DE2805301A1

DE2805301A1 - Druckerniedrigungs- oder -beseitigungsvorrichtung fuer kernreaktoren

Info

Publication number: DE2805301A1
Application number: DE19782805301
Authority: DE
Inventors: Toshihiro Funahashi; Wataru Mizumachi
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1977-02-08
Filing date: 1978-02-08
Publication date: 1978-09-07
Also published as: CA1081871A; DE2805301C2; JPS5399191A; JPS5740477B2; US4252611A

Description

Firma TOKYO SHIBAÜRA DENKI KABüSHIKI KAISHA, 72, Horikawa-Cho, Saiwai-Ku, Kawasaki-Shi, Kanagawa-Ken, Japan

Druckerniedrigungs- oder - beseitiqungs vorrichtung für Kernreaktoren

Die Erfindung betrifft eine Druckerniedrigungs- oder -beseitigungsvorrichtung für Kernreaktoren und hat zum Ziel, eine Vorrichtung zu schaffen, die zur Sicherheit eines Kernreaktors dadurch beiträgt, daß der Druck, der im Reaktorbehälter auftritt, erniedrigt bzw. beseitigt wird und daß die thermische Energie gleichmäßig absorbiert wird, wenn ein Kühlmittel im Reaktorbehälter frei gesetzt wird.

Tritt in einer Kernreaktoranlage ein Unfall auf, etwa ein Verlust an Kühlmittel durch Bruch des primären Kühlsystems des Reaktors oder muß ein Sicherheitsventil geöffnet werden, damit der Hauptdampf in einen Druckkessel freigegeben wird, dann ist es erforderlich, daß die Druckerniedrigungsvorrichtung in einem primären Reaktorbehälter schnell die thermische Energie des Dampfes absorbiert, der von Dampfauslaßleitungen des Sicherheitsventils und Dampfauslaßleitungen einer Turbine zum Betreiben von Pumpen des Reaktor-Hilfskühlsystems abgegeben werden. Außerdem muß dann die Druckerniedrigungsvorrichtung einen Druckanstieg im Reaktorbehälter unterdrücken und das Entweichen von Dampf oder Wasser im Reaktor nach außen verhindern. Die Vorrichtung dient weiter als Wasserquelle für das

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Reaktorkühlsystem in Form einer geschlossenen Kühlschleife als Notaggregat. Die Druckerniedrigungsvorrichtung dient also dazu, einen sicheren Betrieb der Kernreaktoranlage zu gewährleisten.

Es sind Reaktorbehälter der verschiedensten Bauart bekannt, jedoch sollen hier nur solche Behälter des Typs MarK II beschrieben werden. Selbstverständlich ist aber die Erfindung auch auf Reaktorbehälter anderer Bauart anwendbar.

Der Innenraum eines Reaktorbehälters, der einen Reaktordruckkessel umgibt, ist durch eine Membranwand in zwei Teile unterteilt, wobei der obere Teil als Trockenkammer dient während der untere Teil eine Druckerniedrigungskammer darstellt. In der Druckerniedrigungskammer befindet sich ein Wasserbad. Eine Vielzahl von Auslaßleitungen hängt von der Membranwand nach unten, wobei das eine Ende jedes Auslaßrohres sich in die Trockenkammer öffnet, das andere Ende in das Wasserbad der Druckerniedrigungskammer. Eine Vielzahl von Haupt-Dampfleitungen ist mit dem Reaktordruckkessel verbunden. Die Haupt-Dampfleitungen leiten den Dampf zu einer Turbine. Sicherheitsventile zum Ablassen des Dampfes in der Hauptleitung sind in diesen Hauptleitungen untergebracht. Die Auslaßleitungen der Sicherheitsventile sind wasserdicht durch die Membranwand hindurchgeführt und öffnen sich in das Wasserbad der Druckerniedrigungskammer. Das Auslaßrohr einer eine Pumpe betreibenden Turbine des Hilfs-Reaktorkühlsystems erstreckt sich durch den Reaktorbehälter und mündet ebenfalls in das Wasserbad.

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Es ist bekannt, eine Anzahl kleiner öffnungen an den Enden der Dampfauslaßleitungen, die in das Wasserbad eintauchen, vorzusehen und diese Öffnungen dienen dazu, daß dann, wenn ein Kühlmittel, wie etwa Dampf, aus dem Druckkessel in das Wasserbad entlassen wird, und zwar von Auslaßleitungen, von Leitungen zum Ableiten des vom Sicherheitsventil für die Abführung des Hauptdampfes abgeleiteten Dampfes oder Auslaßleitungen der Turbine, die thermische Energie des Dampfes schnell durch das Wasserbad absorbiert werden kann und der Dampf gleichmäßig im Wasserbad kondensiert.

