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Die Erfindung betrifft ein Druckentlastungs- und Aktivitätsrückhaltesystem für eine kerntechnische Anlage, insbesondere für ein Kernkraftwerk. Sie betrifft ferner ein zugehöriges Betriebsverfahren.
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In einem Kernkraftwerk muss bei Stör- oder Unfallsituationen, abhängig vom jeweiligen Störfall und von gegebenenfalls eingeleiteten Gegenmaßnahmen mit einer möglicherweise signifikanten Druckerhöhung innerhalb der Sicherheitshülle gerechnet werden. Um daraus möglicherweise resultierende strukturelle Beeinträchtigungen der Sicherheitshülle oder des Containments an sich oder auch von darin angeordneten Systemkomponenten zu vermeiden, können Kernkraftwerke für eine bedarfsweise Druckentlastung des Containments durch Ablassen von Containment-Atmosphäre (Venting) ausgelegt sein. Dazu kann an die Sicherheitshülle einer kerntechnischen Anlage eine Druckentlastungsleitung angeschlossen werden.
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In der Containment-Atmosphäre ist jedoch bei schweren Störfällen üblicherweise radioaktives Material, wie beispielsweise Edelgase, Jod oder Aerosol, enthalten, das bei einem Venting in die Umgebung des Kernkraftwerks gelangen könnte.
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Insbesondere bei vergleichsweise schweren Störfällen mit möglicherweise eintretender Kernschmelze können luftgetragene Aktivitätsmengen (Aerosole) innerhalb des Containments in besonders hohen Konzentrationen auftreten, so dass beim Vorhandensein hoher Undichtigkeiten oder bei der Entstehung unzulässiger Überdrucksituationen eine Freisetzung signifikanter Mengen derartiger Aerosole oder Aktivitätsmengen in die Umgebung der kerntechnischen Anlage eintreten könnte. Derartige luftgetragene Aktivitäten können insbesondere aufgrund der hohen Halbwertszeiten möglicherweise mitgeführter Komponenten wie beispielsweise Jod- oder Cäsium-Isotopen eine vergleichsweise lange Zeit andauernde Landkontamination verursachen.
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Um dies zu vermeiden, sind die für ein Venting der Containment-Atmosphäre vorgesehenen Druckentlastungssysteme üblicherweise mit Filter- oder Rückhalteeinrichtungen versehen, die eine Freisetzung von in der Containment-Atmosphäre mitgeführten luftgetragenen Aktivitätsmengen an die Umgebung unterbinden sollen. Mit modernen Reinigungs- und Filtersystemen für den Ventstrom werden in Bezug auf Aerosole und Jodbestandteile, insbesondere Organojod, tatsächlich Rückhalteraten von 99,5 % und mehr erreicht.
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Des Weiteren enthält die Containmentatmosphäre jedoch radioaktive Edelgase wie Xenon und Krypton, die bei der Druckentlastung zurzeit nicht in ausreichendem Maße zurückgehalten werden und je nach Wetterverhältnissen insbesondere das Kraftwerksgelände für Unfallgegenmaßnahmen unzugänglich machen können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, diesbezüglich Abhilfe zu schaffen und eine Vorrichtung sowie ein zugehöriges Verfahren anzugeben, mit denen auf einfache und kostengünstige Weise eine zuverlässige Rückhaltung der Edelgase beim Venting des Containments einer kerntechnischen Anlage realisierbar ist, so dass die andernfalls zu erwartenden negativen Auswirkungen auf die Umwelt vermieden werden.
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In Bezug auf die Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Es ist demnach ein Druckentlastungs- und Aktivitätsrückhaltesystem für eine kerntechnische Anlage vorgesehen mit einem von einer Sicherheitshülle umschlossenen Containment, an das eine Druckentlastungsleitung zur Druckentlastung bei Stör- oder Unfällen angeschlossen ist, wobei in die Druckentlastungsleitung in Strömungsrichtung des Druckentlastungstroms gesehen folgende Komponenten in Reihe geschaltet sind:
- • ein katalytischer Rekombinator zur (vorzugsweise flammenlosen) Umsetzung von im Druckentlastungstrom enthaltenem Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasserdampf,
- • ein Nasswäscher oder alternativ ein Trockenfilter zur Aerosolabscheidung aus dem Druckentlastungsstrom,
- • ein Leitungsabschnitt mit mindestens zwei parallelen Teilsträngen mit jeweils einer Adsorberkolonne zur Verzögerung / Rückhaltung von im Druckentlastungsstrom enthalten Edelgasen.
Ferner ist - • ein Spül- und Rückspeisesystem an die Adsorberkolonnen angeschlossen,
- • mittels zugehöriger (Absperr-)Ventile zumindest eine der Adsorberkolonnen vom Druckentlastungsstrom abkoppelbar zur Einleitung eines Spülbetriebs, bei dem in dieser Adsorberkolonne angesammelte Edelgase mit Hilfe eines Spülmittels in das Containment zurückgespült werden,
- • das Spül- und Rückspeisesystem als passives System ausgelegt, das durch die im Containment oder im Druckentlastungstrom enthaltene Nachzerfallswärme angetrieben wird.
