DE2645437B2 - Druckentlastungsvorrichtung für einen Kernreaktor-Druckbehälter - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Druckentlastungsvorrichtung im Verteilring des Kerntragzylinders eines Atomkernreaktors mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein konventioneller Kernreaktor-Druckbehälter umfaßt im allgemeinen eine in Längsrichtung angeordnete zylindrische Konstruktion, die an beiden Enden durch einen konvexen Boden und eine gewölbte Decke geschlossen wird und die Reaktorkühlmittel-Eintrittsund Austrittsstutzen hat, die winklig getrennt in einer Ebene quer zur Längsachse des Behälters angeordnet sind und nach außen vorspringen. Innerhalb des Druckbehälters ist der Reaktorkern angeordnet, der gewöhnlich von einem Kerntragzylinder getragen wird, welcher an einem Ringflansch aufgehängt wird, der auf der Innenfläche des Behälters ausgebildet ist. Der Kerntragzylinder umfaßt einen Verteilring, aus dem das Primärkühlmittel über Austrittsstutzen austritt, und eine so aus Wärmeschirm und Tragmittel gebildete Konstruktion, die die Brennelemente in dem Reaktorkern trägt und die in Verbindung mit dem Verteilring und der Innenwand des Reaktordruckbehälters als eine hydraulische ringförmige Führung für das eintretende Primärkühlmitte'i dient.

Im Betrieb tritt das Kühlmittel im Zwangsumlauf in den Druckbehälter durch die Eintrittsstutzen ein, strömt durch die ringförmige hydraulische Führung, welche zwischen der Innenfläche des Druckbehälters und dem Kerntragzylinder gebildet ist, und steigt durch den Reaktorkern nach oben, woraufhin das Kühlmittel aus dem Behälter durch die Austrittsstutzen austritt.

Aus Sicherheitsgründen sind Kernreaktoren im allgemeinen in dichten Beton- oder Stahl-Sicherheitsbe- <>5 hältern eingeschlossen, um radioaktive Stoffe, wie z. B. gasförmige, verdampfte, feste oder gelöste Spaltprodukte, daran zu hindern, bei einem Reaktorunfall in die Atmosphäre auszutreten. Ein Unfall des Reaktorsystems durch Ausfall des Kühlmittels, kurz :>LOCA« genannt, führt zu einer Entspannung des Hochdruck-Primärmediums, das Druck im Sicherheitsbehälter aufbaut, sowie zu einer schnellen Verdampfung und dadurch zu einer Druckbildung des restlichen Primärrnediums, das zum Zeitpunkt des »LOCA« innerhalb des Reaktorbehälters bleibt. Dementsprechend sind verschiedene Sicherheitssysteme vorgeschlagen worden, um den Dampfdruckaufbau in dem Sicherheitsbehälter zu unterdrücken und auch, um eine Notkühlung oder -flutung des Reaktorkerns zu bewirken. Bei einem zufälligen oder katastrophalen Ausfall des Reaktorsystems kann jedoch ein schneller Druckaufbau in dem Reaktorbehälter vorkommen — in der Größenordnung von 35 kp/cm² Differenz zwischen dem Verteilringbereich und dem Spaltbereich in etwa ein Hundertstel (0,01) einer Sekunde — und die anschließende Druckbildung kann die Notkühl- oder -flutungssysteme daran hindern, in angemessener Weise den heißen Kern mit einem Kühlmittel zu beaufschlagen. So wird z. B. bei einem »LOCA« die Primärkühlmittel-Eintrittsleitung betrifft, die Strömung unterbrochen, wodurch das Primärkühlmittel daran gehindert wird, in den Kern einzutreten. Der heiße Atomreaktorkern setzt jedoch die Erzeugung von Energie in Form von Wärme fort.

