DE1501340A1

DE1501340A1 - Druckabbausystem zur Kondensation von in einem Sicherheitsbehaelter eines Kernreaktors bei einem Unfall ploetzlich freigewordenen Dampf

Info

Publication number: DE1501340A1
Application number: DE19661501340
Authority: DE
Inventors: Edling Gustaf Emanuel
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1965-04-13
Filing date: 1966-04-13
Publication date: 1969-12-04
Also published as: GB1135826A; GB1275227A; US3453176A; DE2035089A1; CH510316A; DE2035089C3; DE2035089B2; DE1501340B2; US3607630A

Description

Druckabbausystem zur Kondensation von in einem Sicherheitsbehälter eines Kernreaktors bei einem Unfall plötzlich freigewordenen Dampf

Die 3rfindung betrifft ein Druckabbausystem zur KondensEfcion von Dampf, der in einem Sicherheitsbehälter eines Reaktors bei einem Unfall plötzlich freigeworden ist.

~us ist üblich, daß Kernreaktoren als Kühlmittel und/oder Moderator leichtes oder schweres Wasser benutzen, eventuell in ganz oder teilweise verdampfter Form. Um schwerwiegenden Folgen bei einem 3ruch im Kühl- oder Moderatorsystem vorzubeugen, ist es üblich, den Reaktor in einer dichtschließenden Hülle, einem sogenannten Sicherheitsbehälter oder Sieherheitshülie aufzustellen. Dieser Sicherheitsbehälter ist so ausgeführt, daß er den inneren Überdruck aushalten kann, der durch den bei einem Reaktorunfall im ■^ja/ctor plötzlich herausströmenden Dampf entsteht. Die Druckzu- i,;i'im^ri wird mit Hilfe eines im Sicherheitsbehälter angeordneten ?:oudensatioii3systems begrenzt.

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- Nr. ι Sau 3 desÄncJerungages. v. 4. 9.

In der Praxis ist bisher vorgezogen worden, in dem Druckabbausystem ein Wasserbassin anzuordnen, in das der freigewordene Dampf geblasen wird und in dem er kondensiert, siehe z.B. die brit. Patentschrift 936 626. Wenn bei dieser Anordnung der Sicherheitsbehälter als zylindrischer Betonbau ausgeführt wird," werden die Wände sehr dick, da auch hierbei trotz allem noch hohe Drücke entstehen. In der Regel muß eine Konstruktion mit vorgespanntem Beton verwendet werden. Eine solche Anlage beansprucht viel Platz und ist sehr kostspielig, weil der Sicherheitsbehälter für einen hohen Druck ausgelegt werden muß. Die Anordnung muß nämlich wegen ihrer Arbeitsweise so ausgeführt sein, daß der freigewordene Dampf durch Leitungen zum Kondensationsraum geführt und dort in einer Verteilungslcammer verteilt wird, die mit Ausatrömrohren zur Verteilung des Dampfes im Wasser versehen ist. Für diesen Transport von Dampf - und von in der Anlage befindlicher Luft - ist ein Druck erforderlich, was wie erwähnt zur Folge hat, daß der Sicherheitsbehälter für hohen Druck bemessen werden muß, nämlich für mehrere atü. Dies bedeutet u.a., daß der Druck innerhalb des Sicherheitsbehälters bei einem Unfall hoch und wegen der großen Strömungswiderstände in den Kanälen, in der Verteilungskammer und in den Ausblaserohren, die den Dampf und die Luft und im V/asser verteilen, in verschiedenen Räumen verschieden wird.

