DE19833739C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abtrennen eines neutronenabsorbierenden Absorbers von einem Kühlmittel - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abtrennen eines Neutronenabsorbers (A) von einem Kühlmittel (K) einer kerntechnischen Anlage beschrieben. Bei dem Verfahren wird das Kühlmittel (K) durch Erwärmen verdampft, abgeführter Kühlmitteldampf (KD) in einem Kompressor (51) unter Temperaturerhöhung verdichtet und zum Verdampfen weiterer Kühlmittel verwendet. Bevorzugt wird ein Anteil des verdichteten Kühlmitteldampfs (KD) einem Kondensator (74) zugeführt. Bevorzugt sind eine Spülgaseinrichtung (100) und eine Sperrfluideinrichtung (121) vorhanden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen eines neu­ tronenabsorbierenden Absorbers von einem Kühlmittel einer kerntechnischen Anlage, wobei das Kühlmittel durch Erwärmen verdampft wird und entstehender Kühlmitteldampf und zurück­ bleibender Absorber getrennt abgeführt werden. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zum Abtrennen eines neutronenabsorbierenden Absorbers von einem Kühlmittel einer kerntechnischen Anlage.

In kerntechnischen Anlagen werden Kühlmittel, z. B. Kühlwas­ ser, verwendet, in denen ein Neutronenabsorber, z. B. Bor­ säure, gelöst ist. Beispielsweise wird für die Kühlung eines Druckwasserreaktors ein Fluid verwendet, das Kühlwasser ent­ hält, in dem Borsäure gelöst ist (sogenanntes Borwasser). Aus Gründen der Regelung der Kühlmittelmasse und/oder der Zusam­ mensetzung des Fluids wird dem Kühlkreislauf des Druckwasser­ reaktors Fluid entnommen und in Kühlwasser (Deionat) und kon­ zentrierte Borsäurelösung getrennt. Diese beiden letztgenann­ ten Produkte werden dann wiederverwendet, indem sie erneut und in der gewünschten Dosierung in den Reaktorkühlkreislauf eingespeist werden.

Eine derartige Vorgehensweise ist beispielsweise aus dem Thiemig-Taschenbuch Band 51 "Druckwasserreaktoren für Kern­ kraftwerke", Verlag Karl Thiemig, 1979, Seite 194 bis 197, und aus einem Reprint aus "Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry" VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1991, Seite 650 bis 654, bekannt.

Zum Trennen des Neutronenabsorbers von Kühlmittel ist es be­ kannt, das zu trennende Kühlmittel nahezu vollständig zu ver­ dampfen. Der entstehende Dampf wird üblicherweise in einer Bodenkolonne von mit übergegangener Borsäure gereinigt und in einem Kondensator niedergeschlagen, wodurch das gewünschte Produkt Kühlwasser (Deionat), bzw. allgemein "Kühlmittel", entsteht. Aufgrund ihrer geringen Dampfflüchtigkeit verbleibt die im eingespeisten Kühlmittel gelöste Borsäure im Sumpf des Verdampferapparats und konzentriert sich dort auf.

Das gewünschte Produkt Neutronenabsorber (konzentrierte Bor­ säurelösung), nachfolgend als "Absorber" bezeichnet, wird aus der Apparatur gewonnen, indem entweder kontinuierlich mit Hilfe einer konzentrations- und füllstandsgesteuerten Rege­ lung Borsäurelösung mit der gewünschten Konzentration abgezo­ gen wird und entsprechend Kühlmittel ergänzt wird (kontinuierliches Verfahren) oder der Prozeß beim Erreichen der gewünschten Konzentration unterbrochen und der Verdamp­ fersumpf entleert wird (diskontinuierliches Verfahren).

Bei diesen bislang eingesetzten Verfahren wird die für die Verdampfung erforderliche Prozeßwärme mit Hilfsdampf zuge­ führt, der z. B. aus einem im Kraftwerk vorhandenen Hilfs­ dampfversorgungsnetz entnommen wird.

Diese Vorgehensweise weist mehrere Nachteile auf. Zum ersten verursacht die notwendige Hilfsdampfversorgung durch entspre­ chende Leitungen, Armaturen und eine Hilfskesselanlage erheb­ liche Investitionskosten. Zum zweiten muß eine in etwa der Prozeßwärme gleich große Wärmemenge aus der Verdampferanlage mit Hilfe von Kühlwasser abgeführt werden. Leitungen und Ar­ maturen für die Kühlwasserversorgung verursachen ebenfalls erhebliche Investitionskosten. Zum dritten geht die aus dem Hilfsdampfversorgungsnetz entnommene Wärmeleistung zu Lasten der im Druckwasserreaktor produzierten elektrischen Energie. In erster Näherung ist die infolge der bislang üblichen Vor­ gehensweise nicht produzierte elektrische Energie unter Be­ rücksichtigung eines wärmetechnischen Wirkungsgrads (von etwa 34%) äquivalent der aus dem Hilfsdampfversorgungsnetz entnom­ menen Wärmemenge. Die erforderliche Wärmeleistung ergibt sich näherungsweise aus dem Produkt von gewünschtem Deionat-Men­ genstrom und der Differenz der spezifischen Enthalpie des Dampfs im Verdampfer und des zugeführten borierten Kühlmit­ tels. Dadurch können sich bei einem Druckwasserreaktor mit etwa 1500 MW elektrischer Leistung leicht Verluste infolge der Verdampfung von mehr als 5 MW_Wärme ergeben, z. B. von 7 MW_Wärme entsprechend 2,4 MW_elektrisch.