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Zusammenfassend besteht das erfindungsgemäße Konzept im Wesentlichen aus einer gefilterten Druckentlastung des Containments zur Abscheidung der aerosolgetragenen Aktivitäten und einem nachgeschalteten passiven Prozess zur Edelgasverzögerung mit Rezirkulation in das Containment. Dabei sind bevorzugt zwei Adsorberkolonnen in Zwillingskonfiguration und mit Umschaltmöglichkeit vorgesehen, um die Rückspülung der Kolonnen im laufenden Ventbetrieb zu ermöglichen.
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Die damit erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass neben den luftgetragenen Aktivitäten der Aerosole und Organojod auch die Edelgase zurückgehalten werden. Die mit Aktivität behafteten Edelgase werden nämlich in das Containment rezirkuliert. Mit anderen Worten: Ein wesentlicher Aspekt liegt in der Druckentlastung bei gleichzeitiger Verzögerung und der Rückführung der Edelgase in das Containment, wo sie sicher eingeschlossen abklingen können. Mit dem Verfahren können selbst langlebige Edelgasisotope wie Krypton 85 aus dem Ventstrom abgeschieden werden. Die ungefährlichen Gase wie Stickstoff, Sauerstoff und Wasserdampf hingegen werden nach der Filterung über einen Kamin an die Umgebung abgegeben und führen zur Druckentlastung des Containments.
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Die für den Edelgasabscheideprozess benötigten verfahrenstechnischen Bedingungen in den Adsorberkolonnen werden passiv erzeugt, und zwar vorzugsweise mit überhitztem Wasserdampf durch eine Strahlpumpe und unter Ausnutzung der Nachzerfallswärme der akkumulierten Spaltprodukte im Nasswäscher. Die Nachzerfallswärme wird somit aus dem bevorzugt als Venturiwäscher ausgebildeten Nasswäscher geführt und dient zur Dampferzeugung für die Rückspülung und Unterdruckerzeugung in den Adsorberkolonnen. Die Wasservorlage im Venturibehälter wird dadurch gekühlt und steht dadurch länger ohne eine derartige Maßnahme zur Verfügung.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung als auch verfahrensbezogene Aspekte gehen aus den Unteransprüchen sowie aus der detaillierten Figurenbeschreibung hervor.
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Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen in jeweils stark vereinfachter und schematisierter Darstellung:
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1 eine kerntechnische Anlage mit einer Sicherheitshülle und mit einer ersten Variante eines Druckentlastungs- und Aktivitätsrückhaltesystems für den von der Sicherheitshülle umschlossenen Innenraum basierend auf einer Nasswäsche des Druckentlastungsstroms,
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2 eine zweite Variante des Druckentlastungs- und Aktivitätsrückhaltesystems, basierend auf einer Trockenfilterung des Druckentlastungsstroms, und
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3 eine Modifikation des Konzepts aus 2, die auch auf die Variante gemäß 1 anwendbar ist.
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Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Das in 1 schematisch dargestellte Druckentlastungs- und Aktivitätsrückhaltesystem 2 ermöglicht eine gefilterte Druckentlastung (Venting) des auch als Containment 4 bezeichneten Sicherheitseinschlusses einer kerntechnischen Anlage 6, insbesondere eines Kernkraftwerks, bei Unfall- oder Störfallsituationen mit signifikantem Druckaufbau im Containment 4. Im vorliegenden Fall ist neben der Rückhaltung von radioaktiven Aerosolen und Jod / Jodverbindungen ein besonderer Schwerpunkt der Auslegung auf die Rückhaltung von radioaktiven Edelgasen gelegt.
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Zu diesem Zweck weist das Druckentlastungs- und Aktivitätsrückhaltesystem 2 eine aus dem Containment 4 durch die Sicherheitshülle 8 (auch als Sicherheitsbehälter bezeichnet) hindurch nach außen in die Umgebung geführte Druckentlastungsleitung 10 auf, in die verschiedene Vorrichtungen zur Behandlung und Reinigung / Filterung des durch diese Leitung strömenden Druckentlastungsstroms geschaltet sind.
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Der innerhalb der Sicherheitshülle 8 liegende Abschnitt der Druckentlastungsleitung 10 weist stromabwärts der Einlassmündung 12 für das im Druckentlastungsbetrieb aus dem Containment 4 in die Druckentlastungsleitung 10 einströmende, den Druckentlastungsstrom bildende Gas- und Dampfgemisch (kurz: Ventgas) einen katalytischen Rekombinator 14 bekannter Bauart zur flammenlosen Rekombination von im Druckentlastungsstrom mitgeführtem Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasserdampf auf. Bei der exothermen Rekombinationsreaktion wird der in der Regel ohnehin schon mit relativ hoher Temperatur in die Einlassmündung 12 einströmende Druckentlastungsstrom stark über Sattdampfbedingungen hinaus überhitzt.
