DE2212761C2 - Kondensationseinrichtungen fur Leicht Wasserreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kondensationseinrichtung für Leichtwasser-Reaktoren, insbesondere Siedewasserreaktoren, bei der Kondensationsrohre in wassergefüllte Kondensationskammern hineinragen, durch die einmal das bei einem Unfall entstehende Dampf-, Wasser-, Luftgemisch, zum anderen auch der Dampf der Abblascleitungen der Diuckentlastungs- und Sicherheitsventile und der Abdampf der Notkondensations- und Noteinspeise uirbinen geleitet wird.

Leichtwasserreaktoren, insbesondere Siedewasserreaktoren, besitzen heule üblicherweise ein Druckabbausyslem, das im allgemeinen innerhalb des Sigherhcitsbehälters angeordnet ist. Dieses Druckabbausystem hat die Hauptaufgabe, im Falle eines Unfalles, bei dem ein Dampf-Wassergemisch aus dem Reaktor oder einer Kiihlkreislcitung entströmt, durch rasche Kondensation des Dampfes den Druck wirksam abzubauen. Dazu sind in dem Driickabbausyslem eine Vielzahl von Kondcnsatipnsrohren vorgesehen, welche von der Druckkammer aus in die Wasservorlagc der Kondensationskammer führen.

Die Anlagen des Druckabbausystems werden jedoch auch noch für weitere Zwecke mit Vorteil benutzt: Die Abblaseleitungen der Dru rkcntlastungs- und Sicherheitsventile werden ebenfalls über entsprechende Kondensationsrohre in das Wasser der Kondensationskammer geleitet. Da es sich hierbei um Primärdampf handelt, bietet dies den großen Vorteil, daß dieser aktive Dampf innerhalb des Sicherheitsbehälters niedergeschlagen wird und damit die Aktivitätsspuren innerhalb der Reaktorkreisläufe verarbeitet werden können. Auch der Abdampf der Notkondensations- und Noteinspeiseturbinen wird in die Wasservorlagc der Kondensationskammern geleitet, da angenommen wird, daß in diesem Fall der Hauplkondensator nicht mehr zur Verfugung steht.

Für den Kondensatiunsvorgang ist nun von Bedeutung, daß ein sehr breites Spektrum \\m möglichen Dampfstromdichtcn vorhanden ist. So liegen im Falle der Abbiaselcitungen der Entlastungsventil sehr hohe Dampfmassenstromdichten vor ebenso wie bei einem Unfall. Bei den Abdampfleitungen der Notkondensations- und Noteinspeiseturbinen sind demgegenüber die Dampfstromdichten sehr gering. Noch niedrigere Dampfstromdichten können auch bei den Abblaseleitungen der Entlastungsventile vorkommen, und zwar wenn ein Entlastungsventil ein Leck bekommt und eine Dampfschleichströmung auftritt. Auch in diesem Fall muß eine einwandfreie Kondensation sichergestellt sein. Die möglichen Dampfstromdichten reichen von ca. 1000 bis 2000 kg/m²s, beim Abblasen der Entlastungsventil, bis herunter zu ca. 10 bis 50 kg/m²s bei den Abdampfrohren der Notturbinen, Leckagedampfströme können sogar noch niedrigere Stromdichten haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kondensationsrohre so auszubilden, daß für den jeweiligen Dampfstromdichtebereich eine gute Kondensation ohne merkliche mechanische Beanspruchung stattfindet mit der Randbedingung, daß bei den Abblaserohren sowohl die höchsten J~. auch niedrigsten Dampfdurchsätze gut kondensiert werden.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei der eingangs genannten Kondensationseinrichtung dadurch, daß erfindungsgemäß an den den Abblaseleitungen zugeordneten Kondensationsrohren oberhalb des Wasserspiegels entweder ein Schnüffelventil mit kleiner Ansprechschwelle und -zeit angebracht und/oder am eingetauchten Ende mindesten sein Rohrstück jeweils kleineren Durchmessers in das jeweils darüberlicgende mit einer gewissen Überlappung eingeschoben und mit ihm fest unter Bildung eines Ringspaltes verbunden ist, und daß die den Abdampf kondensicienden Rohre auf der eingetauchten Mantelfläche nahe dem ausströmseitigcn Ende mit einer Virl/nhl von kleineren Bohrungen versehen sind, deren Anzahl sich nach dem Dampfdurchsatz bestimmt.

An Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiclen wird die Erfindung näher erläutert. Da es hierbei nur auf die Geometrie der Kondensationsrohre und nicht auf das Druekabbausystem als solches ankommt, sind in der Zeichnung nur die Kondensationsrohrc dargestellt, die jeweils von oben mit Dampf beströmt werden und in Wasser eingetaucht sind. Ein Ausführungsbeispiel für ein Druekabbausystem, bei dem die Erfindung mit besonderem Vorteil angewendet wird, ist z. B. in der deutschen Auslegeschrift I 564 289 beschrieben.

Die Fig. I zeigt ein bekanntes glattes Kondensationsrohr, das unten vollständig offen ist. Ein derartiges Rohr ist gut geeignet zur Kondensation von

hohem Dampfstromdichten, im Bereich mittlerer und kleiner Dampistromdichten wild die Kondensation jedoch zunehmend unruhiger und es treten schließlich Kondensationsscliläge auf, welche unangenehme mechanische Belastungen der Rohranordnung hervorrufen. Diese Kondensationsschlage lassen sich dadurch erklären, daß mit dem Durchbrechen des Dampfes durch die Rohrölfnung die Kontaktfläehe /wischen Dampf und Wasser plötzlich vervielfacht wird, wodurch eine intensive Kondensation eintritt, welche einen Unterdruck verursacht, wodurch kaltes W?sser in das Rohr hereingezogen wird und mit erheblicher Geschwindigkeit gegen die Rohrwand oder ggf. auch gegen Rohrkrümmer schlägt.

Diese KondcnsationssehläiK treten insbesondere bei den Kondensatior.srohrcn. durch die der Dampf der Abblaseleitungen der Druckentlastungs- und Sicherheitsventile, sowie der Abdampf der Notkondensaüons- und Noteinspeiseturbinen geleitet wird auf. Letztere führen im allgemeinen einen mittleren Dampfslrom, während die Dampfstromdichte in den Abblaseleitungen bei geschlossener.. Ventil, verursacht durch Leekage-Dampfströmi'ng an einem Entlastungsventil, noch geringer ist. Andererseits muß das Rohr, das den Dampf der Abblaseleitungen führt, auch den Dampfstrom kondensieren können, der beim Öffnen eines Ventilcs auftritt.

Um diesen Forderungen gerecht zu werden, wurden die in den F i g. 2 bis 5 dargestellten Rohrkonfigurationen erfunden. Die Fig. 2 und 3 zeigen dabei Ausführungsbeispiele für die Abdampfrohrc de^r Notkondensat'ons- und Noteinspeiseturbinen. Bei diesen Rohren besteht das Problem bekanntlich darin, einen Dampfstrom relativ kleiner, jedoch in einem gewissen Betriebsbereich variierender Massenstromdichte in der Flüssigkeitsvorlage zu kondensieren. Die Kondensation muß dabei im ganzen Betriebsbereich ruhig, d. h. insbesondere ohne mechanische Belastungen und ohne nennenswerte üruckschwankungen verlaufen. Obwohl die Rohre nach Fig. 2 und 3 im beschriebenen Beispiel die Abdampfströme der Notturbinen in den Kondensationskammern eines Druckabbausystems kondensieren, können sie prinzipiell auch für andere Aufgaben gleicher Art verwendet werden.

Wesentlich ist, daß die Rohre am Mantel mit einer Vielzahl von kleinen Rohmngen versehen sind, deren Anzahl und Duichmesser sich nach dem Dampfdurchsatz richtet. Die Anordnung der Bohrungen kann regelmäßig sein, wie in den Figuren dargestellt. Besondere Vorteile gibt jedoch einer nach unten zunehmende dichtere Anordnung der Bohrungen. Das untere Rohrende kann, je nach den Verhältnissen, ganz geschlossen oder ganz offen sein, bzw. kann auch, wie in den Figuren dargestellt, durch eine oder mehrere Bohrungen im Boden stark gedrosselt sein.