Aus dem Buch Dubbel "Taschenbuch für den Maschinenbau", 18. Auflage, 1995, Springer Verlag, Seite N14ff, ist es bekannt, zur Energieeinsparung beim Verdampfen und Kristallisieren die sogenannte Brüdenverdichtung anzuwenden. Dabei wird der aus einem Verdampfer austretende Dampf in einem Verdichter ver­ dichtet. Die dadurch im Dampf entstehende Temperaturerhöhung ermöglicht die Verwendung der im Dampf enthaltenen Wärme zum weiteren Aufheizen der im Verdampfer befindlichen Flüssig­ keit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit Hilfe derer ein Neutronenab­ sorber von einem Kühlmittel einer kerntechnischen Anlage im Vergleich zur bislang üblichen Vorgehensweise kostengünstiger und unter Einsparung von Energie abgetrennt werden kann.

Die Aufgabe wird bezogen auf das Verfahren gemäß der Erfin­ dung dadurch gelöst, daß abgeführter Kühlmitteldampf in einem Kompressor unter Temperaturerhöhung verdichtet und zum Ver­ dampfen weiteren Kühlmittels verwendet wird.

Der abgeführte Kühlmitteldampf wird also durch Verdichten in einen Zustand gebracht, in dem die in ihm enthaltene Wärme nutzbar ist, indem der Kühlmitteldampf bei der erhöhten Tem­ peratur zum Verdampfen weiteren Kühlmittels verwendet wird.

Bei der Lösung der genannten Aufgabe geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß das als Brüdenkompression bekannte Verfahren wider Erwarten auch im Bereich der Kerntechnik ein­ setzbar ist, obwohl die dort verwendeten Kühlmittel in der Regel radioaktiv verunreinigt sind und zudem häufig nicht kondensierbare Gase enthalten, die - insbesondere beim Kon­ densieren eines inertisierend wirkenden Dampfs - ein Explo­ sionsrisiko darstellen.

Der abgeführte Kühlmitteldampf wird bevorzugt auf einen 1,5 bis 2-fachen Druck verdichtet.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Anteil des verdichteten Kühlmitteldampfs einem Kondensator zugeführt. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, ei­ nen Durchsatz einer nach dem Verfahren betriebenen Anlage einzustellen. Der Anteil kann hierzu aus einem Verdampfer ab­ gezogen werden.

Bevorzugt beträgt der Anteil 1% bis 5%.

Ferner wird bevorzugt ein in dem Anteil mitgeführtes, nicht kondensierbares Gas im Kondensator abgetrennt und einem Ab­ gassystem zugeführt.

Dadurch wird das nicht kondensierbare Gas aus einer nach dem Verfahren arbeitenden Anlage abgeleitet. Das nicht konden­ sierbare Gas kann z. B. Wasserstoff, Stickstoff oder ein ra­ dioaktives Edelgas sein. Würden radioaktive Edelgase in hoher Konzentration im kondensierten Kühlmitteldampf verbleiben, so wäre das Produkt "Kühlmittel" in unzulässiger Weise verunrei­ nigt. Würde das nicht kondensierbare Gas nicht mit dem Dampf- /Gasstrom aus der Anlage abgezogen, so würde es sich dort an­ sammeln und die Wärmeübertragung vom verdichteten Kühlmittel­ dampf an das zu verdampfende weitere Kühlmittel wesentlich behindern. Durch das Abtrennen nicht kondensierbarer Gase im Kondensator und das Zuführen zu einem Abgassystem wird die Konzentration nicht kondensierbarer Gase im Produkt "Kühlmittel" in vorteilhafter Weise gering gehalten.

Beispielsweise wird das im Kondensator kondensierte Kühlmit­ tel dem Kühlmitteldampf beigemischt, der durch Wärmeentzug beim Verdampfen des weiteren Kühlmittels kondensiert ist. Es wird also einem Kondensat beigemischt, das durch Wärmeentzug beim Verdampfen des weiteren Kühlmittels aus dem verdichteten Kühlmitteldampf entstanden ist. Dadurch steht das im Konden­ sator kondensierte Kühlmittel ebenfalls als Produkt "Kühlmittel" zur Verfügung.

Bevorzugt wird dem Kondensator ein nicht kondensierbares Inertgas, insbesondere Stickstoff, zugeführt. Ein derart be­ triebener Kondensator arbeitet besonders sicher, da aus dem Kondensator ein sicher nicht explosionsfähiges Gasgemisch austritt.

Nach einer anderen bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird eine zum Verdampfen vorgesehene Verdampfereinrichtung nach Beendigung des Verfahrens mit einem nicht kondensierba­ ren Inertgas, insbesondere Stickstoff, gespült. Die Verdamp­ fereinrichtung wird beispielsweise nach Beendigung des Ver­ dampfungsprozesses mit dem nicht kondensierbaren Inertgas ge­ spült, da andernfalls nach Beendigung des Verdampfungsprozes­ ses in der Verdampferanlage eine Atmosphäre aus nicht konden­ sierbaren Gasen, die im Betrieb mit dem zu verdampfenden Kühlmittel eingetragen werden, z. B. Wasserstoff, Stickstoff und/oder radioaktive Edelgase, zurückbleiben könnte.