Der Kühlmitteldruck innerhalb des Reaktorbehälters nimmt schnell auf Sättigungsdruck ab; an diesem Punkt sammelt sich der Kühldampf in dem Verteiiringbereich und erhöht den Druck dort. Außerdem benötigt ein typischer Kernreaktorbehälter während des normalen Betriebes Kühlmittel in der Größenordnung von Hunderttausenden von Litern pro Minute, um in angemessener Weise den Reaktorkern zu kühlen, so daß eine Unterbrechung der Primärkühlmittelströmung eine übermäßige Wärmesammlung in dem Kern erlaubt und einen übermäßigen Wärmeübergang zum restlichen Kühlmittel innerhalb des Behälters erzeugt. Der übermäßige Wärmeübergang zu dem restlichen Kühlmittel kann zu einem genügenden Überdruck des Kühlmittels in dem Mantel führen, so daß die Verfailswärmebeseitigung oder die Not-Kernkühlung daran gehindert sein können, in den Kern zu strömen und ihn in angemessener Weise zu kühlen, und zwar auf Grund des Überdruckes des erwärmten restlichen Kühlmittels.

Somit kann die Tätigkeit der Not-Kernkühl- oder flutungseinrichtungen aufgehoben oder zumindest vermindert werden, was zu einem potentiellen Aufbau von Reaktorkern-Zerfallswärme und einer möglichen Abschmelzung des Kerns führt.

Ein einfaches »Schwerbau«-Klappventil, das auf Differenzdruck am Ventil anspricht und sich bei Druckerhöhung im Kerntragzylinder automatisch öffnet, ist als eine mögliche Kernzylinderentlastungsvorrichtung vorgeschlagen worden. Da jedoch der Druckanstieg innerhalb des Kerntragzylinders, z. B. während eines »LOCA«, fast sofort auf das über hundertfache steigt, wird das Ventil sich »explosionsartig« öffnen und sich nach außen in Richtung auf die Behälterinnenwand mit einer Geschwindigkeit beschleunigen, die sich der Schallgeschwindigkeit des Dampfes nähen. Da die Abmessung des Spaltringes zwischen dem Kerntragzylinder und der Innenwand des Reaktordruckbehälters gewöhnlich begrenzt ist, wird ein »explosionsartig« geöffnetes Ventil ausreichender Ventilplattengröße für angemessenen Druckabbau die Innenwand des Reaktorbehälters mit einer Kraft

berühren, die ausreicht um eine starke Verformung des Ventils zu verursachen. Um die analytische Untersuchung der Ventilplatteriverformung zu vereinfachen, ist weiterhin vorgeschlagen worden, in das Ventilsystem eine »schwere« Warze einzugliedern, die nach außen aus der Platte heraus- und in den Spaltring hineinragt. Da die »schwere« Warze auch »explosionsartig« die Behälterwand berühren wird, besteht jedoch die Möglichkeit, daß die »schwere« Warze und die Ventilplatte örtlich die Wand in der Nähe der Berührungsstelle überbeanspruchen werden. Außerdem kann die Berührungskraft zwischen Ventil und Wand auch stark den Ventilscharnierstift verformen, so daß sich das Ventil, wenn es anschließend durch einströmendes NotkUhlmittel geschlossen wird, vielleicht nicht wieder öffnet, wenn ein verhältnismäßig niedriger Differenzdruckaufbau am Kerntragzylinder entsteht.

Dementsprechend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, für den Verteilring des Kerntragzylhders eines Reaktordruckbehälters eine Entlastungsvorrichtung zu schaffen, die während eines Unfalles oder eines Ausfalles des Kühlmittels des Reaktors den Druckaufbau im Kerntragzylinder abbaut, keine übermäßigen Lasten auf die Reaktorbehälterwand überträgt und im Anschluß an das anfängliche Ansprechen auf einen Druckaufbau im Kerntragzylinder, z. B. während eines »LOCA«, funktionstüchtig bleibt, um auf einen anschließenden verhältnismäßig niedrigen Differenzdruckaufbau anzusprechen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Im einzelnen umfaßt eine diese Merkmale aufweisende Entlastungsvorrichtung für einen Reaktordruckbehälter-Kerntragzylinder eine energieaufnehmende Platte, die den Kerntragzylinder absperrt, ein Scharnier, das die Platte trägt und eine nach außen gerichtete Drehbewegung derselben erlaubt einen energieaufnehmenden Bügel, der die Platte mit dem Scharnier verbindet, und ein energieaufnehmendes Teil, das auf der Außenfläche der Platte angeordnet ist und nach außen aus derselben heraus und in den Spaltring hin verläuft.