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Eine erste Kühlung des Druckentlastungsstroms auf ein in den nachgeschalteten Reinigungs- und Filtereinrichtungen handhabbares Temperaturniveau erfolgt noch innerhalb der Sicherheitshülle 8 durch einen hier nur schematisch angedeuteten, stromabwärts des Rekombinators 14 angeordneten Gaskühler 16, der beispielsweise durch Naturzug (Naturkonvektion) innerhalb des Containments 4 rückgekühlt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Gaskühler 16 sekundärseitig von einer Kühlflüssigkeit rückgekühlt werden, die vorzugsweise passiv mittels einer Strahlpumpe oder dergleichen aus einer entsprechenden Vorlage innerhalb des Containments angesaugt wird (hier nicht dargestellt). Bei einer weiteren Variante kann die Rückkühlung auch teilweise oder vollständig außerhalb des Containments 4 erfolgen.
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Stromabwärts der Durchführung 18 durch die Sicherheitshülle 8 sind zwei Absperrventile 20 in Reihe in die Druckentlastungsleitung 10 geschaltet, die im Normalbetrieb der kerntechnischen Anlage 6 geschlossen sind und zur Einleitung des Druckentlastungsbetriebes bei Unfällen oder Störfällen mit signifikanter Druckerhöhung innerhalb des von der Sicherheitshülle 8 umschlossenen Containments 4 geöffnet werden.
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Stromabwärts der beiden Absperrventile 20 ist in die auch als Venting-Leitung bezeichnete Druckentlastungsleitung 10 ein rekuperativer Wärmetauscher 22 geschaltet, in dem das Ventgas weiter gekühlt wird. Die Rückkühlung des Wärmetauschers 22 erfolgt bevorzugt durch den auf einem niedrigeren Temperaturniveau befindlichen Druckentlastungsstrom in einem weiter stromabwärts liegenden Abschnitt der Druckentlastungsleitung 10 (siehe unten).
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Im Anschluss an den Wärmetauscher 22 tritt das immer noch unter hohem Druck stehende Ventgas in einen als Venturiwäscher ausgestalteten Nasswäscher 24 ein. Der Nasswäscher 24 umfasst einen allseitig von einer Umfassungswand umschlossenen Waschbehälter 26 mit darin bis zu einem maximalen Füllstand vorgehaltener Reinigungs- bzw. Waschflüssigkeit 28, nämlich im Wesentlichen Wasser. Das über die Druckentlastungsleitung 10 in den Waschbehälter 26 einströmende Ventgas tritt über eine Anzahl von parallel geschalteten Venturidüsen 30 in die Waschflüssigkeit 28 ein.
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Die Venturidüsen 30 sind unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 32 angeordnet. Bei der Durchströmung der Venturidüsen 30 reißt das Ventgas über eine beispielsweise als Ringschlitzeinspeisung ausgestaltete Ansaugöffnung im Bereich der Engstelle (Kehlstelle) des jeweiligen Düsenrohres die umliegende Waschflüssigkeit 28 aus dem Waschbehälter 26 mit. Daraus resultiert eine innige Wechselwirkung des mit Schwebeteilchen (Aerosolpartikeln) beladenen Ventgases mit den mitgerissenen und fragmentierten Flüssigkeitstropfen der Waschflüssigkeit 28, wodurch im Endeffekt eine Einlagerung der Schwebteilchen in die Waschflüssigkeit erfolgt.
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Das aus den Auslassöffnungen der Venturidüsen 30 ausgeworfene Gemisch aus Ventgas und Waschflüssigkeit 28 separiert sich anschließend infolge der Schwerkraft wieder in seine Bestandteile, wobei die aus dem Ventgas abgetrennten Aerosolpartikel weitestgehend in der Waschflüssigkeit 28 eingeschlossen bleiben. Das auf diese Weise von Aerosolpartikeln gereinigte Ventgas sammelt sich in einem Sammelraum 34 oberhalb der Flüssigkeitsspiegels 32, tritt durch einen Flüssigkeitsabscheider 36 und verlässt anschließend den Waschbehälter 26, indem es in den nächsten Abschnitt der Druckentlastungsleitung 10 eintritt, welcher an den Kopf des Waschbehälters 26 angeschlossen ist.
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Weiter stromabwärts ist ein Drosselventil 38 in die Druckentlastungsleitung 10 geschaltet, welches eine Entspannung und damit einhergehend eine Trocknung des Ventgases bewirkt (Expansionstrocknung).
