DE2805301C2

DE2805301C2 - Druckerniedrigungsvorrichtung für Kernreaktoren

Info

Publication number: DE2805301C2
Application number: DE2805301A
Authority: DE
Inventors: Toshihiro Yokohama Kanagawa Funahashi; Wataru Tokyo Mizumachi
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1977-02-08
Filing date: 1978-02-08
Publication date: 1982-04-29
Also published as: JPS5399191A; CA1081871A; JPS5740477B2; DE2805301A1; US4252611A

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckerniedrigungsvorrichtung für Kernreaktoren, mit einem den Reaktorkessel umgebenden Behälter, an dessen Boden sich ein Wasserbad befindet und mit einer Dampfauslaßleitung, deren eines Ende in das Wasserbad eintaucht, wobei am eingetauchten Rohrstück der Auslaßleitung eine Auslaßkammer angeordnet ist, die eine Vielzahl von Auslaßöffnungen aufweist. Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-OS 22 03 107 bekannt.

Bei der bekannten Vorrichtung befinden sich die Auslaßöffnungen an der Kegelfläche der Auslaßkammer und sind somit schräg nach unten gerichtet. Tritt nun aus diesen Auslaßöffnungen Gas oder Dampf mit hoher Geschwindigkeit aus, dann strömt dieses zuerst . nach unten und bildet vergleichsweise tief unter der Wasseroberfläche des Wasserbades eine Gasschicht, die "dann bei ihrer Bewegung nach oben eine beträchtliche Wasserverschiebung bewirkt. Die Folge davon ist, daß das Wasser der Wasservorlage fontänenartig nach oben spritzt, was zu Beschädigungen von im Behälter angeordneten Geräten und Instrumenten führen kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die bekannte Vorrichtung in der Weise zu verbessern, daß das Einströmen von Dampf oder Gas in das Wasserbad möglichst gleichmäßig erfolgt, ohne daß es zu einem heftigen Hochschleudern des Wassers, zu Druckschwingungen oder — beim Ausströmen kondensierbaren Dampfes — zu einem ungleichmäßigen Kondensationsvorgang kommt.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Hauptanspruch gekennzeichnet. Bei der Erfindung bildet sich beim Austreten von Gas aus der kugelförmigen Auslaßkammer eine Gasschicht um diese herum aus, wobei der Abstand zwischen Gasschicht und Wasseroberfläche des Wasserbads vergleichsweise gering ist und das nach oben aus dem Wasserbad austretende Gas zu keinem wesentlichen Aufschäumen und Aufspritzen des Wassers führt. Auch beim Austreten kondensierbaren Dampfes ergeben sich keine extremen Kompressionen und/oder Expansionen des Dampfes, so daß auch instabile Druckschwingungen vermieden werden.

Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist die Dampfauslaßleitung mit mehreren, in Kaskadenform mit Abstand angeordneten Auslaßkammern im Eintauchbereich versehen. Dabei ist jedoch darauf hinzuweisen, daß es aus der DE-AS 22 12 761 bereits grundsätzlich bekannt war, den Eintauchbereich derartiger Dampfauslaßrohre kaskadenartig mit Auslaßöffnungen zu versehen. Auf der Zeichnung zeigt

Fig. I einen Querschnitt durch einen Kernreaktor mit Druck-Erniedrigungsvorrichtung nach der Erfindung,

Fig.2 eine Einzeldarstellung des in Fig. 1 mit II angedeuteten Bereiches, also eine Einzeldarstellung der Auslaßkammer,
F i g. 3 eine grafische Darstellung der Änderung über

ίο die Zeit des dynamischen Druckes des Wasserstrahls und der Druckschwingung beim Austreten von nichtkondensierbarem Gas,

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

ig Dampfund

Fig.5 und 6 Abwandlungsformen der Vorrichtung nach der Erfindung in Anwendung auf einen Reaktorbehälter des Typs MarK I bzw. MarK III.
Gemäß Fig. 1 wird ein Kernreaktor-Druckkessel 1 von einem Reaktoibehälter 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 Druckerniedrigungs-.kammer 4 dient. Von der Membranwand 5 hängt eine »Vielzahl von Dampfauslaßrohren 7 nach unten. Das eine Ende jedes Rohres 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 mit 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 gezeichnete Auslaßleitung einer Turbine zum

■■ iAntrieb der Pumpe eines Hilfs-Reaktorkühlsystems •erstreckt sich durch den Behälter 2 und öffnet sich

5»o 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 weiche 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

6p 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 Druckschwingungen.
Das Gas wird also aus der Auslaßkammer 11 in das