Es besteht jedoch die Forderung nach einer bezüglich Sicherheit und Wirksamkeit verbesserten Druck-Erniedrigungsvorrichtung, wobei folgende Gesichtspunkte zu betrachten sind.

1. üblicherweise sind die mit in das Wasserbad eintauchenden Auslaßöffnungen versehenen Auslaßrohre ursprünglich mit nicht-kondensierbarem Gas gefüllt, etwa Stickstoff oder Luft. Wird nun Kühlmittel schnell in die Auslaßrohre eingelassen so wird zunächst überkomprimiertes, nicht-kondensierbares Gas in das Wasserbad der Druckerniedrigungskammer ausgestoßen, wodurch sich benachbart den Auslaßrohren im Wasser eine Gasschicht bildet, die das Wasserbad in Richtung nach oben belastet. Dies ist bezüglich der Konstruktion der Druckerniedrigungskammer unerwünscht.

2. Da die Kondensation des Kühlmittels, etwa des aus den Auslaßleitungen in das Wasserbad austretenden Dampfes, zu Vibrationen der Rohre führen kann, soll das Kühlmittel im Wasserbad möglichst gleichmäßig kondensieren.

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3. Das nicht-kondensierbare, unter überdruck stehende Gas kann zu instabilen Schwingungen Anlaß geben, d.h. zu einer Überexpansion des Gases,mit der Folge einer Beschädigung der Wandung der Druck-Erniedri gungskaxnmer.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die eben beschriebenen Probleme zu überwinden und eine verbesserte Druck-Erniedrigungsvorrichtung für Kernreaktoranlagen zu schaffen, bei welcher ein Anstieg des Wasserbades beim Einlassen von nicht-kondensierbarem Gas vermieden wird, bei welcher instabile Druckschwingungen beim Einlassen des Gases in das Wasserbad unterdrückt werden und bei der eine gleichmäßige Kondensierung des Kühlmittels, etwa des Dampfes, im Wasserbad erfolgt. :

Die Erfindung geht aus von einer Druck-Erniedrigungsvorrichtung für Kernreaktoren mit einem den Reaktor-Druckkessel umgebenden Gehäuse und mit einem Wasserbad am Boden des Gehäuses, und außerdem mit einem Dampf-Auslaßrohr. Nach der Erfindung wird diese Vorrichtung in der Weise weiter ausgestaltet, daß mit dem eingetauchten Bereich des Auslaßrohres eine Auslaßkammer verbunden ist, welche mit einer Anzahl von Auslaßöffnungen versehen ist.

Auf der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: einen Querschnitt durch einen Kernreaktor mit Druck-Er-' niedrigungsvorrichtung nach der Erfindung,'-Fig. 2: eine Einzeldarstellung des in Fig. 1 mit II angedeuteten Bereiches, also eine Einzeldarstellung der Auslaßkammer,

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Fig. 3: eine grafische Darstellung der Änderungen über die Zeit des dynamischen Druckes des Wasserstrahls und der Druckschwingung beim Austreten von nicht-kondensierbarem Gas,

Fig. 4: eine grafische Darstellung der Rohrreaktion bzw. Rohrbewegung infolge der Kondensation von Dampf,

Fig. 5: eine Seitenansicht einer Abwandlungsform der Auslaßkammer,

Fig. 6: einen Querschnitt nach der Linie VI-VI von Fig. 5, und

Fig. 7: Abwandlungsformen der Vorrichtung nach der Erfindung in und 8:

Anwendung auf einen Raaktorbehälter des Typs MarK I bzw. MarK III.

Gemäß Fig. 1 wird ein Kernreaktor-Druckkessel 1 von einem Reaktorbehälter 2 umgeben. Der Behälter 2 ist durch eine Membranwand 5 in zwei Kammern unterteilt, wobei die obere Kammer als Trockenkammer 3 und die untere Kammer als Druckerniedrigungskammer 4 dient. Von der Membranwand 5 hängt eine Vielzahl von Entlüftungsrohren 7 nach unten. Das eine Ende jedes Entlüftungsrohres 7 öffnet sich dabei in die Trockenkammer 3, das andere Ende in das Wasserbad 6, welches sich in der Druckerniedrigungskammer 4 befindet. Eine Vielzahl von Haupt-Dampfrohren 8 ist mi t dem Druckkessel 1 verbunden; die Rohre 8 leiten den Dampf vom Kessel 1 zu einer nicht gezeichneten Turbine. In die Haupt-Dampfleitungen 8 sind Sicherheitsventile 9 zum Ablassen des Dampfes des Hauptkreises vorgesehen. Auslaßrohre 10 der Sicherheitsventile 9 sind wasserdicht durch die Membranwand 5 hindurchgeführt und öffnen sich in das Wasserbad 6. Eine nicht

