DE10303299A1

DE10303299A1 - Schutzsystem, insbesondere für den Primärkreislauf einer kerntechnischen Anlage, und Verfahren zum Betreiben einer kerntechnischen Anlage

Info

Publication number: DE10303299A1
Application number: DE10303299A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Ing. Eckardt; Dieter Dipl.-Ing.(FH) Groha; Doris Dipl.-Ing. Pasler
Original assignee: Framatome ANP GmbH
Current assignee: Areva GmbH
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2004-08-19
Also published as: WO2004068504A1

Abstract

Ein Schutzsystem (1) für den Primärkreislauf (2) einer kerntechnischen Anlage soll für eine besondere betriebliche Sicherheit im Primärkreislauf (2) der kerntechnischen Anlage auch bei variierenden Betriebsbedingungen ausgelegt sein. Dazu ist erfindungsgemäß eine Mehrzahl von jeweils in einem Leitungselement (4, 8) des Primärkreislaufs (2) angeordneten katalytischen Elementen (10) vorgesehen, denen jeweils ein Temperatursensor (12) zugeordnet ist, wobei die Temperatursensoren (12) mit einer gemeinsamen Auswerteeinheit (18) verbunden sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schutzsystem für den Primärkreislauf einer kerntechnischen Anlage sowie auf einen mit einem derartigen Schutzsystem ausgerüsteten Primärkreislauf. Sie betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben einer kerntechnischen Anlage mit einem derartigen Primärkreislauf.
In einer kerntechnischen Anlage, insbesondere in einer Siedewasser-Reaktoranlage, kann im Bereich des Reaktorkerns eine radiolytische Zersetzung von Wasser in Radiolysegas (H₂) und Sauerstoffgas (O₂) auftreten. Das solchermaßen erzeugte sogenannte Radiolysegas kann anschließend mit dem im Reaktorkern erzeugten Frischdampf in den Hauptkreislauf oder Primärkreislauf der kerntechnischen Anlage ausgetragen werden, wo es gemeinsam mit dem dort geführten Strömungsmedium zirkuliert.
Die dabei üblicherweise auftretenden Wasserstoff- und/oder Sauerstoffkonzentrationen im Frischdampf sind bei üblichen Betriebszuständen der kerntechnischen Anlage vergleichsweise niedrig und betragen beispielsweise etwa einige ppm. In den regelmäßig durchströmten Hauptleitungen des Primärkreislaufs sind derartige Konzentrationen unkritisch und können in der Regel nicht zu einer nennenswerten Gefährdung der betrieblichen Sicherheit der kerntechnischen Anlage führen. Allerdings könnte in nicht regelmäßig durchströmten Bereichen des Primärkreislaufs und/oder bei besonderer Betriebsweise der kerntechnischen Anlage lokal eine Kondensation des Dampfs erfolgen, die im verbleibenden gasförmigen Medium mittelfristig in einer Aufkonzentration der Radiolysegase resultieren könnte.
In diesen Fällen könnte es lokal zur Bildung explosiver Gasgemische innerhalb des Primärkreislaufs der kerntechnischen Anlage kommen. Zur Vermeidung einer Gefährdung der betrieblichen Sicherheit der kerntechnischen Anlage durch die Bildung derartiger Gasgemische insbesondere in nicht regelmäßig durchströmten Zweigleitungen des Primärkreislaufs, wie beispielsweise der Reaktordeckelsprühleitung oder der Zudampfleitung des Hochdruckeinspeisesystems, sind daher geeignete Gegenmaßnahmen wünschenswert, wobei allerdings eine unnötige Einleitung von Gegenmaßnahmen möglichst vermieden werden sollte.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schutzsystem für den Primärkreislauf einer kerntechnischen Anlage anzugeben, mit dem eine besonders hohe betriebliche Sicherheit im Primärkreislauf der kerntechnischen Anlage auch bei variierenden Betriebsbedingungen gewährleistet ist. Des Weiteren soll ein Verfahren zum Betreiben einer kerntechnischen Anlage angegeben werden, mit dem auch bei variierenden Betriebsbedingungen im Primärkreislauf eine besonders hohe betriebliche Sicherheit gewährleistet ist.
Bezüglich des Schutzsystems für den Primärkreislauf der kerntechnischen Anlage wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit einer Mehrzahl von jeweils in einem Leitungselement des Primärkreislaufs angeordneten katalytischen Elementen, denen jeweils ein Temperatursensor zugeordnet ist, wobei die Temperatursensoren mit einer gemeinsamen Auswerteeinheit verbunden sind. Die katalytischen Elemente sind dabei insbesondere für einen Abbau von Radiolysegasen, beispielsweise durch katalytische Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser ausgelegt.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass für eine besonders hohe betriebliche Sicherheit im Primärkreislauf der kerntechnischen Anlage die Bildung möglicherweise explosiver Gasgemische konsequent unterdrückt werden sollte. Das Schutzsystem sollte daher derart ausgestaltet sein, dass auch in denjenigen Bereichen oder Zweigleitungen des Primärkreislaufs, die nicht regelmäßig vom Strömungsmedium durchströmt sind, eine Anreicherung von Radiolysegas im Fall der Auskondensation von Dampf konsequent vermieden werden kann. Zu diesem Zweck kommt grundsätzlich der Einsatz sogenannter katalytischer Elemente in verschiedenartigen Zweigleitungen oder Leitungselementen des Primärkreislaufs in Betracht, wobei das jeweilige katalytische Element eine frühzeitige und weitgehende Umsetzung möglicherweise vorhandenen Radiolysegases mit Sauerstoffgas zu Wasser in der Art einer Rekombinationsreaktion gewährleistet.
