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Sicherheitsanordnung für eine fltssig-
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keitsgekühlte Kernkraftwerks anlage Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß
auf eine Sicherheitsanordnung für eine flüssigkeitsgekühlte Kernkraftwerksanlage
mit Kernreaktordruckbehälter, Dampferzeuger sowie Umwälzschleife,
die
mit einem heißen Strang vom Kernreaktordruckbehälter zum Dampferzeuger und von diesem
zurück zum Kernreaktordruckbehälter geführt ist, wobei die Sicherheitsanordnung
ein Ultraschallmeßgerät mit zumindest einem Schallkopf aufweist, welcher an die
Kühlflüssigkeit angekoppelt ist. Im weiteren Sinne ist unter dem heißen Strang auch
der gesamte heiße Strömungspfad zwischen dem Kern als Wärmequelle und dem Dampferzeuger
als Wärmesenke zu verstehen. Es versteht sich von selbst, daß die Kernkraftwerksanlage
mehr als einen Dampferzeuger und in einem solchen Fall auch eine entsprechende Anzahl
von Umwälzschleifen aufweisen kann. Die Sicherheitsanordnung erfaßt die Sättigung
der Kühlflüssigkeit und zeigt somit eine Gefährdung oder Kernkühlung an, und zwar
indirekt über Dampfbildung im System (Siedebeginn). - Bekanntlich ist der Siedebeginn
bei einer Flüssigkeit abhängig vom Druck und von der Temperatur. Der Schallkopf
des Ultraschallmeßgerätes ist im allgemeinen mit einem piezoelektrischen oder einem
magnetostriktiven Schwinger ausgerüstet.
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Bei der bekannten gattungsgemäßen Anordnung (vgl. DE-OS 25 08 297),
deren Zweckbestimmung erkennbar auch eine Sicherheitsanordnung für eine flüssigkeitsgekühlte
Kernkraftwerksanalge umfaßt, ist das Ultraschallmeßgerät als Füllstandsmeßeinrichtung
ausgeführt. Es wird im Reflexionsverfahren gearbeitet. Der Schallkopf wird dazu
von Senden auf Empfangen umgeschaltet. In einem gewissen Abstand vor dem Schallkopf
ist ein Reflektor angeordnet, so daß der Schallkopf die an dem Reflektor reflektierten
Ultraschallwellen in der Empfangsschaltung auch wieder empfangen kann. Die Laufzeitverhältnisse
und die Reflexionsverhältnisse ändern sich in Abhängigkeit davon ob sich zwischen
dem Schallkopf und dem Reflektor die
Flüssigkeit befindet, deren
Füllstand gemessen werden soll, oder ob dort Dampf, Gas oder Luft anwesend ist.
Die unterschiedlichen Meßergebnisse können steuerungstechnisch ausgewertet werden.
Eingesetzt im Rahmen einer Sicherheitsanordnung für eine flüssigkeitsgekühlte Kernkraftwerksanlage
muß die Füllstandsmessung im Kernreaktordruckbehälter durchgeführt werden. Eine
Ansammlung von Dampf der Kühlflüssigkeit im Kernreaktordruckbehälter verändert das
Niveau der Kühlflüssigkeit und die Füllstandsmeßeinrichtung meldet diese änderung.
Das ist jedoch sicherheitstechnisch der Kritik offen. Zunächst stört, daß die Messung
im Kernreaktordruckbehälter durchgeführt werden muß, der dazu mit einer entsprechenden
Öffnung versehen und im Innenraum mit einer entsprechenden Installation ausgerüstet
werden muß. Das alles stellt einen aufwendigen und unerwünschten Eingriff in das
Drucksystem dar. Einerseits ist eine solche Füllstandsmessung mit erheblichen Toleranzen
belastet, andererseits erfolgt die Meldung zu spät, nämlich erst dann, wenn eine
störende Dampfansammlung bereits stattgefunden hat. Aus sicherheitstechnischen Gründen
ist es erforderlich, auch Betriebszustände zu erfassen, die zur Bildung von Dampf
der Kühlflüssigkeit führen, ehe eine Ansammlung des Dampfes der Kühlflüssigkeit
im Kernreaktordruckbehälter entstanden ist. Mit den bekannten Maßnahmen ist eine
solche Früherkennung nicht möglich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheitsanordnung
für eine flüssigkeitsgekühlte Kernkraftwerksanlage zu schaffen, mit der eine Bildung
von Dampf in der Kühlflüssigkeit frühzeitig erfaßt werden kann, - ehe sich der FUllstand
der Kühlflüssigkeit im Kernreaktordruckbehälter überhaupt meßbar ändert, so z. B.
schon beim Auftreten von Gas- oder Dampfblasen, die durch ihren Auftrieb noch aufsteigen
bzw. von der strömung mitgerissen werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß das Ultraschallmeßgerät
als Dampfblasendetektor ausgelegt bzw. eingesetzt und der Schallkopf an dem heißen
Strang der Umwälzschleife an die Kühlflüssigkeit angekoppelt ist. Nach bevorzugter
Ausführungsform der Erfindung ist der Schallkopf im Bereich des höchsten zugängigen
Punktes der Umwälzschleife an diese angekoppelt. Im Rahmen der Erfindung kann mit
Ultraschallköpfen gearbeitet werden, die über eine Bohrung oder über einen Stutzen
die Ultraschallenergie in die Kühlflüssigkeit hineinstrahlen. Überraschenderweise
ist jedoch eine solche direkte Ankopplung nicht erforderlich. Eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet, daß der Schallkopf an die Kühlflüssigkeit
mittelbar angekoppelt ist und dazu eine Rohrwand der Umwälzschleife durchstrahlt.
