DE2120177C3 - Verfahren zur Änderung der Borsäurekonzentration im Kühlmittel von Kernreaktoren und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

neten Heizeinrichtung des zweiten Behälters (24) 40 verhältnismäßig schnell erzielt werden können, steht und daß die dem Zufluß zugeordnete Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs

gemäßen Verfahrens im kontinuierlichen Betrieb ist

Kühleinrichtung des ersten Behälters in wärmetauschender Verbindung mit der dem Abfluß zugeordneten Heizeinrichtung des zweiten Behälters steht.

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

Borsäure im Primärkühlmittel von Kernreaktoren dient bekanntermaßen der Kompensation der Überschußreaktivität des Reaktors. Die Borsäurekonzentration im Kühlmittel muß 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 Primärkühlkreislauf eines Reaktors entnommenes Kühlwasser durch einen Ionenaustauscher geleitet, wobei zur Erniedrigung der Borsäurekonzentration die Wassertemperatur durch Abkühlung auf 0° bis 40° C eingestellt wird, während zur Erhöhung der Borsäurekonzentration die Wassertemperatur auf 60° bis 90°C eingestellt wird. Dabei wird die Eigenschaft von lonenaustauscherharzen ausgenützt, daß diese Ionenaustauscherharze bei niedriger Temperatur mehr

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 slrömungstechnisches 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 Bo-menge 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 Borkonzentration 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 Kühlmittelspeicherbehälter 22 mit hoher Jorkonzentration führt.

Aus diesem Speicherbehälter 22 mit hoher Borkonlentration wird Kühlmittel kontinuierlich oder halbkonlünuierlich abgekühlt über eine lonenaustauscheranurdeur.g in einen weiteren Speicherbehälter 24 mit niedriger Borkonzentration und von dort erwärmt wieder über die lonenaustauscheranordnung zurück in den Speicherbehälter 22 geleitet. Dabei wird die !^konzentration im Speicherbehälter 22 fortschrei· lend erhöht, während die Eorkonzentration im Speicherbehälter 24 fortschreitend verringert wird. Zur Änderung der Borsäurekonzentration im Primärkühlmittel des Reaktors zur Anpassung an sich ändernde Reaktorzustände kann dann je nach Bedarf Kühlmittel mit hoher Borkonzentration aus dem Hochkonzentrations-Speieherbehälter 22 oder einem an diesen angeschlossenen, der Vergrößerung der Speicherkapalität dienenden zusätzlichen Speicherbehälter 26 oder Kühlmittel mit niedriger Borkon/entration aus dem Niederkonzentrations-Speicherbehäher 24 über die Leitung 20 in die Primärkühlschleife eingeleitet werden.

Die lonenaustauscheranordnung besteht aus zwei lonenaustauschergruppen 34 und 56. Der lonenaustau uheranordnung sind Wärmetauscher 30 und 32. e-m-Heizvorrichtung 38 und eine Kuhlvorrichr,·:^ 40 rugcordnet.

Die Ionenaustauscher 34 und 56 weisen die Eigenschaft auf, daß sie mehr Borionen spo-.'hern. wenn <ias zufließende Kühlmittel kalt ist, als wenn ckis rufließende Kühlmittel heiß ist. Diese Higenschait ist au.-, dem Diagramm nach Fig. 2 ersichtlich. Au Herd em teigt dieses Diagramm, daß bei größere;- Burkonzeniialion im Zufluß mehr Bor von den Ionenaustauschern aufgenommen und gespeichert wird, als bei kleineren Borkonzuilrationen im Zufluß.

F■ i g. J zeigt, daß ein Ionenaustauscher während einer bestimmten Zeitdauer eine nahezu konstante Menge Bor pro Zeiteinheit aus durch ihn hinduichströniendem 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 Hochkon/entrations-Behälter 22 schrittweise zu erhöhen und im Niederkonzentrations-Behälter 24 schrittweise zu verringern, wird das Kühlmittel im Verlaufe des Verfahrens mehrfach Über die lonenaustauscheranordnung 34, 36 zwischen diesen beiden Behältern hin- und hergeleitet und dabei vor der Zuführung zur lonenaustauscheranordnung abwechselnd gekühlt und erwärmt. Dazu wird die !Kühlmittelströmung in periodisch abwechselnder Folge vom Hochkonzentrations-ßehälter 22 über die Ionenaustauschergruppe 34 zum Nicderkonzcntrations-Behalter 24 sowie von diesem über die Ionenaustauschergrupße 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 Strömungsumschaltung 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.

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Während des erstgenannten Sirömungskreislaufs 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 bO durch den für diese Strömung als Kühlvorrichtung wirkenden Wärmetauscher i2, 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 Niederkonzeniraiions-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 f->r diese Strömung nunmehr als Kühlvorrichtung wirkenden Wärmetauscher 30 in den I !ochkunzentnitions-Speieherbehälter 22.

Wenn beispielsweise davon ausgegangen wird, daß ursprünglich in den beiden lonenaustauschergruppen 34 und 36 im wesentlichen gleiche Bormengen gespeichert waren und auch die Borkunzentrationen in den Speicherbehältein 22 und 24 etwa gleich waren, so ist einzusehen, d.iß am F.nJe dos eben beschriebenen Verfahrensschrittes die Borkon/entration im Hochkon-/eniraiiuus-Speichei behälter 22 angestiegen ist. da aus den Ionenaustauschern 36 Bor in die zu diesem Behaltet siiomende Strömung ausgespült wurde, und die Borkonzentration sich im Niederkonzentrations-Speichei behälter 24 verringert hat, da in den Ionenaustauschern 34 Bor aus der zu diesem Behälter fließenden Strömung abgenommen und gespeichert wurde.

