DE1240191B - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung und Erhaltung der Schichtung einer fluessigen Masse in zwei uebereinanderliegenden Schichten - Google Patents

Description

DEUTSCHES JMWWl· PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21 g - 21/20

Nummer: 1240191

Aktenzeichen: C 32325 VIII c/21 ;

1 240 191 Anmeldetag: 5.Märzl964

Auslegetag: 11. Mai 1967

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung und

eine Vorrichtung zur Erzeugung und Erhaltung der Erhaltung der Schichtung einer flüssigen Masse

Schichtung einer flüssigen Masse in zwei überein- in zwei übereinanderliegenden Schichten

anderliegenden Schichten, wobei Wasser aus der

unteren Schicht entnommen, durch beispielsweise 5

eine Zwischenlagerung von kurzlebiger Radioaktivität befreit (desaktiviert), gekühlt und in die untere Schicht wieder eingespeist und Wasser aus der oberen Schicht entnommen, dekontaminiert und in die obere Schicht wieder eingespeist wird.

Ein wichtiges Anwendungsgebiet der Erfindung liegt auf dem Gebiet der Kernenergie, wo man häufig Wasser als biologisches Schutzmaterial verwendet, beispielsweise in Schwimmbeckenreaktoren, wo das den Reaktorkern abdeckende Wasser zusätzlich zu Seiner Funktion als Moderator die oberhalb des Schwimmbeckens befindlichen Bedienungspersonen schützt.

In gleicher Weise werden in Anlagen zur mechanischen Behandlung von bestrahlten Brennstofien die Hantierungen und Arbeitsvorgänge häufig am Boden eines wassergefüllten Tanks vorgenommen, dessen Tiefe zur Gewährleistung des biologischen Schutzes ausreicht.

Wenn die am Boden der Wassermasse vorhandenen 25
Körper eine erhebliche Radioaktivität haben, muß
man Vorsorge treffen, um das Aufsteigen von aktiviertem oder kontaminiertem Wasser an die Oberfläche zu verhindern. So muß in Schwimmbeckenreaktoren mit einer Leistung über ungefähr 1 MW 30 letztere. Bisher hat man die Vermischung der beiden das zur Kühlung des Kerns durch diesen gesaugte übereinanderliegenden Schichten über die GrenzWasser dekontaminiert werden, bevor es gekühlt und schicht hinweg vermieden, indem man die Grenzin das Schwimmbecken zurückgeführt wird. Das Pro- schicht als eine im allgemeinen durchsichtige Querblem wird offensichtlich durch die Erwärmung des trennwand ausbildete, die den Diffusionsaustausch bestrahlten Wassers verschärft, wodurch dieses an 35 begrenzte, und indem man das Wasser der oberen die Oberfläche steigt. Die Dekontaminierung kann Schicht bei einer geringfügig höheren Temperatur auf verschiedene Weise durchgeführt werden. Am als das kontaminierte Wasser in der unterhalb der üblichsten ist es, die kurzlebigen radioaktiven Pro- Trennwand befindlichen Schicht hielt,
dukte (Sauerstoff, Stickstoff) zu beseitigen, indem Leider beseitigt jedoch die Verwendung einer man das durchgesaugte Wasser mehrere Minuten in 40 Trennwand, selbst wenn sie durchsichtig ist und aus

Anmelder:

Commissariat ä !'Energie Atomique, Paris
Vertreter:

Dr. H. U. May, Patentanwalt,
München 2, Ottostr. 1 a

Als Erfinder benannt:

Jacques Dollfus, St. Mande, Seine;

Rene Guilloteau, Cachan. Seine (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 26. März 1963 (929 220)

erscheinungen und unerwünschte Bewegungen und Strömungen zum Ausgleich der Temperaturen in den beiden Schichten, und die Diffusion der unteren Schicht in die obere Schicht verunreinigt rasch die

einem Tank von genügendem Fassungsvermögen ver» weilen läßt und die aktivierten mineralischen Produkte in einem Ionenaustauscher zurückhält.

