DE2755881B2

DE2755881B2 - Verfahren zur Abscheidung von Spalt- und Aktivierungsprodukten aus einer Gasatmosphäre und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2755881B2
Application number: DE2755881A
Authority: DE
Inventors: Klemens Dipl.-Ing. 5170 Juelich Schwarzer
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1977-12-15
Filing date: 1977-12-15
Publication date: 1980-06-19
Also published as: FR2412146A1; DE2755881C3; FR2412146B1; GB2010568A; JPS5489200A; GB2010568B; DE2755881A1; US4265707A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abscheidung von Spalt- und Aktivierungsprodukten aus einer Gasatmosphäre, bei dem ein Medium in feiner Verteilung in die Gasatmosphäre eingeführt wird, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in einem Reaktorgebäude eines gasgekühlten Kernreaktors. Das Verfahren ist insbesondere bestimmt zur Abscheidung von Spalt- und Aktivierungsprodukten, die sich nach einem angenommenen schweren Störfall innerhalb des Containments von gasgekühlten Hochtemperatur-Reaktoren befinden.

Als Folge eines schweren Störfalls, bei dem nach Ausfall des Notkühlsystems aus geborstenen gasführenden Leitungen oder Komponenten eines gasgckUhlten Hochtemperatur-Reaktors in die Räume des Reaktorgebäudes Spalt- und/oder Aktivierungsprodukte freigesetzt werden, wird ein großer Teil der Räume im Reafttorgebäude radioaktiv verseucht. Die in der Gasatmosphäre enthaltenen Spalt- und Aktivierungsprodukte reduzieren zwar ihre Aktivität durch physikalische und chemische Abbauprozesse, jedoch stellen die in der Gasatmosphäre verbleibenden Radionuklide für die Umgebung eine große Gefahr dar. Dies insbesondere dann, wenn über Leckagen in der äußeren Wandung des Reaktorgehäudcs. die infolge des Störfalls entstanden sind. Spalt- und Aktivicrungsprodukte in die Umgebung entweichen können.

Für die Ablagerung der Spalt- und Aktivieriingspro-(liiklt sind neben physikalischen und chemischen Randbedingungen für den Abbauprozeß vor allem die geometrischen Gegebenheiten innerhalb der Räume des Reaktorgebäudes, insbesondere das Verhältnis von Oberfläche des Raumes zu Bauvolumen, entscheidend. Die freigesetzten Spalt- und Aktivierungsprodukte liegen in Form von Aerosolen, teilweise sogar in elementarer Form, also atomar oder molekular vor, so daß die Ablagerungsgeschwindigkeit für die Spalt- und Aktivierungsprodukte infolge Diffusion und Sedtmentation hinter gewünschten Ablagerungsraten weit zurück bleibt Bei wassergekühlten Kernreaktoren ist es bekannt, nach Bruch eines Anlagen- oder Rohrleitungsteils den ausströmenden Dampf beschleunigt durch Einspritzen von Kondensationskernen, wie Kohlensäureschnee oder Silberjodid, zu kondensieren und auf Giese Weise eine Bindung entwichener radioaktiver Substanzen zu erreichen (vergleiche DE-OS 20 57 593). Für gasgekühlte Hochtemperatur-Reaktoren bleibt die Zugabe von Kondensationskernen jedoch oline Wirkung, da es sich bei den aus dem Kühlmittelkreislauf entweichenden Gasen in der Mehrzahl der Störfälle um trockene Gase handelt

Aus der GB-PS 9 87 014 ist nun ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des vorliegenden Anspruchs 1 bekannt, bei dem radioaktives Jod mittels einer in das Containment versprühten Lösung gebunden wird. In der Lösung sind die sich im Containment befindenden radioaktiven Produkte lösbar. Auch dieses Verfahren ist für wassergekühlte Kernreaktoren bestimmt. Eine Anwendung bei gasgekühlten Kernreaktoren würde in nachteiliger Weise die im Störfall trocken bleibendende Atmosphäre beeinträchtigen, deren Vorzüge erhalten bleiben sollten.