Insbesondere umfaßt die energieaufnehmende Entlastungsvorriichtung ein Ventilgehäuse, das lösbar und abdichtend mit einem Einbauring verbund- ist, der in Verbindung damit einen Entlastungsdui~ntritt durch den Kerntragzylinder hindurch begrenzt, eine Platte oder Kreisscheibe sowie Scharniermittel, die die Platte bzw. Scheibe an dem Gehäuse aufhängen und eine nach außen gerichtete Drehbewegung der Platte erlauben. Außerdem ist die Entlastungsvorrichtung mit einem energieaufnehmenden Rohrstück versehen, des sowohl mechanische als auch hydraulische Energieaufnahmemittel umfaßt, um die Last des Aufpralls der Entlastungsvorrichtung auf die Druckbehälterwand durch Verformung des Rohrstücks sowie durch Verdichtung und Zwangsausstoß des innerhalb eines hohlen Teils des Rohrstücks eingefangenen Eintrittsmediums zu begrenzen. Weiterhin wird die Energieaufnahme auch durch eine »Leichtbauw-Scheibe ermöglicht, die nicht nur die Aufprallenergie wegen ihres leichten Gewichts vermindert, sondern auch eine Energieaufnahme durch ihre Verformung beim Aufprall bewirkt. Außerdem wird eine Energieaufnahme auch durch b^r> lastbegrenzende Scharnierbügel bewirkt die die Scharnier-Aufprallast auf die plastische Verformungslast der Büffel beerenzen.

Dies bedeutet, daß nach dem anfänglichen Aufprall der Entlastungsvorrichtung auf die Wand eine plastische Verformung der Bügel eintreten kann, wenn die Scheibe versucht, sich entlang der Behälterwand zu bewegen; dadurch wird die Scharnierlast auf die plastische Verformungslast des Bügels begrenzt. Die Reaktor-Entlastungsvorrichtung schließt auch eine Spindel ein, die an der Innenfläche der Scheibe befestigt ist und nach innen aus derselben heraus verläuft, um zu vermeiden, daß die Scheibe, wenn sie von dem Scharnier getrennt ist, während des normalen Reaktorbetriebes nach unten durch den Spaltring zum Boden des Reaktorbehälters fällt und dann nach oben in zerstörerische Berührung mit dem Kern kommt.

Die energieaufnehmende Entlastungsvorrichtung gemäß der Erfindung stellt ein wirksames Mittel für die Entlastung des Kerntragzylinders dar, während sie die Aufprallast auf die Reaktordruckbehälterwand begrenzt.

Ein Ausführungsbejspie] der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt

F i g. 1 einen Kernreaktor-Druckbehälter teilweise im Schnitt,

F i g. 2 eine Teilansicht einer Kerntragzylinder-Entlastungsvorrichtung,

F i g. 3 eine Ansicht der Entlastungsvorrichtung entlang der Linie 3-3 der F i g. 2,

Fig.4 eine Ansicht der Entlastungsvorrichtung entlang der Linie 4-4 der F i g. 2.

Wie in Fig. 1 dargestellt, besitzt ein Kernreaktor-Druckbehälter 10, der in eine Längsrichtung angeordnete zylindrische Hülle oder Wand 11 aufweist, welche an jedem Ende durch einen konvexen Boden 12 und eine gewölbte Decke 13 geschlossen wird, Reaktorkühlmittel-Eintritts- bzw. Austrittsstutzen 14 und 15, die aus der Behälterwand 11 in der Nähe der gewölbten Decke 13 herausragen. Diese Stutzen 14 und 15 sind im allgemeinen alle in der gleichen seitlichen Ebene angeordnet, d. h. quer zur Längsachse des zylindrischen Behälters, und sie sind im Winkel zueinander angeordnet. Innerhalb des Behälters 10 dient ein Ringflansch 16, der auf der Innenfläche der Wand 11 ausgebildet ist, als Halterung eines Kerntragzylinders 18, der einen vertikal angeordneten Verteilring 19 einschließt, welcher mit einer öffnung 20 ausgebildet ist, die zu dem Austrittsstutzen 15 für den Reaktorkühlmittelaustritt ausgerichtet ist.