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gezeichnete Auslaßleitung einer Turbine zum Antrieb der Pumpe eines Hilfs-Reaktorkühlsystems erstreckt sich durch den Behälter 2 und öffnet sich ebenfalls in das Wasserbad 6. Die Stirnenden der Auslaßrohre 7 und 10 sind mit Auslaßkammern 11 verbunden, wobei die Kammern 11 die Form einer Kugelschale haben und mit einer Anzahl von Auslaßöffnungen 12 versehen sind, durch welche nicht-kondensierbares Gas aus den Auslaßrohren in das Wasserbad 6 gelangt.

Die Druckerniedrigungsvorrichtung nach der Erfindung arbeitet folgendermaßen.

Wird heißer und unter hohem Druck stehender Dampf in die Auslaßleitungen 7 und die Auslaßleitungen 10 der Sicherheitsventile 9 entlassen, wobei sich jedes dieser Rohre in das Wasserbad 6 öffnet, wird das die Rohre 7 und 10 füllende, nicht-kondensierbare Gas komprimiert und in das Wasserbad geleitet. Dabei wird das aus den Rohrleitungen austretende, nicht-kondensierbare Gas zunächst in den Innenraum der Auslaßkammern 11 geleitet, in welchen das Gas eine Vorexpansion erfährt, und daraufhin in das Wasserbad 6, und zwar durch eine Anzahl der Auslaßöffnungen hindurch, womit ein schnelles Austreten des nicht-kondensierbaren Gases in das Wasserbad verhindert wird, das Gas sich vielmehr ~in der Auslaßkammer 11 in geeigneter Weise ausdehnt, mit der Folge, daß eine extreme Über-Kompression und/oder eine Über-Expansion des entlassenen nicht-kondensierbaren Gases vermieden werden, ebenso wie instabile Drucksehwingungen.

Das Gas wird also aus der Auslaßkammer 11 in das Wasserbad 6 durch

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eine Anzahl von öffnungen 12 hindurch entlassen, wobei das Gas durch die Öffnungen in eine Vielzahl kleiner Einzelströme zerlegt wird. Aus diesem Grund bildet auch das entlassene Gas keine Gasschicht im Wasserbad 6 nahe der Auslaßkammer und steigt auch nicht im Wasser schnell nach oben. Nach-jdem das nicht-kondensierbare Gas vollständig ausgeströmt ist₍ schaffen die Auslaßöffnungen 12 einen direkten Kontakt zwischen dem der Auslaßkammer 11 benachbarten Wasser und dem aus den öffnungen entlassenen Dampf und sorgen auch für eine gleichmäßige Kondensation des Dampfes. Auf diese Weise werden unmittelbare Schlagkräfte des nicht-kondensierbaren Gases oder des Dampfes auf die Wandung der Druck-Erniedrigungskammer 4 vermieden.

Die erwähnten Vorteile sollen nun anhand der Fig. 3 und 4 noch näher erläutert werden. Fig. 3 zeigt Zeitänderungen des dynamischen Druckes des Wasserstrahls und die Druckschwingungen aufgrund von Blasen aus nicht kondensierbarem Gas im Wasserbad 6. Fig. 4 zeigt die Zeitänderung der Rohrreaktion auf die Dampfkondensation. In den Fig. 3 und 4 stellen die gestrichelten Linien die Änderungen in einem üblichen Druckerniedriger dar, die ausgezogenen Linien die Druckänderungen in der Vorrichtung nach der Erfindung. Der sich durch den Wasserstrahl ergebende dynamische Druck zeigt die Strahlkraft im Fall eines Entlassens aus einem statischen hydraulischen Kopf in den Auslaßrohren, weil der Dampf durch die öffnungen 12 der Kammer 11 radial gleichmäßig in das Wasserbad 6 entlassen wird wobei die auf die Wandung der Kammer 4 ausgeübte