Bei einer anderen Weiterentwicklung des Verfahrens wird ein zur Wellenabdichtung des Kompressors vorhandenes Dichtungs­ element mit einem Sperrfluid, insbesondere mit Wasser, beauf­ schlagt. Dadurch wird der Vorteil erreicht, daß keine radio­ aktiven Verunreinigungen aus dem Kompressor in die Umgebung entweichen können und/oder keine Verschmutzungen in die Dampfseite des Kompressors eindringen können.

Nach einer anderen bevorzugten Weiterentwicklung des Verfah­ rens wird ein Teil des abgeführten Kühlmitteldampfs, der durch Wärmeentzug beim Verdampfen des weiteren Kühlmittels kondensiert ist, als Einspritzfluid saugseitig oder drucksei­ tig dem Kompressor zugeführt. In einer bevorzugten Ausführung wird dabei die Einspritzmenge so eingestellt, daß der Kühl­ mitteldampf den für die Verwendung als Heizdampf besonders vorteilhaften Sättigungszustand erreicht. Falls kein Fremdme­ dium, sondern ausschließlich ein Teil des abgeführten Kühl­ mitteldampfs saugseitig dem Kompressor zugeführt wird, wird in vorteilhafter Weise bewirkt, daß die Menge und die Quali­ tät des in der Anlage verwendeten, mit einem Neutronenabsor­ ber versehenen Kühlmittels durch das Einspritzwasser nicht verändert wird.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung wird dem abgeführten Kühlmitteldampf, der durch Wärmeentzug beim Ver­ dampfen des weiteren Kühlmittels kondensiert ist, und/oder dem abgeführten Absorber Wärme entzogen und dem zu verdamp­ fenden Kühlmittel zugeführt.

Die auf eine Vorrichtung bezogene Aufgabe wird gemäß der Er­ findung gelöst durch eine Vorrichtung mit folgenden Merkma­ len:

• a) eine Verdampfereinrichtung, der das Kühlmittel zuführbar ist,
• b) ein Kompressor, dem in der Verdampfereinrichtung verdampf­ tes Kühlmittel saugseitig zuführbar ist,
• c) und der druckseitig mit einer Wärmeübertragungseinrichtung der Verdampfereinrichtung in Verbindung steht,
• d) wobei in der Wärmeübertragungseinrichtung kondensiertes Kühlmittel über eine Kühlmittelkondensatleitung abführbar ist, und
• e) wobei in der Verdampfereinrichtung zurückbleibender Absor­ ber über eine Absorberleitung abführbar ist.

Die Vorrichtung ist besonders zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung geeignet. Die im Zusammenhang mit dem Ver­ fahren genannten Vorteile gelten für die Vorrichtung analog.

Die Vorrichtung ist bevorzugt durch einen Kondensator weiter­ gebildet, dem ein Teil des im Kompressor verdichteten Kühl­ mitteldampfs zuführbar ist. Mit Hilfe des Kondensators lassen sich in vorteilhafter Weise nicht kondensierbare Gase aus der Verdampfereinrichtung und aus mit Dampf beaufschlagten Lei­ tungen ableiten.

Der Kondensator steht bevorzugt über eine Kondensatleitung mit der Kühlmittelkondensatleitung in Verbindung. Dadurch ist im Kondensator kondensiertes Kühlmittel der Kühlmittelkon­ densatleitung zuführbar, die das Produkt "Kühlmittel" führt.

Der Kondensator steht weiterhin bevorzugt mit einem Abgassy­ stem in Verbindung. Dadurch können in vorteilhafter Weise die im Kondensator abgeschiedenen nicht kondensierbaren Gase ei­ ner sicheren Verwertung zugeführt werden.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung weist die Vorrichtung eine Spülgasleitung auf, mit der der Verdampfereinrichtung und/oder dem Kondensator ein nicht kondensierbares Inertgas, insbesondere Stickstoff, zuführbar ist.

Über die Spülgasleitung kann in vorteilhafter Weise denjeni­ gen Vorrichtungsbestandteilen, in denen infolge nicht konden­ sierbaren Wasserstoffs mit einem Explosionsrisiko zu rechnen ist, durch Zufuhr des nicht kondensierbaren Inertgases ein nicht explosionsfähiges Gasgemisch erzeugt werden.

Nach einer anderen Weiterbildung umfaßt die Vorrichtung eine Sperrfluideinrichtung, mit der ein Dichtelement des Kompres­ sors mit einem Sperrfluid beaufschlagbar ist. Dadurch ist der Kompressor besonders gut abgedichtet, was für den sicher­ heitstechnisch überaus sensiblen Bereich der Kerntechnik be­ sonders vorteilhaft ist.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist ein Teil des in der Wärmeübertragungseinrichtung kondensier­ ten Kühlmitteldampfs über eine Einspritzleitung saugseitig oder druckseitig dem Kompressor zuführbar.

Dieser Teil beträgt bevorzugt 8% bis 12%.

