DE2120177B2 - Verfahren zur aenderung der borsaeurekonzentration im kuehlmittel von kernreaktoren und vorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Änderung der Borsäurekonzentration im Kühlmittel von Kernreaktoren gemäß Oberbegriff des vorsiehenden Patentanspruchs 1.

Borsäure im Primärkühlmiitel von Kernreaktoren dient bekanntermaßen der Kompensation der Übersehußreaktivität des Reaktors. Die Borsäurekonzentration im Kühlmittel muli je nach dem Betriebszustand bzw. der Belastung des Reaktors eingestellt werden.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist bereits im älteren deutschen Patent 16 39 392 vorgeschlagen worden. Gemäß diesem älteren Vorschlag wird aus dem Primärkühlkrcisiauf eines Reaktors entnommenes Kühlwasser durch einen Ionenaustauscher geleitet, wobei zur Erniedrigung der Borsäurekonzentration die Wassertemperatur durch Abkühlung auf 0° bis 40⁰C eingestellt wird, während zur Erhöhung der Borsäurekonzentration die Wassertemperatur auf 60° bis 90^uC eingestellt wird. Dabei wird die Eigenschaft von lonenaustauscherharzen ausgenützt, daß diese Ionenaustauscherharze bei niedriger Temperatur mehr

Borionen speichern können als bei hoher Temperatur.

Das Verfahren gemäß dem älteren Vorschlag reicht zwar dazu aus, die beim Lastwechselbetrieb des Reaktors erforderlichen Konzentrationsänderungen im Pnmärkuhlmittcl herbeizuführen, jedoch kann durrh das einfache Hindurchleiten des Kühlmitteln durch den Ionenaustauscher die Borkonzentration nicht in dem Maße erhöht werden, wie es zur Bereitstellung von zu speichernder Borsäurelösung erforderlich ist, welche im Falle schneller und starker Änderungen der Reaktorreaktivität in das Reaktorkühlmittel eingeleitet werden muß. Zur Bereitstellung von zu speichernder konzentrierter Borsäurelösung ist daher beim Gegenstand dieses älteren Vorschlags eine besondere Borsäure-Aufkonzentrierungseinrichtung bekannter Art vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß Oberbegriff des vorstehenden Patentanspruchs 1 so zu verbessern, daß jede gewünschte Änderung der Borkonzentration nur mit Hilfe von Ionenaustauschern möglich ist, so daß durch Wegfall einer besonderen Borsäure-Aufkonzentrierungseinrichtung der apparative Aufwand der zur Steuerung der Borkonzentration im Primärkühlmittel erforderlichen Anlage verringert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des vorstehenden Patentanspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es beispielsweise, die Borsäurekonzentration in einem von zwei Kühlmittelbehältern, von denen der eine auf der einen Seite und der andere auf der anderen Seite des Ionenaustauschers angeordnet ist und zwischen welchen das Kühlmittel mehrfach hin- und her über den Ionenaustauscher geleitet wird, schrittweise zu erhöhen und im anderen der beiden Kühlmittelbehälter schrittweise zu verringern. Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, daß erforderliche Änderungen der Borsäurekonzentration im Primärkühlmittel bei schnellen und starken Änderungen des Reaktorzustands verhältnismäßig schnell erzielt werden können.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im kontinuierlichen Betrieb ist in den vorstehenden Ansprüchen 2 bis 4 unter Schutz gestellt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie erläuternde Diagramme sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein strömungstechnisches Schaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine grafische Darstellung, welche die Zusammenhänge zwischen der Borkonzentration im Zufluß zum Ionenaustauscher und der im Ionenaustauscher gespeicherten Bormenge zeigt,

Fig.3 eine grafische Darstellung des Verlaufs der Borkonzentration im Abfluß des Ionenaustauschers bei der Borspeicherung im Ionenaustauscher und

Fig.4 eine grafische Darstellung des Verlaufs der Borkonzentralion im Abfluß vom Ionenaustauscher bei der Borfreigabe im Ionenaustauscher.

Die in Fig. 1 dargestellte Anlage weist einen Reaktor 10 mit mehreren in sich geschlossenen Primärkühlschleifen auf, von denen nur eine dargestellt ist. Jede Kühlschleife enthält einen Dampferzeuger 12. eine Umwälzpumpe 14 und ein Leitungssystem 16. An den kalten Zweig der Kühlschleife zwischen der Umwälzpumpe 14 und dem Reaktor 10 sind Abzweigleitungen 18 und 20 angeschlossen, von denen die Leitung

|8 in einen Kühlmittelspeicherbehülter 22 mit hoher ßorkonzentration führt.