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Strahlkraft gegenüber den vorbekannten Druck-Erniedrigungskammern extrem reduziert ist. Weil das nicht-kondensierbare Gas bereits vorher in der Kammer 11 expandierte weisen die Druckschwingungen des Gases keine extremen Spitzen auf und ändern sich nur sanft. Weil die Rohrreaktion zum Zeitpunkt der Dampfkondensation vermindert ist kommt der entlassene Dampf in befriedigender Weise mit dem Wasserbad 6 in Berührung, mit der Folge einer besseren und gleichmäßigeren Kondensation als es bei den vorbekannten Einrichtungen der,Fall ist, bei denen der Dampf aus den Auslaßrohren direkt in das Wasserbad eingelassen wird. Die Dampf-Auslaßfläche wird durch die Auslaßkammern 11 vergrößert₍und die Berührungsfläche zwischen Dampf und Wasser wird gesteigert, so daß der Dampf sehr schnell kondensiert. Die Auslaßkammer ist nicht auf eine kugelförmige Gestalt begrenzt, wie diese in Fig. 2 dargestellt XSt₇ wesentlich ist nur, daß ein Innenraum und eine Anzahl von Auslaßöffnungen vorhanden sind:. So kann auch eine zylindrische Auslaßkammer 13 gemäß den Fig. 5 und 6 Anwendung finden. Die Auslaßkammern 11 bzw. 13 befinden sich an den Auslaßrohren 7, den Auslaßrohren 10,der Sicherheitsventile zur Abgabe des Hauptdampfes und an den Auslaßrohren einer eine Pumpe antreibenden Turbine des Reaktor-Hilfskühlsystems. Jedes dieser Rohre, ist mit einer solchen Auslaßkammer versehen oder auch mit mehreren Auslaßkammern in Kaskadenanordnung.

Zweckmäßig ist es, benachbarte Auslaßkammern 11 bzw. 13 in unterschiedlicher Höhe anzuordnen, beispielsweise in Zick-Zack-Form, um so entsprechende Kondensationsbereiche zu schaffen und eine ausreichende Kondensation des entlassenen Dampfes zu gewährleisten.

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Eine derartige Anordnung der Auslaßkammern gewährleistet eine gleichmäßige Kondensation des Dampfes, vermeidet das Auftreten von Spitzenwerten der Rohrreaktion gemäß Fig. 4 und vermindert die Spannungshöhe.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Druckerniedrigungseinrichtung, und zwar in Anwendung auf einem sogenannten Mark I-Reaktorbehälter. Eine ringförmige Druck-Erniedrigungskammer 4 befindet sich im unteren Bereich außerhalb des Reaktorbehälters _f und die Kammer 4 ist teilweise mit Wasser 6 gefüllt. Die Kammer 4 steht mit dem Reaktorbehälter über Auslaßrohre 7 in Verbindung. Die Auslaßrohre 7 münden in den Innenraum des Reaktorbehälters und sind mit einem Auslaßrohrstück 15 verbunden, das sich im oberen Bereich der Kammer 4 befindet. Eine Vielzahl von nach unten hängenden Auslaßrohren 16 ist am Rohrstück 15 befestigt und die Enden der Hängerohre sind jeweils mit einer Auslaßkammer 11 versehen, wobei die Auslaßkammer 11 in das Wasserbad 6 eingetaucht sind. Jede Kammer

11 ist mit einer Anzahl von Auslaßöffnungen 12 versehen. Ähnliche Hängerohre sind mit den Enden der Auslaßrohre verbunden, und zwar die Rohre der Sicherheitsventile und das Auslaßrohr einer eine Pumpe betätigenden Turbine des Reaktor-Hilfskühlsystems.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 wird zum Zeitpunkt des Ausfließens der statischen Flüssigkeitssäule in den Auslaßrohren, wobei nur eine kleine Dampfmenge aus jeder öffnung 12 austritt, die Wasserstrahlkraft erniedrigt. Weil der Dampf von den öffnungen

12 in verteilter Form abgegeben wird erfolgt eine Aufteilung des

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nicht-kondensierbaren Gases in den Auslaßleitungen in Einzelblasen, so daß es kaum zur Bildung einer Gasschicht im Wasserbad kommen kann. Darüberhinaus ist die Berührungsfläche zwischen entlassenem Dampf und Wasserbad 6 wesentlich vergrößert, so daß der Dampf schnell und gleichmäßig kondensiert. Zum Zeitpunkt des Ausströmens des nicht-kondensierbaren Gases, wobei dieses Gas im Innenraum der Kammer 11 bereits zu einer Vorexpansion gebracht worden ist, werden Überkompression und Überexpansion des Gases im Wasserbad vermieden und darüberhinaus werden die Druckschwxngungen vermindert.