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Es ist nicht sicher, ob die Anlage bei einem plötzlichen Unfall in der vorgesehenen Weise funktioniert. Hierzu ist nämlich u.a. Voraussetzung, daß die Verbindungsleitungen zwischen dem Raum, in dem der Dampf frei wird, und dem Kondensationsraum die schnellen Temperatur- und Drucksteigerungen aushalten und ferner, daß die Kondensation trotz des plötzlichen Dampfstoßes beim • Einströmen des Dampfes in das Wasser praktisch vollständig ist. Weiter ist Voraussetzung, daß der Sicherheitsbehälter, in dem der hohe Druck und in der Regel auch hohe Temperatur plötzlich entstehen, auch in vorgesehener Weise funktionieren kann, ohne beschädigt zu werden.

In der schwedischen Patentschrift 209 482 ist ein Druckabbausystem vorgeschlagen, in dem das Wasserbassin durch geschlossene, ganz ode^teilweise mit Flüssigkeit gefüllte Kondensatorelemente, z.B. Rohre oder Rohrschlingen, ersetzt ist. Diese Rohre enthalten eine stark verteilte Flüssigkeitsmenge, damit das System eine ausreichend große Wärmeübertragungs- oder Kondensationsfläche bekommt, was notwendig ist, um das Vermischen zu kompensieren, das die Dajnpfeinb lasung in einem Wasserbassin bewirkt, hier aber verlorengegangen ist. Dies bekannte System eignet sich in der Theorie für transportierbare Reaktoraniagen, z.3. in Schiffen, wo die Bewegungen des Schiffes ein Druckabbausystem mit einem Waaserbassin außer Punktion setzen können. Damit die Fxüssigkeitsmen,je genügend verteilt wird,ist jedoch eine unrea-. listisch große Roiiriänge erforderlicn u;id ein ilondensatorvolumen,

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das mindestens ca. drei Mai größer als das in den Rohren eingeschlossene. Wasservolumen ist. Um die genannten Vorteile zu gewinnen, muß man einen besonders hohen Preis sowohl für die Rohrlänge als auch für das größere Volumen des Sicherheitsbehälters zahlen.

Die Erfindung bezweckt, in einer einfacheren und billigeren Weise als bisher die obengenannten Probleme zu lösen, und zwar ohne die den gegenwärtig bekannten Anordnungen anhaftenden Komplikationen. Dieses wird dadurch ermöglicht, daß das erfindungsgemäße Druckabbausystem eine innerhalb des Sicherheitsbehälters angeordnete Kühlmasse hat, die eine Mehrzahl aneinander anliegender fester Körper mit großer Kontaktfläche und mit einer Temperatur umfaßt, die erheblich niedriger als die des freigewordenen Dampfes ist. Dadurch wird ein besonders zuverlässiges Druckabbausystem erhalten, bei dem der Sicherheitsbehälter durch Vermindern des eingeschlossenen Volumene oder der Wanddicke billiger gemacht werden kann, weil die Kondensation der bei einem Reaktorunfall freigewordenen Dampfmenge praktisch momentan erfolgt, so daß ein hoher Druck niemals entstehen kann. Die Kühimasse von festen Körpern, die aus billigem Material mit unbegrenzter Haltbarkeit sein können, kann keine Korrosion verursachen und auch nicht durch leckage herausströmen. Auch eine mechanische Störung, z.B. ein Erdbeben,

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Bombensprengung oder ein Robotangriff, können keine wesentliche Verschlechterung der wärmeabsorbierenden Eigenschaften der Kühlmasse verursachen. Das für die Kondensation einer gewissen freigewordenen Dampfmenge erforderliche Kondensatorvolumen wird klein, sogar kleiner als ein für Kondensation derselben Dampfmenge erforderliches Wasservolumen. Dazu kommt, daß die Kühlmasse aus festen Körpern sogar aus gewissen industriellen Abfällprodukten, z.B. Drehspänen, bestehen kann, was die Kosten des Druckabbausystems auf einen Bruchteil senkt, verglichen mit der Alternative mit teilweise mit Flüssigkeit gefüllten Rohren.