Um aber über derartige, passive Maßnahmen hinausgehend eine besonders hohe betriebliche Sicherheit zu gewährleisten, sollten zudem Maßnahmen vorgesehen sein, mit denen verschiedenartige Zweigleitungen oder Leitungselemente des Primärkreislaufs auf einfache und zuverlässige Weise auf das mögliche Vorhandensein oder eine gerade stattfindende Aufkonzentration von Radiolysegas hin überwachbar sind. Als ein besonders geeignetes Mittel hierzu ist vorgesehen, das Temperaturverhalten der jeweiligen katalytischen Elemente gezielt zu überwachen und auszuwerten. Falls sich nämlich in der unmittelbaren räumlichen Umgebung des jeweiligen katalytischen Elements Wasserstoff anzusammeln beginnt, so tritt aufgrund der durch das jeweilige katalytische Element begünstigten Reduktionsreaktion eine lokale Aufheizung des jeweiligen katalytischen Elements ein.
Die Temperaturerhöhung am eigentlichen katalytischen Element könnte bei früher Einleitung von Gegenmaßnahmen vergleichsweise gering sein. Um nach erfolgter H₂-O₂-Reaktion eine besonders zuverlässige Diagnose zu ermöglichen, kann daher vorzugsweise die sich erhöhende Systemtemperatur im jeweiligen Systemabschnitt oder Leitungselement als Überwachungskriterium herangezogen werden. Der dem jeweiligen katalytischen Element zugeordnete Temperatursensor ist somit vorteilhafterweise innerhalb des jeweiligen Leitungselements angeordnet. Die Überwachung des Temperaturverhaltens der katalytischen Elemente und/oder der Systemtemperatur ermöglicht somit, die eigentlich passive Schutzmaßnahme gegen die Bildung explosiver Gasgemische noch durch Diagnosemittel zu ergänzen, mit denen der Primärkreislauf auf besonders einfache Weise auf das Auftreten explosiver Gasgemische hin überwachbar ist. Die dabei erhaltenen Messwerte sollten für eine besonders wirksame Koordination von Gegenmaßnahmen zentral ausgewertet werden.
Zweckmäßigerweise werden die in der gemeinsamen Auswerteeinheit empfangenen Betriebsdaten der katalytischen Elemente als Grundlage für die bedarfsweise Einleitung gezielter Gegenmaßnahmen genutzt. Dazu ist die Auswerteeinheit vorteilhafterweise datenausgangsseitig mit Mitteln zum Einleiten von Schutzmaßnahmen verbunden. Dabei kann es sich beispielsweise um Anzeige- oder Warneinrichtungen handeln, die das Betriebspersonal auf einen sich möglicherweise anbahnenden Störfall oder ein Gefährdungspotential hinweisen, so dass das Betriebspersonal gezielte Gegenmaßnahmen, wie beispielsweise die Flutung oder Spülung einer betroffenen Zweigleitung, vornehmen kann. Alternativ kann aber auch eine direkte, automatisierte Einleitung von geeigneten Gegenmaßnahmen vorgesehen sein, wobei die Auswerteeinheit beispielsweise mit geeigneten Stelleinrichtungen oder Stellwertgebern zur gezielten Beeinflussung von ausgewählten Betriebskomponenten des Primärkreislaufs verbunden sein kann.
Für eine besonders hohe betriebliche Sicherheit auch bei variierenden Betriebsbedingungen ist das Schutzsystem vorteilhafterweise für eine gezielte Diagnose und Auswertung der ermittelten Temperaturkenndaten auch bei variierenden Betriebsparametern innerhalb des Primärkreislaufs ausgelegt. Dabei wird vorzugsweise berücksichtigt, dass bei variierenden Betriebsparametern im Primärkühlkreislauf, wie beispielsweise bei variierendem Betriebsdruck oder variierender Betriebstemperatur, unterschiedliche Temperatur-Erwartungswerte für die einzelnen katalytischen Elemente auftreten können, so dass bei einsetzender katalytischer Aktivität des jeweiligen katalytischen Elements mit betriebsparameterabhängigen lokalen Temperaturvariationen zu rechnen ist. Um auch unter diesen Bedingungen eine zuverlässige Diagnose und Auswertung zu ermöglichen, ist die Auswerteeinheit des Schutzsystems vorteilhafterweise mit einem Speichermodul versehen, in dem eine Anzahl von Referenztemperaturkennwerten hinterlegt ist. Dabei kann insbesondere für jedes katalytische Element jeweils eine große Vielzahl von Referenztemperaturkennwerten für eine große Vielzahl von Betriebsparametern im Primärkreislauf oder auch in Abhängigkeit von standardisierten betrieblichen Situationen hinterlegt sein.
In besonderem Maße hängt der erwartete Temperaturkennwert des jeweiligen katalytischen Elements vom aktuellen Nennlastzustand und den resultierenden Druck- und Temperaturbedingungen der kerntechnischen Anlage und/oder von aktuellen Lastwechseln ab. Aufgrund hierfür charakteristischer Parameter ist somit auf besonders einfache Weise durch zentrale Betriebsparameter für sämtliche im Primärkreislauf vorgesehenen katalytischen Elemente ein grober Erwartungswert für deren aktuelle Temperaturwerte ableitbar. Um auf dieser Grundlage auf besonders einfache Weise eine Berücksichtigung des Anlagenzustands bei der Diagnose und Auswertung der ermittelten Temperaturkennwerte zu ermöglichen, ist die Auswerteeinheit vorteilhafterweise eingangsseitig mit einem Referenzsensor zu Ermittlung von für den Betriebszustand der kerntechnischen Anlage relevanten Referenzdaten verbunden. Der Referenzsensor ist dabei vorzugsweise im Reaktordruckbehälter der kerntechnischen Anlage angeordnet.
Zur Sicherstellung einer besonders hohen betrieblichen Sicherheit ist im Schutzsystem die Kombination aus passiven Gegenmaßnahmen gegen die Bildung explosiver Gasgemische durch die katalytischen Elemente als solche mit einer Diagnose- und Auswertmöglichkeit durch die Überwachung der Temperaturen der katalytischen Elemente in besonders vorteilhafter Weiterbildung noch durch Mittel für aktive, in besonderem Maße lokal wirkende Gegenmaßnahmen gegen die unerwünschte Aufkonzentrierung von Radiolysegasen ergänzt. Um derartige Gegenmaßnahmen auf besonders einfache Weise bereitzustellen, sind die katalytischen Elemente vorteilhafterweise beheizbar ausgebildet, wobei zweckmäßigerweise dem oder jedem katalytischen Element jeweils eine Heizeinrichtung zugeordnet ist.