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Druck-Erniedrigungseinrichtung nach der Erfindung, und zwar in Anwendung auf einen sogenannten Mark III-Reaktorbehälter. Diese Ausführungsform besitzt nicht die Auslaßrohre 7 von Fig. 1 und auch nicht die Auslaßrohre 7, das Auslaßrohrstück 15 und die Hängerohre 16 von Fig. 7. Die Ausführungsform nach Fig. 8 ist jedoch mit horizontalen Verbindungsöffnungen 17 versehen, welche funktionsmäßig den oben beschriebenen Rohren bzw. Körpern der Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 7 entsprechen. Die Verbindungsöffnungen 17 sind in der Wandung 18 der Trockenkammer 3 in einem Bereich angeordnet, der sich unterhalb des Wasserspiegels des Wasserbades befindet, so daß sich eine höhere Festigkeit ergibt als bei den Auslaßrohren 7. Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 sind deshalb nur an den Enden der Auslaßrohre 10 des Sicherheitsventils zum Abführen des Hauptdampfes und an den Enden der Auslaßrohre der eine Pumpe betätigenden Turbine des Reaktor-Hilfskühlsystems Auslaßkammern 11 vorgesehen.

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Mit der Vorrichtung nach Fig. 8 können dieselben Vorteile erreicht werden, wie sie oben anhand der Ausführungsformen nach
den Fig. 1 und 7 erläutert worden sind.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile können wie folgt zusammengefaßt werden.

Eine gleichmäßige und schnelle Kondensation des entlassenen Dampfes wird durch die am Stirnende der Dampfauslaßleitungen angeordneten
Auslaßkammern erreicht. Die Auslaßkammerη sind mit Auslaßöffnungen
versehen, welche sich in das Wasserbad öffnen. Die mit einer Anzahl von öffnungen versehenen Ausiaßkammern ermöglichen eine Vorexpansion des nicht-kondensierbaren Gases im Innenraum der Kammer zum Zeitpunkt des Ausströmens des Gases, wodurch die Bildung einer Gasschicht im Wasserbad verhindert und die Höhe der Druck-Schwingungsamplitude verkleinert wird. Außerdem wird auch die Wasserstrahlkraft vermindert, und zwar zum Zeitpunkt der Entlassung des Dampfes aus den Auslaßrohren. Jede auftretende Kraft, welche auf die Dampfauslaßrohre, die Druck-Erniedrigungskammer und andere innere
Konstruktionsteile einwirkt, kann somit vermindert oder im wesentlichen vermieden werden. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die gesamte Konstruktion des Kernreaktors aus, und erhöht die Sicherheit seines Betriebs, so daß in einigen Fällen tragende Konstruktionsteile des
Reaktors vereinfacht werden können.

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Claims

DIPL.-ING. KLAUS BEHN DIPL-PHYS. ROBERT MÜNZHUBER 2805 30

PATENTANWÄLTE

WIDENMAYERSTRASSE 6 D-8000 MÜNCHEN 22 TEL. (089) 22 25 30 - 29 51 92

8.2.1978

Unser Zeichen: A 7 78 Mü/De

PATENTANSPRÜCHE

f1.JDruckerniedrigungs- oder -beseitigungsvorrichtung für Kernreaktoren, mit einem den Reaktordruckkessel umgebenden Behälter an dessen Boden sich ein Wasserbad befindet, und mit einer Dampf-Auslaßleitung deren eines Ende in das Wasserbad eintaucht und in das Wasser mündet, dadurch gekennzeichnet, daß am eingetauchten Rohrstück der Auslaßleitung eine Auslaßkammer (12) angeordnet ist, . die .eine Vielzahl von Auslaßöffnungen (12) aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfauslaßleitung mit mehreren, in Kaskadenform mit Abstand angeordneten Auslaßkammern im Eintauchbereich versehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßkammer (11) der Dampfauslaßleitung in einer anderen Höhe angeordnet ist als die Auslaßleitung des benachbarten Dampfauslaßrohres, so daß für den aus der Dampfauslaßleitung in das Wasserbad eintretenden Dampf benachbart jeder Auslaßkammer ein Kondensationsbereich vorhanden ist.

Bänkhaus Merck, FInck & Co, München, (SLZ 7OO304OO) Könto-Nr. 254649 Bankhaus H. Aufhäuser, München, Nr. 261300 Postscheck: München 20904-800

Telegrammadresse; Patentsenior

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ORiGlNALlNSPECTED