusses geht eine Temperaturerhöhung des Heizmittels 8 am Eingang 4a der Druckrohre 4 einher, die im Laufe einer Betriebszeit von mehreren Jahren eine Größenordnung von wenigen Grad Celsius (2 bis 5°C) erreicht. Diese relativ kleine Temperaturerhöhung reicht aus, um den Dampfblasenanteil in den Druckrohren 4 und deren Ausgängen 4b in einem Außmaß zu erhöhen, dass - neben anderen negativen Effekten für den Reaktorbetrieb (Druckreduzierung, Derating) - die Erosionskorrosion insbesondere in den ausgangsseitigen Anschlussleitungen 12b ungünstig beeinflusst wird.
  • Gemäß der Erfindung wird nun durch Behandlung der Wärmetauscherrohre 22 mit einem Strahlmittel eine Verbesserung des Durchflusses der Wärmeübertragung in den Dampferzeugern 20 herbeigeführt, die eine Temperaturerniedrigung an den jeweiligen Eingängen 4a der Druckrohre 4 zur Folge hat und über den verringerten Dampfleistungsanteil zu einer Verringerung der durch Erosionskorrosion insbesondere in den ausgangsseitigen Anschlussleitungen 12b verursachten Abtragsrate führt. Bezugszeichenliste 2 Reaktor
    4 Druckrohr
    4a, b Anschlussende
    6 Brennelement
    8 Heizmittel
    10 Behälter
    12a, b Anschlussleitung
    14a Einlassverteiler
    14b Ausgangssammler
    20 Dampferzeuger
    22 Wärmetauscherrohr
    24 Kühlmedium
    30 Moderator

Claims (11)

1. Verfahren zum Verringern der Erosionskorrosion in Anschlussleitungen (12a, b) im Primärkreis eines Kernkraftwerks vom Typ CANDU, bei dem eine durch den Betrieb des Kernkraftwerkes verursachte Oberflächenrauhigkeit der primärseitigen Innenwand der Wärmetauscherrohre (22) eines im Primärkreis angeordneten Dampferzeugers (20) durch Behandlung mit einem Strahlmittel verringert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Strahlmittel ein Gas/Feststoffgemisch verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Wärmetauscherrohre (22) zunächst getrocknet und anschließend mit einem Gas/Feststoff-Gemisch behandelt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Wärmetauscherrohre (22) durch Evakuieren getrocknet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem zum Trocknen der Wärmetauscherrohre (22) getrocknete Luft verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die Behandlungsdauer mit dem Gas/Feststoffgemisch zwischen 5 s und 10 min beträgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem der Gasdruck im Gas/Feststoffgemisch beim Eintritt in das Wärmetauscherrohr (22) zwischen 0,1 MPa (1 bar) und 1 MPa (10 bar) beträgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem als Feststoff kornförmige, kugelförmige, und/oder eckige Teilchen verwendet werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei dem der Feststoff aus Glas, Korund, Metall, Edelstahl, Keramik und/oder dem Werkstoff der Wärmetauscherrohre (22) besteht.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Teilchendurchmesser der Teilchen zwischen 100 und 1000 µm beträgt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Teilchendurchmesser der Teilchen zwischen 150 und 400 µm beträgt.
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