Wenn die Leistung ungefähr 5 MW erreicht, ist auch diese Vorsichtsmaßnahme nicht mehr ausreichend, und man muß an der Oberfläche eine Schicht von dekontaminiertem Wasser aufrechterhalten, die von der den Kern umgebenden Wasssermasse durch eine verhältnismäßig definierte Grenzschicht

einer Reihe von getrennt abnehmbaren Platten besteht, einen der wesentlichen Vorteile der Verwendung von Wasser als biologisches Schutzmaterial, d. h. die Möglichkeit, Werkzeuge· leicht einführen und verschieben zu können.

Das aus »Directory of Nuclear Reactors«, Bd. III, 1960, S. 66, bekannte Fließbild des IRL-Reaktors zeigt einen Hauptkühlkreis, in dem das mit 47° C aus dem Reaktorkern austretende Wasser zu einem

getrennt ist. Diese Grenzschicht kann erzeugt werden, 50 Desaktivierungsbecken gelangt und dann durch einen indem man die beiden Schichten auf verschiedene Wärmeaustauscher geleitet wird, der es auf 38° C Temperaturen bringt. Jedoch führen Diffusions- abkühlt, worauf es am Boden des Schwimmbeckens

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zurückgeleitet wird. Außer diesem »unteren« oder Bodenkreislauf ist ein »oberer« oder Oberflächenkreislauf vorgesehen, bei dem Wasser von der Oberfläche des Schwimmbeckens abgezogen wird und zum gleichen Desaktivierungsbecken gelangt wie das vom Boden abgezogene Wasser und eine gleiche, stromabwärts von den Wärmeaustauschern abgenommene Wassermenge nach Entsalzung wieder zur Oberfläche zurückgeleitet wird. Eine ausreichende Schichtung der Wassermassen im Reaktor wird dadurch jedoch nicht erreicht, und die Möglichkeit und Auswirkung einer Regelung der Temperatur der Oberflächenschicht gegenüber der Bodenschicht ist offenbar nicht erkannt.

Ähnliches gilt für den aus »Energie Nucleaire«, Mai 1960, S. 149, bekannten Schwimmbeckenreaktor »MINERVE« mit zwei völlig getrennten Kreisläufen, von denen der Oberflächenkreislauf nur der mechanischen Filtration dient und der Bodenkreislauf in üblicher Anordnung Wärmeaustauscher und eine Entsalzungsanlage, durch die ein Teil der Wassermenge geleitet wird, umfaßt.

Das deutsche Patent 1182361 schließlich schlägt einen Schwimmbeckenreakor mit zwei getrennten Kreisläufen für die Oberfläche bzw. den Boden vor, jedoch wird hiernach aus dem unteren Kreislauf kein Wasser entnommen, das nach Dekontaminierung anschließend in den oberen Kreislauf gelangt; es wird also nicht mit Sicherheit eine von unten nach oben gerichtete Diffusion und damit die Gefahr einer Kontaminierung der oberen Schicht ausgeschaltet.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermeidung der Vermischung übereinanderliegender flüssiger Schichten ohne Verwendung einer Trennwand zu schaffen, wobei vor allem eine Diffusion der unteren Schicht des verunreinigten Wassers eines Schwimmbeckenreaktors in die obere Schicht verhindert wird.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren zur Erzeugung und Erhaltung der Schichtung einer flüssigen Masse, insbesondere der Wassermasse eines Schwimmbeckenkernreaktors, in zwei übereinanderliegenden Schichten dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß aus der unteren Schicht entnommenes Wasser mit dem aus der oberen Schicht entnommenen Wasser gemischt, die Mischung dekontaminiert, auf eine Temperatur über der des in die untere Schicht wieder eingespeisten Wassers gebracht und in die obere Schicht eingespeist wird.