Das ermöglichst es, eine erfindungsgemäße Sicherheitsanordnung zu installieren,
ohne daß im oder am Drucksystem irgendwelche Veränderungen vorgenommen werden müßten.
Ohne weiteres kann daher eine erfindungsgemäße Sicherheitsanordnung auch nachträglich
bei einer bestehenden Kernkraftwerksanlage installiert werden. Im Rahmen der Erfindung
liegt es, bei einer Sicherheitsanordnung mit mehreren Schallköpfen zu arbeiten,
wobei diese auch gekoppelt und/oder für Differenzmessungen zusammengeschaltet werden
können.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß sich bei einer Durchstrahlung
eines von einer Kühlflüssigkeit durchflossenen Rohres quer zur Rohrachse und bei
der Durchstrahlung einer entsprechend fließenden Flüssigkeitssäule die physikalischen
Parameter der Schallausbreitung erheblich ändern, wenn auch nur wenige Dampfblasen
die Meßstrecke passieren. Die Dampfblasen verändern zunächst die Ausbreitungsverhältnisse
für die ausgestrahlten und für die reflektierten Ultraschallimpulse, aber auch die
Schallabsorption
und die Schallgeschwindigkeit. All diese Parameter
sind mit einem Ultraschallmeßgerät meßbar. Daraus folgt,daß eine Mehrzahl von Möglichkeiten
besteht, um die Anwesenheit von Dampfblasen im heißen Strang der Umwälzschleife
mit Hilfe des Ultraschallmeßgerätes zu erfassen, welches dabei als Dampfblasendetektor,
anders ausgedrückt als Monitor für die Feststellung eines mehrphasigen Fluidzustandes,
arbeitet. Dabei erfolgt die Erfassung dieser Dampfblasen, wenn sie überhaupt entstehen
und ehe sich durch Dampfansammlung im Reaktordruckbehälter ein definierbarer Füllstand
einstellt. Das gilt aus thermodynamischen Gründen insbesondere dann, wenn im höchsten
zugängigen Punkt der Umwälzschleife die Messung durchgeführt wird. Die Erfindung
erreicht auf diese Weise die angestrebte Früherkennung. Hinzu kommt, daß in der
Kühlflüssigkeit gelöste Gase vor Siedebeginn ausperlen, die im Rahmen der Erfindung
ebenfalls erfaßt werden, was gleichsam eine Vorwarnung bewirkt. In meßtechnischer
Hinsicht bestehen im Rahmen der Erfindung die verschiedensten Möglichkeiten. Im
einfachsten Fall ist die Anordnung so getroffen, daß das als Dampfblasendetektor
ausgelegte Ultraschallmeßgerät mit einer digital arbeitenden Anzeige- und/oder Auslöseeinrichtung
ausgerüstet ist, die ein Ausgangssignal und ein an der gegenüberliegenden Rohrwand
reflektiertes Signal erfaßt, und daß die Anzeige- und/oder Auslöseeinrichtung bei
Reduzierung oder Erlöschen des reflektierten Signals anspricht. Dabei kann für das
Ansprechen eine bestimmte Schwelle vorgegeben werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit,
eine digital arbeitende Anzeige- und/oder Auslöseeinrichtung vorzusehen, die auf
die Schallgeschwindigkeit des Ultraschalls in der Kühlflüssigkeit bzw. im System
RUhlflUssigkeit/Blasen anspricht. Das alles läßt sich mit den üblichen und bewährten
Hilfsmitteln der Ultraschalltechnik ohne weiteres verwirklichen und bedarf daher
in ultraschalltechnischer Hinsicht nicht der
weiteren Beschreibung.
Positive Erfahrungen wurden bisher mit einer Ultraschallfrequenz von 4 MHz, einer
in der Werkstoffprüfung vielverwendeten Frequenz erzielt. - Im allgemeinen wird
mit einer Ultraschallfrequenz gearbeitet, die auf die Größe der zu erfassenden Dampfblasen
oder Gasblasen abgestimmt ist, während die Impulsfrequenz auch den Durchmesser der
Rohrleitung der Umwälzschleife zu berücksichtigen hat. Die hauptsächliche Wellenlänge
der Ultraschallwellen in den Ultraschallimpulsen sowie der mittlere Durchmesser
der Dampfblasen oder Gasblasen liegen z. B. in der gleichen Größenordnung, wenn
sehr große Empfindlichkeit angestrebt wird.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert.