Nach dem Austausch einer bestimmten Kühlmittel· menge zwischen den beiden Speicherbehältern 22 und 24 bzw. nach einem Zeitraum, der dem Punkt 70 in dem Diagramm nach F i g. 3 bzw. dem Punkt 72 in dem Diagramm nach F i g. 4 entspricht, wird der Strömlings kreislauf zwischen den beiden Speicherbehälter!"! 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 HochkonzentrationsSpeicherbehälier 22 durch den für diese Strömung wiederum als Kühlvorrichtung wirkenden Wärmetauscher 32, die Kühlvorrichtung 40, das Ventil 52, die lonenaustauchergruppe 36, das Ventil 48 und den nunmehr als Heizvorrichtung dienenden Wärmetauscher 32 in den Niederkonzentrations-Speicherbehälter 24. Gleichzeitig strömt das Kühlmittel aus diesem Niederkonzentrations-Speicherbehälter 24 durch den als Heizvorrichtung wirkenden Wärmetauscher 30, die Heizvorrichtung 38, d;«s Ventil 56, die lonenaustauschergruppe 34, das Ventil 44 und den nunmehr als Kühlvorrichtung dienenden Wärmetauscher 30 in den Hochkonzentrations-Speicherbehäller 22. Während dieses Verfahrensschrittes wird die Borkonzentration im Speicherbehälter 22 weiter ver grol.W it und im Speicherbehälter 24 weiter verkleinert. Diese Wirkung ergibt sich deshalb, weil die Ionenaustauscher 36, aus denen während des ersten Vcrfahrensschriltcs Bor ausgespült wurde, während des zweiten Verfahrensschrittes ein großes Boraufnahmevermögen aufweisen und dem in den Niederkonz.enirations Behälter 24 strömenden Kühlmittel Bor entziehen und speichern können, und weil die Ionenaustauscher 34, die während des ersten Verfahrenssehrittes mit Bor beladen

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wurden, dieses Bor während des zweiten Vcrfahrcnsschrittes in die in den rtochkonzcntrations-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-Bchälter 22 in abgekühltem Zustand und Kühlmittel aus dem Niedcrkonzentralions-Behälter 24 in aufgeheiztem Zustand jeweils abwechselnd durch eine der beiden lonenaustauschergruppen 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 177

das Ventil 78 und die Leitung 20 in die Primärkühh.ehleife eingeleitet werden. Die beiden Leitungen t8 und 20 führen durch einen regenerativen Wärmetauscher 80. welcher der Erhaltung der Gesamtwärmeenergie innerhalb des Systems dient.

In Abwandlung von der dargestellten Ausführungsforin kann der Reaktor 10 je nach den Betriebsbedingungen selbst periodisch als Hoehkonzentrations Speichcrbehälter und periodisch als Niederkonzenirations-Speieherbehälter benützt werden. Die Anlage benötigt dann nur einen einzigen zusätzlichen Speicherbehälter, der, wenn der Reaktor nur wenig Bor benötigt, als Hochkonzentrations-Speicherbchälter und, wenn der Reaktor viel Bor benötigt, als Niederkonzentralions-Spcicherbchältcr dient.

Zur Ausführung des beschriebenen Verfahrens reicht auch ein einziger Ionenaustauscher bzw. eine einzige lonenaustauschergruppe aus. Die Strömung verläuft dann abwechselnd vom Hochkonzentrations-Speicherbehälter djrch die Heizvorrichtung und den Ionenaustauscher i.i den Niederkonzentrations-Speicherbehaher und vom Niederkonzentrations-Speichcrbehälter dui\ π die Kühlvorrichtung und den Ionenaustauscher in der Hochkonzcntrations-Speichcrbehälter.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Verfahren zur Änderung der Borsäurekonzentration 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 Kühlmittel mehrfach über den Ionenaustauscher geleitet wird und dabei vor seiner Zuführung zum Ionenaustauscher abwechselnd gekühlt und erwärmt wird.

   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 Primärkühlmittel herbeizuführen, jedoch kann durch das einfache Hindurchleiten des Kühlmittels durch den Ionenaustauscher die Borkonzentration nicht in dem Maße erhöht werden, wie es zur Bereitstellung von zu speichernder Borsäurelösung erforderlich ist, welche im

   ,o Falle schnel'er 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-Auf-

   rvorrichiung zur Durchführung des Verfahrens ,_s ko^entnerungseinrichtungbe^nmerArt vorgesehen.

   nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Kühlmittelbehälter (22) für hohe Borkonzentration vorgesehen ist, der sowohl an seinem Zufluß wie an seinem Abfluß eine Kühlvorrichtung aufweist, daß ein zweiter Kühlmittelbehälter (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 Kühlmittelbehähers über den ersten bzw. zweiten Ionenaustauscher mit dem Abfluß des ersten Behälters in Verbindung steht, während der Zufluß des ersten Kühlmittelbehälters 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 zugeord-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

   μ Ionenaustauschern möglich ist, so daß durch Wegfall einer besonderen Borsäure-Aufkonzentnerungseinriehtung der apparative Aufwand der zur Steuerung der Borkonzentration im Primärkühlmitte' 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 Primärkühlmittcl bei schnellen i?nd starken Änderungen des Reaklorzustands