DE2104356A1

DE2104356A1 - Thermische Entgasung des Primärkühlmittels von Kernreaktoren

Info

Publication number: DE2104356A1
Application number: DE19712104356
Authority: DE
Inventors: Gottfried Dr. 85lO Fürth; Korn Roland Dr. 8500 Nürnberg Grämer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-01-30
Filing date: 1971-01-30
Publication date: 1972-08-17
Also published as: ES399316A1; DE2104356B2; FR2123287B1; US3789577A; ATA1111871A; NL7117884A; CH537074A; AT329695B; FR2123287A1; IT946936B; SE367086B

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen,

Berlin und München Werner-von-Siemens-Str.

Unser Zeichen VPA 71/9403 Mü/Hü

Thermische Entgasung des Primärkühlmittels von Kernreaktoren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Entgasung des Primärkühlmittels von mit Druckhaltern ausgerüsteten Kernreaktoren. Eine derartige Entgasung ist notwendig, da sich im Laufe der Betriebszeit eines Kernreaktors, insbesondere durch defektwerdende Brennelemente, radioaktive Gase im Kühlmittel

lösen, die unter Umständen zu einer unzulässig hohen Kontamination des Primärkreislaufes führen können. Diese würde sich besonders störend bei Reparaturarbeiten an Bauelementen dieser Kreisläufe, wie z.B. Wärmetauschern, bemerkbar machen.

Das thermische Entgasen von Wasser ist an sich bekannt, die gelösten Gase werden durch Erhitzen ausgetrieben sowie mit Hilfe eines Trägergasstromes abgeführt und - falls notwendig - über Adsorptionseinrichtungen dem Trägergasstroin wieder entnommen. Da in Kernreaktoranlagen jedoch außerordentlich große Mengen von Kühlwasser umlaufen, würden derartige Einrichtungen sehr umfangreich und kostspielig werden. Es stellte sich daher die Aufgabe, die thermische Entgasung von Reaktorkühlmitteln mit Hilfe möglichst vieler an sich bereits vorhandener Einrichtungen und ohne umfangreiche Zusätze, wie Druckkessel u.dgl., durchzuführen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Teil de3 Primärkühlmittels durch den Druckhalter hindurch geleitet wird, daß aus diesem Gefäß Dampf zur Gewinnung der mitgeführten Gase nach an sich bekannten Methoden entnommen wird und daß die einstellbare Heizleistung des Druckhalters der benötigten Verdampf ungs war me sowie der Aufheizspanne des durchströmenden Wassers bis zur Siedetemperatur beim eingestellten Druck entspricht. Zur thermischen Entgasung wird also der Druckhalter

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verwendet, der bei Druckwasserkernkraftwerken zur Einstellung und Einregulierung des Betriebsdruckes sowieso vorhanden ist. Bei solchen Kraftwerken ist weiterhin ein sogen. Druckhalterabblasetank vorhanden, der teilweise mit Wasser gefüllt ist und zur Kondensation des im Falle eines Überdruckes im Primärsystem über ein Druckminderventil entweichenden überschüssigen Dampfes dient. Der Druckhalter des Kernkraftwerkes besteht dabei aus einem Druckkessel, der zum Teil mit Wasser gefüllt ist und eine elektrische Heizeinrichtung enthält. Er ist mit dem Primärkreislauf verbunden und überträgt den durch Sieden des Wassers im Druckhalter erzeugten Druck auf das Primärsystem. Zur Regulierung des Druckes dient dabei neben der einstellbaren Heizleistung eine Sprüheinrichtung zur Kondensation des erzeugten Wasserdampfes - wenn der Druck herabgesetzt werden soll. Das Kühlmittel durchströmt also im normalen Betrieb den Druckhalter nicht.