Durch die Lösung gemäß der Erfindung wird der Nachteil des bekannten Kondensationsrohrcs nach Fig. 1 vermieden, daß der Wasserspiegel sich bis zum Rohrende absenkt und es damit zu einer plötzlichen Freigabe des gesamten Ausströmqucrschnittes kommt. Statt dessen wird bei dem erfindungsgemäßen Rohr mit Absinken des Flüssigkeitsspicgels innerhalb des Rohres langsam zunehmend mehr Austrittsfläche freigelegt. Dieses Prinzip hat dadurch eine gute Selbstrcgeleigenschaft (mehr Dampf gleich mehr freigelegte Fläche) und ist auch sehr geeignet für variierende Dampf mengen

Mine weitere Verbesserung läßt sich dadurch erzielen, daß man von oben nach unten eine zunehmende L'jchiiuerschnilts-Dichte anordnet, z. B. durch eine Steigerung der Lochdichte, oder durch eine Vergrößerung der Lochdurchmesser. Dadurch wird das Kondensationsverhalten insbesondere bei variablem Durchsatz verbessert, da diese Anordnung stabilisierend wirkt.

Ein wesentliches Element für eine ruhige Konden-

iü sation stellen die Vielzahl der kleinen Bohrungen dar. wodurch die Dampfströmung in die Flüssigkeit fein verteilt wird. 1ί dem Ausführungsbeispiel· nach Fig. 2 sind z. B. 4 Reihen mit jeweils 20 Bohrungen vorhanden, während im Fall der Fig. 3 zwölf Reihen mit je 29 Löcher vorgesehen sind. Im ersten Fall betraut der Lochdurchmesser 10 mm, im zweiten Fall \2 mm.

Zu erwähnen ist noch, daß die Eintauchtiefe des Rohres in die Flüssigkeitsvorlage je nach den betrieolichen Erfordernissen zu wählen ist. Auch die Verteilung der Bohrungc über die Rohrhöhe kann verschiedenartig sein, je nacn 3etriebszweck.

Wesentlich ist noch, daß die Rohre zumindest annähernd senkrecht in die Flüssigkeit eintauchen sol- !en, damit der Effekt der kontinuierlichen Freilegung der Löcher auch tatsächlich eintritt.

In den Fig. 4 und 5 sind Ausführungsbeispiele tür die Ausbildung der Abblaserohre von Entlastungsoder Sicherheitsventilen nach der Erfindung darge- stellt. In Kondensationssystemen von Kernkraftwerken wird bekanntlich mittels Entlastungs- oder Sicherheitsventilen gelegentlich Dampf über Abblaserohre in eine Flüssigkeilsvorlage geblasen und dort kondensiert.

Während die Kondensation bei dem Abblasevorgang an sich relativ unproblematisch ist und auch mit einem bekannten Rohr gemäß Fig. 1 beherrscht wird, bereiten jedoch die kleine Dampfdurchsätze, etwa im Niederdruckbereich des Dampferzeugers oder bei einer Ventilleckagc besondere Probleme. In diesem Fall kann nämlich der Rohraustrittsquerschnitt nicht mehr kontinuierlich durch die Dampfströmung freigehalten werden. Dadurch kommt es, wie eingangs erläutert, zu Kondensationsschlägen Die Rohre gemäß den F i g. 4 bis 5 verhindern nun die Kondensationsschläge bzw. schwächen die Wasserschwingungen im Rohr so stark ab, daß keine nennenswerte Beanspruchungen mehr auftreten. Somit kann mit diesen Rohren über den gesamten Durchsatzbereich eine befriedigende Kondensation erzielt werden. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 wird an dem Rohr, das unten vollkommen offen ist. ein SchnülTelventil in geeigneter Höhe über dem Wasserspiegel angebracht. Ein derartiges SchnülTelventil ist im Prinzip eine einfache Rückschlagklappe, welche bei Überdruck im Rohr gegenüber d„r Umgebung stets geschlossen ist und nur unterhalb eines bestimmten Unterdruckes öffnet und Luft einströmen läßt. Dieses Schnüffelventil nutz!

also den Effekt aus, daß ein Kondcnsationsschlag stets von einer Unterdruckschwingung begleitet ist, wodurch nunmehr bei Unterdruck das Ventil ölfnet und einen Druckausgleich herbeiführt, der zwar nicht die Kondensationsvorgänge beim Durchbrechen des Dampfzopfes beeinflußt, jedoch seine Auswirkungen hinsichtlich der mechanischen Beanspruchung des Kondensationsrohres. Wesentlich ist dabei, daß das Schnüffelventil eine hinreichend kleine Anspruch-

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schwelle bzw. Ansprechzeit besitzt. Die Funktion des mit dem Dampf sowohl durch die Ringspalte, als