Der Kerntragzylinder 18 oder, genauer gesagt, der Verteilring 19 wird durch einen Tragmantel 22 und einen Wärmeschirm 24 verlängert, die in Verbindung mit der Behälterwand 11 als eine hydraulische Ringführung oder als Kanal 26 dienen, um das einströmende den Kanal 26 eintritt. Außerdem trägt der Tragmantel 22 die Brennelemente in dem Reaktorkern (nicht dargestellt).

Im Betrieb tritt das Primärkühlmittel in den Druckbehälter 10 durch den Eintrittsstutzen 14 ein, strömt nach unten durch den Ring oder Kanal 26, steigt innerhalb des Kerntragzylinders 18 durch den heißen Reaktorkern (nicht dargestellt) zu dem Verteilringbereich 19A woraufhin das erwärmte Kühlmittel aus dem Behälter 10 durch die Ringöffnung 20 und den Austrittsstutzen 15 austritt.

In Übereinstimmung mit der Erfindung ist eine Anzahl Entlastungsvorrichtungen 30 (F i g. 2), von denen nur eine in Fig. 1 dargestellt ist, in dem Verteilring 19

angeordnet, um einen Entlastungsdurchtritt 32 im Ring 19 abzusperren. Vorzugsweise werden die Entlastungsvorrichtungen 30 in einer Ebene oberhalb derjenigen der Eintritts- und Austrittsleitungen angeordnet, d. h. in der Nähe der Oberkante des Verteilringes 19 und in vertikalem Abstand von Kern-Notflutungseintritten (nicht dargestellt), die in dem Kanal 26 angeordnet werden.

Wie es in den F i g. 2, 3 und 4 im einzelnen dargestellt ist, umfaßt die Entlastungsvorrichtung 30 einen Einbauring 34, der an dem Verteilring 19 befestigt ist, um eine strömungstechnische Verbindung mittels eines Mediumdurchtritts 35 herzustellen. Außerdem schließt der Einbauring 34 eine radial nach innen verlaufende Lippe 36, ein Paar durch den Ring verlaufende Ausrichtungslöcher 40 und einen Stift 42 ein, der für Verlagerungszwekke in jedes der Löcher 40 gesteckt und an jedes derselben festgeschweißt wird.

Außerdem ragt ein Ende der Stifte 42 aus dem Loch 40 heraus und nach innen zum Verteilringbereich 19/1 innerhalb des Durchtritts 35; der Stift weist ein konisches Ende 42A zur leichten Ausrichtung auf. Die Entlastungsvurrichtung 30 umfaßt weiterhin ein Gehäuse 37, das lösbar mit dem Ring 34 durch eine Anzahl Befestigungsschrauben 38 verbunden wird, die am Umfang um das Gehäuse herum angeordnet sind, und das ein Paar durchgehende Ausrichtungslöcher 41 in genügender Größe für leichte Ausrichtung des Gehäuses 37 mit den konischen Enden der Stifte 42 des Rings 34 während des Zusammenbaus einschließt. Dementsprechend wird das Gehäuse 37 innerhalb des Durchtritts 35 ausgerichtet und gegen die Lippe 36 geschraubt, um dichtend an dem Ring 34 anzuliegen. Außerdem begrenzt das Gehäuse 37 den Druckentlastungs-Durchtritt 32/4 durch den Verteilring 19 für Druckentlastungszwecke, z. B. während eines Unfalls. Eine Ventilplatte 43 ist mit dem Entlastungsdurchtritt 32/4 mittels eines Scharnierbügels 44 so eingehängt, daß sie mit einem Sitz 37.4 eine Absperrung bildet. Der Bügel 44 ist mit einem Stift 45 verbunden, der an dem Gehäuse 37 durch Ventilteile 45/4 befestigt ist und eine nach außen gerichtete Drehbewegung der Platte erlaubt. Dementsprechend wird die Entlastungsvorrichtung 30 oder, genauer gesagt, die eingehängte Platte 43, die auf sie wirkende Kräfte anspricht, gegen den Gehäusesitz 37A durch das Hochdruck-Eintrittsmedium innerhalb des Kanals 26 geschlossen, d. h. durch einen radial nach innen gerichteten Differenzdruck, der auf die Platte 43 wirkt. Bei einem Ausfall oder einem Unfall, der bewirkt, daß die Druckdifferenz an der Entlastungsvorrichtung 30 nach außen gerichtet wird, d. h. der Druck innerhalb des Verteilrings 19 größer ist als der Druck innerhalb des Primärmediumkanals 26, wird sich jedoch die Entlastungsplatte 43 automatisch um den Scharnierstift 45 in den Ringspalt 26 drehen, den Bereich 194 zum Ringspalt 26 hin öffnen und dadurch den Druck innerhalb des Kernzylinders 18 abbauen.