Demgemäß sieht die Erfindung bei einer Anlage, bestehend aus einem offenen, die flüssige Masse enthaltenden Becken, einem ersten Kreislauf mit Vorrichtungen, um Flüssigkeit aus dem unteren Teil des Beckens zu entnehmen, und Vorrichtungen, um den Hauptteil dieser Flüssigkeitsmenge in den unteren Teil zurückzuführen, einer Verbindungsvorrichtung zur Weiterleitung des nicht zurückgeführten Teils der Flüssigkeitsmenge in einen zweiten Kreislauf, der Vorrichtungen zur Entnahme von Flüssigkeit aus dem oberen Teil des Beckens, eine Dekontaminierungsanlage für die Gesamtmenge der aus dem oberen Teil entnommenen und der nicht in den unteren Teil zurückgeführten Flüssigkeit und Vorrichtungen zur Zurückführung dieser Gesamtmenge an Flüssigkeit in den oberen Teil des Beckens umfaßt, vor, daß der eine und/oder der andere der beiden Kreisläufe mit Wärmeaustausch vorrichtungen versehen ist bzw. sind, um die in den oberen Teil zurückgeführte Flüssigkeit

auf eine höhere Temperatur als diejenige der in den unteren Teil zurückgeführten Flüssigkeit zu bringen.

Die Erfindung wird weiter erläutert durch die folgende Beschreibung einer als Beispiel gegebenen Ausführungsform, ohne darauf beschränkt zu sein. Die Beschreibung bezieht sich auf die Zeichnung, die schematisch einen Tank und die mit ihm verbundenen Leitungen zeigt.

Die Zeichnung zeigt im senkrechten Schnitt einen Tank 2, der in einem massiven Betonblock 4 angeordnet und mit einer Wassermasse 6 gefüllt ist. Am Boden des Tanks ist ein radioaktives Material 8 angeordnet, das beispielsweise ein Kern eines Schwimmbeckenreaktors oder eine Anlage zur Behandlung von bestrahltem Brennstoff sein kann.

Die Erfindung sieht vor, die Wassermasse 6 in zwei Schichten 10 und 10' von geringfügig verschiedener Temperatur und daher Dichte, die durch eine schematisch durch die gestrichelte Linie 14 angedeutete Grenzfläche getrennt sind, zu trennen. Diese Grenzfläche ist selbstverständlich keine streng mathematische Fläche, sondern eine Zone, in welcher der Temperaturgradient deutlich höher liegt als derjenige der übrigen Wassermasse.

Die Erzeugung und Erhaltung dieser Schichtung wird gewährleistet durch ein System, das einen ersten Kreislauf 16, der im folgenden als Kreislauf des verunreinigten Wassers bezeichnet wird und in dem die Strömungsrichtung den Pfeilen / entspricht, und einen zweiten Kreislauf 16', der im folgenden als Kreislauf des dekontaminierten Wassers bezeichnet wird und in dem die Strömungsrichtung den Pfeilen/' entspricht, umfaßt.

Der Kreislauf des verunreinigten Wassers 16 beginnt am Boden des Schwimmbeckens bei einer Öffnung 18, die mit einem Abfluß 20 verbunden ist, der mit einem Ventil oder einer beliebigen anderen Regelvorrichtung 22 versehen sein kann. Das aus der Schicht 10 kommende Wasser läuft in eine erste Abteilung 24 eines Trogs 26. Eine Pumpe 28 fördert das Wasser aus der Abteilung 24 über einen Wärmeaustauscher 30 und eine Leitung 32 zurück zu einer Sammelleitung 34, von wo das verunreinigte Wasser durch eine Reihe von Öffnungen oder Düsen, wie 36, die etwas unterhalb der zu erzeugenden Grenzschicht angeordnet sind, in die untere Schicht 10 fließt. Die öffnungen 36 sind selbstverständlich so verteilt und angeordnet, daß im Bereich der Wassermasse keine derart schnellen Strömungen erzeugt werden, die Wirbelbewegungen bewirken und die Diffusion der einen Schicht in die andere Schicht verstärken würden.