Durch eine gezielte Beheizung einzelner oder aller katalytischen Elemente ist dabei einerseits lokal und bedarfsgerecht die Rekombinations- oder Umsetzungsrate am jeweiligen katalytischen Element einstellbar, so dass eventuell lokal vorhandenes Radiolysegas besonders wirksam abgebaut werden kann. Zusätzlich ist durch eine gezielte Beheizung aber auch in der Art einer Reinigung die gezielte und bedarfsgerechte Entfernung eventueller Verunreinigungen oder Niederschläge des jeweiligen katalytischen Elements möglich, so dass eine Behinderung des lokalen katalytischen Rekombinationsprozesses durch möglicherweise vorhandene Verunreinigungen völlig vermieden oder zumindest minimiert werden kann.
Die Heizeinrichtungen sind dabei vorteilhafterweise mit einer gemeinsamen Steuereinheit verbunden, die jedem Heizelement in Abhängigkeit vom lokal ermittelten Bedarf ein angepasstes Steuersignal zuführt. Die Steuereinheit wirkt dabei zweckmäßigerweise mit der Auswerteeinheit zusammen.
Beim Einsatz der katalytischen Elemente ist aufgrund der exothermen Rekombinationsreaktion mit einer lokalen Temperaturerhöhung beim katalytischen Abbau des Radiolysegases zu rechnen. Da diese lokale Temperaturerhöhung von der Umsetzungsrate des abzubauenden Radiolysegases und somit von der lokal vorhandenen Gasmenge abhängt, sind die katalytischen Elemente für eine besonders hohe betriebliche Sicherheit vorteilhafterweise derart ausgelegt, dass auch bei vergleichsweise hohen lokal auftretenden Radiolysegasmengen bestimmte Temperaturgrenzwerte und insbesondere die Zündtemperatur für den Wasserstoff nicht überschritten wird. Dies ist auf vergleichsweise einfache Weise erreichbar, indem das oder jedes katalytische Element vorteilhafterweise jeweils einen Katalysatorkörperumfasst, der zum Strömungsraum des jeweiligen Leitungselements hin von einem Diffusionselement ummantelt ist.
Das Diffusionselement, das beispielsweise als poröser Körper oder porös ausgestaltete Schutzschicht ausgebildet sein kann, gewährleistet dabei aufgrund seiner porösen Struktur, dass in jedem Fall eine gewisse Gasmenge vom Innenraum des jeweiligen Leitungselements hin zum Katalysatorkörper vordringen kann und dort umgesetzt wird. Andererseits beschränkt das Diffusionselement auch bei vergleichsweise hohen Gasmengen im Innenraum des Leitungselements den Zustrom an umzusetzenden Gasen zum eigentlichen Katalysatorkörper, so dass die Umsetzungsrate und damit die sich lokal einstellende Temperatur unterhalb eines gewünschten Grenzwerts gehalten werden kann. Insbesondere durch eine Poren- oder Spaltgröße von weniger als 0,5 mm, vorzugsweise weniger als 0,1 mm, kann dabei eine Zündung von reaktionsfähigen Gemischen in der direkten Umgebung des Katalysatorkörpers sicher vermieden werden, wobei das Diffusionselement in weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung hinsichtlich seiner Dicke derart dimensioniert ist, dass die am Katalysatorkörper auslegungsbedingt infolge der von ihm ausgelösten Reaktion eintretende lokale Temperaturerhöhung einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet.
Die Dimensionierung ist dabei zweckmäßigerweise insbesondere derart vorgenommen, dass die infolge der katalytischen Rekombinationsreaktion auftretende Temperaturerhöhung in jedem Fall auf maximal 200 °Kelvin, vorzugsweise auf maximal etwa 100 °Kelvin, begrenzt ist. Dabei ist insbesondere der Erkenntnis Rechnung getragen, dass die untere Zündgrenze möglicherweise explosiver Wasserstoff-Sauerstoff-Gemische bei etwa 550 °C liegt, die jedoch bei den im Primärkreislauf herrschenden höheren Frischdampftemperaturen von etwa 285 °C noch etwas tiefer liegen kann, so dass in jedem Fall am jeweiligen katalytischen Element für dessen Oberflächentemperatur ein ausreichender Sicherheitsabstand zur möglichen Zündtemperatur eingehalten ist. Durch das Diffusionselement ist zudem auch sichergestellt, dass ein Austrag von katalytischem Material aus dem jeweiligen katalytischen Element in den Primärkreislauf nicht eintreten kann. In diesem Sinne wirkt das Diffusionselement als Rückhalte- oder Fangeinrichtung für das katalytische Material.
Die Einrichtung ist weiterhin vorteilhaft so ausgelegt oder kann so betrieben werden, daß im Diffusionselement im ungeheizten Zustand, unter den dann durch die Wärmeableitung zur Umgebung vorliegenden kondensierenden Bedingungen, eine gezielte Wasserdampfkondensation in den Poren des Diffusionkörpers erfolgt und somit die Gasdiffusion zum katalytischen Element unterbrochen werden kann. Dies führt bei der Ansammlung von Radiolysegasen in den betreffenden Rohrabschnitten zu einer leichten Temperaturabsenkung, die über die Temperaturüberwachung registriert wird. Bei Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes, oder zyklisch gesteuert, erfolgt die Aktivierung der Beheizung der Einrichtung. Durch die äußere Beheizung und Wärmetransport über einen Leitkörper erfolgt das Austreiben des Kondensates, und die Gasdiffusionseinrichtung wird somit wieder durchlässig für die Radiolysegase. Nach Diffusion der Radiolysegase erfolgt nun am Katalysator die Rekombination zu Wasserdampf. Nach erfolgtem Radiolysegasabbau wird in den betreffenden Rohrabschnitten ein Anstieg der Temperatur erreicht.