Von der Platte 43 verläuft nach außen in den Ringspalt 26 ein energicaufnehmendes Rohrstück 46, das so ausgebildet ist, daß es auf die Behälterwand 11 uuftrifft, wie in F i g. 2 an der Fläche 49 angedeutet. Die cnergicaufnchmendcn Fähigkeiten des Rohrstückes 46 ergeben sich durch die allgemein ringförmige Ausbildung, die durch unterschiedliche Größe, Länge und Wandstärke des Rohrstückes 46 eine mechanische Stauchung derselben bei bestimmten Lasten verursachen wird.

Weiterhin wird eine hydraulische Aufnahme der Aufprallenergie auch durch das Rohrstück 46 über die Verdichtung des Kühlmittels bewirkt, das innerhalb des hohlen Teils des Rohrstücks eingefangen ist und heftig nach außen durch eine öffnung 47 als Ergebnis des Aufpralls und der mechanischen Verformung des Rohrstücks herausgeschleudert wird. Außerdem kann die nach außen verlaufende Stirnfläche 46/4 des Rohrstücks 46 in einem Winkel zur Längsachse des Rohrstücks ausgebildet werden, wie es in F i g. 2 dargestellt ist, so daß eine im wesentlichen bündige oder mediumdichte Berührung zwischen der Stirnfläche 46/4 und der Wandfläche 49 hergestellt wird. Auf diese Weise kann das zum Zeitpunkt der Berührung in das Rohrstück eingefangene Medium nur durch die öffnung 47 entweichen. Wie es in der Technik üblich ist, können weiterhin Teile der Stirnfläche 46/4 geschliffen werden, um die Bildung einer scharfen Schneidkante auf derselben zu verhindern.

Dementsprechend schließt während des normalen Betriebs des Kernreaktorsystems der Primärkühlmitteldruck die Ventilplatte 43 dicht gegen das Gehäuse 37 durch eine nach innen gerichtete Druckdifferenz. Wie bereits oben erläutert, öffnet jedoch während eines Unfalls oder Ausfalls, wie z. B. eines Kühlmittelausfalls, der sehr schnelle Druckantrieb in dem Zylinder »explosionsartig« die Ventilplatte 43, wodurch das Druckmedium durch den Durchtritt 32 in den Primärkühlmittelring 26 entweichen kann.

Außerdem wird der Aufprall des Ventils gemäß der Erfindung, d. h. genauer gesagt, des Rohrstückes 46 auf die Wand 11, wegen der »Leichtbauweise« des Ventils gegenüber den »Schwerbausystemen« nach dem Stand der Technik, vermindert. Dies besagt, daß bei der gleichen Aufprallgeschwindigkeit, der Schallgeschwindigkeit des entweichenden Mediums, eine leichtere Platte weniger kinetische Energie aufweist als eine schwere Platte. Außerdem wird auch eine Energieaufnahme durch die mechanische Verformung oder Quetschung des Rohrstücks 46 bewirkt, wenn es die Wand 11 berührt, dieselbe einlagen. Die Trägheit der Platte 43 führt außerdem dazu, daß dieselbe nicht nur verbogen oder verformt wird, sondern sich auch seitlich in einer Richtung tangential zu der bogenförmigen Bewegung beim Aufprall verlagert. Die Bewegung der Platte verursacht dadurch eine Verformung des Bügels 44, d. h. eine weitere Energieaufnahme. Somit ist die Biege- oder Verformungslast des Bügels, die je nach dem zur Verwendung gekommenen Werkstoff und je nach der Größe des Bügels unterschiedlich sein kann,

so die maximale Last, die auf den Scharnierstift 45 übertragen wird. Außerdem wird ein bestimmter Teil der Aufprallenergie auch durch die Biegung der Leichtbauplatte 43 aufgenommen, wodurch die Beanspruchung der Wand 11 weiter vermindert wird.