Zur Entfernung von Spalt- und Aktivierungsprodukten sind für gasgekühlte Hochtemperatur-Reaktoren in den Umluftanlagen des Reaktorgebäudes Filtersysteme vorgesehen, in denen nach Eintritt des Störfalls durch Absaugen der Gasatmosphäre aus den radioaktiv verseuchten Räumen die Spalt- und Aktivierungsprodukte abgeschieden werden. Nachteilig ist jedoch, daß solche Anlagen infolge ihrer technisch begrenzten Anlauf- und Wärmekapazität die freigesetzten Spalt- und Aktivierungsprodukte nur verhältnismäßig langsam ausfiltern und wegen ihrer Abhängigkeit von der Zufuhr von Fremdenergie — je nach Schwere des Slörfalls — unter Umständen überhaupt nicht einsatzfähig sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Abscheiden von Spalt- und Aktivierungsprodukten aus einer Gasa'.mosphärc zu schaffen, mit dem hohe Ablagerungsraten für die in der Gasatmosphärc enthaltenen Produkte unter Beibehaltung einer trockenen Gasatmosphäre erzielbar sind, ohne daß die Gisatmosphäre aus den radioaktiv verseuchten Räumen abgezogen werden muß.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der oben genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß als Medium pro 50 m^J Raumvolumen zumindest I kg Staubpartikeln mit einer mittleren Korngröße zwischen 0,3 bis 5 μηι eingeführt werden. Als »mittlere Korngröße« wird ein Korngrößcnmittelwert bezeichnet, der sieh im Körnungsnetz nach Rosin-Rammlcr-Sperling als Kenngröße d' des Slaubpartikclhaufwerks am Schnittpunkt der RRS-Gcradcn beim Rückstandswcrt R = 36,8% ergibt (vergleiche hier/u Kicsskalt, »Verfahrcnstcchnik«, Carl llanscr Verlag, München, 1958. Seiten 61 ff.). Mit Hilfe der Staubpartikeln wird die für die Ablagerung der Spalt- und Aktivicriingsprodukie zur Verfügung stehende Oberfläche im radioaktiv

verseuchten Raum erheblich vergrößert. Zugleich verringert sich bei homogener Partikelverteilung im Raum die für die Anlagerung der Spalt- und Aktivierungsprodukte maßgebende freie Weglänge drastisch, die Spalt- und Aktivierungsprodukte werden an der Oberfläche der Staubpartikeln gebunden. Dies führt in vorteilhafter Weise zu einer erheblichen Steigerung der Ablagerungsgeschwindigkeit, die nun nicht mehr abhängig ist von der Größenordnung der Spalt- und Aktivierungsprodukte selbst, sondern von der Größe der Staubpartikeln. Die Grenzen des mittleren Korndurchmessers des Staubpartikelhaufwerks werden daher nach unten bestimmt von der gewünschten Ablagerungsgeschwindigkeit, nach oben von der Verteilung der Staubpartikeln und der Aerosolbildung in der Gasatmosphäre im radioaktiv verseuchten Raum. Die Bindung der Spalt- und Aktivierungsprodukte an die Staubpartikeln verringert zugleich die Austrittswahrscheinlichkeit von Spalt- und Aktivierungsprodukten aus Leckagen in der äußeren Wandung des Reaktorgebäudes.

in weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, Staubpartikeln aus keramischem Material einzusetzen, die sich gegenüber Sauerstoff inert verhalten. Geeignete Staubpartikeln bestehen aus Betonit oder Ton, verwendbar sind auch Zement oder Kieselgelpulver. Bevorzugt werden sogenannte Löschpulver, die üblicherweise zur Brandbekämpfung eingesetzt werden. Für Inertgas-Atmosphäre im Reaktorgebäude ist auch Graphitstaub um seiner adsorbierenden Wirkung willen einsetzbar. In diesem Fall ist es erforderlich, diesen mittels Inertgas in die Gasatmosphäre einzublasen, um Explosionen des Graphitslaubes zu verhindern.

Zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung in einem Reaktorgebäude eines gasgekühlten Kernreaktors mit einer einen Liner aufweisenden äußeren Spannbetonwandung ist eine Vorrichtung mit folgenden Merkmalen vorgesehen: der Ausgang eines Staubbehälters mündet zum Abzug von im Behälter gelagerten Staubpartikeln in eine durch die Spannbetonwandung nindurchgeführte pneumatische Förderleitung, die an ihrem äußeren Ende an eine in der Umgebung des Reaktorgebäudes vorhandene Einrichtung zur Erzeugung von Druckgas anschließbar ist, und die an ihrem im Innenraum des Reaktorgebäudes mündenden Ende wenigstens eine Zerstäuberdüse aufweist. In vorteilhafter Weise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung unabhängig von infolge des Störfalls zerstörten Einrichtungen innerhalb des Reaktorgebäudes cinsatzfähig. Insoweit handelt es sich also um ein passives Sicherheitssystem. Zweckmäßig ist auch der Staubbehälter außerhalb des Reaktorgebäudes angeordnet, so daß gegebenenfalls die in das Reaktorgebäude einzuführende Staubmenge über die im Staubbchalter vorrätig gehaltene Menge hinaus erhöht werden kann. Um bei Verwendung von Graphitstaub Staubexplosionen zu vermeiden, wird als Druckgas zur pneumatischen Förderung Inertgas eingesetzt.