Aus diesem Speicherbehälter 22 mit hoher Borkonjentration wird Kühlmittel kontinuierlich oder halbkon-(inuierlich abgekühlt über eine lonenaustauscheranord- =, Dung in einen weiteren Speicherbehälter 24 mit niedriger Borkonzentration und von dort erwärmt wieder über die lonenaustauscheranordnung zurück in ^len Speicherbehälter 22 geleitet. Dabei wird die ßorkon^ntration im Speicherbehälter 22 fortschrei- ₎₀ lend erhöht, während die Borkonzentration im Speicherbehälter 24 fortschreitend verringert wird. Zur Änderung de' Borsäurekonzentration im Primärkühlmittel des Reaktors zur Anpassung an sich ändernde Reaktorzustände kann dann je nach Bedarf Kühlmittel _!5 tfjt hoher Borkonzentration aus dem Hochkonzentralions-Speicherbehälter 22 oder einem an diesen angeschlossenen, der Vergrößerung Her Speicherkapa- t'itäl dienenden zusätzlichen Speicherbehälter 26 oder Kühlmittel mit niedriger Borkonzentration aus dem Niederkonzentrations-Speicherbehälter 24 über die Leitung 20 in die Primärkühlschleife eingeleitet werden.

Die lonenaustauscheranordnung besteht aus zwei lonenaustauschergruppen 34 und 36. Der lonenaustauscheranordnung sind Wärmetauscher 30 und 32, eine Heizvorrichtung 38 und eine Kühlvorrichtung 40 zugeordnet.

Die Ionenaustauscher 34 und 36 weisen die Eigenschaft auf, daß sie mehr Borionen speichern, wenn das zufließende Kühlmittel kalt ist, als wenn das zufließende Kühlmittel heiß ist. Diese Eigenschaft ist aus dem Diagramm nach Fig. 2 ersichtlich. Außerdem zeigt dieses Diagramm, daß bei größerer Borkonzentration im Zufluß mehr Bor von den Ionenaustauschern aufgenommen und gespeichert wird, als bei kleineren Borkonzentrationen im Zufluß.

F i g. 3 zeigt, daß ein Ionenaustauscher während einer bestimmten Zeitdauer eine nahezu konstante Menge Bor pro Zeiteinheit aus durch ihn hindurchströmendem kaltem Kühlmittel aufnimmt und speichert, und daß erst dann, wenn der Ionenaustauscher mit Bor gesättigt ist (Punkt 70 der Kurve), die Borkonzentration im abfließenden Kühlmittel steil ansteigt.

F i g. 4 zeigt, daß die von einem Ionenaustauscher pro Zeiteinheit an hindurchströmendes heißes Kühlmittel abgegebene Bormenge zunächst steil ansteigt und dann rapide abfällt, wenn die im Ionenaustauscher noch gespeicherte Bormenge kleiner wird (Punkt 72 der Kurve).

Um die Borkonzentration im HodiV-on/eritrations-Behälter 22 schrittweise zu erhöhen uiui im Nicderkonzentrations-Behälter 24 schrittweise zu verringern, wird das Kühlmittel im Verlaufe des Verfahrens mehrfach über die lonenaustauscheranordnung 34, 36 /wischen diesen beiden Behältern hin- und hergeleitet und dabei vor der Zuführung zur lonenaustauscheranordnung abwechselnd gekühlt und erwärmt. Dazu wird die Kühlmittelslrömung in periodisch abwechselnder Folge vom Hochkonzentrations-Behültcr 22 über die lonenaustauschergruppe 34 zum Niederkonzentrations-Hehalter 24 sowie von diesem über die lonenaustauschergrupßc 36 zum Behälter 22 und vom Behälter 22 über die lonenaustauschergruppe 36 zum Behälter 24 sowie von diesem über die lonenaustauschergruppe 34 zum Behälter 22 zurückgeleitet. Zur Strömungsumschallung dienen zwei Gruppen von Ventilen, von denen die eine Gruppe die Ventile 42, 44, 46 und 48 enthält, während die andere Gruppe die Ventile 50, 52, 54 und 56 umfaßt.

