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Die Erfindung betrifft ein Druckentlastungssystem für ein Kernkraftwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren zur Druckentlastung eines Kernkraftwerkes bei schweren Störfällen.
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Während eines schweren Störfalls können in der Schutzhülle (Containment) eines Kernreaktors, insbesondere eines Leichtwasserreaktors, große Mengen an luftgetragenen radioaktiven Stoffen (z. B. Partikel, Aerosole und Gase) erzeugt und freigesetzt werden. Ohne effektive Gegenmaßnahmen kann dies zu einem unzulässigen Überdruck mit einem Versagen der Schutzhülle und in Konsequenz zu einer unkontrollierten Freisetzung des mobilisierten radioaktiven Inventars führen.
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Um eine kontrollierte Druckentlastung bei gleichzeitiger Rückhaltung der luftgetragenen radioaktiven Stoffe zu ermöglichen, sind und werden Kernkraftwerke zunehmend mit sogenannten Containment-Druckentlastungssystemen mit integrierten Abscheidevorrichtungen (z. B. Aerosolfiltern, Wäschern, Sorbentien) aus- bzw. nachgerüstet (engl. Filtered Containment Venting). Ein derartiges System ist beispielsweise aus der
DE 103 28 774 B3 bekannt.
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Bei der Abscheidung von feinsten luftgetragenen Teilchen (Aerosolen) sowie gasförmigem Jod wird grundsätzlich in Nass- und Trockenverfahren unterschieden. Bei den Nassverfahren werden entsprechend konditionierte Waschflüssigkeiten – auch unterstützt durch eingetauchte Venturidüsen und/oder statische Mischer und dergleichen – eingesetzt. Ebenso sind verschiedene Reaktionsflüssigkeiten und deren Kombination zur Abscheidung von z. B. radioaktivem Jod möglich. Die Trockenverfahren werden beispielsweise mit Hilfe von Sandbettfiltern und dergleichen realisiert. Bisweilen werden auch Kombinationen von Nass- und Trockenverfahren eingesetzt.
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Während und nach dem Störfall akkumulieren sich in den verschiedenen Abscheideeinrichtungen große Mengen an radioaktiven Stoffen. Diese sind in der Regel wärmeerzeugend und führen aufgrund der Akkumulation zu einem erheblichen Energieeintrag in das Druckentlastungssystem. Die Nachzerfallsleistung der radioaktiven Aerosole und des Jods kann Werte zwischen einigen Kilowatt (> ca. 10 kW) bis hin zu ca. einem Megawatt für extreme Szenarien in Abhängigkeit vom Reaktortyp betragen.
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Insbesondere bei nassen Reinigungsstufen (z. B. Wäscher) kann dadurch die Wasch- bzw. Reaktionsflüssigkeit (in der Regel Wasser mit Zusatzstoffen) so stark erhitzt werden, dass die Waschflüssigkeit siedet und verdampft. Mit der Unterschreitung des Mindestfüllstandes reduziert sich die Rückhalterate und es kommt ggf. zu einer erhöhten Freisetzung von radioaktiven Stoffen in die Umgebung der Anlage, wenn keine Möglichkeit zur Nachspeisung von Waschflüssigkeit unter Unfallbedingungen rechtzeitig hergestellt werden kann.
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Bei den Trockenverfahren kann es je nach Szenario und Installationsort der Filtereinrichtung durchaus zu einer Überschreitung der Auslegungstemperatur aufgrund der zurückgehaltenen radioaktiven Stoffe in der Aerosolfiltrationsstufe bzw. der Rückhaltestufe für das gasförmige Jod kommen. Aus diesem Grund waren von der Reaktor-Sicherheitskommission (RSK) in Deutschland Trockenverfahren für Siedewasserreaktoren bislang nicht zugelassen worden.