Diese Betriebsweise hat weiterhin den Vorteil, daß Bereiche, in denen sich Radiolysegase ansammeln, registriert und gezielt hinsichtlich der Enstehungsraten bewertet werden können. Die Bewertung kann hierbei mittels der Auswerteeinheit automatisch durchgeführt werden, wobei die Zeit-Temperaturverläufe mit den gespeicherten Werten automatisch verglichen und Abweichungen von den vorausberechneten Werten gemeldet werden. Mit diesem Anlagenbetriebsüberwachungssystem sind betriebsbegleitend ständig Aussagen zum sicheren Systembetrieb der Anlage möglich.
Weiterhin wird durch die gezielte Beheizung und die damit verbundene Freigabe der Gasdiffusionseinrichtung der definierte Start der katalytischen Reaktion unter repräsentativen Betriebsbedingungen möglich. Durch diese Betriebsweise wird ein In-situ-Funktionsnachweis für die katalytische Einrichtung ermöglicht. Hierdurch kann ein gezielter Nachweis über die Wirksamkeit der jeweiligen Einrichtung wiederholt erbracht werden, insbesondere auch in den sicherheitstechnisch relevanten Bereichen, in denen z. B. ein Bruchausschluß, sichere Funktion, etc. zu gewährleisten ist. Durch die hohe nachgewiesene Zuverlässigkeit der Gegenmaßnahme wird ein entscheidender Beitrag zur Erhöhung der Betriebssicherheit der Gesamtanlage erbracht.
Je nach Betriebszustand der kerntechnischen Anlage und abhängig von den lokalen Begebenheiten an der jeweiligen Stelle des Primärkreislaufs ist es denkbar, dass lokal Radiolysegas auftreten kann, ohne dass in gleichem Maße Sauerstoff zur Verfügung steht. In diesem Fall wäre eine katalytische Entfernung des Radiolysegases nicht ohne Weiteres möglich, da nicht ausreichend Sauerstoff zur Durchführung der katalytischen Rekombinationsreaktion vorhanden ist. Um auch in derartigen Fällen eine zuverlässige Entfernung des Radiolysegases aus dem Primärkreislauf zu gewährleisten, umfasst das Schutzsystem in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ein Einspeisemodul. Das Einspeisemodul kann zur Enspeisung eines Spülmediums wie beispielsweise Spüldampf vorgesehen sein. Vorteilhafterweise ist das Einspeisemodul zur bedarfsweisen Freisetzung und Einspeisung von Sauerstoff in den Primärkreislauf ausgelegt.
Vorteilhafterweise wird das Schutzsystem im Primärkreislauf einer kerntechnischen Anlage verwendet. Der Primärkreislauf umfasst dabei eine Mehrzahl von zur Führung eines Strömungsmediums vorgesehenen Leitungskomponenten, wobei die Bestückung der Leitungskomponenten oder einzelner Leitungselemente des Primärkreislaufs im Hinblick auf einen großflächigen und zuverlässigen Abbau eventuell vorhandener Radiolysegase ausgelegt ist. In vorteilhafter Weiterbildung ist dabei insbesondere dem Umstand Rechnung getragen, dass eine unerwünschte Aufkonzentration von Radiolysegas infolge einer Auskondensation von Dampf aufgrund des geringen spezifischen Gewichts von Radiolysegas insbesondere in vergleichsweise hoch gelegenen, nicht kontinuierlich durchströmten Rohrleitungssegmenten auftreten kann. In vorteilhafter Weiterbildung ist daher eine Anzahl der Leitungselemente des Primärkreislaufs, die mit katalytischen Elementen bestückt sind, jeweils als Steigleitungselemente ausgebildet, die insbesondere ein Gefälle von beispielsweise mehr als 1 % aufweisen.
Bezüglich des Verfahrens zum Betreibens einer kerntechnischen Anlage mit einem derartig ausgerüsteten Primärkreislauf wird die genannte Aufgabe gelöst, indem die von den Temperatursensoren gelieferten Messwerte mit anhand von Referenzmessungen gewonnenen Referenzwerten verglichen werden, wobei bei einer Abweichung eines Messwerts vom ihm zugeordneten Referenzwert eine Gegenmaßnahme eingeleitet wird.
Dabei kann insbesondere berücksichtigt werden, dass anhand von Erfahrungswerten für jedes der katalytischen Elemente abhängig vom aktuellen Betriebszustand der kerntechnischen Anlage ein jeweils erwartetes Temperaturverhalten vorgegeben werden kann. Das erwartete Temperaturverhalten, das insbesondere von den Betriebsparametern des Strömungsmediums im zugeordneten Leitungselement unter den aktuellen Betriebsbedingungen abhängt, und das beispielsweise aufgrund von Referenz- oder Eichmessungen ermittelt werden kann, kann beispielsweise in Form von Kennlinien für eine Vielzahl von Betriebszuständen oder Betriebsparametern auf dem Speichermodul hinterlegt sein.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung wird in dem Fall, dass die Notwendigkeit eines Eingriffs in den Primärkreislauf zur Beseitigung von Radiolysegasen festgestellt wird, eine lokal wirkende Gegenmaßnahme unter Nutzung des als betroffen erkannten katalytischen Elements vorgenommen. Dazu wird vorteilhafterweise dasjenige katalytische Element, für dessen Messwert die Abweichung vom erwarteten Temperaturwert festgestellt wurde, beheizt.
Vorteilhafterweise wird bei der Auswertung der für die katalytischen Elemente festgestellten Temperaturwerte der aktuelle Betriebszustand der kerntechnischen Anlage in besonderem Maße berücksichtigt. Dazu wird der für den Vergleich mit einem Messwert herangezogene Referenzwert vorteilhafterweise anhand eines oder mehrerer von Referenzsensoren gelieferten Messwerten ausgewählt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Kombination einer passiven Gegenmaßnahme gegen die Bildung explosiver Gasgemische durch Radiolysegase, nämlich durch die Verwendung der im Primärkreislauf verteilt angeordneten katalytischen Elemente, mit Mitteln zur Diagnose und Auswertung, nämlich der Temperaturüberwachung der katalytischen Elemente, auf besonders einfache Weise ein bedarfsgerechte und wirkungsvolle Einleitung von Gegenmaßnahmen gegen die Bildung explosiver Gasgemische ermöglicht ist. Unter gezielter Nutzung der Erkenntnis, dass die bei Anwesenheit von unerwünschtem Radiolysegas einsetzende katalytische Rekombinationsreaktion zu einer lokalen Temperaturerhöhung des jeweiligen katalytischen Elements beiträgt, ist auch unter variierenden Betriebsbedingungen oder Anlagenzuständen ein zuverlässiger Rückschluss auf sich möglicherweise anbahnende gefährdungsrelevante Situationen möglich.