Bevorzugt ist ein erster Wärmetauscher vorhanden, mit dem dem über die Absorberleitung abgeführten Absorber Wärme entzieh­ bar und der Verdampfereinrichtung zufließendem Kühlmittel zu­ führbar ist.

Es kann auch ein zweiter Wärmetauscher vorhanden sein, mit dem dem über die Kühlmittelkondensatleitung abgeführten Kühl­ mittel Wärme entziehbar und der Verdampfereinrichtung zuflie­ ßendem Kühlmittel zuführbar ist.

Auf diese Weise wird vorhandene Restwärme für den Verdamp­ fungsprozeß nutzbar gemacht.

Ohne den/die Wärmetauscher wäre eine weitere Zufuhr von Fremdenergie erforderlich.

Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung, die auch zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung geeignet ist, ist in der Zeichnung beschrieben.

Die Zeichnung zeigt in schematischer Weise einen Prinzip­ schaltplan einer Vorrichtung nach der Erfindung mit einer nach dem Prinzip der Brüdenkompression arbeitenden Verdamp­ feranlage. Die Vorrichtung ist Bestandteil einer kerntechni­ schen Anlage oder eines Kernkraftwerks.

Im einzelnen zeigt die Zeichnung eine Fluidleitung 1, der Fluid F, nämlich boriertes Kühlmittel aus dem Kernkraftwerk, zuführbar ist. Das Fluid F wird über eine Verdampferspeise­ pumpe 3 aus einem nicht dargestellten Vorlagebehälter geför­ dert. Das Fluid F wird über die Fluidleitung 1 zu einer Rei­ nigungsanlage 5 geführt. Um das Fluid weitgehend auf die Ver­ dampfungstemperatur vorzuwärmen, wird es über zwei Rekupera­ tiv-Wärmetauscher 7, 9 geführt. Dabei wird den Produktströmen der Vorrichtung, nämlich einem Absorber A enthaltenden Pro­ duktstrom und einem Kühlmittel K enthaltenden Produktstrom, Wärme entzogen.

In der Fluidleitung 1 ist ein Zulaufregelventil 11 angeord­ net, über das der zulaufende Fluidstrom einstellbar ist. Das Zulaufregelventil 11 dient auch als Stellglied für eine Füll­ standsregelung der Bodenkolonne 21.

Die Fluidleitung 1 mündet in eine erste Verbindungslei­ tung 13, über die das Fluid F zu einem Dampfraum 15 eines Verdampfers 16, angetrieben von einer Verdampferumwälz­ pumpe 17, gelangt. Über eine Dampfleitung 19 ist der Dampf­ raum 15 mit einer Bodenkolonne 21 verbunden. Die Bodenko­ lonne 21 weist mehrere übereinander angeordnete Abscheidebö­ den 22 auf. Vom Sumpf 23 der Bodenkolonne 21 geht die erste Verbindungsleitung 13 aus.

Das aus dem Verdampfer 16 und der Bodenkolonne 21 sowie der ersten Verbindungsleitung 13 und der Dampfleitung 19 gebil­ dete Kreislaufsystem bildet eine insgesamt als solche be­ zeichnete Verdampfereinrichtung 24.

Der über die erste Verbindungsleitung 13 und die Dampflei­ tung 19 umgewälzte Umwälzstrom beträgt das etwa 150-fache der gewünschten Verdampfungsmenge (Verdampfungsstrom). Dadurch wird erreicht, daß bei der Zufuhr der für die Verdampfung er­ forderlichen Wärme im Verdampfer 16 nur der Sättigungszustand des flüssigen Fluids F erreicht wird, und daß die eigentliche Verdampfung der gewünschten Menge erst - durch einen Druck­ verlust verursacht - am Eintritt in die Bodenkolonne 21 er­ folgt.

Der Umwälzstrom kann auch das 100-fache bis 200-fache des Verdampfungsstroms betragen.

Im unteren Teil der Bodenkolonne 21 erfolgt durch Schwerkraft und durch Trägheitskräfte die Trennung in einen Teilstrom aus Kühlmitteldampf KD und die verbliebene Flüssigkeitsmenge. Während die verbliebene Flüssigkeitsmenge im genannten Um­ wälzkreislauf der Verdampferanlage 24 weiter umgewälzt wird, steigt der Kühlmitteldampf KD über die Abscheideböden 22 zum Kopf der Bodenkolonne 21 auf, wobei er auf jedem Boden 22 durch entgegenströmende Flüssigkeit weiter von mitgerissenen Absorberanteilen (Borsäureanteilen) gereinigt wird. Am Kopf der Bodenkolonne 21 tritt der vollständig gereinigte Kühlmit­ teldampf KD mit einer Temperatur, die dem Siedezustand der Flüssigkeit auf dem obersten Boden der Bodenkolonne 21 ent­ spricht, aus.

