DE2655911A1

DE2655911A1 - Vorrichtung zur druckbeaufschlagung

Info

Publication number: DE2655911A1
Application number: DE19762655911
Authority: DE
Inventors: Yves Bonnet; Michel Mabile
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1975-12-09
Filing date: 1976-12-09
Publication date: 1977-06-23
Also published as: JPS5270415A; FR2334994B1; IT1072201B; BE848982A; FR2334994A1; DE2655911C2; ES454078A1; US4124067A; NL7613732A; JPS6110799B2; CA1072690A; SE428405B; SE7613794L; GB1531860A

Description

Commissariat ä" 1'Energie Atomique, Paris (Prankreich)

Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung mit Zwischenreservoir, die insbesondere den Druck des Kühlmittels eines Kernreaktors innerhalb eines gegebenen Temperaturintervalles im wesentlichen auf einem Festwert hält, und zur Regelung des Kühlwasserdruckes und der Wärmeabfuhr eines Druckwasserreaktors.

Bekanntlich liegt die Wassertemperatur von Druckwasserreaktoren im Nennbetriebsbereich in der Größenordnung von 300 ⁰C. Um das Wasser bei einer derartigen Temperatur flüssig

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zu halten, muß sein Druck größenordnungsmäßig I50 bar betragen. Nun führen aber verlangte Leistungsänderungen, d. h. die Änderungen der am Ausgang des Sekundärkreises zur Versorgung von Turbinen abgeführten Leistungj zu Temperaturänderungen der Flüssigkeit im Primärkreis. Diese Temperaturänderungen und die sich daraus ergebenden Volumenänderungen können zu unzulässigen bzw. kritischen Druckänderungen führen. Insbesondere können die Druckerhöhung ein ungewolltes Auslösen der Sicherheits-Ventile bzw. -Absperrorgane und der Druckabfall ein Sieden des Wassers im Reaktorbehälter hervorrufen.

Um derartige kritische Situationen zu verhindern, sind die Primärkühlkreise mit mindestens einem Druckerzeuger versehen, der den Wasserdruck im wesentlichen konstant halten soll, unabhängig von verlangten Änderungen der Last und damit von dabei auftretenden Änderungen von Temperatur und Volumen. Der Druckerzeuger ist eine Expansionskammer, mit der der Druck trotz dieser Volumenänderungen im wesentlichen konstant gehalten werden kann. Ein Dampfdruck-Erzeuger besteht bekanntlich aus einem geschlossenen Raum, dessen Unterteil in Verbindung mit dem Primärkühlkreis steht und der ein bestimmtes Primarwasservolumen in Gleichgewicht mit seinem Dampf umschließt. Bei Dauerbetrieb genügt es, dieses Wasser so auf einer Temperatur zu halten, daß der entsprechende Sättigungsdampfdruck gleich dem Betriebsdruck des Kernreaktors ist.

Da die durch die Wärmeaustauscher abgeführte Wärmemenge verringert ist, erwärmt sich das Primärkreis-Wasser. Das Primärkreis-Wasser dehnt sich aus und dringt in den Druckerzeuger ein, wo der Dampf noch mehr komprimiert wird. Dies wird als "Eindringen" bezeichnet. Um diese Druckerhöhung zu begrenzen, wird anstelle einer Vergrößerung der Abmessungen des Druckerzeugers ein Abkühlen des Dampfes mittels einer

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Sprüheinrichtung bevorzugt.

Wenn dagegen die geforderte Last zunimmt, kühlt sich der Primärkreis ab und der Wert (Druck) im Druckerzeuger sinkt. Dies wird als "Ausstoßen" bezeichnet. Die so dem Dampf im Druckerzeuger angebotene Volumenerhöhung führt zu einem Druckabfall, der jedoch durch das Sieden des V/assers im Druckerzeuger begrenzt ist. Dieses Absinken der Wassertemperatur wird bekanntlich mittels eines Wiederaufheiz-Systems im Druckerzeuger kompenriert.