Die Teile des Kreislaufs des dekontaminierten Wassers 16' entsprechen denen des Kreislaufs des verunreinigten Wassers 16 und tragen die gleichen Bezugszahlen, nur jeweils mit einem Strich als Index versehen. Der Kreislauf 16' beginnt in der oberen Schicht mit einer Überlaufrinne 18', die einen Abfluß bildet und gegebenenfalls die Wasserhöhe im Tank regelt. Das entnommene Wasser gelangt durch eine Leitung 20' in eine zweite Abteilung 24' des Trogs 26. Eine Pumpe 28' fördert das Wasser aus der Abteilung 24' über einen Wärmeaustauscher 30' und eine Dekontaminierungsanlage 38 über eine Leitung 32' zurück zu einer Sammelleitung 34'. Die Dekontaminierungsanlage besteht beispielsweise aus einem Entsalzungssystem von Kunstharz-Ionenaustauschern und kann mit anderen Desaktivierungssystemen verbunden sein. Aus der Sammelleitung 34' gelangt das

Claims (3)

Wasser durch eine Reihe von Öffnungen, wie 36', die wie die Öffnungen 36 so angeordnet sind, daß Wirbelbildungen vermieden werden, in die obere Schicht. Zwischen den beiden Abteilungen 24 und 24' des Trogs 26 ist eine Verbindungseinrichtung vorgesehen, die einen geringen Teil der im ersten Kreislauf durchlaufenden Menge aus dem Kreislauf 16 in den Kreislauf 16' übertreten läßt. In der dargestellten Ausführungsform wird diese Verbindung hergestellt durch ein dünnwandiges Überlaufwehr 40. Die Regelung der Durchsatzmenge der Pumpe 28 und/oder der öffnung der Regeleinrichtung 22 gestattet die Einstellung des überlaufenden Strahls und damit der vom Kreislauf des verunreinigten Wassers in den Kreislauf des dekontaminierten Wassers gelangenden Wassermenge. Die Wärmeaustauscher 30 und 30' sind so miteinander gekoppelt, daß zwischen dem Wasser, das in die Schicht 10, und dem Wasser, das in die Schicht 10' zurückgeführt wird, eine geeignete Temperaturdifferenz aufrechterhalten wird. In der dargestellten Ausführungsform wird diese Regelung durch eine Wärmepumpe 42 bewirkt, die mit einem Regler von beliebiger Art versehen ist und zur Übertragung von Wärme, die im Austauscher 30 entzogen wird, zum Austauscher 30' dient. Diese Lösung ist geeignet, wenn die Erhitzung des Wassers der Schicht 10 durch das am Boden der Wassermasse angeordnete Material gering ist. In anderen Fällen muß man mit der Pumpe einen zweiten Wärmeaustauscher verbinden, wodurch das Wasser im Austauscher 30 stärker gekühlt werden kann, als es durch die Wärmeübertragung zum Austauscher 30' möglich ist. In anderen Fällen kann man auch den Wärmeaustauscher 30 weglassen und die Regelung der Temperaturdifferenz über den Kreislauf 16 allein vornehmen. Die Entnahme des verunreinigten Wassers geschieht selbstverständlich vorzugsweise in den Bereichen, in welchen das Wasser bestrahlt wird, d. h. in der Nähe des am Boden des Tanks angeordneten radioaktiven Materials 8. Es ist offensichtlich möglich, beispielsweise mit Hilfe von Leitwänden, den Durchlauf des Wassers zur Öffnung hin so zu leiten, daß das Material 8 gekühlt wird. Diese Lösung wird beispielsweise zum Kühlen des Reaktorkerns eines Schwimmbeckenreaktors angewandt. Das angewandte Verfahren ergibt sich aus der obigen Beschreibung: Das in der unteren Schicht in der Nähe des radioaktiven Materials entnommene Wasser wird in diese Schicht zurückgeführt, nachdem ein Teil davon abgezweigt wurde, der mit dem in der oberen Schicht entnommenen Wasser gemischt wird. Diese Mischung wird dekontaminiert, auf eine Temperatur über derjenigen des in die untere Schicht zurückgeführten Wassers gebracht und dann in die obere Schicht eingespeist, wobei ein