Wasserbad 6 durch eine Anzahl von öffnungen 12 hindurch entlassen, wobei da» 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. Nachdem das nieht-kondensierbure Gaa vollständig ausgeströmt ist, schaffen die Auslaüöffnungen 12 einen direkten Kontakt zwischen dem der Auslaßkammer 11 benachbarten Wasser und dem aus den öffnungen ι ο 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 F i g. 3 und 4 noch näher erläutert werden. F i g. 3 zeigt Zeitänderungen des dynamischen Druckes des Wasserstrahls und die Druckschwingungen aufgrund von Blasen aus nicht kondensierbarem Gas im Wasserbad 6. 2ti F i g. 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 "· Entlassene aus einem statischen hydraulischen Kopf in den Auslaßrohren, weil Her 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 Strah!'<raft 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-Auslaßf/äche wird durch die Auslaßkammern 11 vergrößert, und die {Berührungsfläche zwischen Dampf und Wasser wird •gesteigert, so daß der Dampf sehr schnell kondensiert, , Zweckmäßig ist es, benachbarte Ausiaßkammern 11 5in unterschiedlicher Höhe anzuordnen, beispielsweise in j;Zick-Zack-Form, um so entsprechende Kondensations-Ibereiche zu schaffen und eine ausreichende Kondensation des entlassenen Dampfes zu gewährleisten.
ι Eine derartige Anordnung der Auslaßkammern gewährleistet eine gleichmäßige Kondensation des Dampfes, vermeidet das Auftreten von Spitzenwerten 5^er der Rohrreaktion gemäß Fig.4 und vermindert die Spannungshöhe.

,, Fig.5 zeigt eine weitere A.usfüh.ungsform 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, 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 mich unten hängenden AuslaUrohren 16 ist am Rohrstück 15 befestigt, und die Enden der Hängerohre sind jeweils mit einer Auslaßkammer 11 versehen, wobei die Auslaßkammern 11 in das Wasserbad 6 eingetaucht sind. Jede Kammer 11 ist mit einer Anzahl von Auslaßöffnungen 12 versehen. Ähnliche Hängerohre sind mit den Enden del Auslußiolirc verbunden, und zwar die Rohre der Sicherheitsventile und das Auslaßrohr einer eine Pumpe betätigenden bine des Reaktor-Hilfskühlsystems.

Beim Ausführungsbeispiel nach h i g. 5 wird zum Zeitpunkt des Ausfließens der statischen Flüssigkeitssäule in den Auslaßrohren, wobei nur eine kleine Damplmenge aus jeder öffnung 12 austritt, die Wasserstrahlkrafi erniedrigt. Weil der Dampf von den Öffnungen 12 in verteilter Form abgegeben wird, erfolgt eine Aufteilung des nicht-kondensierbaren Gases in den Auslaßleitunge; π 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 Vorexpan-'sion gebracht worden ist, werden Überkompression und 'Überexpansion des Gases im Wasserbad vermieden, und darüberhinaus werden die Druckschwingungen vermindert.

Fig.6 zeigt eine weitere Ausführungsform der ibruck-Erniedrigiingseinrichtung nach der Erfindung, ^und zwar in Anwendung auf einen sogenannten MarK Ill-Reaklorbehälter Diese Ausführungsform besitzt nicht die Auslaßrobre 7 von Fig. 1 und auch nicht die ;Auslaßrohre 7, das Auslaßrohrstück 15 und die !Hängerohre 16 von Fi>? 5. Die Ausführungsform nach F i g. 6 ist jedoch mit horizontalen Verbindungsölfnungen 17 versehen, welche funktionsmäßig den oben ,beschriebenen Rohren bzw. Körpern der Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 5 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.6 sind deshalb nur an den Enden der Auslaßrohre ΙΟ des Sicherheitsventils zum Abführen des Hauptdampfes und an den Enden der Auslaßrohre der eine Pumpe betätigenden Turbine des Reaktor-Hilfskühlsystems Auslaßkammern 11 vorgesehen.

Mit der Vorrichtung nach Fig.6 können dieselben Vorteile erreicht werden, wie sie oben anhand der Ausführungsformen nach den F i g. i und 5 erläutert worden sind.

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

Eine gleichmäßige und schnelle Kondensation des Entlassenen Dampfes v/ird durch die am Stirnende der Dampfauslaßleitungen angeordneten Auslaßkammern Erreicht. Die Auslaßkammern sind mit Auslaßöffnungen versehen, weiche sich in das Wasserbad öffnen. Die mit einer Anzahl von Öffnungen versehenen AusJaßkammern ermöglichen eine Vorexpansion des nicht-kondensierbarer' Gases im Innenraum der Kammer zum Zeitpunkt des Ausströmens des Gases, wodurch die Bildung einer Gasschicht im Wasserbad verhindert und die Höhe der Druck-Schv/ingungsamplitude 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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Pa'.entansprüehe:

1. Druckerniedrigungsvorrichtung für Kernreaktoren, mit einem den Reaktorrlruckkessel umgebenden Behälter, an dessen Boden sich ein Wasserbad befindet, und mit einer Dampfauslaßleitung, deren eines Ende in das Wasserbad eintaucht, wobei am eingetauchten Rohrsiück der Auslaßleitung eine Auslaßkammer angeordnet ist, die eine Vielzahl von Auslaßöffnungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßkammer (II) als Kugelschale ausgebildet ist, über die die Auslaßöffnungen (12) verteilt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfauslaßleitung mit mehreren, in Kaskadenform mit Abstand angeordneten Auslaßkammern (11) im Eintauchbereich versehen ist.