Die wärmeakkumulierende Kühimasse aus festen Körpern wird zweckmäßig so angebracht, daß sie ganz oder teilweise den Raum umgibt, in dem die plötzliche Dampfausströmung stattfindet, z.B. als eine Schicht längs der Wände, des Daches und/oder Bodens des Sicherheitsbehälters. Nach der Erfindung wird die kühlende und kondensierende Masse aus festen Körpern innerhalb des Sicherheitsbehälters entweder in wenigen sehr großen Flächen oder in vielen kleineren Flächen mit einer großen Gesamtkühlfläche angeordnet. Ehe im Sicherheitsbehälter ein Druck entstehen kann, muß wenigstens der größte Teil des eingeschlossenen Volumens mit Dampf gefüllt werden. Da der ganze Dampf oder der größte Teil davon - um zu den Wänden des Sicherheitsbehälters

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zu gelangen - die Kühlmasse aus festen Körpern durchströmen muß, kann kein hoher- Druck entstehen, der Leckstellen im Sicherheitsbehälter verursachen könnte. Die Wände sind gegen schnelle Temperatursteigerungen,sogenannte Temperaturöehöcks, geschützt, weil der Druck niemals hoch wird. Wenn eine Betonkonstruktion verwendet wird, ist dieser Temperaturschutz sehr wertvoll. Wenn erwünscht, kann die Kühlmasse so angeordnet werden, daß eventuell beim Unfall iosgesprengte umherfliegende Splitter, sogenannte Missixe, nicht den Sicherheitsbehälter beschädigen können. Da der Druck im Vergleich mit bekannten Systemen sehr niedrig ist, kann man die Wandkonstruktion aus Beton ohne Vorspannung oder aus Stahl (Kugel oder Zylinder) wählen.

Damit die Wärmeaufnahme schnell erfolgt, muß das Produkt der Fläche und der Wärmeübertragungsfähigkeit der Masse groß sein. Die Wärmeübertragung von Dampf inir Masse wird von der Wärmeübe r gangs zahl of, der Wärmeleitzahl *X, der Temperaturdifferenz und der Größe der Fläche bestimmt. Da es sich hier um Wärmeabgabe von kondensiertem Dampf handelt, ist der ?\-Wert groß. Vielehe Werte bei einer speziellen Anlage gelten, hängt natürlich ganz von der gewählten Masse und ihrer Stückgröße sowie von ihren übrigen Eigenschaften ab. Man kann Stein, Metalle, z.B. in der Form von Drehspänen, Erz und anderen Materialien verwenden, ■ denen man natürlich eine mit Rücksicht auf die gewünschte Fläche

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geeignete Stückgröße gibt. Wenn man nebenbei bemerkt dafür BtrahlungabBchirmendes Material verwendet und es zweckmäßig anbringt, kann man dadurch eine bequeme Verbesserung des Schutzes der Umgebung gegen Stiahlung schaffen. Die Wände des Sicherheitebehälters werden dann dünner und billiger. Die Kosten und lokalen Verhältnisse bestimmen, welche Art von * Kühlmasse gewählt werden soll.

Die kühlende Hasse wird zweckmäßig ao angeordnet, daß in der Anlage ein geeignetes Volumen für eventuelx verdrängte Luft und zum Aufsammeln des sich bei der Kondensation bildenden Kondensats, vorhanden ist.

Wenn man es für zweckmäßig hält, kann man bei normalem Betrieb die Kühlmasee in mindestens einem Teilraum im Sicherheitsbehälter anordnen, welcher Teilraum normalerweise von dem vom Sicherheitsbehälter umgebenen Volumen getrennt ist, aber schon bei unbedeutendem Überdruck in eine im wesentlichen unbehinderte Verbindung mit dem genannten Volumen geaetzt wird. Man kann somit die Kühlmasse gegen Staub u.dgl. schützen, indem man eine Hülle aus z.B. Kunststoff anwendet, die schon bei geringem Überdruck birst.