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Anschließend kann wie in 1 dargestellt die Druckentlastungsleitung 10 zur Ausbildung einer Wärmetauscherfläche (Kühlschlange 40) erneut in den Waschbehälter 26 hineingeführt sein, so dass eine Wärmeübertragung von der Waschflüssigkeit 28 auf den zwischenzeitlich etwas abgekühlten Ventgasstrom erfolgt.
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Danach durchströmt das Ventgas im überhitzten Zustand, in dem eine Kondensation der enthaltenen Dampfbestandteile zuverlässig vermieden ist, ein Molekularsieb 42. Das Molekularsieb 42 ist primär für die Rückhaltung von Jod und jodhaltigen Verbindungen, insbesondere von organischen Verbindungen mit niedriger Kettenlänge (Organojod), ausgelegt und zu diesem Zweck beispielsweise als Sorptionsfilter auf Zeolith-Basis realisiert. Das Molekularsieb 42 kann abweichend von der zeichnerischen Darstellung baulich in den Nasswäscher 26 integriert und direkt thermisch angekoppelt sein. Das zur Jodrückhaltung vorgesehene Molekularsieb 42 kann im Gegensatz zur Aktivkohle, welche zur Edelgasrückhaltung eingesetzt wird (siehe unten), im Regelfall nicht regeneriert werden. Es ist daher kapazitätsmäßig vorzugsweise für den kompletten Druckentlastungsvorgang, von dessen Beginn bis zum Ende ausgelegt. Es kann jedoch eine Aufteilung der Rückhaltekapazität auf mehrere paralall geschaltete Molekularsiebe vorgesehen sein.
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Stromabwärts des Molekularsiebs 42 nimmt in dem rekuperativen Wärmetauscher 22 das aus der Aerosolfitration im Nasswäscher 24 ausgetretene Ventgas einen Teil des Wärmegehalts von dem in den Nasswäscher 24 eintretenden Ventgas auf. Durch diese weitere Überhitzung des Ventgases werden die Dampfbestandteile in den nachgeschalteten Edelgas-Adsorberkolonnen (siehe unten) zuverlässig an der Kondensation gehindert.
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Weiter stromabwärts verzweigt sich die Druckentlastungsleitung 10 in dem 3-Wege-Ventil 46 (genauer gesagt ein 3/2-Wege-Ventil mit drei Anschlüssen und zwei Schaltstellungen) in zwei parallele Teilstränge, in die jeweils eine Edelgas-Adsorberkolonne, kurz Adsorberkolonne 44, geschaltet ist. Stromabwärts der beiden Adsorberkolonnen 44 werden die beiden Teilstränge in dem analog zum 3-Wege-Ventil 46 aufgebauten 3-Wege-Ventil 48 wieder zusammengeführt (Zwillingsanordnung). Die beiden 3-Wege-Ventile 46, 48 sind bevorzugt mechanisch oder durch eine zugehörige Ansteuerelektronik miteinander gekoppelt, so dass beim Druckentlastungsbetrieb je nach Ventilstellung entweder die eine oder die andere der beiden Adsorberkolonnen 44 vom Ventgas durchströmt wird. Es ist also jeweils nur eine der beiden Adsorberkolonnen 44 in Bezug auf die Ventgasreinigung aktiv, sprich im Adsorptionsbetrieb. Die jeweils von der Druckentlastungsleitung 10 abgekoppelte, inaktive Adsorberkolonne 44 kann in diesem Zustand gespült und somit für die nächste Aktivitätsphase vorbereitet werden (siehe unten). Anstelle der beiden 3-Wege-Ventile 46, 48 können auch andere Ventilkombinationen mit entsprechender Wirkung eingesetzt werden.
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In der jeweils reinigungsmäßig aktiven Adsorberkolonne 44 werden im Ventgas enthaltene Edelgase, insbesondere Xenon und Krypton, durch dynamische Adsorption an ein Adsorbens zurückgehalten. Zur Erzielung einer hohen Edelgas-Rückhalterate für verschiedene Edelgase können mehrere Adsorbensien vorhanden und ggf. miteinander kombiniert sein. Das Adsorbens / die Adsorbensien kann / können beispielsweise aus mehreren Schichten und/oder aus mehreren in Strömungsrichtung aufeinander folgenden Zonen von Aktivkohle und/oder Zeolith und/oder Molekularsieben aufgebaut sein. Zur zusätzlichen Abscheidung von radioaktivem Methyljodid durch Isotopentausch oder Salzbildung wird weiterhin bevorzugt imprägnierte Aktivkohle (z. B. mit Kaliumjodid-Imprägnierung) eingesetzt.