Der gewünschte Produktstrom "Absorber A" (konzentrierte Bor­ säurelösung) wird über eine Absorberleitung 25 aus dem Sumpf 23 der Bodenkolonne 21 mit Hilfe einer Absorberförder­ pumpe 27 abgezogen. Dieser über ein Absorberablaufregelven­ til 29 einstellbare Produktstrom wird in einen dafür vorgese­ henen, nicht explizit dargestellten Vorratsbehälter geför­ dert. Die im Siedezustand befindliche Borsäurelösung wird vorher noch über einen ersten der Rekuperativ-Wärmetauscher 7 geleitet, wo sie - wie oben beschrieben - einen Teil ihrer Wärme zum Vorwärmen des der Verdampferanlage 24 zulaufenden, zu verdampfenden Fluids F abgibt. Aus dem Vorratsbehälter kann der Absorber einer neuen Verwendung zugeführt werden, z. B. zum Borieren des Kühlmittels der kerntechnischen Anlage.

Der vollständig gereinigte Kühlmitteldampf KD wird über eine am Kopf der Bodenkolonne 21 angesetzte Kühlmittelleitung 41, die zur besseren Verständlichkeit mit ihrem ersten Teil als Kühlmitteldampfleitung 43 und mit ihrem zweiten Teil - in Strömungsrichtung nach dem Verdampfer 16 - als Kühlmittelkon­ densatleitung 45 bezeichnet wird, von einem Kompressor 51 an­ gesaugt und auf den etwa 1,8-fachen Druck verdichtet. Dadurch erwärmt sich der Kühlmitteldampf KD. Um einerseits eine Über­ hitzung des Kompressors 51 zu vermeiden, und andererseits ei­ nen für die nachfolgend beschriebene Verwendung als Heizdampf besonders vorteilhaften Sättigungszustand des Kühlmittel­ dampfs KD herzustellen, wird vor dem Saugstutzen des Kompres­ sors 51 Wasser in den angesaugten Dampfstrom eingespritzt (über die weiter unten beschriebene Einspritzleitung 91), das während des Verdichtungsvorgangs verdampft. Je nach Bauart des Kompressors kann das Einspritzen auch auf der Druckseite erfolgen. Z. B. ist nämlich ein Turbokompressor nicht empfind­ lich auf Temperatur, sondern auf Tropfen in Förderstrom.

Der Dampf, der sich nunmehr auf einer gegenüber der Saugseite (ca. 100°C) deutlich höheren Temperatur von etwa 117°C be­ findet, wird über die Kühlmitteldampfleitung 43 einer Wärme­ übertragungseinrichtung oder Wärmeübertragungsfläche 53 des Verdampfers 16 zugeführt. Die Wärmeübertragungseinrichtung 53 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit schematisiert nur durch einen einzigen Bogen einer Heizleitung wiedergegeben und be­ steht tatsächlich aus einer Mehrzahl von Heizwicklungen oder Heizrohren (Rohrbündel).

In der Wärmeübertragungseinrichtung 53 kondensiert der Kühl­ mitteldampf KD und gibt dabei die in ihm enthaltene Verdamp­ fungsenthalpie zur Erwärmung des im Dampfraum 15 des Verdamp­ fers 16 strömenden Verdampferumwälzstroms ab.

Das sich heizseitig im Verdampfer 16, d. h. in der Wärmeüber­ tragungseinrichtung 53, bildende Kondensat, nachfolgend als flüssiges Kühlmittel KF bezeichnet, stellt den zweiten ge­ wünschten Produktstrom "Kühlmittel K" (Deionat) dar. Es wird über die Kühlmittelkondensatleitung 45 zunächst einem Konden­ satsammler 55 zugeführt und mit Hilfe eines füllstandsgesteu­ erten Kondensatablaufregelventils 59 in einen Kondensatsam­ melbehälter 61 abgelassen, in dem ein (z. B. über das ange­ schlossene, weiter unten beschriebene Abgassystem 79 einer Kraftwerksanlage aufgeprägter) niedriger Druck herrscht. Da­ mit bei der Kondensatableitung keine Nachverdampfung auf­ tritt, ist vor dem Kondensatablaufregelventil 59 ein Konden­ satkühler 57 angeordnet, in dem die Kondensattemperatur knapp unter die zum Druck im Kondensatsammelbehälter 61 gehörige Sättigungstemperatur abgesenkt wird.

Mit einer Verdampferkondensatpumpe 63 wird das erzeugte Kühl­ mittel KF, geregelt von einem Kühlmittelregelventil 65, in einen nicht explizit dargestellten Vorratsbehälter gefördert. Das flüssige Kühlmittel KF wird beim Strömen durch die Kühl­ mittelkondensatleitung 45 zudem über den zweiten Rekuperativ- Wärmetauscher 9 geleitet, wobei es einen Teil seiner Wärme zum Vorwärmen des der Verdampferanlage 24 zulaufenden Fluids F abgibt. Das flüssige Kühlmittel KF wird gegebenen­ falls in einem nachgeschalteten Nachkühler 67 auf die für die nachfolgende Wiederverwendung notwendige Temperatur, z. B. in etwa 50°C, abgekühlt.

Dampfseitig zweigt von dem Verdampfer 16 eine Abführlei­ tung 71 ab, mit der ein über ein Dampfeinstellventil 73 ein­ stellbarer, geringer Anteil überschüssigen Kühlmittel­ dampfs KD einem Kondensator 74 zuleitbar ist. Dies ermöglicht zum einen die Einstellung der Leistung der Verdampferan­ lage 24. Zum anderen werden mit diesem abgeleiteten Dampfstrom nicht kondensierbare Gase G, die im zulaufenden Fluid F gelöst sind und beim Verdampfungsprozeß freigesetzt werden, aus der Vorrichtung nach der Erfindung, d. h. insbe­ sondere aus der Verdampfereinrichtung 24, abgeleitet. Die nicht kondensierbaren Gase G bestehen im wesentlichen aus Wasserstoff (Explosionsgefahr), Stickstoff und radioaktiven Edelgasen. Sie werden über ein erstes Ventil 77 einem nicht näher dargestellten Abgassystem 79 des Kernkraftwerks zuge­ leitet.