Zur Durchführung des Verfahrens nach dieser Erfindung ist außer diesen bereits genannten Einrichtungen, die bei jeder Druckwasseranlage ohnehin vorhanden sind, nur noch eine Einrichtung zum Auffangen der im Reaktorkühlmittel gelösten Gase notwendig. Spülgase, wie sie aus dem Stande der Technik bekannt sind, werden hier nicht benötigt. An ihre Stelle tritt sozusagen der Kühlmitteldampf. Da dieser wiederum zu Wasser kondensiert wird, enthält der verbleibende Gasstrom die abzuziehenden Gase, wie z.B. Xenon und Krypton, praktisch in unverdünnter Form.

Zur näheren Veranschaulichung dieses Verfahrens ist in den Fig. 1 bis 3 in schematischer Weise jeweils eine Möglichkeit zur Entgasung des Primärkühlmittels unter Verwendung von Druckhalterabblasetank sowie dem dazwischenliegenden Überdruckventil dargestellt.

Einander entsprechende Bauteile sind in allen drei Figuren gleich bezeichnet. In Fig. 1 ist zunächst ein Primärkreislauf des Kernreaktors 1 dargestellt, der vereinfacht aus dem Dampferzeuger und der Pumpe 3 besteht. An diesen ist angeschlossen über die

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Leitung 43 der Druckhalter 4, dieser besteht aus einem Druckgefäß mit einer elektrischen Heizung 41 und einer Sprüheinrichtung 42. Letztere ist über das Ventil 53 und die Leitung 44 mit dem Primärkreislauf verbunden. Durchi Einschaltung der elektrischen Heizung 41 wird mehr Wasser verdampft und damit der Druck im Druckhalter sowie über die Leitung 43 auch im Primärkreislauf erhöht. Soll der Druck abgesenkt werden, wird das Ventil mehr oder weniger weit geöffnet, so daß die Sprüheinrichtung anspricht. Dadurch wird ein Teil des DampfVolumens im Druckhalter 4 kondensiert und damit der Druck im ganzen System reduziert.

Der Druckhalter 4 ist über das Überdruckventil 5 mit dem Druckhalterabblasetank 6 verbunden. Dieser Tank ist ebenfalls, wie der Druckhalter, zum Teil mit Wasser gefüllt. Im Falle eines Überdruckes im Druckhalter 4, der nicht rechtzeitig durch die Sprüheinrichtung 42 kompensiert wird, gelangt Dampf über das Ventil 5 in den Druckhalterabblasetank und kondensiert dort durch Hochströmen im Wasservorrat. Die bisher beschriebenen Anlagenteile gehören aber normalerweise zu jeder Druckwasserreaktoranlage. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nun an den Druckhalterabblasetank 6 über die Pumpe 8 eine Adsorptionseinrichtung 7 angeschlossen. Darin werden die aus dem Kreislauf entfernten radioaktiven und nichtradioaktiven -^ Gase festgehalten. Nichtradioaktive Gase, wie z.B. Wasserstoff φ oder Helium, werden über das Ventil 9 entweder in den Druckhalterabblasetank 6 zurückbefördert oder über die Leitung 10 ins Freie entlassen.

Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nun folgender: Zunächst wird das Ventil 53 in der Leitung 44 geöffnet und damit über die Brause 42 und die Leitung 43 eine Durchströmung des Druckbehälters 4 mit dem zu entgasenden Kühlmittel erzwungen. Gleichzeitig wird die Heizleistung heraufgesetzt, damit ein Sieden der durchströmenden Flüssigkeitsmenge erreicht wird. Wenn die normale Kühlmitteltemperatur auf der Ausgangsseite des Kernreaktors beispielsweise 3H⁰C und der Druck 140 atü beträgt,