Systems ist dabei im Einzelnen folgende: auch ungehindert durch das freie Rohrende aus. Da-

Wenn der Dampfstrom den Wasserspiegel bis zum bei wirkt sich sehr günstig aus, daß der Dampf durch

\ Rohraustritt abgesenkt hat und der Dampf in die die Ringspalte vertikal ausströmt, wodurch keine

\ Flüssigkeit durchtritt, kommt es zu einer schlagarti- 5 radialen Impulse und damit keine Vibrationen bei

j gen Durchmischung von Dampf und Flüssigkeit, in- hohen Dampfstromdichten auftreten. Bei sehr gcrin-

t folgedessen zu einer plötzlichen stark zunehmenden ger Dampfströmung, also bei einer Leckage, werden

j Kondensation und dadurch zu einer schnellen Aus- die Kondensationsschläge dadurch verhindert, daß

j bildung eines Unterdruckes. Ohne wirksames durch den ausströmenden Dampf der Flüssigkeits-

Schnüffelventil würde dadurch ein Flüssigkeitspfrop- to spiegel im Rohr nur bis zum ersten Ringspalt oder

fen im Rohr hochschießen und einen Flüssigkeits- bis zum zweiten bzw. folgenden Ringspalt abgesenkt

schlag, wie bereits erläutert, hervorrufen. Ein geeig- wird, wobei dann der Dampf durch diesen Spalt zur

netes Schnüffelventil an geeigneter Stelle öffnet Kondensation in die Flüssigkeit ausströmen kann. Bei

j jedoch bei Einsetzen von Unterdruck, läßt Luft oder dem abgestuften Rohr nach F i g. 5 kommt es also im

anderes Inertg.T. einströmen, wodurch einmal der 15 Gegensatz zum Rohr nach Fig. 1 nicht dazu, daß

S Druckabfall gebremst wird, und zum anderen die sich der Flüssigkeitsspiegel bis zum offenen Rohr hin

Kondensation im Rohr gravierend verschlechtert absenkt.

wird. Gegebenenfalls bildet die Luft auch ein dämp- Vorteilhaft ist auch eine in der Zeichnung nicht

fendes Polster gegen Schläge. Auf diese Weise wer- dargestellte Konfiguration, bei der die Prinzipien nach

den Flüssigkeitsschläge vermieden und die Wasser- ao den F i g. 4 und 5 kombiniert werden. Dadurch wer-

schwingungen im Rohr stark gedämpft, so daß keine den im unteren und gefährlichsten Durchsatzbercich

nennenswerten mechanischen Beanspruchungen auf- im Gegensatz zu der Anordnung nach Fig. 4 durch

treten. die Wirkung des Stufenrohres nach F i g. 5 auch Was-

Es ist zwar bekannt, Schnüffelventile in dem Kon- serschwingungen im Rohr vermieden; man hat dann

densationssystem anzuordnen, jedoch geschah dies »5 eine .ehr ruhige Kondensation. Im Übergangsdurch-

meist aus anderen Gründen. Deshalb waren diese satzbereich dagegen tritt das Schnüffelventil in Aktion

Schnüffelventile meist mit zu hoher Anspruchschwelle und verhindert Flüssigkeitsschlägc und dämpft die

eingestellt, oder besaßen eine zu große Trägheit oder Flüssigkeitsschwingungen im Rohr.

waren in einer räumlich ungünstigen Position ange- Mit den Lösungen nach Fig. 4 und 5 bzw. der

ordnet. Es ist nämlich zu bedenken, daß die An- 30 Kombination beider Lösungen ist es also möglich, im

spnichschwelle der Schnüffelventilc kleiner als 0,2 at ganzen Durchsatzbereich eine ruhige Kondensation

Unterdruck betragen soll, wobei es nicht in einer zu ohne nennenswerte mechanische Belastungen zu er

; großen Entfernung vom Wasserspiegel angebracht reichen.