ausreichender Temperaturunterschied erzeugt werden kann, indem man die notwendige Wärme aus dem in die untere Schicht zurückgeführten Wasser entnimmt, um die Temperatur des in die obere Schicht wieder eingespeisten Wassers zu erhöhen. Wegen des in die obere Schicht gelangenden Wassers mit erhöhter Temperatur verläuft die Diffusion über die Grenzfläche hinweg in Richtung auf die untere Schicht, wodurch das Aufsteigen von verunreinigtem Wasser an die Oberfläche vermieden wird. In Abwesenheit aller Störerscheinungen (Konvektionsströme durch Erwärmung, mechanische Rührbewegungen infolge von beispielsweise der Bewegung von im Tank angeordneten Werkzeugen oder Instrumenten) genügt ein sehr geringer Temperaturabstand, um dieTrennung in zwei Schichten aufrechtzuerhalten. Beispielsweise genügte ein Temperaturunterschied von 0,1° C, um in einem Tank von 100 m3 bei einer Gesamtpumpenleistung von ungefähr 5 m3/Std. die Verunreinigung der oberen Schicht bei ungefähr Vioo der unteren Schicht zu halten. Wenn eine mechanische Rührung des Wassers zu berücksichtigen ist, muß man selbstverständlich größere Temperaturunterschiede, im allgemeinen von einigen Graden, aufrechterhalten. Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung und Erhaltung der Schichtung einer flüssigen Masse, insbesondere der Wassermasse eines Schwimmbeckenkernreaktors, in zwei übereinanderliegenden Schichten, wobei Wasser aus der unteren Schicht entnommen, durch beispielsweise eine Zwischenlagerung von kurzlebiger Radioaktivität befreit (desaktiviert), gekühlt und in die untere Schicht wieder eingespeist und Wasser aus der oberen Schicht entnommen, dekontaminiert und in die obere Schicht wieder eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus der unteren Schicht (10) entnommenes Wasser mit dem aus der oberen Schicht (10') entnommenen Wasser gemischt, die Mischung dekontaminiert, auf eine Temperatur über der des in die untere Schicht (10) wieder eingespeisten Wassers gebracht und in die obere Schicht (10') eingespeist wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 mit einem die Flüssigkeitsmasse enthaltenen offenen Becken, einem ersten Kreislauf mit Vorrichtungen zur Entnahme von Flüssigkeit aus dem unteren Teil des Beckens und Vorrichtungen zur Rückführung des Hauptteils der entnommenen Flüssigkeitsmenge in diesen unteren Teil, einer Verbindungsvorrichtung zur Weiterleitung des nicht zurückgeleiteten Teils der Wassermenge in einen zweiten Kreislauf, der Vorrichtungen zur Entnahme von Flüssigkeit aus dem oberen Teil des Beckens, eine Dekontaminierungsanlage für die Gesamtmenge der aus dem oberen Teil entnommenen und der nicht in den unteren Teil zurückgeführten Flüssigkeit und Vorrichtungen zur Rückführung dieser gesamten Flüssigkeitsmenge in den oberen Teil des Beckens umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der eine und/oder der andere der beiden Kreisläufe mit Wärmeaustauschvorrichtungen (30, 30') versehen ist bzw. sind, um die in den oberen Teil zurückgeführte, aus der Gesamtmenge der dekontaminierten Flüssigkeit bestehende Flüssigkeit auf eine höhere Temperatur als diejenige der in den unteren Teil zurückgeführten Flüssigkeit zu bringen.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauschvorrichtungen je einen Wärmeaustauscher (30, 30') in jedem der beiden Kreisläufe und eine Wärmeübertragungsvorrichtung (42) zur Übertragung von Wärme zwischen den Austauschern und Einregelung des gewünschten Temperaturunterschieds zwischen den aus den Wärmeaustauschern austretenden Flüssigkeitsmengen umfassen.