Während des erstgenannten Stromungskreislaufs sind die Ventile 42,46, 50 und 54 geöffnet und die Ventile 44, 48, 52 und 56 geschlossen. Das Kühlmittel strömt also vom Speicherbehälter 22 über eine Pumpe 60 durch den • Uf VJiCSv- oirGiTiUng HlS K.UI H VOrriCiltUng WiriCCHwCn Wärmetauscher 32, die Kühlvorrichtung 40, die von einer Tiefkühleinrichtung 62 kalt gehalten wird, sodann über das Ventil 50 durch die lonenaustauschergruppe 34, welche dem Kühlmittel Bor entzieht, und in verdünntem Zustand über das Ventil 46 durch den für diese Strömung nunmehr als Heizvorrichtung wirkenden Wärmetauscher 32 in den Niederkonzentrations-Speicherbehälter 24. Gleichzeitig strömt das Kühlmittel vom Speicherbehälter 24 über eine Pumpe 62 durch den für diese Strömung als Heizvorrichtung wirkenden Wärmetauscher 30, durch die Heizvorrichtung 38, sodann über das Ventil 54 durch die lonenaustauschergruppe 36, welche Bor an die Strömung abgibt, und über das Ventil 42 durch den für diese Strömung nunmehr als Kühlvorrichtung wirkenden Wärmetauscher 30 in den Hochkonzentrations-Speicherbehälter22.

Wenn beispielsweise davon ausgegangen wird, daß ursprünglich in den beiden lonctusustauschergruppen 34 und 36 im wesentlichen gleiche Bormengen gespeichert waren und auch die Borkon/entrationen in den Speicherbehältern 22 und 24 etwa gleich waren, so ist einzusehen, daß am Ende des eben beschriebenen Verfahrensschrittes die Borkon/entration im Hochkonzentrations-Speicherbehälter 22 angestiegen ist, da aus den Ionenaustauschern 36 Bor in die zu diesem Behälter strömende Strömung ausgespült wurde, und die Borkonzentration sich im Niedeikonzentrations-Speicherbehälier 24 verringert hat, da in den Ionenaustauschern 34 Bor aus der zu diesem Behälter fließenden Strömung aufgenommen und gespeichert wurde.

Nach dem Austausch einer bestimmten Kühlmittelmenge zwischen den beiden Speicherbehältern 22 und 24 bzw. nach einem Zeitraum, der dem Punkt 70 in dem Diagramm nach Fig. 3 bzw. dem Punkt 72 in dom Diagramm nach F i g. 4 entspricht, wird der Strömungskreislauf zwischen den beiden Speicherbehältern auf den oben zweitgenannten Verlauf umgeschaltet. Dazu werden die Ventile 42,46,50 und 54 geschlossen und die Ventile 44, 48, 52 und 56 geöffnet. Das Kühlmittel fließt nunmehr vom Hochkonzentrations-Speicherbehälter 22 durch den für diese Strömung wiederum als Kühlvorrichtung wirkenden Wärmetauscher 32, die Kühlvorrichtung 40, das Ventil 52, die lonenaustaucherg^ippe 36, das Ventil 48 und den nunmehr als Heizvorrichtung dienenden Wärmetauscher 32 in den Niederkonzentrations-Speicherbehälter 24. Gleichzeitig strömt das Kühlmittel aus diesem Niederkonzentraiions-Speicherbehälter 24 durch den als Heizvorrichtung wirkenden Wärmetauscher 30, die Heizvorrichtung 38, das Ventil 56, die lonenaustauschergruppe 34, das Ventil 44 und den nunmehr als Kühlvorrichtung dienenden Wärmetauscher 30 in den Hochkonzcntrations-Speicherbchäller 22. Während dieses Verfahrcnsschriltcs wird die Borkonzentration im .Speicherbehälter 22 weiter vergrößert und im Speicherbehälter 24 weiter verkleinert. Diese Wirkung ergibt sich deshalb, weil die Ionenaustauscher 36, aus denen während des ersten Verfahrensschrittes Bor ausgespült wurde, während des zweiten Verfahrensschrittes ein großes Boraufnahmevermögen aufweisen und dem in den Niedcrkon/entrations-Behälter 24 strömenden Kühlmittel Bor entziehen und speichern können, und weil die Ionenaustauscher 34, die während des ersten Verfahrensschrittes mit Bor beladen

wurden, dieses Bor während des zweiten Verfahrensschrittes in die in den Hochkonzentrations-Behälter 22 fließende Strömung abgeben.

Das Verfahren kann so lange fortgeführt werden, bis sich im Behälter 22 die gewünschte hohe Konzentration und im Behälter 24 die gewünschte niedrige Konzentration eingestellt hat.