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Das im mittleren Leitungsabschnitt der Druckentlastungsleitung 10 zwischen dem Nasswäscher 26 und den Adsorberkolonnen 44 angeordnete Drosselventil 38 wird so eingestellt, dass zwar eine Druckabsenkung des Ventgases gegenüber dem ersten Leitungsabschnitt erfolgt, in welchem der Druck im Wesentlichen dem Containmentdruck entspricht, dass aber noch ein Überdruck in Relation zum Atmosphärendruck vorliegt. Die Adsorberkolonnen 44 werden somit im Überdruck betrieben, um das durch sie strömende Gasvolumen zu reduzieren. Nach den Adsorberkolonnen 44 ist ein weiteres Drosselventil 50 in der Druckentlastungsleitung 10 angeordnet, um eine Druckangleichung an die umgebende Atmosphäre zu bewirken.
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Die Druckentlastungsleitung weist also einen Hochdruckabschnitt stromaufwärts des Drosselventils 38, einen Mitteldruckabschnitt zwischen den beiden Drosselventilen 38 und 50 und einen Niederdruckabschnitt stromabwärts des Drosselventils 50 auf.
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Stromabwärts des Drosselventils 50 ist ein Filter 52 zur Zurückhaltung von Adsorbenspartikeln, die sich möglicherweise in den Adsorberkolonnen 44 von den Adsorbensien lösen, in den letzten Leitungsabschnitt der Druckentlastungsleitung 10 geschaltet. Schließlich wird der gereinigte und gefilterte Ventstrom über einen Kamin 54 in die Umgebung ausgeblasen.
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Vor der Einleitung des Entlastungsbetriebes besitzen beide Adsorberkolonnen 44 ihre maximale Aufnahme- bzw. Rückhaltekapazität. Mit Beginn der Druckentlastung durch Öffnen der beiden Absperrventile 20 wird durch entsprechende Ansteuerung der 3-Wege-Ventile 46, 48 beispielsweise zunächst die in 1 linke Adsorberkolonne 44 aktiv geschaltet, während die rechte Adsorberkolonne 44 von dem Druckentlastungsstrom abgekoppelt ist und somit gewissermaßen in einem Standby-Zustand gehalten wird. In der linken Adsorberkolonne 44 erfolgt nun eine selektive Trennung der Edelgase vom Trägergasstrom. Die Kolonne wird dabei beladen. Kurz vor Erreichen der Kapazitätsgrenze („Durchbruch“) der linken Adsorberkolonne 44 wird dann auf die rechte Adsorberkolonne 44 umgeschaltet.
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Die zuvor in der linken Adsorberkolonne 44 durch Adsorption angelagerten Edelgase werden während des Adsorptionsbetriebs der rechten Adsorberkolonne 44 in das Containment 4 zurückgespeist (und umgekehrt nach dem nächsten Umschaltvorgang). Die im Rückspülbetrieb befindliche Adsorberkolonne 44 wird dadurch regeneriert. Zu diesem Zweck ist ein Spül- und Rückspeisesystem 56 für die Adsorberkolonnen 44 vorhanden, das im Folgenden näher beschrieben wird.
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Das Spül- und Rückspeisesystem 56 arbeitet bevorzugt passiv und wird durch die (Nach-)Zerfallswärme der in der Containmentatmosphäre und/oder im Druckentlastungstrom enthaltenen Zerfallsprodukte und Aktivitätsträger angetrieben.
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Bei der in 1 dargestellten Variante wird mit Hilfe der Zerfallswärme der im Nasswäscher 24 akkumulierten Spaltprodukte ein Wasservorrat verdampft. Der auf diese Weise erzeugte Wasserdampf dient als Spülmedium für die Adsorberkolonnen 44 und zugleich als Treibmedium für eine Strahlpumpe 58 zum Transport / zur Förderung des Spülmediums.
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Konkret ist ein zumindest teilweise mit Wasser 60 gefüllter Dampfkessel 62 vorhanden, der thermisch derart an Waschbehälter 26 des Nasswäschers 24 angekoppelt ist, dass eine Wärmeübertragung von der im Laufe des Druckentlastungsbetriebs mit Spaltprodukten angereicherten Waschflüssigkeit 28 auf die Wasservorlage im Dampfkessel 62 erfolgt. Hierzu kann der Dampfkessel wie in 1 dargestellt baulich in den Nasswäscher 24 integriert oder unmittelbar benachbart angeordnet sein. Die Waschflüssigkeit 28 und das Wasser 60 im Dampfkessel sind aber vorzugsweise durch Trennwände stofflich voneinander getrennt. Alternativ zu Wasser 66 könnte auch auch eine andere verdampfbare Flüssigkeit, die die an sie gestellten Anforderungen als Spülmedium und/oder als Treibmedium erfüllt (siehe unten), vorgehalten werden.