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Dem geschilderten Problem kann in Bezug auf die Nassverfahren teilweise abgeholfen werden durch eine Auslegung des Wäschers für eine gewisse Autarkiezeit (Betriebszeit und Standby-Zeit nach Betrieb). Danach kann ein aktives Nachspeisen von Wasser bzw. Wasch-/Reaktionsflüssigkeit vorgesehen sein, um den Mindestfüllstand in dem Abscheidebehälter einzuhalten. Bei den Trockenverfahren musste der Nachzerfallsleistung bislang durch ausreichend bemessene Filterflächen begegnet werden, die die Wärmeabfuhr ohne Überschreitung der Auslegungsgrenzen sicherstellen können. Dies bedingt entsprechend groß dimensionierte und kostenintensive Anlagen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diesbezüglich Abhilfe zu schaffen und ein Druckentlastungssystem der eingangs genannten Art anzugeben, das bei kompaktem und einfach gehaltenem Aufbau eine zuverlässige Reinigung / Aktivitätsrückhaltung des Druckentlastungsstroms über einen vergleichsweise langen Zeitraum hinweg ermöglicht. Des Weiteren soll ein entsprechendes Verfahren zur Druckentlastung der Sicherheitshülle eines Kernkraftwerkes angegeben werden.
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In Bezug auf die Vorrichtung wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Druckentlastungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Ein wesentliches Element der Erfindung ist demnach verwirklicht durch einen ein Kühlmedium führenden, passiv durch Naturkonvektion angetriebenen Kühlkreislauf zur Abfuhr von Nachzerfallswärme aus der Reinigungseinheit, mit einem ersten Wärmetauscher, der thermisch an die Reinigungseinheit angekoppelt ist, und mit einem zweiten Wärmetauscher, der thermisch an eine kraftwerksinterne und/oder externe Wärmesenke angekoppelt ist.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist der Kühlkreislauf ein Zweiphasen-Kühlkreislauf, in dem das Kühlmedium während des Umlaufs seinen Aggregatzustand von flüssig nach gasförmig und wieder zurück wechselt.
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Mit anderen Worten: In und/oder an der Reinigungseinheit / Filtereinheit / Aktivitätsrückhalteeinheit wird eine Wärmetauscherfläche (Primärwärmetauscher) eingebracht bzw. thermisch angekoppelt, die von einem Kühlmedium (Wärmeträger) durchströmt wird, welches zweckmäßigerweise einen Siedepunkt oberhalb der Umgebungstemperatur und unterhalb der Siedetemperatur der Waschflüssigkeit (typischerweise ca. 100 °C bis 120 °C) oder der Auslegungstemperatur des Trockenfilters (typischerweise ca. 300 °C bis 500 °C) besitzt. Das Kühlmedium gibt seine Wärme über eine weitere Wärmetauscherfläche (Sekundärwärmetauscher) an eine Wärmesenke (z. B. Umgebung) ab. Die der Primärseite zugeführte Wärmeenergie bewirkt dort ein Verdampfen des Wärmeträgers. Dieser Dampf expandiert zur kalten Sekundärseite hin, kondensiert dort zu Flüssigkeit und gibt dabei Kondensationswärme an die Wärmesenke ab. Der nun wieder flüssige Wärmeträger wird dann durch die Einwirkung der Schwerkraft zum Ausgangspunkt zurück transportiert.
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Bei der Wärmesenke kann es sich beispielsweise um Außenluft, ein fließendes Gewässer, ein Reaktorbecken oder ein anderes Becken mit einem permanent vorhandenen Kühlmedium handeln.
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Der Antrieb durch Schwerkraft kann in vorteilhafter Ausgestaltung durch das Einbringen einer Kapillarstruktur in den Wärmeträger-Transportweg verstärkt werden. Das erneute Verdampfen des Wärmeträgers setzt den Kreislauf fort. Dieser Kreislauf aus Verdampfung und Kondensation wird allein durch den Temperaturunterschied der beiden Seiten, ohne zusätzlichen Antrieb in Gestalt von Pumpen, aufrechterhalten.