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80 beträgt die Siedetemperatur innerhalb des Druckhalters etwa 354⁰C. Die durchströmende Wassermenge beträgt beispielsweise 11 t/std. Über das Überdruckventil 5 werden etwa 200 bis 400 kg Dampf pro Stunde abgezogen und hinter diesem Ventil auf ein atü entspannt. Durch diesen Dampfentzug wird der normale Betriebsdruck innerhalb des Primärsystems des Kernreaktors konstant gehalten. In dem abgezogenen Dampf befinden sich vermischt jene Gase, die vorher im flüssigen Kühlmittel in gelöster Form enthalten waren. Wie bereits erwähnt, kondensiert der das Überdruckventil verlassende Dampf im Druckhaiterabblasetank; im Raum oberhalb des Wasserspiegels desselben sammeln sich die mitgefü/irten Gase. Dieser Raum war vorher bereits mit Wasserstoffoder Heliumgas gefüllt. Der sich im Druckhalterabblasetank kondensierende Dampf kann über die strichpunktierte Leitung und das Ventil 52 sowie die Pumpe 31 in den Primärkreislauf zurückgespeist werden, so daß damit der Wasserkreislauf ohne jede Verluste geschlossen ist. Selbstverständlich kann der kondensierte Dampf auch in den bei jedem Reaktor befindlichen und hier nicht dargestellten Volumenausgleichstank zurückgeführt werden. Dieser ist ein Teil der Kühlwasserreinigungsanlage und steht in nicht dargestellter Weise ebenfalls mit dem Primärkreislauf des Kernreaktors in Verbindung. Die sich im Druckhalterabblasetank sammelnden Kühlmittelgase werden über die Pumpe 8 einer Gasadsorptionsanlage 7 zugeführt, die in an sich bekannter Weise auf sehr niedrigen Temperaturen von z.B. -80° bis -190°Cgehalten ist. In dieser werden die ehemals gelösten Gase gewonnen und entweder zusammen mit den Adsorptionsbehältern nach Sättigung derselben in Räumen zum Abklingen der Radioaktivität gelagert oder aus diesen in Druckflaschen in hochkonzentrierter Form abgefüllt. Die nicht adsorbierten Gase sind beispielsweise Wasserstoff oder Helium - für diese wären noch wesentlich tiefere Adsorptionstemperaturen notwendig -, sie können, da sie nicht radioaktiv sind, entweder über die Leitung 10 ins Freie abgelassen oder nach einer entsprechenden Umstellung des Ventils 9 als Schutzgas in den Behälter 6 zurückgeführt werden.

Dieser Entgasungsvorgang kann während des Reaktorbetriebes dis-

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kontinuierlich aber auch kontinuierlich durchgeführt werden. Außerdem ist es möglich, ihn bei abgeschaltetem oder unterkritischem Reaktor zu betreiben, d.h. auch im sogen. Nachkühlbetrieb. Ein Anfall oder eine Speicherung von radioaktivem Wasser ist nicht notwendig, da die Rückspeisung des im Druckhalt erabblase tank kondensierten Wassers in den Primärkreislauf möglich ist.

In Pig. 2 und 3 sind beispielsweise weitere Möglichkeiten der Entgasung des Primärkühlmittels unter Zuhilfenahme der vorhandenen Einrichtungen dargestellt. Der eigentliche Primärkreislauf ist hier aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen.

Nach Fig. 2 ist auf der Niederdruckseite des Überdruckventils 5 eine Gasauswaschsäule 61 sowie ein Niederdruckkondensator 62 vorgesehen. Anschließend an diesen Niederdruckkondensator 62 -ist über die Pumpe 8 die Gasadsorptionseinrichtung 7 angeschlossen, die wiederum über das Ventil 9 mit dem Druckhalterabblasetank 6 verbunden werden kann. Im Unterschied zur Einrichtung nach Fig. 1 wird hier die Kondensation des entspannten Dampfes nicht im Druckhalterabblasetank, sondern in einer eigenen Einrichtung 61 vorgenommen.