τ, Bei der in der Zeichnung dargestellten erläuternden Ausführungsform dieser Erfindung wird die Platte 43i in einem geringfügigen Winkel zur Vertikalen — etwa 5° — aufgehängt, so daß die auf die Platte wirkende Schwerkraft das anfängliche Aufsetzen der Platte auf

i,i) den Sitz 37/4 gewährleistet, und es werden zwei Bügel 44 als ein redunantes Sicherheitsrnerkmal vorgesehen. Weiterhin schließt die Platte 43 auch eine Spindel 50 ein, die nach innen von derselben verläuft. Als eine praktische Maßnahme ist die Spindel 50 aus Sicherheits-

i,', gründen vorgesehen, um zu verhindern, daß eine gelöste Vcntilplattc durch den Primärkühlmittelringspalt 26 während des normalen Reaktorbetriebes wandert und evtl. den Reaktorkern beschädigen könnte. Die Spindel

50 ist nämlich ausreichend lang, so daß die Breite der Ventilplatte vom Ende der Spindel 50 /um Ende des Rohrstückes 46 größer ist als der Spalt zwischen der Er.tlastungsvorrichtung 30 und der Behälterwand 11.

In der Praxis kann das Ansprechen der Ventilplatte 43 ■> auf eine ausgeübte Last aus Sicherheitsgründen geprüft werden und um den Betrieb oder das öffnen des Ventils in einer Not- oder Unfallsituation zu gewährleisten. Dabei wird wie folgt vorgegangen: Ein Druchtritt 51 (Fig. 2), der in dem Verteilring vorgesehen ist, erlaubt Zugang zu der Entlastungsvorrichtung 30 mittels eines

Werkzeugs (nicht dargestellt), z. B. mittels einer hakenförmigen Stange. Die hakenförmige Stange ergreift Mittel auf dem Bügel 44, wie /.. B. einen Stift 52 (F i g. 2 und 4). Bei einer bestimmten Mindestlast, wie sie durch eine Federwaage gemessen wird, hebt sie die Platte 43 von dem Sitz 374. Weiterhin kann die Mindestlast für Betätigung des Ventils aufgrund einer Mindestdruckdifferenz von einem Fachmann errechnet werden, um die ausgeübte Last für Prüfzwecke zu ermitteln.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Druckentlastungsvorrichtung im Verteilring des Kerntragzylinders eines Atomkernreaktors mit einem von einem Kühlmedium durchströmten Druckbehälter, bestehend aus einer schwenkbar mit Hilfe eines Scharnierstiftes an einer öffnung des Verteilringes befestigten Ventilplatte, welche bei einem Druckaufbau im Kerntragzylinder nach außen in Richtung zur Druckbehälterinnenwand bis zur Auflage auf derselben ausschwenkt und dadurch die öffnung im Verteilring des Kerntragzylinders zum Abbau des Überdrucks in demselben freigibt, desgleichen, daß auf der zur Innenwand des Druckbehälters (11) weisenden Seite der an einem Scharnierbügel (44) hängenden Ventilplatte (43) ein plastisch verformbares Rohrstück (46) angeordnet ist, das an seinem zur Druckbehälterinnenwand weisenden Ende (46A)otfen ist und öffnungen (47) in seiner Wandung aufweist, wobei das Rohrstück (46) eine derartige Verformbarkeit aufweist, daß es beim Aufprall auf die Innenwand des Reaktordruckbehälters (11) dieselbe sowie den Scharnierstift (45) des Scharniers der Ventilplatte nicht beschädigt.

2. Druckentlastungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Scharnierbügel (44) plastisch verformbar ausgebildet ist.