Die Wärmezyklen (Folge von Einführungen und Ausstoßungen) führen unvermeidlich trotz ständiger Umwälzung des Primärwassers im Druckerzeuger zu thermischen Spannungen auf die Verbindungsstücke zwischen dem Reaktorbehälter bzw. Reaktorkern und dem Druckerzeuger. Weiterhin muß bei Ein.-führ-Betrieb ein Magnetventil der Sprüheinrichtung geöffnet werden, was ein anfälliges Bauteil mit damit nicht absoluter Zuverlässigkeit ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung mit Zwischenreservoir anzugeben, die die oben aufgezeigten Nachteile vermeidet, indem insbesondere der Einfluß der Wärmezyklen verringert und das ausgelöste Magnetventil vermieden wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch

einen ersten Behälter oder "Druckerzeuger" mit einer Sprüheinrichtung an seinem oberen Teil und einem ersten Heizsystem,

einen zweiten Behälter oder ein "Zwischenreservoir" mit einem zweiten Heizsystem,

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eine erste Leitung, die den Boden des zweiten Behälters mit dem Reaktorbehälter oder der Schleife verbindet,

eine zweite Leitung in einer Richtung, die die Flüssigkeit vom unteren Teil des ersten Behälters zum oberen Teil des zweiten Behälters leitet, und

eine dritte Leitung in einer Richtung, die die Flüssigkeit vom oberen Teil des zweiten Behälters zur Sprüheinrichtung leitet.

Die Regelung des Heizsystems des ersten Behälters oder Druckerzeugers ist auf den Druckwert eingestellt, der im Primärkreis (d. h. im Reaktorbehälter) abhängig vom Sollwert herrscht. Die Regelung des Heizsystems des zweiten Behälters oder des "Zwischenreservoirs" ist auf den Wert der Temperatur in diesem, unabhängig vom Druckwert, eingestellt.

Der Sollwert dieser Temperatur ist abhängig vom Sollwert des Druckes im Primärkreis (Reaktorbehälter) so gewählt, daß das Zerstäuben in der Sprüheinrichtung dieses Wassers in der Dampfphase des Druckerzeugers überhaupt keine Druckänderung bewirkt. In der Fig. k ist der Druckwert P im Primärkreis in bar abhängig von der Temperatur im Zwischenreservoir dargestellt. Es zeigt sich, daß dies im wesentlichen eine Gerade ist.

Um den Temperaturverlauf des Zwischenreservoirs gleichmäßig zu machen, muß der Dauerumwälz-Durchsatz im Zwischenreservoir hydraulische Turbulenz hervorrufen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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Pig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Druckerzeugers mit Zwischenreservoir;

Fig. 2 eine vorteilhafte Weiterbildung des gleichen Druckerzeugers mit Zwischenreservoir;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel des Druckerzeugers mit integriertem Zwischenreservoir; und

Fig. 4 (bereits erläutert) den Druck P im Primärkreis abhängig von der Temperatur t im Zwischenreservoir.

Die Vorrichtung besteht aus zwei getrennten Abschnitten, die beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 aus einem ersten dichten Behälter 2, der den Druckerzeuger bildet, und aus einem zweiten dichten Behälter 4 bestehen, der das Reservoir auf Zwischentemperatur bildet. Der Druckerzeuger 2 hat in · seinem Inneren eine Sprüheinrichtung 6 an seinem oberen Ende. Diese Sprüheinrichtung 6 ermöglicht das Zerstäuben von Wasser im oberen Teil des Druckerzeugers 2.

Der Druckerzeuger 2 hat in gleicher Weise eine Leitung 8, die seine Wand durchsetzt und im unteren Bereich von diesem mündet. Das zweite Ende 10 der Leitung 8 durchsetzt die Wand des Reservoirs 4 auf Zwischentemperatur, um gegen dessen oberes Ende zu münden. Die Sprüheinrichtung 6 ist mit einem der Enden einer zweiten Leitung 12 verbunden, deren anderes Ende an die erste Leitung 8 außerhalb des Reservoirs ¹J angeschlossen ist. Der Druckerzeuger 2 hat weiterhin innerhalb und in seinem unteren Teil Heizrohre bzw. -stäbe 14, z. B. isolierte elektrische Widerstände. Das Reservoir 4 hat weiterhin eine dritte Leitung 16, die außerhalb der

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Wand des Reservoirs 4 mündet und somit in Verbindung mit dem Innern des Reaktorbehälters mit Widerstand zum Druck des Reaktors steht, und deren anderes Ende lS im unteren Teil des Reservoirs 4 mündet. Z. B. mündet das erste Ende der Leitung 16 in einer Primärausgangsleitung, d. h. in einer Leitung, die zum Dampferzeuger führt.

Das Reservoir 4 hat darüber hinaus Heizrohre bzw. -stäbe 20 und einen Kreis zur Dauerumwälzung von Wasser aus einer Eingangsleitung 22 und aus einer Ausgangsleitung 24, die von der Leitung 8 abzweigt. Wie bereits oben erläutert wurde, erzeugt dieser Kreis im Zwischenreservoir hydraulische Turbulenz, um in diesem die Wassertemperatur auszugleichen.