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Ferner ist bevorzugt eine einerseits in die Waschflüssigkeit 28 des Nasswäschers 24 und andererseits in die Wasservorlage des Dampfkessels 62 hineinragende Naturumwälzschleife 64 vorhanden, in der ein geeignetes Transfermedium (Wärmeträger, z. B. ein Kältemittel oder Thermalöle) durch natürliche Konvektion nach Art eines Thermosiphons oder eines Wärmerohres (Heatpipe) mit oder ohne Phasenwechsel zirkuliert und dabei die gewünschte Wärmeübertragung bewirkt. Die Waschflüssigkeit 28 im Nasswäscher 24 wird dadurch gekühlt, verdampft also langsamer also ohne diese Maßnahme und steht ohne Nachfüllen länger zur Verfügung.
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Insbesondere für die Anfangsphase des Druckentlastungsvorgangs (Anfahrbetrieb) kann der Dampfkessel 62 mit einer Zusatzheizung 66 ausgestattet sein, die auf alternative Weise, vorzugsweise ebenfalls passiv mit Hilfe eines durch die Nachzerfallswärme des Kernreaktors erhitzten Strömungsmediums oder beispielsweise mit Hilfe von in elektrischen Akkumulatoren gespeicherter elektrischer Energie betrieben wird.
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Eine Nachspeisung von verbrauchtem Wasser in den Dampfkessel 62 als auch in den Waschbehälter 26 ist über entsprechende externe Anschlüsse möglich.
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Der auf diese Weise erzeugte, unter Druck stehende Wasserdampf 67 bildet oberhalb des Wasserspiegels 68 ein Dampfpolster 70 in dem Dampfkessel 62 (Dampfspeicher). Eine Entnahme des Dampfes erfolgt bei geöffnetem Absperrventil 72 über die Dampfentnahmeleitung 74. Ein erster Teilstrom des Dampfstroms dient zum Antrieb einer Strahlpumpe 58 (engl. Steam Injector). Hierzu ist eine Zweigleitung 76 von der Dampfentnahmeleitung 74 an den Treibmittelanschluss 77 der Treibdüse der Strahlpumpe 58 geführt (selbstverständlich könnte anstelle einer Zweigleitung auch ein direkter Anschluss an den Dampfkessel 62 vorgesehen sein; siehe auch die Variante gemäß 2).
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Ein zweiter Teilstrom des Wasserdampfes 67 mit im Verhältnis zum ersten Teilstrom geringerem Massenstrom wird über die mit einem Drosselventil 78 versehene Zweigleitung 80 als Spülmedium zu der gerade nicht aktiven, vom Druckentlastungstrom entkoppelten Adsorberkolonne 44 geführt. Die Zweigleitung 80 kann daher auch als Spülmittelzufuhrleitung bezeichnet werden. Über eine Verzweigung 82 und nachgeschalte Absperrventile 84, alternativ ein 3-Wege-Ventil an der Verzweigung 82, erfolgt die Zufuhr des Spülmediums auf die gerade im Spülbetrieb befindliche Adsorberkolonne 44. Die Durchspülung erfolgt hier zweckmäßigerweise entgegen der im Adsorptionsbetrieb vorliegenden Durchströmungsrichtung. Mit anderen Worten bildet bei jeder der beiden Adsorberkolonnen 44 die Einlassseite für den Druckentlastungstrom die Auslassseite für den Spülmittelstrom und umgekehrt.
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In Strömungsrichtung des Spülmediums gesehen sind ausgangseitig an die beiden Adsorberkolonnen 44 mit Absperrventilen 86 versehene Leitungen angeschlossen, die in einer Vereinigung 88 zu einer einzigen Spülmittelabfuhrleitung 90 zusammengeführt sind. Alternativ ist auch hier wieder ein 3-Wege-Ventil an der Vereinigung 88 möglich. Durch eine geeignete Kopplung und/oder Ansteuerung der Ventile 46, 48, 84, 86 ist sichergestellt, dass die Umschaltung des Druckentlastungsstroms von der einen auf die andere Adsorberkolonne 44 mit einer entsprechend gegensinnigen Umschaltung des Spülmittelstroms einhergeht.
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Bei der Durchströmung mit Spülmedium werden die zuvor in der jeweiligen Adsorberkolonne 44 angelagerten (adsorbierten) Edelgase wieder freigesetzt (desorbiert) und mit dem Spülmittelstrom davongetragen. Die Adsorberkolonne 44 wird dadurch wieder für den nächsten Adsorptionszyklus aufgefrischt.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 werden die beim Spülvorgang aus der jeweiligen Adsorberkolonne 44 gelösten Edelgase in das Containment 4 zurück gefördert. Hierzu ist die von den Adsorberkolonnen 44 wegführende Spülmittelabfuhrleitung 90 an den Sauganschluss 92 der Strahlpumpe 58 angeschlossen und setzt sich austrittsseitig in der Rückleitung 94 fort, welche durch die Sicherheitshülle 8 hindurch in das Containment 4 geführt ist. Gemäß dem üblichen Funktionsprinzip der Strahlpumpe 58 wird das mit Edelgasen beladene Spülmittel (Wasserdampf unter relativ niedrigem Druck) durch das Treibmittel (Wasserdampf unter relativ hohem Druck und mit hoher Strömungsgeschwindigkeit) angesaugt, mit ihm unter Impulsübertrag vermischt und verdichtet und über die Rückleitung 94 in das Containment 4 zurück transportiert. Die Spülmittelabfuhrleitung 90 und die Rückleitung 94 können zusammen auch als Rezirkulationsleitung bezeichnet werden.