In gewissen Fällen ist zweckmäßig für eine vollständige oder teilweise Wasserberieselung der Kühlmasse zu sorgen,und im

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Prinzip ist es denkbar, eine ständige Wasserberieselung der Kühlmasse aufrechtzuhalten. Dies würde gewisse Vereinfachungen ergeben, und die erforderliche Kühlfläche würde kleiner werden. In der Regel ist es jedoch vorzuziehen, Wasserberieselung nur in spezieilen Fällen anzuwenden und normalerweise die Masse trocken zu halten.

Will man nach einem Unfall, wenn die erfindungsgemäße Anlage wie beschrieben funktioniert hat, die akkumulierte Wärmemenge wegschaffen, so kann dies am einfachsten durch Wasserbxieseiung geschehen. In der Regel dürfte es zweckmäßig sein, hierfür zirkulierendes Wasser zu benutzen, das in bekannter Weise indirekt gekühlt wird. Man kann dadurch die ganze akkumulierte Wärmemenge wegleiten und auch die Luft im Raum dadurch trocknen, daß die dort verbleibende feuchte Luft ihre Feuchtigkeit an die kältere Masse abgibt.

Wenn kein Beneselungswasser verwendet wird, wird das Kondensat nicht von solchem Wasser kontaminiert. Dies ist besonders wertvoll, wenn der Reaktor ein Schwerwasserreaktor ist.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, in dieser zeigen

Fig. 1 eine Reaktoranlage im Vertikaischnitt, • 909849/0 199

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' Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Vertikaischnitt einer alternativen Anordnung der Kühlmasse,

Fig. 4 einen Horizontalschnitt mit einer anderen Anordnung der Kühlmasse und

Fig. 5 eine andere Reaktoranlage im Vertikaischnitt.

Die in Fig. 1 und 2 gezeigte Reaktoranlage enthält einen Reaktor 1 und Rohrleitungen 2 und 3 für Wasser und Dampf. Der Reaktor 1 ist von einem Sicherheitsbehälter 4 umgeben, auch Reaktorsicherheitshülle genannt. Im rechten Teil der Fig. 1 ist eine Kühlmasse 5 in der Form einer Makadamschicht auf einem perforierten Boden 7 angebracht. Unter dem Boden 7 ist ein Raum 8, in dem u.a. Kondensat und Luft gesammelt werden können (dieser Raum kann eventuell ständig Wasser enthalten). Über der kühlenden Schicht 5 sind Verteiiungsrohre 10 für Spülwasser angebracht. Der Raum 8 steht durch eine Pumpe 11, einen Wärmeaustauscher 12 und Leitungen 13 in Verbindung mit Verteilungsrohren 10 zur Umwälzung des Spülwassers.

7/ie aus der linken Hälfte der Fig. 1 hervorgeht, ist die Kühlmasse 5 an den Wänden des Sicherhe±sbehälters 4 mit Hilfe einer inneren Stütze 6 und einer äußeren Stütze 14 angebracht, die

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beide ein Durchströmen von Dampf zu einem zwischen der Kühlmasse und der Wand des Sicherheitstfehälters befindlichen Luftraum 9 ermöglichen. Ein Spritzrohr 15 für Wasser steht über Leitungen 16 in Verbindung mit der Pumpe 11.

Pig. 3 und 4 zeigen Beispiele einer alternativen Anordnung der Kühlmasse. Wenn man die Fläche für das Einströmen des Dampfes in die Kühlmasse größer machen will, so kann dies, wie z.B. in diesen Figuren gezeigt, geschehen. In Fig. 3 bezeichnet 28 tragende Bodenelemente. Die Stützen 6 und 14 sollen die Kühlmasse stützen, bieten aber so große Durchströraungsöffnungen für Dampf und Luft, daß kein nennem/erter Strömungswiderstand entstehen kann. Eine Happe 17 ist derart angeordnet, daß sie eine Strömung durch eine öffnung 18 in der Stütze 14 in den Zwischenraum 9 verhindert.