Durch die Hinterlegung einer Vielzahl von abhängig vom jeweiligen Anlagenzustand ermittelten Referenzkennlinien oder -kennwerten ist die Diagnose und auch die bedarfsgerechte Einleitung von Gegenmaßnahmen mit besonders hoher Zuverlässigkeit an den jeweiligen Anlagenzustand anpassbar. Darüber hinaus ist bei einem derartigen System in geeigneten Situationen, beispielsweise während eines Anlagenstillstands zu Revisions- oder Wartungszwecken, mit nur geringem Aufwand durch gezielte lokale Einleitung eines wasserstoffhaltigen Gasgemischs eine Funktionsüberprüfung des Schutzsystems im eingebauten Zustand möglich, so dass gerade im üblicherweise genehmigungspflichtigen sicherheitsrelevanten Bereich einer kerntechnischen Anlage die zuverlässige Funktionsfähigkeit des Schutzsystems besonders nachhaltig nachgewiesen werden kann. Das Schutzsystem ist zudem in besonderem Maße für integrierte Wiederholungsprüfzyklen und für eine Vermeidung von Katalysatorabrieb geeignet, so dass eine besonders hohe betriebliche Zuverlässigkeit gewährleistet ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 schematisch ein Schutzsystem für den Primärkreislauf einer kerntechnischen Anlage und
2, 3 jeweils ein Ausführungsbeispiel für ein in einem Leitungselement des Primärkreislaufs angeordnetes katalytisches Element.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den selben Bezugszeichen versehen.
Das in 1 lediglich schematisch und auszugsweise dargestellte Schutzsystem 1 ist zur Absicherung des Primärkreislaufs 2 einer kerntechnischen Anlage gegen eine unerwünschte Bildung explosiver Gasgemische durch lokale Aufkonzentra tion von Radiolysegasen vorgesehen. Der Primärkreislauf 2 ist dabei im Ausführungsbeispiel nach üblichen Kriterien für eine Siedewasser-Reaktoranlage ausgestaltet, in 1 jedoch lediglich in Form einiger Leitungselemente 4 wiedergegeben. Selbstverständlich sind die Leitungselemente 4 unter Hinzufügung weiterer, nicht näher dargestellter Komponenten zu einem herkömmlichen Primärkreislauf 2 zusammengesetzt.
Im Primärkreislauf 2, dessen Komponenten innerhalb eines Sicherheitsbehälters 6 geführt sind, zirkuliert beim Betrieb der kerntechnischen Anlage ein Strömungsmedium, üblicherweise gebildet aus Wasser/Dampf. Infolge der bei der Energieumwandlung in der kerntechnischen Anlage auftretenden Prozesse kann es zur radiolytischen Zersetzung von Wasser in Radiolysegas H₂ und Sauerstoffgas O₂ kommen, wobei diese Radiolysegase mit dem Strömungsmedium im Primärkreislauf 2 geführt sein können. Obwohl deren Konzentration unter üblichen Betriebsbedingungen unkritisch ist und nicht zur Bildung explosiver Gasgemische führen kann, so könnte an lokalen Stellen des Primärkreislaufs 2, die nicht regelmäßig vom Strömungsmedium durchströmt sind, doch eine Auskondensation des dort vorhandenen Dampfes mit daraus resultierender Aufkonzentration der Radiolysegase auftreten. Dies könnte lokal zur unerwünschten Bildung explosiver Gasgemische führen.
Das Schutzsystem 1 ist zur gezielten Erkennung und zum bedarfsweisen Abbau derartiger Radiolysegase ausgelegt. Dazu umfasst das Schutzsystem 1 eine Vielzahl von jeweils in einem Leitungselement 8 des Primärkreislaufs 2 angeordneten katalytischen Elementen 10. Jedes katalytische Element 10 ist dabei zur Einleitung einer Rekombinationsreaktion von Wasserstoff und Sauerstoff unter Bildung von Wasser auf der Basis von Edelmetallkatalysatoren, beispielsweise auf Platin- oder Palladiumbasis, ausgelegt. Die katalytischen Elemente 10 sind dabei innerhalb des Primärkreislaufs 2 in besonderem Maße in denjenigen Leitungselementen 8 angeordnet, in denen aufgrund der Strömungsführung vermehrt mit der Aufkonzentration von Radiolysegasen gerechnet werden muss. Wie in 1 dargestellt, sind dies insbesondere Zweigleitungen, die in Relation zu weiteren Lei tungselementen 4 vergleichsweise hoch positioniert sind, so dass auskondensierender Dampf aus den Leitungselementen 8 in die darunterliegenden Leitungselemente 4 abfließt.
Aufgrund der von den katalytischen Elementen 10 bei Anwesenheit von Radiolysegas H₂ initiierten Rekombinationsreaktion mit Sauerstoffgas O₂, die in der Art einer passiven Gegenmaßnahme bereits die Bildung explosiver Gasgemische erschwert, stellt sich am jeweils betroffenen katalytischen Element 10 lokal eine Temperaturänderung, insbesondere eine Temperaturerhöhung, ein. Das Schutzsystem 1 ist nunmehr darauf ausgerichtet, diese lokale Temperaturerhöhung gezielt zu erfassen und zur Auswertung zu bringen, so dass bedarfsgerecht und unmittelbar weitere, insbesondere aktive, Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können. Dazu ist jedes katalytische Element 10 jeweils mit einem zugeordneten Temperatursensor 12 über Kommunikationseinheiten 14 und in die Wand des Sicherheitsbehälters 6 eingesetzte Durchführungen 16 mit einer zentralen, gemeinsamen Auswerteeinheit 18 verbunden.