Das im Kondensator 74 anfallende Kondensat Ko wird unter Aus­ nutzung eines geodätischen Gefälles über eine Kondensatlei­ tung 81 in den Kondensatsammelbehälter 61 geführt und stellt einen Teil des in der Vorrichtung nach der Erfindung erzeug­ ten Produkts "Kühlmittel K" (Deionat) dar.

Endseitig wird von der Kühlmittelkondensatleitung 45 über eine Einspritzleitung 91 ein Teil des erzeugten und abgekühl­ ten Kühlmittels KF entnommen und auf der Saugseite des Kom­ pressors 51 in den Kühlmitteldampfstrom KD als Einspritz­ fluid E eingespritzt. Dadurch wird einerseits eine Überhit­ zung des Kompressors 51 vermieden, und andererseits der für die Verwendung als Heizdampf besonders vorteilhafte Sätti­ gungszustand des Kühlmitteldampfs KD hergestellt. Da kein Fremdmedium, sondern ausschließlich ein Teilstrom des erzeug­ ten Kühlmittels KF verwendet wird, wird erreicht, daß die Menge und die Qualität des in der Anlage verwendeten borier­ ten Kühlmittels durch das Einspritzwasser E nicht verändert wird. Qualität bedeutet dabei einen geringen Gehalt an gelö­ sten Verunreinigungen, die im Kühlkreislauf eines Kernreak­ tors nicht zulässig sind. Eine Vergrößerung der Kühlmittel­ menge durch eine Nutzung von Fremdmedium würde eine uner­ wünschte Abgabe von radioaktiv kontaminiertem Kühlmittel an die Umgebung erforderlich machen.

Mit einem in der Einspritzleitung 91 angeordneten Einspritz­ einstellventil 93 wird eine Teilmenge von 8% bis 12% des produ­ zierten Kühlmittelstroms abgezweigt.

Das Einspritzfluid E wird ferner über ein zweites Ventil 95 geleitet, das dazu dient, im Falle einer Änderung der Druck­ verhältnisse in der Vorrichtung, z. B. bei Ausfall der Ver­ dampferkondensatpumpe 63, ein unerwünschtes Rückströmen zu verhindern.

Die in der Zeichnung beispielhaft dargestellte Vorrichtung nach der Erfindung umfaßt weiterhin eine Spülgaseinrich­ tung 100, mit einer Spülgasleitung 101 und einem Spülgasven­ til 103. Über die Spülgasleitung 101 ist ein nicht konden­ sierbares, inertisierendes Gas, z. B. Stickstoff, sowohl der Verdampfereinrichtung 24 als auch dem Kondensator 74 zuführ­ bar. Hierzu zweigt von der Spülgasleitung 101 eine ein drit­ tes Ventil 105 aufweisende erste Spülgaszweigleitung 107 so­ wie eine ein viertes Ventil 109 aufweisende zweite Spülgas­ zweigleitung 111 ab.

Im Bereich der Kühlmitteldampfleitung 43, die von der Boden­ kolonne 21 bis zum Verdampfer 16 reicht, sowie im Bereich der Abführleitung 71 zwischen dem Verdampfer 16 und dem Kondensa­ tor 74 ist während des Betriebs der Vorrichtung ausreichend inertisierender Dampf vorhanden, um eine Explosion des Was­ serstoffs auszuschließen. Vor Eintritt in den Kondensator 74 wird über die erste Spülgaszweigleitung 107 Spülgas S zuge­ mischt, so daß in der angedeuteten Strömungsrichtung hinter dem Kondensator 74 ebenfalls ein nicht explosionsfähiges Gas­ gemisch sichergestellt ist.

Nach Beendigung des Betriebs der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung kondensiert der verbliebene Dampf, und es bleibt eine aus den nicht kondensierbaren Gasen gebildete Atmosphäre zu­ rück. Über das vierte Ventil 109 wird dann das Spülgas S über die zweite Spülgaszweigleitung 111 der Bodenkolonne 21 und/oder einem anderen Teil der Verdampfereinrichtung 24 zu­ geführt, so daß der gesamte während des Betriebs mit Dampf beaufschlagte Raum durch das Spülgas S über die Kühlmittel­ dampfleitung 43 und die Abführleitung 41 hin zum Abgassy­ stem 79 frei gespült wird. Das dritte Ventil 105 ist dann ge­ schlossen.

Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung weist ferner eine Sperrfluideinrichtung 121 auf. Sie umfaßt einen Sperr­ fluidbehälter 123, dem ein Sperrfluid Sp, z. B. Wasser (Deionat), zuführbar ist. Über eine Sperrfluidleitung 125 wird aus dem Sperrfluidbehälter 123 mit Hilfe einer Sperr­ fluidpumpe 127 Sperrfluid Sp angesaugt, und dem Kompressor 51 zugeführt. Im Kompressor 51 werden die nicht explizit darge­ stellten doppelt wirkenden Gleitringdichtungen, z. B. einer Wellendichtung, mit Deionat als Sperrfluid Sp versorgt. Da­ durch wird erreicht, daß keine Radioaktivität aus dem Kom­ pressor 51 in die Umgebung entweichen kann und keine Ver­ schmutzungen, z. B. Öl aus der Lagerung der Kompressorwellen, in die Kühlmitteldampfleitung 43 eindringen können.

Bei einer alternativen Ausführung mit einem Turbokompressor (andere Dichtungstechnik) wird Gas (Stickstoff/Druckluft) als Sperrmedium verwendet. Dieses Sperrgas muß nicht gekühlt wer­ den und kann gegebenenfalls direkt einem entsprechenden Ver­ sorgungsnetz entnommen werden.

Das im Kompressor 51 einmal benutzte Sperrfluid Sp wird über eine Rückführleitung dem Sperrfluidbehälter 123 zugeführt. In der Rückführleitung ist optional ein Sperrfluidkühler 129 vorgesehen, um eine gegebenenfalls eintretende Temperaturer­ höhung im Sperrfluid Sp zu kompensieren. Das Sperrfluid Sp wird also größtenteils im Kreis geführt.

Vom Sumpf 23 der Bodenkolonne 21 zweigt eine Zweigleitung 141 ab, mit der - angetrieben von einer Absorbermeßpumpe 143 - ein geringer Teil des Absorbers A einer Absorbermeßeinrich­ tung 145 zuführbar ist. Nach Passieren der Absorbermeßein­ richtung 145 gelangt dieser Teil wieder in die Bodenko­ lonne 21. Die Absorbermeßeinrichtung 145 dient als Istwert- Geber für eine Konzentrationsregelung für den Umwälzstrom in der Verdampfereinrichtung 24. Als Stellglied dient dabei das Absorberablaufregelventil 29.

Bei gleichzeitiger Anwendung der weiter oben genannten Füll­ standsregelung für die Bodenkolonne 21 als auch der im letz­ ten Absatz beschriebenen Konzentrationsregelung wird in vor­ teilhafter Weise bewirkt, daß

• a) die Füllung des Umwälzkreislaufs der Verdampfereinrich­ tung 24 unabhängig von den entnommenen Produktströmen A, K immer konstant bleibt und
• b) die Absorberkonzentration des Mediums im Umwälzkreislauf der Verdampfereinrichtung 24 und damit im Entnahmestrom unabhängig von der Menge und der Konzentration des Zulaufs an Fluid F immer konstant bleibt, z. B. bei ca. 4% Bor­ säure.

An der ersten Verbindungsleitung 13 der Verdampfereinrich­ tung 24 ist eine Bypassleitung 151 angebracht, die über einen elektrischen Vorwärmer 153 geführt ist. Damit, als auch mit Hilfe der Verdampferumwälzpumpe 17, kann die Vorrichtung aus dem kalten Zustand angewärmt werden, bis ausreichend Dampf zum Betrieb des Kompressors 51 zur Verfügung steht und ein stationärer Leistungsbetrieb der Vorrichtung begonnen werden kann. Während des stationären Leistungsbetriebs ist der elek­ trische Vorwärmer 153 abgeschaltet und die Bypassleitung 151 mit Hilfe des eingezeichneten Ventils geschlossen.

Von der Kühlmittelkondensatleitung 45, insbesondere drucksei­ tig an der Verdampferkondensatpumpe 63, zweigt eine Rücklauf­ leitung 161 ab, die ein Rücklaufstellventil 163 aufweist und in der Bodenkolonne 21, insbesondere in deren Kopf, mündet. Damit wird ein Anteil des erzeugten Kühlmittels KF, der mit dem Rücklaufstellventil 163 bevorzugt auf etwa 20% einge­ stellt wird, der Bodenkolonne 21 zugeführt. Vom Kopf der Bo­ denkolonne 21 läuft dieser Anteil im Gegenstrom zu dem auf­ steigenden Kühlmitteldampf KD über die Böden 22 in den Sumpf 23 der Bodenkolonne 21 zurück. Dieser Rücklauf im Ge­ genstrom bewirkt die gewünschte Reinheit des über die Kühl­ mittelleitung 41 austretenden Kühlmitteldampfs KD.

Mit Hilfe des Kondensatablaufregelventils 59 wird eine Druck­ abstufung in der Kondensatsammlung ermöglicht, durch die die Rückführung des im Kondensator 74 anfallenden Kondensats Ko in den Produktstrom der Kühlmittelkondensatleitung 45 stö­ rungsfrei ermöglicht wird.

Der Füllstand des Kondensatsammelbehälters 61 wird über das Kühlmittelregelventil 65 als Stellglied geregelt. Diese Rege­ lung bewirkt einen konstanten Füllstand im Kondensatsammelbe­ hälter 61, der dadurch stets zulaufendes Kondensat KF, Ko aufnehmen kann und ausreichend Medium für die Saugseite der Verdampferkondensatpumpe 63 bereithält.