In Fig. 4 sind zwischen den Stützen 6 und 14 angeordnete vertikale, perforierte Schirme 19 gezeigt. In der äußeren Stütze 14 sind Perforierungen angeordnet, so daß der Dampf nicht direkt in den Zwischenraum 9 strömen kann, sondern gezwungen ist, die Kühlmasse 5 zu passieren.

Die Kühimasse kann auch ganz oder teilweise im oberen Teil des Sicherheitsbehälters angeordnet werden. Dies ist näher in Fig.

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gezeigt. Bei dieser Anordnung strömt die bei einem Unfall freigewordene Wassermenge nach unten, während der Dampf nach oben strömt. Das Wasser wird in einem dafür vorgesehenen Raum aufgesammelt. Wenn der Dampf in der Kühimasse kondensiert wird, fließt das Kondensat, das sich dann bildet, nach unten, dem Dampf entgegen. Wenn das Kondensat wegen der großen Kapazität der Kühlmasse auf eine Temperatur unter dem Siedepunkt gekühlt wird, wird es im Gegenstrom bei Kontakt mit dem Dampf wieder erwärmt. Hierdurch kann eine gesteigerte Kühlwirkung erreicht und die Kühlmasse gut ausgenutzt werden. Das Kondensat wirkt dann gewissermaßen als Raumberieselung. Diese Wirkung wird verstärkt, wenn Wasser zu den Spritzrohren 20 und 21 gepumpt wird. In Fig. 5 ist ein aus einer Balkenlage bestehender Boden gezeigt, der zum Raum θ hin für Wasserdurchlaß durchlöchert ist. Die durchlöcherte Balkenlage /a trägt die Kühimasse 5. Vom Dampf verdrängte Luft kann in den Räumen 8 und 23 gesammelt werden. In einer früher beschriebenen Weise kann eine Berieselung von Raum und Kühlmasse mit Hilfe der Pumpe 11, Leitung 16 mit dem Kühxer 12 - und der Verteiiungsrohre 21 im oberen Raum und/oder unterhalb der Kühlmasse angeordneten Verteiiungsrohre 20 geschehen. Durch die Ventile 24 und 25 oder in anderer zweckmäßiger Weise wird die 3erieseiung des gewünschten Gebietes geregelt. Der obere Teil des Reaktors 1 ist über einen Deckel 22 zugänglich. Im Raum 23 können Hebeanordnungen zweckmäßig angeordnet sein.

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- 12 Das Druckabbausystem wirkt wie folgt:

Bei einem Bruch z.B. der Leitungen 2 oder 3 strömt Dampf hinaus in die Kühlmasse 5. Diese ist im Verhältnis zum Dampf kalt, so daß der zugeführte Dampf außerordentlich schnell und vollständig kondensiert. Die im Raum befindliche Luft braucht nicht unbedingt zu einem anderen Raum abgeführt zu werden, aber wenn dies geschieht, so kann die Luft z.B. in den Räumen 8 und 9 gesammelt werden.

Nur um die praktischen Verhältnisse anzudeuten, seien als Beispiele einige Zahlen genannt. Die Fläche eines Würfels mit

ρ einer Kantdiänge von einem Meter ist 6 m . Wenn ein solcher Würfel in kleine Würfel mit einer Kantenlänge von 5 mm aufgeteilt wird, wird die gesamte Außenfläche 2UO Mal größer. Wenn ein Raum von 1 m mit der Hälfte dieser kleinen Würfel gefüllt wird, erhält man aiso eine wärmeaufnehmende Fläche von

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6Uü m pro m Raum. Im praktischen FaIx kann es sich um einen Gesamtraum von beispielsweise 2500 m handeln. Man bekommt dann bei dem angeführten Beispiel eine Gesamtfläche von z.B.