Die homogene Verteilung und Aerosolbildung in den radioaktiv verseuchten Räumen wird zweckmäßig dadurch gefördert, daß mehrere Förderleitungen mit Zerstäuberdüse im Innenraum in gleichmäßiger Verteilung über den Deckenflächen des Reaktorgebäudes münden.

I-.in Ausfühningsbeispiel der Erfindung wird an Hand ■jiner in der Zeichi.ung schematisch wiedergegebenen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens näher erläutert. Ks zeigt im cito.inen

Fig, t Vorrichtung zum Einblasen von Staubpartikeln in den Innenraum eines Reaktorgebäudes, schematisch
Fig.2 Verteilung von Zerstäuberdüsen über einer

ϊ Deckenfläche

Fig.3 Reduktion des Anteils von Spalt- und Aktivierungsprodukten nach Einblasen verschiedener Staubmengen mit mittlerem Korndurchmesser d'=Q,5 μπι in einen Raum der GröCe 50 ■ 10^J m³ als

tu Funktion der Zeit

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, besteht die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens aus einem Staubbehälter 1, dessen Ausgang 2 in eine pneumatische Förderleitung 3 mündet. Das eine Ende der Förderleitung 3 ist an eine Einrichtung zur Erzeugung von Druckgas angeschlossen, die ein Reduzierventil 4 zur Einstellung des Gasdruckes in der Förderleitung sowie einen Druckgasspeieber 5 aufweist, der nach Öffnen eines Absperrhahns 6 an einem

in Kompressor 7 mit Druckgas füllbar ist. Im Ausführungsbeispiel wird als Druckgas Luft verwendet- Am Ansaugstutzen 8 des Kompressors 7 lassen sich jedoch auch Gasspeicher für Inertgase, insbesondere Stickstoffspeicher anschließen, die vor allem eingesetzt

ji werden, um Staubexplosionen zu vermeiden. Im Ausfühningsbeispiel sind im Staubbehälter 1 Löschpulver gelagert, deren Explosionsgefahr gering ist.

Die Einrichtung zur Erzeugung von Druckgas ist außerhalb des Reaktorgebäudes installiert. Vom Reak-

t«i torgebäude selbst sind in F i 5.1 und 2 lediglich die äußere Spannbetonwandung 9 mit an deren Innenseite angeordnetem Liner 10 wiedergegeben. Innerhalb des Reaktorgebäudes befindet sich ein in der Zeichnung nicht gesondert dargestellter gasgekühlter Hoehtempe-

li ratur-Reaktor. Die pneumatische Förderleitung 3 ist durch die Spannbetonwatidung 9 hindurchgel'ührt und endet im Innenraum 11 des Reaktorgebäudes. An diesem Ende der Förderleitung 3 ist eine Zerstäuberdüse 12 angebracht, über die der in der Förderleitung 3

■»<> vom Druckgas geförderte Staub in feiner Verteilung in den Innenraum austritt. Der Gasdruck in der Förderleitung 3 wird in Abhängigkeit vom Druck im lnincnraum U eingestellt. Hierzu steht das Reduzierventil 4 in Wirkverbindung mit einer Druckmeßdose 13, die sich im

··■"> Innenraum 11 befindet. Um unerwünschte Auswirkungen von entstehendem Überdruck im Innenraum des Reaktorgebäudes, insbesondere von Druckstößen bei Eintritt des Störfalls auf pneumatische Förderleitung 3 und Staubbehälter 1 zu vermeiden, ist in der

'><> Förderleitung in Förderrichtung hinter dem Ausgang 2 des Staubbehälters ein Rückschlagventil 14 eingesetzt.