Die Leitung 8 ist mit einem Rückschlag- oder Einwegventil 26 ausgestattet, das allein das Umwälzen des Wassers vom Druckerzeuger 2 zum Reservoir 4 auf Zwischentemperatur erlaubt. Die Leitung 12 kann in gleicher Weise mit einem Rückschlag- oder Einwegventil ausgestattet sein, das lediglich das Umwälzen des Wassers in Richtung vom Reservoir 4 zum Druckerzeuger 2 erlaubt. Jedoch kann durch den bestimmten Aufbau aus den beiden Abschnitten und aus den Leitungen ein derartiges zweites Ventil vermieden werden. Die Leitungen 8 und 12 ermöglichen somit ein Umwälzen der Flüssigkeit in einer Richtung.

Im statischen Betrieb liegt weder Ausstoßen noch Einführen vor. Der Wasserpegel stellt sich auf einem Pegel A in der Leitung 12 zur Sprüheinrichtung 6 ein. Im dynamischen Betrieb tritt bei Ausstoßen ein Absinken des Pegels im Druckbehälter 2 auf, wobei das Wasser den durch B angezeigten Pegel erreicht. Die Lastverluste in der Leitung 8 bewirken gemäß ihrer Amplitude einen Wasserpegel in der Leitung 12 unterhalb des Pegels B, z. B. einen Pegel C. Um jedes An-

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saugen von Dampf bei maximalem Ausstoßen zu vermeiden, genügt es, wenn verhindert wird, daß der Wasserpegel in der Leitung 12 unter den Pegel D abfällt, der dem waagerechten Teil 28 der Leitung 8 entspricht. Wenn also der niedrigste Wasserpegel im Druckerzeuger, ζ. B. der Pegel B, und die maximale Amplitude der Lastverluste in der Leitung 8 (z. B. Pegelunterschied zwischen B und C) bekannt sind, genügt es, daß BC immer niedriger als BD ist, wobei D den oben festgelegten Pegel bedeutet.

Die Behälter 2 und 4 haben Fühler 30 bzw. 32 für Druck bzw. Temperatur, die Stromversorgungen 30' bzw. 32' der Heizrohre bzw. -stäbe 14 bzw. 20 steuern.

Die Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung der Fig. 1, bei der die oben festgelegten Bedingungen automatisch erfüllt werden.

In der Fig. 2 sind die gleichen Teile wie in Fig. 1 mit dem gleichen Bezugszeichen versehen, und Teile, die zu bereits anhand der Fig. 1 beschriebenen Teilen gleichwertig sind, haben das gleiche Bezugszeichen mit einem Strich. Die Leitung 8' ist also gleichwertig der Leitung 8, die das obere Ende des Reservoirs 4 mit dem unteren Ende des Druckerzeugers 2 verbindet. Ebenso ist die Leitung 12' gleichwertig der Versorgungsleitung 12 für die Sprüheinrichtung 6. Bei dieser Anordnung befindet sich der Druckerzeuger 2 oberhalb des Reservoirs 4. In diesem Fall wird niemals Dampf in das Reservoir 4 angesaugt, der vom Druckerzeuger 2 kommt. Da sich der Druckerzeuger 2 bei Normalbetrieb niemals leert, ist die Höhe BC immer kleiner als BD, wobei B, C unci D die gleiche Bedeutung wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 haben.

In Fig. 3 ist ein integriertes Ausführungsbeispiel des 709825/0297

Druckerzeugers mit Reservoir auf Zwischentemperatur dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die Vorrichtung aus einem einzigen Behälter 50, der zwei Abschnitte 2' und V umfaßt. Diese beiden Abschnitte sind durch eine waagerechte Innentrennwand 52 getrennt, wobei der obere Abschnitt 2' die Rolle des Druckerzeugers spielt und der untere Abschnitt 4' die Rolle des Reservoirs.auf Zwischentemperatur erfüllt. Es liegen gleichwertige Leitungen vor wie in den Fig. 1 und 2. Genauer ausgedrückt, die Leitung 8", die die beiden Abschnitte verbindet, ist gleichwertig zur Leitung 8. Ebenso ist die Leitung 12", die die Sprüheinrichtung 6 mit dem unteren Abschnitt 4· verbindet, gleichwertig zur Leitung 12. Schließlich ist die Leitung 16", die den das Reservoir auf Zwischentemperatur bildenden Abschnitt 4^! mit dem Reaktorbehälter verbindet, genau gleichwertig zur Leitung 16 der Pig. I.