1 500 000 m . Wenn man ein Steinmaterial wählt, kann man bei einer Temperaturerhöhung von nur 50° G ca. 80 Tonnen Dampf aufnehmen, was auch bei sehr großen Anlagen völlig ausreichend ist. Die Kondensation der gesamten Dampfraenge kann, je nach Bemessung,

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- 13 in 5 bis 10 Sekunden stattfinden.

Die besonders großen technischen Vorteile der Erfindung gehen aus dem folgenden Beispiel deutlich hervor. Bei einem größten anzunehmenden Unfall wird von einem Leichtwassersiedereaktor von 5OU MW ein maxialer Dampfstrom von 6 ton/s freigemacht. Bei einer Kondensationstemperatur von 140° C soll eine 200 GWs entsprechende Energiemenge kondensiert werden, von der 75 °ß>, d.h. 150 G-Ws, während der ersten drei Sekunden kondensiert werden sollen. Um diese Voraussetzungen zu erfüllen, ist wenn ein Makadam mit einer Kanteniänge von 10 mm verwendet wird, ein festes Volumen von 950 m^, entsprechend einem losen Volumen von 1800 in , erforderlich.

Bei Verwenden von Rohren mit einem Durchmesser von 10 mm ist unter denselben Voraussetzungen, wenn die Rohre bis zu 90 °f> mit V/asser gefüllt sind und die notwendige Wassermenge 2000 m erreicht, eine Rohrlänge von mehr ais 28000 Kilometer erforderlich. Unter der weiteren Voraussetzung, daß die Rohre so dicht-

2 gepackt sind, daß jedes Rohr einen Querschnitt von nur 2 cm einnimmt, ist ein Kondensatorvoluaen von ca. 5'/OO m^D erforderlich, d.h. mehr als das Dreifache des notwendigen Makadamvoiumens, weshalb auch der Sicherheitsbehälter selbst kleiner und billiger gemacht werden icann. Hin einfacher Kostenvergleich ergibt, daß d,ie Kosten pro Volumeneinheit bei der Makadamalternative einen

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Prozent der Kosten für die Rohralternative ausmachen.

Je nach den gewählten Bemessungen und Anordnungen kann man ■beliebig die Kühxmasse nur an einem Teil der Wände degSicherlieitsbehälters, oder so und auch im Boden oder nur im Boden anordnen, weiche letztere Alternative in der Praxis hinsichtlich ihrer Punktion und Kosten am günstigsten ist.

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Claims

- 15 Patentansprüche:

1. Druckabbausystem zur Kondensation von in einem Sicherheitsbehälter eines Kernreaktors (1) bei einem Unfall plötzlich freigewordenen Dampf, gekennzeichnet durch eine innerhalb des Sicherheitsbehälters (4) angeordnete Kühlmasse (5), die eine Mehrzahl aneinander anliegender fester Körper mit großer Kontaktfläche und mit einer Temperatur, die erheblich niedriger als die des freigewordenen Dampfes ist.

2. Kondensationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmasse (5) so angeordnet ist, daß sie wenigstens teilweise den Reaktor (1) im Sicherheitsbehälter (4) umgibt.

3. Kondeneationssystem nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Körper aus Steinmaterial, z.B. in der Form von Makadam,bestehen.

4. Kondensationssystem nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Körper aus Metall, z.B. in der Form von Drehspänen,bestehen.

5. Kondensationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß die festen Körper aus strahlenabschirmendem Haterial bestehen. ^

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6. Kondensationssystem nach einem der Ansprüche 1 Ms 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmasse (5) in mindestens einem Teilraum innerhalb des Sicherheitsbehälters (4) angeordnet ist, welcher Teilraum normalerweise von dem von dem
Sicherheitsbehälter (4) umgebenden Volumen getrennt ist,
aber schon bei unbedeutendem Überdruck in im wesentlichen ungehinderte Verbindung mit dem genannten Volumen gesetzt wird.

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