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In den außerhalb der Sicherheitshülle 8 liegenden Abschnitt der Rückleitung 94 sind in unmittelbarer Nähe zur Sicherheitshülle 8 zwei Absperrventile 96 in Reihe geschaltet, um die Rückleitung 94 im Falle eines Leitungsbruches oder einer Undichtigkeit sicher verschließen zu können. Dadurch wird in derartigen Fällen ein Ausströmen der Containment-Atmosphäre über diese Leitung in die Umgebung verhindert.
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Die Verbindungleitung 98 zwischen dem Waschbehälter 26 und der Rückleitung 94 dient der Entleerung des Nasswäschers 24 nach Beendigung der Containment-Druckentlastung (Venting).
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Die Auslegung der maßgeblichen Systemkomponenten des Spül- und Rückspeisesystems 56 ist zum einen derart, dass der Förderdruck der Strahlpumpe 58 auf deren Druckseite ausreicht, um das mit dem Treibmittel vermischte, aktivitätsbeladene Spülmittel gegen den dort herrschenden Systemdruck in das Containment 4 zurück zu fördern. Zum anderen ist die dadurch bewirkte Druckerhöhung im Containment 4 klein gegenüber der Druckentlastung über die Druckentlastungsleitung 10, so dass tatsächlich netto eine signifikante Druckentlastung des Containments 4 erfolgt.
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Alternativ kann die Strahlpumpe 58 mit einem separaten Treibgas, insbesondere Stickstoff, betrieben werden, welches unter Druck stehend in einem entsprechenden Vorratsbehälter bereitgehalten wird.
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Anstelle einer Strahlpumpe 58 können auch andere Pumpentypen zur Rückförderung des mit Edelgasen beladenen Spülmediums in das Containment 4 verwendet werden. Vorzugsweise werden derartige Pumpen passiv durch die im Containment 4 enthaltene Nachzerfallswärme angetrieben.
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Bei der in 2 dargestellten Variante des Druckentlastungs- und Aktivitätsrückhaltesystems 2 ist im Unterschied zu der in 1 dargestellten Variante anstelle eines Nasswäschers 26 ein Trockenfilter 100, z. B. ein Sandbettfilter, in die Druckentlastungsleitung 10 geschaltet.
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Dadurch entfällt die aus 1 bekannte Möglichkeit, den Dampfkessel 62 für den als Treib- und Spülmittel wirksamen Wasserdampf 67 thermisch an den Waschflüssigkeitsbehälter 26 anzukoppeln.
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Stattdessen kann eine alternative Beheizung des Dampfkessels 62 durch die im Containment 4 vorhandene Nachzerfallswärme vorgesehen sein, wie schematisch durch den Doppelpfeil 102 angedeutet ist. Dazu können beispielsweise im Naturumlauf mit oder ohne Phasenübergang betriebene Konvektionskreisläufe durch die Sicherheitshülle 8 aus dem Containment 4 herausgeführt sein. Bei verhältnismäßig kleinen Temperarturdifferenzen zwischen Wärmequelle und Wärmesenke können auch Wärmepumpenkreisläufe zum Einsatz kommen, deren Förderpumpe vorzugsweise passiv durch die zur Verfügung stehenden Wärmequellen im Containment 4 angetrieben wird, gegebenenfalls auch über den Umweg anderer Energieformen (z. B. Druckluft, Elektrizität). Als Wärmequelle kommt in diesem Zusammenhang insbesondere der katalytische Rekombinator 14 innerhalb des Containments 4 und/oder der ihm nachgeschaltete Gaskühler 16 in Betracht.
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Anstelle von Wasserdampf kann für die Rückspülung der Adsorberkolonnen 44 beispielsweise Stickstoff (oder ein anderes Spülgas) verwendet werden, der einem Stickstoff-Druckbehälter entnommen wird.
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Zur Sicherstellung adäquater Betriebstemperaturen kann über die inhärente Beheizung durch das zur Edelgas-Adsorption hindurch geleitete Ventgas hinaus eine separate Beheizung der Adsorberkolonnen 44 vorgesehen sein.