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Es zeigen in schematischer Darstellung Fig. 1 das Schema einer flüssigkeitsgekühlten
Kernkraftwerksanlage mit erfindungsgemäßer Sicherheitsanordnung, Fig. 2 den vergrößerten
Ausschnitt A aus dem Gegenstand nach Fig. 1, Fig. 3 ein Meßbild des Ultraschallmeßgerätes
aus dem Gegenstand nach Fig. 1 bei normalem Betrieb des Kinreaktors, Fig. 4 den
Gegenstand nach Fig. 3 bei Auftreten von Dampfblasen oder Gasblasen in der Kühlflüssigkeit.
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In der Fig. 1 ist zunächst eine flüssigkeitsgekühlte Kernkraftwerksanlage
im Schema dargestellt worden. Zu dieser Kernkraftwerks anlage gehört im grundsätzlichen
Aufbau
ein Kernreaktordruckbehälter 1 sowie im Ausfuhrungsbeispiel
ein Dampferzeuger 2 und entsprechend Umwälzschleife 3, 4.
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Die Umwälzschleife 3, 4 ist mit einem heißen Strang 3 von Kernreaktordruckbehälter
1 zum Dampferzeuger 2 und von diesem mit dem sog. kalten Strang 4 zum Kernreaktordruckbehälter
1 zurtlckgeftltLrt ist. Es versteht sich von selbst, daß an den Dampferzeuger 2
eine Turbine oder andere Dampfverbraucher angeschlossen sind, die nicht gezeichnet
wurden. Diese Kernkraftwerksanlage ist mit einer besonderen Sicherheitsanordnung
ausgerüstet. Die Sicherheitsanordnung arbeitet mit einem Ultraschallmeßgerät 5 mit
zumindest einem Schallkopf 6. Der Schallkopf 6 ist an die Kfflilflüssigkeit angekoppelt.
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Das Ultrascnallmeßgerät 5 ist erfindungsgemäß als Dampfblasendetektor
ausgelegt bzw. eingesetzt. Der Schallkopf 6 ist an den heißen Strang 3 der Umwälzschleife
3, 4 an die Kühlflüssigkeit angekoppelt. Im Ausführungsbeispiel und nach bevorzugter
Ausführungsform der Erfindung ist dazu der Schallkopf 6 im Bereich eines höchsten
Punktes an diesen heißen Strang 3 der Umwälzschleife 3, 4 angeschlossen. Er könnte
dazu unmittelbar angekoppelt sein, beispielsweise mit Hilfe entsprechender Bohrungen
und Sutzen an der Leitung, die den heißen Strang 3 der Umwälzschleife bildet. Im
Ausführungsbeispiel und nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist der Schallkopf
6 an die Kflhlfltlisigkeit jedoch mittelbar angekoppelt. Er durchstrahlt eine Rohrwand
der Umwälzschleife 3. Dabei ist ein entsprechendes Ankopplungsmittel vorgesehen.
Der Schallkopf 6 ist in bekannter Weise zur Aufgabe der auftretenden Temperaturen
eingerichtet.
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Das als Dampfblasendetektor ausgelegte oder eingesetzte Ultraschallmeßgerät
5 besitzt im Ausführungsbeispiel eine digital arbeitende Anzeige- und/oder Auslöseeinrichtung
7. Diese erfaßt ein Ausgangssignal des Ultraschallimpulses und ein an der gegenüberliegenden
Rohrwand reflektiertes Signal, wobei die Anzeige- und/oder Auslöseeinrichtung 7
bei Reduzierung bzw. Erlöschen des reflektierten Signals anspricht. - Man könnte
aber auch eine Schallgeschwindigkeitsmessung durchführen.
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Die ultraschallphysikalischen Zusammenhänge entnimmt man aus einer
vergleichenden Betrachtung der Fig. 2 bis 4. - Der von dem Schallkopf 6 ausgestrahlte
Ultraschallimpuls durchdringt zunächst die Rohrwand 8, durchläuft die im Rohr fließende
Kühlflüssigkeit und wird an der gegenüberliegenden Rohrwand 9 des Rohres reflektiert.
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Insoweit wird auf die Fig. 2 verwiesen. Die oszillographische Anzeigevorrichtung
7 zeigt dann ein Oszillogramm 10, wie es in der Fig. 3 dargestellt worden ist. Es
zeigt den Ausgangsimpuls 11 und einen reflektierten Impuls 12. Dieses Oszillogramm
10 wird erheblich gestört, wenn sich in der Kühlflüssigkeit auch nur einzelne Gas-
und/oder Dampfblasen befinden. Der reflektierte Impuls 12 wird in seiner Höhe reduziert
oder ganz ausgelöscht. Das zeigt die Fig. 4. Schon bei wenigen Dampfblasen tritt
dieser Effekt ein.
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