Selbstverständlich kann der Außenbehälter 50 in zwei Abschnitte durch eine Trennwand getrennt sein, die weder eben ist noch waagerecht verläuft. So kann z. B. der das Zwischenreservoir bildende Abschnitt ganz im Inneren des den Druckerzeuger bildenden Abschnittes angeordnet sein. Allemal muß lediglich die Trennwand wärmedämmend sein. Das Zwischenreservoir kann zylinderförmig oder torisch sein.

Im folgenden wird der Betrieb des Druckerzeugers näher erläutert, wobei besonders die beiden Hauptbetriebsarten betrachtet werden. In beiden Fällen wird von einer Phase mit konstantem Betrieb ausgegangen, d. h. von einer Phase, in der der Reaktor mit Nenntemperatur und -druck arbeitet. Z. B. liegen folgende Bedingungen vor:

(Temperatur: 333 ⁰C Druck: 140 bar

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("Temperatur: 309 ⁰C - Im Reservoir 4 <

Druck: 140 bar

Temperatur: 290 ^UC - Im Reaktorbehälter

Druck: 140 bar

Beim ersten folgenden Beispiel wird angenommen, daß die Last des Reaktors erhöht und dann plötzlich verringert wird.

Bei Erhöhung der Reaktorlast kühlt sich das Primärkreis-Wasser ab. Es liegt dann ein Ausstoßen des Wassers vom Druckerzeuger 2 zum Reservoir 4 und vom Reservoir 4 zum Reaktorbehälter durch die Leitung 16 vor. D. h., im Druckerzeuger 2 nehmen Temperatur und Druck ab. Ab einem bestimmten Gradienten der Temperatur oder des Druckes erfaßt der Fühler 30 dieses Absinken und löst den Betrieb der Heizrohre bzw. -stäbe 14 des Druckerzeugers aus. Ab diesem Zeitpunkt hören Druck und Temperatur auf abzunehmen und steigen dann an. Im Zwischenreservoir 4 erwärmt das vom Druckerzeuger 2 kommende Wasser auf 333 °C das in diesem enthaltene Wasser. Die Dauerumwälzung durch die Leitungen 22 und 24 verringert diese Erwärmung und bringt sie dann zum Verschwinden.

Das in' den Reaktor zurückkehrende Wasser kommt vom Zwischenreservoir und befindet sich also auf einer tieferen Temperatur, wie wenn es direkt vom Druckerzeuger käme (z. B. 309 ⁰C anstelle von 333 °C), was die thermischen Spannungen verringert.

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In der zweiten Phase wird eine plötzliche Verringerung der Reaktorlast angenommen:

Das Primärkreis-Wasser erwärmt sich. Im Zwischenreservoir 4 kommt das "kühle" Primärwasser (Temperatur niedriger als 287 ⁰C) in dessen unterem Teil an. Die Temperatur dieses
Reservoirs sinkt und nimmt schnell ihren Sollwert an, und zwar unter der vereinten Wirkung dieses kühlen Wassers und des Keizsystems. Wenn der Druck und die Temperatur dieses Reservoirs noch abnehmen, werden die Heizrohre bzw. -stäbe 20 durch den Temperaturfühler im Reservoir 4 ausgelöst.
Unter dem Einfluß dieser Heizrohre bzw. -stäbe nimmt das
Wasser im Reservoir wieder seinen Nennzustand an.

Im Druckerzeuger wird Wasser durch Zerstäuben des
heißen Wassers vom Reservoir durch die Leitung 12 eingeführt. Der Druck in diesem wird bis zum Sollwert unter dem vereinten Einfluß des Wassers der Sprüheinrichtung vom Reservoir und des Heizsystems des Druckerzeugers schnell wiedergewonnen. Das Ausschalten der Heizrohre bzw. -stäbe 14, die während der Ausstoßphase eingeschaltet wurden, ist thermostatisch durch den Fühler 30 gesteuert.

Es wird nun vorausgesetzt, daß zunächst die Last nach konstanter Betriebsphase verringert und dann im gleichen
Umfang vergrößert wird.