Die Funktionsweise ist kurz folgende:

Der aus dem Überdruckventil 5 kommende Dampf wird im Niederdruckkondensator 6 kondensiert und läuft über die Gasauswaschsäule 61, die als eine Bodenkolonne aufgebaut sein kann, nach unten. Das entgaste Wasser gelangt in den Druckhalterabblasetank, während die ehemals gelösten Gase über die Pumpe 8, wie im Beispiel nach Fig. 1, in die Einrichtung 7 befördert und dort adsorbiert werden.

Diese Kombination von Kondensator und Gasauswaschsäule kann gemäß Fig. 3 auch auf der Hochdruckseite des Überdruckventils 5 angeordnet werden. Hier wird das in der Gasauswaschsäule 61 gewonnene Hochdruckkondensat über das Überdruckventil 5 dem Druckhalterabblasetank zugeführt. Nach der Adsorptionseinrichtung 7

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ist hier ein Druckminderventil 51 eingesetzt, das das verbliebene Restgas - Helium oder Wasserstoffgas, unter Umständen auch Stickstoff - entspannt.

Über die Gasadsorptionseinrichtungen 7 werden keine näheren Angaben gemacht. Diese gehören zum bekannten Stand der Technik, wobei selbstverständlich verschiedenartige Systeme Verwendung finden können. Auch sind weitere konstruktive Varianten der Entgasungsanlage unter Verwendung von Druckhalterüberdruckventil und Druckhalterabblasetank möglich, wie auch unber Umständen Kombinationen der in den verschiedenen figuren dargestellten Einrichtungen möglich sind. Selbstverständlich wäre daher auch eine Zuführung des zu entgasenden Primärkühlmittels in dem Druckhalter aus dem nicht dargestellten Volumenregelsystem möglich.

Ein weiterer großer Vorteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, daß es sich ohne Schwierigkeiten nachträglich bei Jeder mit Druckwasser betriebenen Kernreakfcoranlage anwenden läßt.

Für Siedewasserreaktoren ist eine sinngemäße Abwandlung des Verfahrens ebenfalls möglich.

3 Figuren

4 Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche

"KyVerfahren zur thermischen Entgasung des Primärkühlmittels während des normalen Betriebes von mit Druckhaltern ausgerüsteten Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Primärkühlmittels durch den Druckhalter hindurchgeleitet wird, daß aus diesem Gefäß Dampf zur Gewinnung der mitgeführten Gase nach an sich bekannten Methoden entnommen wird und daß die einstellbare Heizleistung des Druckhalters der benötigten Verdampfungswärme sowie der Aufheizspanne des durchströmenden Wassers bis zur Siedetemperatur beim eingestellten Druck entspricht. Λ
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf über die bei der Kraftwerksanlage aus Sicherheitsgründen bereits vorhandenen Bauteile Überdruckventil und Druckhalterabblasetank geleitet wird und die sich oberhalb des Wasserspiegels dieses Behälters sammelnden ursprünglich gelösten Gase über Adsorptionsstrecken geleitet, von schwer kondensierbaren und nicht radioaktiven sowie unter Umständen in den Behälter zurückzuführenden Anteilen, wie Wasserstoff oder Helium, evtl. auch Stickstoff, abgetrennt und in hochkonzentrierter Form gesammelt werden.
3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, ^w dadurch gekennzeichnet, daß für die Gewinnung der mitgeführten Gase eine Gasauswaschsäule mit angeschlossener Gasadsorptionseinrichtung auf der Hochdruckseite des zwischen Druckhalter und Druckhalterabblasetank angeordneten Überdruckventils vorgesehen ist und das darin anfallende entgaste Kondensat über dieses Ventil in den Druckhalterabblasetank gelangt.
4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Gewinnung der mitgeführten Gase eine Gasauswaschsäule mit angeschlossener Gasadsorptionseinrichtung auf der Niederdruckseite des zwischen

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Eruckhalter und BruckhalteralTblasetank angeordneten Überdruckventils vorgesehen ist und das darin anfallende entgaste Kondensat direkt in den Druckhai te ra"b "blase tank gelangt.

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