Die Mündung des Ausgangs 2 des Staubbehalters 1 in der Förderleitung 3 ist zweckmäßig als ein in FördeT'.chtung offenes Rohr ausgebildet, so daß der im

^r'i Staubbehälter 1 gelagerte Staub störungsfrei und vollständig vom in e'er Förderleitung 3 strör.feinden Gas abgesaugt werden kann. Um über die vorrätig gelagerte Menge hinaus noch zusätzliche Staubmengen in den Raum des Reaktorgebäudes einbringen zu können, ist

^h" am Staubbehältet 1 eine Eingabevorrichtung 15 vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel ist der Staubbehälter 1 zweckmäßig außerhalb des Reaktorgrbäudes angeordnet. Der Staubbehälter kann aber auch innerhalb des Reaktorgebäudes untergebracht sein.

"'· Aus Γ i g. 2 ist ersichtlich, daß an der Einrichtung zur Er/.eugung von Druckgas mehrere Förderlcitungcn in. 3f>, 3c in Parallelschaltung anschließbar sind, wobei jede der Förderleitungen 3a, 3b, 3c mit einem Ausgang eines

Staubbehälters I«-ι. \h. Ic verbunden ist. Jede der Fördcrleitungen führt im Innenraum 11 zumindest zu einer Zerstäuberdüse, wobei jedoch durch Verzweigung der ] ördcrleitungen 3a, 3b, 3c auch mehrere Zerstäuberdüsen 12', 12" aus einem der Staubbehäller la. Ii), Ic versorgt werden. Die Anordnung mehrerer unabhängiger Systeme für die Einführung von Staubpartikeln ist schon aus Sicherheitsgründen von Vorteil.

Die Verteilung von Zerstäuberdüsen 12', 12" über einer Deckenfläche 16 im Innenraum 11 des Reaktorgebäudes zeigt F i g. 2. Der Abstand zwischen den Zerstäuberdüsen 12', 12" sowie zu den übrigen Zerstäuberdüsen ist in Abhängigkeit von der Größe des erzeugten Zerstäubungsradius für die Staubpartikeln so festgelegt, daß eine weitgehend homogene Verteilung der Staubpartikeln in der Gasatmosphäre des Innenraums erreicht wird. Die einzublasende Staubmengc wird bestimmt von der angestrebten Reduktion des Anteils von Spalt und Aktivierungsprodukten nach Einblasen der Staubpartikeln in die Gasatmosphäre. F.s müssen wenigstens 0,5 kg Staubpartikeln mit mittlerer Korngröße von (/'=0,5 Jim pro 50 m' Raumvolumen in die Gasatmosphärc eingegeben werden, um die Staubund Aktivierungsprodukte innerhalb einer Zeit von 100 Stunden bis auf einen Anteil von 1 · 10 ♦niederzuschlagen. Kürzere Zeiten für die Reduktion der Spalt- und Aktivierungsprodukte in der Gasatmosphäre werden durch Zugabe größerer Staubmengen erreicht. Führt man 40 t Staubpartikeln mit gleicher mittlerer Korngröße von d'= 0.5 um in einen Raum der Größe 50 · IO¹ m¹ ein, so sinkt der Anteil der Spalt- und Aktivierungsprodukte bereits nach 1 Stunde auf einen Wert von I · 10 *.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Abscheidung von Spalt- und Aktivierungsprodukten aus einer Gasatmosphäre, bei dem ein Medium in feiner Verteilung in die Gasatmosphäre eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Medium pro 50 m³ Raumvolumen zumindest t kg Staubpartikeln mit einer mittleren Korngröße zwischen 0,3 und 5 μπι eingeführt werden.

Z Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Staubpartikeln aus keramischem Material verwendet werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch t in einem Reaktorgebäude eines gasgekühlten Kernreaktors mit einer einen Liner aufweisenden äußeren Spannbetonwandung, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (2) eines Staubbehälters (1) in eine durch die Spannbetonwandung (9) hmdurchgeführte pneumatische Förderleitung (3) mündet, die an ihrem äußeren Ende an eine in der Umgebung des Reaktorgebäudes vorhandene Einrichtung zur Erzeugung von Druckgas (4,5,6,7) angeschlossen ist und an ihrem im Innenraum (11) des Reaktorgebäudes mündenden Ende wenigstens eine Zerstäuberdüse (12) aufwe^:st

4. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Staubbehälter (1) außerhalb des Reaktorgebäudes angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichr-i, daß mehrere Förderleitungen (3a, Ib, ic) mit Zerstäuberdüsen (IT, 12") im Innenraum (11) in gleichmäßiger Verteilung über den Deckenflächen (16) des Reaktorgeh-äuder münden.