Unter gezielter Auswertung der Erkenntnis, dass bei der Anwesenheit von Radiolysegas in der Umgebung des jeweiligen katalytischen Elements 10 dort eine Temperaturerhöhung eintritt, wird über die Auswerteeinheit 18 anhand der Temperaturkennwerte ermittelt, ob die Notwendigkeit zur Einleitung von Gegenmaßnahmen besteht. Dazu ist die Auswerteeinheit 18 datenseitig mit einem Speichermodul 20 verbunden, in dem für eine große Vielzahl von Betriebsparametern der kerntechnischen Anlage Referenztemperaturkennwerte für die katalytischen Elemente 10 hinterlegt sind. Die Referenztemperaturkennwerte können dabei in der Art von Datensätzen oder auch als für einen Temperaturverlauf charakteristische Messkurven hinterlegt sein. Unter Zugrundelegung der aktuellen Betriebsparameter der kerntechnischen Anlage kann damit von der Auswerteeinheit 18 durch Vergleich der Ist-Temperaturwerte der katalytischen Elemente 10 mit den im Speichermodul 20 hinterlegten Referenztemperaturkennwerten festgestellt werden, ob eine Abweichung vorliegt, die die Einleitung von Gegenmaßnahmen erforderlich macht.
Das Schutzsystem 1 ist darüber hinaus in besonderem Maße für die Berücksichtigung des aktuellen Anlagenzustands bei der Ermittlung der Notwendigkeit zur Auslösung von Gegenmaßnahmen gegen die sich anbahnende Bildung explosiver Gasgemische ausgestaltet. Um dies auf einfache Weise zu ermöglichen, ist die Auswerteeinheit 18 eingangsseitig mit einem im Reaktordruckbehälter oder einer anderen geeigneten Komponente wie beispielsweise dem Speisewasserbehälter, der Kondensatorkammer oder ähnlichen, der kerntechnischen Anlage angeordneten Referenzsensor 24 verbunden. Der Referenzsensor 24 ermittelt dabei für den Betriebszustand der kerntechnischen Anlage insgesamt charakteristische Parameter wie beispielsweise den Druck und die Temperatur im Reaktordruckbehälter. Anhand dieser Parameter sowie gegebenenfalls unter Hinzuziehung leittechnischer Informationen, auf deren Grundlage ermittelbar ist, ob aktuell ein Lastwechsel vorgenommen oder vielmehr ein Dauerbetriebszustand eingenommen wird, kann die Auswerteeinheit 18 aus den im Speichermodul 20 hinterlegten Referenzkennwerten diejenigen ermitteln, die für die katalytischen Elemente 10 dem jeweiligen Erwartungswert entsprechen.
Datenausgangsseitig ist die Auswerteeinheit 18 mit Mitteln zum Einleiten von Gegen- oder Schutzmaßnahmen verbunden. Dazu ist die Auswerteeinheit 18 einerseits mit einer Melde- oder Alarmeinrichtung 25 verbunden, die das Bedienpersonal auf die Notwendigkeit der Einleitung von Gegenmaßnahmen aufmerksam macht. Die Melde- oder Alarmeinrichtung 25 kann dabei beispielsweise als Monitor oder Datenausgabeeinheit ausgebildet und in das Leitsystem der kerntechnischen Anlage integriert sein. Es kann sich aber auch um eine andersartige Melde- oder Alarmeinrichtung 25, wie beispielsweise eine akustische Alarmeinrichtung, handeln.
Zur Begünstigung des bedarfsweisen Abbaus von Radiolysegasen und auch zur Ermöglichung der Einleitung aktiver Gegenmaßnahmen gegen die Bildung explosiver Gasgemische sind die katalytischen Elemente 10 aber nicht nur in der Art passiver Bauelemente ausgestaltet, sondern andererseits auch vielmehr für einen aktiven Eingriff von außen ausgelegt. Dazu sind, wie dies in den Ausführungsbeispielen nach den 2 und 3 dargestellt ist, die katalytischen Elemente beheizbar ausgestaltet. Im Ausführungsbeispiel nach 2 ist das katalytische Element 10 als Rohreinbauelement 30 ausgestaltet, das über Flanschverbindungen 32 in das jeweilige Leitungselement 8 eingesetzt ist. Dem Leitungselement 8 kann dabei im übrigen noch eine Anzahl von Armaturen 33 zugeordnet sein, über die das Leitungselement 8 von den weiteren Elementen des Primärkreislaufs 2 absperrbar ist.
Das katalytische Element 10 weist in dieser Ausführungsform eine an der Innenseite eines Rohrmantels 34 aufgebrachte, katalytisch aktive Beschichtung 36 auf, die insbesondere auf der Verwendung von Edelmetallen, wie beispielsweise Platin und/oder Palladium, als katalytisch aktivem Material beruht. Die Beschichtung 36 umfasst dabei eine direkt auf der Rohrinnenwand des Rohrmantels 34 aufgebrachte Haftvermittlerschicht 38, die insbesondere als durch Plasmaspritzen aufgebrachte Metallschicht ausgestaltet sein kann.
Als günstig erweist sich bei katalytischen Bauteilen, wie z. B Buchsen, Ringen, Rohrabschnitten, die mit hochfestem, z. B. galvanisch oder plasmagespritzt aufgebrachtem Katalysator versehen sind, insbesondere für einen Betriebsbereich unterhalb von etwa 200° C die Aufbringung einer Hydrophobierung, so dass die Funktion auch unter kondensierenden Bedingungen – ohne Beheizung – sichergestellt ist. Durch thermische oder chemische Behandlung wird dabei eine raue Oberfläche erzeugt, auf der die katalytisch aktiven Metalle Platin und/oder Palladium feinverteilt als katalytische Zentren einer eigentlichen Katalysatorschicht 40 aufgebracht sind. Bei der Trägerschicht der Katalysatorschicht 40 wird dabei insbesondere auf eine besonders große reaktive Oberfläche geachtet, wobei bedarfsweise zusätzlich ein poröser Keramikkörper mit entsprechend vergrößerter innerer Oberfläche verwendet werden kann.