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Eine in diesem Zusammenhang vorteilhafte rekuperative Beheizungsvariante, die mit den in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen kombinierbar ist, ist in 3 dargestellt. Hierbei wird das heiße Ventgas nach seinem Durchtritt durch die Sicherheitshülle 8 zunächst an den Adsorberkolonnen 44 vorbei geleitet und mit diesen zum Zweck der Wärmeübertragung in thermischen Kontakt gebracht, bevor es anschließend in der weiter oben beschriebenen Weise einen Trockenfilter 100 (alternativ einen Nasswäscher 24 wie in 1) durchläuft und schließlich in die Adsorberkolonnen 44 eintritt und dort mit den Adsorbensien wechselwirkt.
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Zu diesem Zweck kann die jeweilige Adsorberkolonne 44 beispielsweise einen Doppelmantel aufweisen, wobei der gut wärmeleitende innere Mantel den die Adsorbensien enthaltenden Strömungskanal für den im Trockenfilter 100 (alternativ im Nasswäscher 24) vorgereinigten Mitteldruck-Entlastungsstrom umschließt. Im Zwischenraum zwischen dem inneren Mantel und dem äußeren Mantel strömt der direkt aus dem Containment 4 kommende Hochdruck-Entlastungsstrom, vorzugsweise im Gegenstrom zum Mitteldruck-Entlastungsstrom, und gibt dabei einen Teil seines Wärmegehaltes nach Innen zur Beheizung des Adsorberbettes ab.
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Weiterhin kann ein passiver Wärmespeicher in die Adsorberkolonnen 44 integriert sein, etwa eine Wärmespeicherplatte oder dergleichen.
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Die verschiedenen im Zusammenhang mit 2 und 3 beschriebenen Abwandlungen des Grundkonzepts sind für sich genommen oder zusammen auch bei der Anlage gemäß 1 anwendbar.
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Anstelle von zwei parallel geschalteten Adsorberkolonnen 44 können in sinngemäßer Verallgemeinerung auch drei oder mehr Adsorberkolonnen 44 vorhanden sein, von denen zweckmäßigerweise während der Druckentlastung stets zumindest eine sich im Adsorptionsbetrieb befindet, während die verbleibenden Kolonnen sich im Spülbetrieb oder im Stand-By-Betrieb befinden können. Die Leitungsführung und die Ventilanordnung sind in diesem Fall entsprechend anzupassen.
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Zwar kommt das erfindungsgemäße Druckentlastungs- und Aktivitätsrückhaltesystem bevorzugt bei einem Kernkraftwerk mit einem von einer Sicherheitshülle umschlossenen Kernreaktor zum Einsatz, es sind aber auch andere Anwendungen möglich, etwa bei einem Forschungsreaktor oder bei einer Anlage zur Verarbeitung von Kernbrennstoff. Darüber hinaus ist auch eine Anwendung bei nichtnuklearen Industrieanlagen denkbar, bei denen innerhalb einer hermetisch abgeschlossenen Sicherheitshülle Gefahrstoffe verarbeitet werden, und bei denen in Unfallsituationen auslegungsüberschreitende Überdruckzustände auftreten können.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Druckentlastungs- und Aktivitätsrückhaltesystem
- 4
- Containment
- 6
- kerntechnische Anlage
- 8
- Sicherheitshülle
- 10
- Druckentlastungsleitung
- 12
- Einlassmündung
- 14
- Rekombinator
- 16
- Gaskühler
- 18
- Durchführung
- 20
- Absperrventil
- 22
- Wärmetauscher
- 24
- Nasswäscher
- 26
- Waschbehälter
- 28
- Waschflüssigkeit
- 30
- Venturidüse
- 32
- Flüssigkeitsspiegel
- 34
- Sammelraum
- 36
- Flüssigkeitsabscheider
- 38
- Drosselventil
- 40
- Kühlschlange
- 42
- Molekularsieb
- 44
- Adsorberkolonne
- 46
- 3-Wege-Ventil
- 48
- 3-Wege-Ventil
- 50
- Drosselventil
- 52
- Filter
- 54
- Kamin
- 56
- Spül- und Rückspeisesystem
- 58
- Strahlpumpe
- 60
- Wasser
- 62
- Dampfkessel
- 64
- Naturwälzschleife
- 66
- Zusatzheizung
- 67
- Wasserdampf
- 68
- Wasserspiegel
- 70
- Dampfpolster
- 72
- Absperrventil
- 74
- Dampfentnahmeleitung
- 76
- Zweigleitung
- 77
- Treibmittelanschluss
- 78
- Drosselventil
- 80
- Zweigleitung (Spülmittelzufuhrleitung)
- 82
- Verzweigung
- 84
- Absperrventil
- 86
- Absperrventil
- 88
- Vereinigung
- 90
- Spülmittelabfuhrleitung
- 92
- Sauganschluss
- 94
- Rückleitung
- 96
- Absperrventil
- 98
- Verbindungsleitung
- 100
- Trockenfilter
- 102
- Doppelpfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0285845 A1 [0027]
- EP 1658621 B1 [0027]