Es ist also zu verstehen, daß, indem Kühlmittel aus dem Hochkonzentrations-Behälter 22 in abgekühltem Zustand und Kühlmittel aus dem Niederkonzentrations-Behälter 24 in aufgeheiztem Zustand jeweils abwechselnd durch eine der beiden lonenauslauschergruppen 34 und 36 hindurch in den jeweils anderen Behälter geführt wird, sich die Konzentration im Behälter 22 mit jedem weiteren Verfahrensschritt weiter erhöht und sich die Konzentration im Behälter 24 weiter verringert. Über ein Ventil 74 kann periodisch hochkonzentrierte Borsäure aus dem Hochkonzentrations-Behälter 22 in den Borsäurespeicherbehälter 26 abgelassen werden. Während des Reaktorbetriebs kann zur Änderung der Borsäurekonzentration des im Reaktor befindlichen Kühlmittels entweder stark konzentrierte Borsäure über ein Ventil 76 und die Leitung 20 oder Kühlmittel mit niedrigem Borsäuregehalt aus dem Behälter 24 über das Ventil 78 und die Leitung 20 in die Primärkühlschleife eingeleitet werden. Die beiden Leitungen 18 und 20 führen durch einen regenerativen Wärmetauscher 80, welcher der Erhaltung der Gesamtwärmeenergie innerhalb des Systems dient.

In Abwandlung von der dargestellten Ausführungsform kann der Reaktor 10 je nach den Betriebsbedingungen selbst periodisch als Hochkonzentrations-Speicherbehälter und periodisch als Niederkonzentrations-Speicherbehälter benützt werden. Die Anlage benötigt dann nur einen einzigen zusätzlichen Speicherbehälter, der, wenn der Reaktor nur wenig Bor benötigt, als Hochkonzentrations-Spcicherbehälter und, wenn der Reaktor viel Bor benötigt, als Niederkonzenlrations-Speicherbehälter dient.

Zur Ausführung des beschriebenen Verfahrens reicht auch ein einziger Ionenaustauscher bzw. eine einzige lonenaustauschergruppe aus. Die Strömung verläufl dann abwechselnd vom Hochkonzentrations-Speicher behälter durch die Heizvorrichtung und den Ionenaustauscher in den Niederkonzentrations-Speicherbehähei und vom Niederkonzentrations-Speicherbehälter durc« die Kühlvorrichtung und den Ionenaustauscher in der Hochkonzentrations-Speicherbehälter.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Änderung der Borsänrekonzentration im Kühlmittel von Kernreaktoren, bei dem das Kühlmittel über einen Ionenaustauscher geleitet wird, wobei es zur Abgabe von Borsäure an den Ionenaustauscher gekühlt, hingegen zur Aufnahme von Borsäure von dem Ionenaustauscher erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das so Kühlmittel mehrlach über den Ionenaustauscher geleitet wird und dabei vor seiner Zuführung zum Ionenaustauscher abwechselnd gekühlt und erwärmt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Kühlmittelbehälter (22) für hohe Borkonzentration vorgesehen ist, der sowohl ;in seinem Zufluß wie an seinem Abfluß eine Kühlvorrichtung aufweist, daß ein zweiter Kühlniittelbehälter (24) für geringe Borkonzentration vorgesehen ist, der sowohl an seinem Zufluß wie an seinem Abfluß eine Heizvorrichtung aufweist, und daß die Zu- und Abflüsse der Behälter über mit Ventilen versehene Leitungen mit zwei Ionenaustauschern (34, 36) so verbindbar sind, daß der Zufluß des zweiten Kühlmittelbehälters über den ersten bzw. zweiten Ionenaustauscher mit dem Abfluß des ersten Behälters in Verbindung steht, während der Zufluß des ersten Kühlmitielbohälters über den zweiten bzw. ersten Ionenaustauscher mit dem Abfluß des zweiten Behälters in Verbindung steht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Kühlmittelbehälter am Gefäß eines Reaktors ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Abfluß zugeordnete Kühleinrichtung des ersten Behälters (22) in wärmetauschender Verbindung mit der dem Zufluß zugeordneten Heizeinrichtung des zweiten Behälters (24) steht und daß die dem Zufluß zugeordnete Kühleinrichtung des ersten Behälters in wärmetauschender Verbindung mit der dem Abfluß zugeordneten Heizeinrichtung des zweiten Behälters steht.

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