Bei dieser Ausführungsform ist der Temperatursensor 12 am Rohrmantel 34 in unmittelbarer Nähe der katalytisch aktiven Beschichtung 36 angeordnet. Des Weiteren ist dem katalytischen Element 10 eine Heizeinrichtung 50 zugeordnet, die im Ausführungsbeispiel nach 2 den Rohrmantel 34 ringförmig umschließt und über eine in 2 lediglich schematisch dargestellte externe Energiequelle 52 mit einem Heizstrom beaufschlagbar ist.
Im Ausführungsbeispiel nach 3 ist das katalytische Element 10 als Einbauteil ausgebildet und über einen Deckelflansch 60 an einem Stutzen 62 des zugeordneten Leitungselements 8 angeflanscht. Das katalytische Element 10 gemäß 3 umfasst ebenfalls eine Katalysatorschicht 40, die in diesem Fall zur Bildung eines Katalysatorkörpers auf einem Trägerkern 64 aufgebracht ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Temperatursensor 12 in den Trägerkern 64 integriert, so dass eine besonders genaue Messung der lokalen Temperaturwerte des katalytischen Elements 10 ermöglicht ist. Die Heizeinrichtung 50 ist dabei am Deckelflansch 60 angeordnet.
Im Ausführungsbeispiel nach 3 ist die Katalysatorschicht 40 zum Strömungsraum des Leitungselements 8 hin von einem Diffusionselement 70 ummantelt. Durch die Ummantelung mit dem Diffusionselement 70 oder alternativ auch mit einer beispielsweise metallischen porösen Schutzschicht ist ein Einsatz des katalytischen Elements 10 in gasförmigen und auch flüssigen ruhenden oder auch zeitweise stark strömenden Medien möglich. Das Diffusionselement 70 ist als poröser Körper mit einer Poren- oder Spaltgröße von weniger als etwa 0,1 mm ausgebildet, so dass im Bereich unmittelbar benachbart zur Katalysatorschicht 40 eine Zündung von reaktionsfähigen Gasgemischen sicher vermieden ist. Das Diffusionselement 70 stellt zudem sicher, dass ein Austrag von katalytischem Material aus der Katalysatorschicht 40 in den Strömungsraum des Leitungselements 8 hinein ausgeschlossen ist. Hinsichtlich der Dimensionierung der Porengröße und auch der Dicke des Diffusionselements 70 ist die Auslegung derart vorgenommen, dass die Diffusion von Radiolysegasen aus dem Innenraum des Leitungselements 8 an die Katalysatorschicht 40 derart begrenzt ist, dass der durch die exotherme Rekombinationsreaktion bewirkte Temperaturanstieg einen vorgegebenen Maximalwert von im Ausführungsbeispiel etwa 100 °Kelvin nicht übersteigt.
Kleinere Abmessung der genannten Einrichtungen können auch als Schraubeinsätze ausgeführt werden. Bei Anfall geringer Mengen Radiolysegases kann eine Ausführung der Gegenmaßnahme als Thermoelement oder Widerstandsthermometer mit am zylindrischem Teil angebrachten Katalysatorelement mit Diffusionsschicht erfolgen, so dass geringe äußere Abmessungen möglich werden. Bei Ausführung als Widerstandsthermometer kann weiterhin die Beheizung direkt am Katalysatorteil durch einen integrierten Widerstand erfolgen. Durch den geringen Durchmesser von < 20 mm, vorzugsweise < 5 mm, wird auch eine Einlötung- oder Schweißung der kompletten Einrichtung direkt in die drucktragende Wandung oder in ein Kupplungsstück möglich.
Zur Durchführung von Wiederholungsprüfungen ist in besonders vorteilhafter Ausgestaltung auch die Injektion von geringen H₂/O₂-Konzentrationen (< 4 Vol %) in N₂, über eine in der katalytischen Einrichtung integrierte Kapillarleitung mit Kupplungsstück, in den betreffenden Systemabschnitt, zur Durchführung der Funktionsprüfung, möglich. Über diese Einleitung kann beispielsweise auch bei O₂-Mangel O₂ nachgespeist werden.
Um auch in dem Fall, dass lediglich Radiolysegas, nicht aber Sauerstoffgas im Primärkreislauf (2) mitgeteilt wird, eine zuverlässige Entfernung des Radiolysegases durch katalytische Rekombination zu ermöglichen, umfasst das Schutzsystem 1 ein in 1 nicht näher dargestelltes Einspeisemodul zur bedarfsweisen Freisetzung und Einspeisung von Sauerstoff in den Primärkreislauf 2.
Durch die zyklische Ausschaltung und Einschalten der Heizung kann eine gezielte Kondensation und Verdampfung erreicht werden und somit ein „Beatmen/Spülen" entsprechender Bereiche erfolgen. Zur Minimierung von Thermospannungen in den Komponenten und Anregung von internen Konvektionswalzen kann auch ein großflächiger Bereich beheizt werden. In der Diffusionskörperanordnung kann gezielt, durch Anbringung von kaminartigen Spalten oder Öffnungen eine Umwälzung zur Steigerung der Oxidationsraten erfolgen. Weiterhin kann in dieser Ein richtung eine Temperaturmeßeinrichtung, z. B. als Thermoelement/Widerstandsthermometer integriert sein, das bei entsprechend hochwertiger Lötung/Schweißung auch innerhalb der druckführenden Umschließung angeordnet sein kann.
Beim Betrieb der kerntechnischen Anlage und somit auch des Schutzsystems 1 erfolgt kontinuierlich eine Überwachung der aktuellen Temperaturwerte für die katalytischen Elemente 10. Die ermittelten Temperatur-Ist-Werte werden in der Auswerteeinheit 18 mit Referenztemperaturkennwerten verglichen, die für das jeweilige katalytische Element 10 für den jeweiligen betrieblichen Zustand der kerntechnischen Anlage erwartet werden. Falls dabei eine charakteristische Abweichung vom Referenztemperaturkennwert oder auch von einem zugeordneten Temperaturprofil festgestellt wird, so wird darauf geschlossen, dass eine Erwärmung des jeweiligen katalytischen Elements 10 infolge einsetzenden Abbaus von lokal vorhandenem Radiolysegas vorliegt. Daraus wird abgeleitet, dass lokal Radiolysegase vorhanden sind, wobei in Abhängigkeit vom Ausmaß der Abweichung entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Bedarfsweise kann dabei das Bedienpersonal informiert oder alarmiert werden, wobei möglicherweise auch automatisierte Gegenmaßnahmen, wie beispielsweise ein verstärkter Abbau der Radiolysegase durch gezielte Beheizung einzelner oder aller katalytischen Elemente 10, durchgeführt werden.