Mit der dargestellten Vorrichtung nach der Erfindung wird eine deutliche Kostenreduzierung gegenüber dem bislang ange­ wendeten Verdampfungsverfahren erreicht. Diese Kostenreduk­ tion ergibt sich bereits allein bei Betrachtung der Investi­ tionskosten. Es ist nämlich im Gegensatz zu den bekannten Verfahren z. B. keine Hilfsdampfversorgung zu installieren. Bei den Betriebskosten ergibt sich eine zusätzliche Minderung dadurch, daß für ein Kernkraftwerk der 1300 MW-Leistungs­ klasse der Energiebedarf für die Verdampfung von ca. 6 MW bei Beheizung mit Hilfsdampf auf ca. 0,8 MW elektrischem Lei­ stungsbedarf bei Beheizung mit Brüdenkompression zurückgeht.

Claims (18)

1. Verfahren zum Abtrennen eines neutronenabsorbierenden Ab­ sorbers (A) von einem Kühlmittel (K) einer kerntechnischen Anlage,
wobei das Kühlmittel (K) durch Erwärmen verdampft wird und entstehender Kühlmitteldampf (KD) und zurückbleibender Absor­ ber (A) getrennt abgeführt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß abgeführter Kühlmitteldampf (KD) in einem Kompressor (51) unter Tempera­ turerhöhung verdichtet und zum Verdampfen weiteren Kühlmit­ tels verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anteil des verdichteten Kühlmitteldampfs (KD) einem Kondensator (74) zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem An­ teil mitgeführtes, nicht kondensierbares Gas (G) im Kondensa­ tor (74) abgetrennt und einem Abgassystem (79) zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Konden­ sator (74) kondensiertes Kühlmittel (Ko) dem Kühlmitteldampf (KF) beigemischt wird, der durch Wärmeentzug beim Verdampfen des weiteren Kühlmittels kondensiert ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Konden­ sator (74) ein nichtkondensierbares Inertgas (S), insbeson­ dere Stickstoff, zugeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine zum Verdampfen vorgesehene Verdampfereinrichtung (24) nach Been­ digung des Verdampfens mit einem nichtkondensierbaren Inert­ gas (S), insbesondere Stickstoff, gespült wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Wel­ lenabdichtung des Kompressors (51) vorhandenes Dichtungsele­ ment mit einem Sperrfluid (Sp), insbesondere mit Wasser, be­ aufschlagt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des abgeführten Kühlmitteldampfs (KF), der durch Wärmeentzug beim Verdampfen des weiteren Kühlmittels kondensiert ist, als Einspritzfluid (E) saugseitig oder druckseitig dem Kompressor (51) zugeführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem abge­ führten Kühlmitteldampf (KF), der durch Wärmeentzug beim Ver­ dampfen des weiteren Kühlmittels kondensiert ist, und/oder dem abgeführten Absorber (A) Wärme entzogen und dem zu ver­ dampfenden Kühlmittel zugeführt wird.

10. Vorrichtung zum Abtrennen eines neutronenabsorbierenden Absorbers (A) von einem Kühlmittel (K) einer kerntechnischen Anlage, mit

• a) einer Verdampfereinrichtung (24), der das Kühlmittel (K) zuführbar ist,
• b) einem Kompressor (51), dem in der Verdampfereinrichtung (24) verdampftes Kühlmittel (KD) saugseitig zuführbar ist,
• c) und der druckseitig mit einer Wärmeübertragungseinrichtung (53) der Verdampfereinrichtung (24) in Verbindung steht,
• d) wobei in der Wärmeübertragungseinrichtung (53) kondensier­ tes Kühlmittel (KF) über eine Kühlmittelkondensatleitung (45) abführbar ist, und
• e) wobei in der Verdampfereinrichtung (24) zurückbleibender Absorber (A) über eine Absorberleitung (25) abführbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Kondensator (74), dem ein Teil des im Kompressor (51) verdichteten Kühl­ mitteldampfs (KD) zuführbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Konden­ sator (74) über eine Kondensatleitung (81) mit der Kühlmit­ telkondensatleitung (45) in Verbindung steht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Konden­ sator (74) mit einem Abgassystem (79) in Verbindung steht.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch eine Spülgasleitung (101), mit der der Verdampfereinrichtung (24) und/oder dem Kondensator (74) ein nichtkondensierbares Inertgas (S), ins­ besondere Stickstoff, zuführbar ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, gekennzeichnet durch eine Sperrfluidein­ richtung (121), mit der ein Dichtelement des Kompressors (51) mit einem Sperrfluid (Sp) beaufschlagbar ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des in der Wärmeübertragungseinrichtung (53) kondensierten Kühl­ mitteldampfs (KF) über eine Einspritzleitung (91) saugseitig oder druckseitig dem Kompressor (51) zuführbar ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, gekennzeichnet durch einen ersten Wärme­ tauscher (7), mit dem dem über die Absorberleitung (25) abge­ führten Absorber (A) Wärme entziehbar und der Verdampferein­ richtung (24) zufließendem Kühlmittel (K) zuführbar ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, gekennzeichnet durch einen zweiten Wärme­ tauscher (9), mit dem dem über die Kühlmittelkondensatlei­ tung (45) abgeführten Kühlmittel (KF) Wärme entziehbar und der Verdampfereinrichtung (24) zufließendem Kühlmittel (K) zuführbar ist.