ι werden darf; vor allen Dingen darf zwischen Wasser- Die Rohre nach den F i g. 4 und 5 sind im vorlic-■ spiegel und dem Schnüffelventil keine Rohrkrüm- 35 genden Beispiel die Abblaserohre der Sicherhcits- < mung oder sonstige Verengung des geraden Rohr- und Entlastungsventile in einem Kernkraftwerk. Es querschnittes liegen, wogegen die Flüssigkeit schlagen steht natürlich im Rahmen des fachmännischen Hankönnte. Da diese Bedingungen in den bekannten Fäl- delns, diese Rohre immer dann einzusetzen, wenn bei len nicht beachtet wurden, konnte der Flüssigkeits- entsprechenden Massenstromdichten eine gute Konschlag nicht wirksam genug unterdrückt werden. 40 densation ohne mechanische Beanspruchung erfolgen

Neben der Lösung mit dem Schnüffelventil nach soll.

F i g. 4 hat sich auch das neuartige Stufenrohr nach Bei dem Abblasevorgang muß zunächst die relativ Fig. 5 in praktischen Versuchen gut bewährt. Das hohe Wassersäule aus dem Rohr herausgetrieben Rohr nach Fig. 5 besitzt, nach unten zu verjüngend werden. Es treten dabei einige Druckwellen in de 2 Rohre jeweils kleineren Durchmessers, die jeweils 45 Kondensationskammer auf, die zu einer gewissen ! in das dariiberliegende eingeschoben werden, und mechanischen Belastung desDruckabbausvstems fülizwar mit einer gewissen Überlappung, wobei sie dann ren. Um dies zu vermeiden, wird vorgeschlagen, in an dem darüberliegenden Rohr fest verbunden wer- den Kondensationsrohren für die Abblaselettungcn den, z. B. über Stege oder dgl. Es bleibt dadurch zwischen Entlastungsventil und Wasserspiegel ständig jeweils zwischen dem größeren und dem kleineren so einen Überdruck aufrechtzuerhalten, welcher den • eingeschobenen Rohr ein Ringspalt zur vertikalen Wasserspiegel im Rohr bis nahe dem Rohrantritt abAusströmung frei. Die Weite der kingspalte kann senkt, und klein hält. Diesen Überdruck von einigen dal>ei je nach dem Betriebsbereich dimensioniert wer- mWS kann z.B. eine innerhalb des Druckabbauden, ggf. kann der RingspaH auch nur sektorenweise systems befindliche, kleine Luftverdichtungsanlage zur Ausströmung freigegeben werden. Auch die Zahl 55 erzeugen. Sie ist mit allen Abblaserohren über kleine der Abstufungen kann je nach Betriebserfordernissen Rohrleitungen und Rückschlagklappen verbunden variiert werden. Eventuelle Luftleckage durch die Schnüffelventilc Bei sehr großer Massenstromdichte, also beim Ab- wäre ungefährlich, da die Luft von dem Kompessoi blasevorgang, strömt der Dampf oder das Gemisch ohnehin aus dem DAS entnommen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kondensationseinrichlung für Leichtwasser-Reaktoren, insbesondere Siedewasserreaktoren. bei der Kondensationsrohre in wasscrgefüllte Kondensationskammern hineinragen, durch die einmal das bei einem Unfall entstehende Dampf-, Wasser-, Luf(gemisch, zum anderen auch der Dampf der Abblaseleitungen der Druckentlastungs- und Sicherheitsventile und der Abdampf der Notkondensations- und Noteinspeiseturbinen geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß an den den Abblaseleitungen zugeordneten Kondensationsroiiren (Fig. 4, 5) oberhalb des Wasserspiegels entweder in an sieh bekannter Weise ein Schnüffelventil mit kleiner Ansprechschwelle und -zeit angebracht und/oder am eingetauchten Ende mindestens ein Rührstock jeweils kleinc'.n Durchmessers in das jeweils darübcrliegende mit einer gewissen Überlappung eingeschoben und mit ihm fest unter Bildung eines Ringspaltes verbunden ist, und daß die den Abdampf kondensierenden Rohre (Fig. 2, 3) auf der eingetauchten Mantelfläche nahe dem ausströmsei'.iuen Ende mit einer Vx'lzahl von kleineren Bohrungen versehen sind, deren Anzahl sich nach dem Dampfdurchsalz bestimmt.

2. Kondensationseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Bohrungen odc, deren Querschnitt nach unten hin progressiv zunimmt.

3. KondensationseinricliUmg nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den den Abblaseleitungen "zugeordneten Kondensationsrohren zwischen Entlastungsventil und Wasserspiegel ständig ein geringer Überdruck aufrechterhalten wird, wodurch der Wasserspiegel bis nahe dem Rohraustriit abgesenkt wird.

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