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Um ein unzulässiges Fluten durch Dampfkondensation und infolgedessen den Ausfall der Filterstufe und der Druckentlastungsfunktion zu verhindern, erfolgt vorzugsweise eine Regelung des Kühlkreislaufes über ein passiv wirkendes Regelorgan (z. B. ein hydraulisch wirkendes Schwimmerventil).
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In Bezug auf das Verfahren wird die weiter oben genannte Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 11.
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Die mit der Erfindung erzielten Wirkungen und Vorteile lassen sich zusammenfassend wie folgt charakterisieren:
Bei Containment-Druckentlastungssystem mit einer Nassreinigung des Druckentlastungsstroms (Ventstrom) erfolgt eine passive Kühlung der Waschflüssigkeit mittels der primären und der sekundären Wärmetauschereinrichtungen und mit einem zirkulierenden Wärmeträger, welcher zweckmäßigerweise einen Siedepunkt oberhalb der Umgebungstemperatur (das heißt > 30 °C, vorzugsweise > 50 °C) aber unterhalb der Siedetemperatur der Waschflüssigkeit / der Designtemperatur des Trockenfilters aufweist. Die passive Wärmeabfuhr eliminiert oder verringert das Erfordernis, Wasser nachzuspeisen. Unzulässige Freisetzungen von Aktivität in die Umgebung werden vermieden.
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Ähnliches gilt für Trockensysteme: Dort wird zweckmäßigerweise ein Wärmeträger verwendet, der einen Siedepunkt unterhalb der Auslegungstemperatur des Trockenfilters besitzt.
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Passivität wird durch die Nutzung der Temperaturdifferenz zwischen der Auslegungstemperatur von Nass- bzw. Trockenreinigungsstufe einerseits und Wärmesenke andererseits erreicht. Die Wärmetransportkapazität des Kühlkreislaufs wird durch die Phasenwechsel des Wärmeträgers gegenüber einem einphasigen Kreislauf (reine Thermosiphonanlage) verbessert.
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Im Störfall müssen im Vergleich zu bisherigen Lösungen lange keine aktiven Maßnahmen ergriffen werden, um Verluste von Wasch- bzw. Reaktionsflüssigkeit oder den Ausfall von Trockenfiltern auszugleichen. Es sind also längere Reaktionszeiten für das Betriebspersonal ermöglicht. Eine dauernde, inhärente, passive Sicherheit des Containment-Schutzsystems während eines Störfalls wird gewährleistet.
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Eine kompaktere (kleinere) Ausführung des Containment-Druckentlastungssystems als bislang ermöglicht die Installation in Kernreaktoren mit beengten Platzverhältnissen bzw. geringem Angebot an Installationsraum.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen sowie aus der Figurenbeschreibung hervor.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die einzige Figur ein Kernkraftwerk mit einer Sicherheitshülle, an die ein Druckentlastungssystem für eine gefilterte Druckentlastung angeschlossen ist.
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Das in der Figur schematisch dargestellte Kernkraftwerk 2 weist einen Siedewasserreaktor auf, der von einer auch als Containment bezeichneten, hermetisch gegenüber der Umgebung abgedichteten Sicherheitshülle 4 aus Stahl und/oder Beton umgeben ist. Die erfindungsgemäße Lehre kann aber auch bei einem Druckwasserreaktor mit einer entsprechenden Sicherheitshülle verwirklicht sein.
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Um bei schweren Störfällen mit Überdruckzuständen innerhalb der Sicherheitshülle 4 nicht deren Integrität zu gefährden, ist eine bedarfsweise aktivierbare gefilterte Druckentlastung mit Hilfe eines Druckentlastungssystems 6 als Bestandteil eines Containment-Schutzsystems vorgesehen.