Bei der Verringerung der Reaktorlast erwärmt sich das Primärwasser, und es wird Wasser in das Reservoir durch die Leitung 16 eingeführt. Das Primärwasser ist "lauwarm", d. h. oberhalb 287 ⁰C, aber seine Temperatur ist kleiner als die Temperatur des Wassers des Reservoirs 4. Die Heizrohre bzw. -stäbe 20 werden eingeschaltet und erwärmen das Wasser des Reservoirs 4. Der Druckerzeuger 2 wird dann mit Wasser auf

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309 ⁰C besprüht, das vom Reservoir kommt, und weder die Temperatur noch der Druck seines Wassers ändern sich. Auf diese Weise hat die Sprüheinrichtung eine Abkühlwirkung, da sie im Druckerzeuger den Druck auf seinem Sollwert hält, da das Wasser des Zwischenreservoirs auf Solltemperatur ist. Mit anderen Worten, diese Solltemperatur wird abhängig vom Solldruck im Druckerzeuger bestimmt. Selbst wenn das gesamte Wasser auf 309 ⁰C in den Druckerzeuger zerstäubt wurde (dieser Fall tritt nur ausnahmsweise ein, da das Zwischenreservoir ein ausreichendes Volumen aufweist, um unter Normalbedingungen nicht von seinem Wasser entleert zu werden), ist das vom Reservoir kommende Wasser von diesem Zeitpunkt an "kalt" (zwischen 287 ° und 309 ⁰C), und die thermostatisierten Heizrohre bzw. -stäbe 14 des Druckerzeugers 2 werden eingeschaltet, um die Temperatur und den Druck auf ihrem Sollwert zu halten.

Im zweiten Fall nimmt die Last des Kessels zu, um diesen auf seinen Nennbetrieb zurückzuführen. Es wird also Wasser vom Druckerzeuger zum Reservoir und dann vom Reservoir zum Primärkreis ausgestoßen:

Im Druckerzeuger halten die Heizrohre die Temperatur und den Druck bis zum Nennwert, d. h. 333 ⁰C bzw. 140 bar. Im Reservoir auf Zwischentemperatur kommt relativ warmes Wasser zwischen 309 ° und 333 ⁰C an. Die Temperatur nimmt also schnell ihren Sollwert an. Wenn die Temperatur 309 ⁰C überschreitet, werden die Heizrohre des Reservoirs auf Zwischentemperatur unterbrochen, und die Dauerumwälzung erlaubt es, den Sollwert beizubehalten.

Es sei darauf verwiesen, daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Abweichungen der Wassertemperatur im einen und im anderen Behälter im wesentlichen durch zwei gegen-

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über einem Pall geteilt sind, in dem das Zwischenreservoir nicht vorliegt. Sie betragen jeweils 2k ⁰C und 19 ⁰C anstelle von 43 ⁰C.

Diese Verringerung der Temperaturabweichungen vermindert merklich die in die verschiedenen Bauteile der Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung eingeführten thermischen Spannungen.

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Claims

Patentansprüche

/ 1. /Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung eines Gefäßes, das eine Flüssigkeit veränderlicher Temperatur enthält, gekennzeichnet durch einen ersten Behälter (2) oder Druckerzeuger mit einer Sprüheinrichtung (6) an seinem oberen Teil und einem ersten Heizsystem (14),

einen zweiten Behälter (4) oder ein Zwischenreservoir auf Zwischentemperatur mit einem zweiten Heizsystem (20),

eine erste Leitung (22), die den Boden des zweiten Behälters (4) mit dem Gefäß verbindet,

eine zweite Leitung (8) in einer Richtung, die die Flüssigkeit vom unteren Teil des ersten Behälters (2) zum oberen Teil des zweiten Behälters (4) leitet, und

eine dritte Leitung (12) in einer Richtung, die die Flüssigkeit vom oberen Teil des zweiten Behälters (4) zur Sprüheinrichtung (6) leitet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Leitung (8) ein Rückschlagventil (26) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Behälter (2) oberhalb des zweiten Behälters (4) vorgesehen ist (Fig. 2).
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch

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ORIGINAL INSPECTED

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einen einzigen Außenbehälter (50)» der durch eine Trennwand (52) in zwei Abschnitte geteilt ist,

von denen der größere Abschnitt die Rolle des Druckerzeugers und der kleinere Abschnitt die Rolle des Zwischenreservoirs erfüllen,

wobei die zweite und die dritte Leitung die Trennwand (52) durchsetzen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Behälter (4) eine Einrichtung aufweist, um in ihm ständig die Flüssigkeit umzuwälzen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

daß der erste Behälter (2) eine Einrichtung aufweist, um das Heizsystem (14) zu versorgen, wenn der Innendruck kleiner als ein vorgegebener Druck ist, und um das Heizsystem anzuhalten bzw. auszuschalten, wenn dieser Druck wieder größer als ein gegebener Druck wird, und

daß der zweite Behälter (4) eine Einrichtung aufweist, um das zweite Heizsystem (20) zu versorgen, wenn die Temperatur der Flüssigkeit in ihm kleiner als eine vorgegebene Temperatur ist, und um das zweite Heizsystem anzuhalten bzw. auszuschalten, wenn die Temperatur größer als ein vorgegebener Wert wird.