Eine Anordnung der katalytischen Elemente kann vorteilhafterweise auch nach Armaturen, über die in bestimmten Betriebsfällen eine Dampfableitung in den Kondensationspool ermöglicht wird, erfolgen. Hierdurch können besonders effektiv auftretende Primärdampfleckagen – auch in Bereichen niedriger Temperatur – die normalbetrieblich durch Kondensation zu H₂/O₂-Anreicherung in den Abblaserohren führen würden, sicher verhindert werden.
Bei Verwendung von metallisch/keramischen Kabeldurchführungen kann die Beheizung des Reaktions- und Diffusionskörpers auch direkt, somit innerhalb der druckführenden Umschließung, erfolgen. Bei Integration eines in gleicher Ausführung wie der Reaktionskörper, zusätzlichen nichtkatalytischen Körpers, kann durch z. B. Messung der elektrischen Widerstände des parallel geschalteten Körpers – wegen der unterschiedlichen Temperaturen – auch die H₂-Konzentration direkt bestimmt werden.

1: Schutzsystem
2: Primärkreislauf
4: Leitungselement
6: Sicherheitsbehälter
8: Leitungselement
10: katalytisches Element
12: Temperatursensor
14: Kommunikationseinheit
16: Durchführung
18: Auswerteeinheit
20: Speichermodul
24: Referenzsensor
25: Melde- oder Alarmeinrichtung
30: Rohreinbauelement
32: Flanschverbindung
33: Armatur
34: Rohrmantel
36: Beschichtung
38: Haftvermittlerschicht
40: Katalysatorschicht
50: Heizeinrichtung
52: externe Energiequelle
60: Deckelflansch
62: Stutzen
64: Trägerkern
70: Diffusionselement

Claims

Schutzsystem (1) für den Primärkreislauf (2) einer kerntechnischen Anlage mit einer Mehrzahl von jeweils in einem Leitungselement (4, 8) des Primärkreislaufs (2) angeordneten katalytischen Elementen (10), denen jeweils ein Temperatursensor (12) zugeordnet ist, wobei die Temperatursensoren (12) mit einer gemeinsamen Auswerteeinheit (18) verbunden sind.
Schutzsystem (1) nach Anspruch 1, dessen Auswerteeinheit (18) datenausgangsseitig mit Mitteln zum Einleiten von Schutzmaßnahmen verbunden ist.
Schutzsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dessen Auswerteeinheit (18) ein Speichermodul (20) umfasst, in dem eine Anzahl von Referenztemperaturkennwerten hinterlegt ist.
Schutzsystem (1) nach einem der Ansprüchen 1 bis 3, dessen Auswerteeinheit (18) eingangsseitig mit einem Referenzsensor (24) verbunden ist.
Schutzsystem (1) nach Anspruch 4, dessen Referenzsensor (24) im Reaktordruckbehälter der kerntechnischen Anlage angeordnet ist.
Schutzsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem einem oder jedem der katalytischen Elemente (10) jeweils eine Heizeinrichtung (50) zugeordnet ist.
Schutzsystem (1) nach Anspruch 6, bei dem die Heizeinrichtungen (50) mit einer gemeinsamen, mit der Auswerteeinheit (18) zusammenwirkenden Steuereinheit verbunden sind.
Schutzsystem (1) nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die einem katalytischen Element (10) zugeordnete Heizeinrichtung (50) außerhalb des das katalytische Element (10) umschließenden Leitungselementes (4, 8) angeordnet und wärmeseitig über ein Wärmeleitelement mit einem Katalysatorkörper des katalytischen Elements (10) verbunden ist.
Schutzsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem jedes katalytische Element (10) jeweils einen Katalysatorkörper umfasst, der zum Strömungsraum des jeweiligen Leitungselements (4, 8) hin von einem Diffusionselement (70) ummantelt ist.
Schutzsystem (1) nach Anspruch 9, bei dem jedes Diffusionselement (70) hinsichtlich seiner Dicke derart dimensioniert ist, dass die am Katalysatorkörper auslegungsbedingt infolge der von ihm ausgelösten Reaktion eintretende lokale Temperaturerhöhung einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet.
Schutzsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das ein Einspeisemodul zur bedarfsweisen Freisetzung und Einspeisung von Sauerstoff in den Primärkreislauf (2) umfasst.
Schutzsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit einem hinsichtlich seiner Dimensionierung an einen Reaktionskörper eines katalytischen Elements (10) angepaßten, aus nicht – katalytischem Material gefertigten Referenzkörper, dem ebenfalls ein mit der Auswerteeinheit (18) verbundener Temperatursensor zugeordnet ist.
Primärkreislauf (2) einer kerntechnischen Anlage mit einer Mehrzahl von zur Führung eines Strömungsmediums vorgesehenen Leitungskomponenten (4, 8), der mit einem Schutzsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 versehen ist.
Primärkreislauf (2) nach Anspruch 13, bei dem eine Anzahl der Leitungskomponenten (4, 8) jeweils als Steigleitungselemente ausgebildet ist, in denen jeweils ein katalytisches Element (10) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben einer kerntechnischen Anlage mit einem Primärkreislauf (2) nach Anspruch 13 oder 14, bei dem die von den Temperatursensoren (12) gelieferten Messwerte mit anhand von Referenzmessungen gewonnenen Referenzwerten verglichen werden, wobei bei einer Abweichung eines Messwerts vom ihm zugeordneten Referenzwert eine Gegenmaßnahme eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem als Gegenmaßnahme dasjenige katalytische Element (10), für dessen Messwert die Abweichung festgestellt wurde, beheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, bei dem der für den Vergleich mit einem Messwert herangezogene Referenzwert anhand eines vom Referenzsensor (24) gelieferten Messwerts ausgewählt wird.