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Das Druckentlastungssystem 6 weist zu diesem Zweck eine eintrittsseitig an die Sicherheitshülle 4 angeschlossene und austrittsseitig, hier beispielhaft über einen Kamin oder einen Kühlturm 8, in die Umgebung geführte Druckentlastungsleitung 10 auf, die während des Normalbetriebs des Kernkraftwerks 4 durch eine Absperrarmatur 12 verschlossen ist. Im Druckentlastungsbetrieb während eines schweren Störfalls wird die Absperrarmatur 12 geöffnet, so dass sich ein auch als Ventstrom bezeichneter Druckentlastungsstrom vom Inneren der Sicherheitshülle 4 zur äußeren Umgebung einstellt und die gewünschte Druckentlastung der Sicherheitshülle 4 bewirkt.
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Um die Umwelt bei einem derartigen Ventvorgang nicht in unzulässiger Weise mit Radionukliden zu belasten, die bei einem schweren Störfall insbesondere in Gestalt von Aerosolen, Jod und Jodverbindungen sowie Edelgasen im Inneren der Sicherheitshülle 4 vorhanden sind und vom Druckentlastungsstrom mitgeführt werden, ist eine Reinigung / Filterung / Aktivitätsrückhaltung des Druckentlastungsstroms durch mindestens eine in die Druckentlastungsleitung 10 geschaltete Reinigungseinheit 14 vorgesehen.
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Im vorliegenden Fall umfasst die außerhalb der Sicherheitshülle
4 aufgestellte Reinigungseinheit
14 einen bis zu einem Auslegungsfüllstand mit einer Waschflüssigkeit
16 gefüllten Nasswäscher
18, etwa vom Typ Venturiwäscher wie z. B. in der
DE 103 28 774 B3 beschrieben. Der über eine Düse
20 in die Waschflüssigkeit
16 geleitete Druckentlastungsstrom wechselwirkt mit selbiger in einer Weise, dass ein wesentlicher Teil der mitgeführten Aktivitäten in der Waschflüssigkeit
16 verbleibt, während die gereinigten Gasanteile sich oberhalb des Waschflüssigkeitspegels sammeln, von dort aus in den stromabwärtigen Abschnitt der Druckentlastungsleitung
10 strömen und schließlich in die Umgebung entlassen werden.
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Sofern kein fortwährender oder zumindest gelegentlicher Austausch der Waschflüssigkeit 16 in dem Nasswäscher 18 möglich ist, etwa durch Rückspeisung von aktivitätsbeladener Waschflüssigkeit 16 in das Containment und durch Zuspeisung von frischer Waschflüssigkeit 16 aus einem Vorratsbehälter, kommt es während des Ventbetriebs zu einer Akkumulation von Radionukliden in dem Nasswäscher 18 und infolgedessen zu einem erheblichen Eintrag von Nachzerfallswärme. Dies wiederum kann zu einer partiellen oder vollständigen Verdampfung der Waschflüssigkeit 16 führen mit der Folge, dass der Nasswäscher 18 „trocken läuft“ und die bestimmungsgemäße Reinigungs- bzw. Filterfunktion in Bezug auf den Druckentlastungsstrom nicht mehr erfüllen kann.
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Zur Vermeidung einer derartigen Situation ist bei dem Druckentlastungssystem 6 ein geschlossener Kühlkreislauf 22 vorgesehen, der überschüssige Wärme aus der Reinigungseinheit 14 abführt und zu einer externen Wärmesenke 24 transportiert. Es handelt sich dabei um einen passiven Kühlkreislauf 22 nach dem Naturkonvektionsprinzip mit einem ersten Wärmetauscher 26 (Primärwärmetauscher), der thermisch an die als Wärmequelle wirksame Reinigungseinheit 14 angekoppelt ist, mit einem zweiten Wärmetauscher 28 (Sekundärwärmetauscher), der thermisch an die Wärmesenke 24 angekoppelt ist, und mit dazwischen liegenden, vorzugsweise mit einer thermischen Isolierung versehenen Verbindungsleitungen 30. Das in dem Kühlkreislauf 22 geführte Kühlmedium besitzt einen Siedepunkt, der über der Umgebungstemperatur liegt, bei der die Reinigungseinheit 14 im Druckentlastungsbetrieb bestimmungsgemäß arbeitet, und der (vorzugsweise knapp) unterhalb der Siedetemperatur der Waschflüssigkeit 16 liegt. Damit wirkt der erste Wärmetauscher 26 als Verdampfer für das Kühlmedium, sobald sich sich die Temperatur der Waschflüssigkeit 16 der kritischen Siedetemperatur nähert, während der zweite Wärmetauscher 28 als Kondensator für das in der Dampfphase befindliche Kühlmedium wirkt. Angetrieben wird der Kühlkreislauf 22 ausschließlich durch die intrinsischen thermodynamischen Verhältnisse in Kombination mit einer auf die Schwerkraftzirkulation abgestimmten und sie unterstützenden Leitungsführung (welche aus der Figur nicht im Einzelnen hervorgeht). Aktive Pumpen sind demnach nicht vorgesehen.
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Zur Regelung des Durchflusses von Kühlmedium durch den Kühlkreislauf 22 ist ein Regelventil 32 vorgesehen, das auf passive Weise mit Hilfe eines Schwimmers 34 in Abhängigkeit vom Füllstand der Waschflüssigkeit 16 in dem Nasswäscher 18 angesteuert wird (Schwimmerventil). Dadurch wird verhindert, dass ein frühzeitiges Einsetzen des Kühlkreislaufs 22 zu einer unzulässigen Flutung des Nasswäschers 18 durch überhöhte Kondensation von Dampfbestandteilen des Druckentlastungsstroms führt.
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Die Wärmesenke 24 kann beispielsweise durch Umgebungsluft, durch Grundwasser, ein Brennelement-Becken, einen Kühlturm oder auf vielfältige andere Weise realisiert sein.
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Der primäre Wärmetauscher 26 ist beispielsweise wie in der Figur dargestellt innerhalb des Nasswäschers 18 angeordnet / integriert und taucht direkt in die Wasch-/Reaktionsflüssigkeit ein. Alternativ ist eine Ausführung als Mantel um den oder die Wasch-/Reaktionsbehälter möglich (Mantelwärmetauscher).
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In einer hier nicht dargestellten Variante kann die Reinigungseinheit 14 durch einen Trockenfilter, etwa von Typ Sandbettfilter oder Aktivkohlefilter, realisiert sein. In diesem Fall wird der primäre Wärmetauscher 26 des Kühlkreislaufs 22 direkt oder indirekt an den Trockenfilter thermisch angekoppelt, um dessen Überhitzung und Zerstörung zu verhindern. Dabei ist die Siedetemperatur des zirkulierenden Kühlmediums so gewählt, dass sie unterhalb der maximal zulässigen Betriebstemperatur des Trockenfilters liegt.
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Selbstverständlich kann die Reinigungs-/Filterstrecke in der Druckentlastungsleitung 10 auch Kombinationen von Nass- und Trockenfiltern enthalten. Jede einzelne der Reinigungseinheiten 14 kann dann an einen eigenen Kühlkreislauf 22 der beschriebenen Art angekoppelt sein, oder es kann einen gemeinsamen Kühlkreislauf 22 für mehrere der Reinigungseinheiten 14 geben.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kernkraftwerk
- 4
- Sicherheitshülle
- 6
- Druckentlastungssystem
- 8
- Kühlturm
- 10
- Druckentlastungsleitung
- 12
- Absperrarmatur
- 14
- Reinigungseinheit
- 16
- Waschflüssigkeit
- 18
- Nasswäscher
- 20
- Düse
- 22
- Kühlkreislauf
- 24
- Wärmesenke
- 26
- primärer Wärmetauscher
- 28
- sekundärer Wärmetauscher
- 30
- Verbindungsleitung
- 32
- Regelventil
- 34
- Schwimmer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10328774 B3 [0003, 0029]
