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Sicherheitsanordnung für eine flüssigkeitsgekühlte
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Kernkraftwerksanlage Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf
eine Sicherheitsanordnung für eine flüssigkeitsgekühlte Kernkraftwerksanlage mit
Kernreaktordruckbehälter und Umwälzeinrichtung, wobei die Sicherheitsanordnung ein
Ultraschallmeßgerät mit zumindest einem Schallkopf aufweist, welcher an die Kühlflüssigkeit
angekoppelt ist. Es kann sich um eine Kernkraftwerksanlage mit separatem Dampferzeuger
handeln, es kann sich aber auch um einen Siedewasserreaktor handeln. Im ersteren
Falle ist der Dampferzeuger über eine Umwälzschleife an den Kernreaktordruckbehälter
angeschlossen. Im anderen Fall ist die Umwälzschleife mit dem Kernreaktordruckbehälter
integriert. Es versteht sich von selbst, daß eine 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 der Kernkühlung an, und zwar indirekt
über Dampfbildung im System (Siedebeginn). Bekanntlich ist der Siedebeginn bei einer
Fldssigkeit 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 o8 297),
deren Zweckbestimmung erkennbar auch eine Sicherheitsanordnung für
eine
flüssigkeitsgekühlte Kernkraftwerksanlage 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.
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Eingesetzt im Rahmen einer Sicherheitsanordnung für eine flüssigkeitsgekühlte
Kernkraftwerksanlage muß die Füllstandmessung 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 steuerungstechnisch 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. Darüber hinaus 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 ohne Eingriff
in das Drucksystem eine möglicherweise störende Änderung der Kühlverhältnisse erfaßt
werden kann, - ehe sich der Füllstand der Kühlflüssigkeit im Kernreaktordruckbehälter
überhaupt meßbar ändert, so z. B. schon beim Auftreten von Gasblasen oder Dampfblasen,
die durch ihren Auftrieb noch aufsteigen bzw. von der Stränung mitgerissen werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß das Ultraschallmeßgerät
als Dampfblasendetektor ausgelegt bzw. eingesetzt und an die Kühlflüssigkeit mittelbar
angekoppelt. ist und dazu die Wand des Kernreaktordruckbehälters durchstrahlt. Das
ermöglicht es, eine erfindungsgemäße Sicherheitsanordnung zu installieren, ohne
daß im oder am Drucksystem irgendwelche Veränderungen vorgenommen werden müßten.
Ohne weiteres kann daher eine erfindungsgemäße Sicherhei tsanordnung 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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Bei Kernkraftwerksanlagen mit angeschlossenem Dampferzeuger wird man
den Schallkopf oder die Schallköpfe im Kopfbereich des Kernreaktordruckbehälters
anordnen.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß sich bei einer Durchstrahlung
einer Flüssigkeitssäule die physikalischen Parameter der Schallausbreitung erheblich
ändern, wenn auch nur
wenige und kleine 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 mit Hilfe eines Ultraschallmeßgerätes zu erfassen, welches dabei
als Dampfblasendetektor, anders ausgedrückt als Monitor für die Feststellung eines
mehrphasigen Fluidzustandes, arbeitet. Dabei erfolgt die Erfassung dieser Dampfblasen
in dem Kernreaktordruckbehälter, d. h. in der Wärmequelle selbst, wenn diese überhaupt
entstehen und ehe sich durch Dampfansammlung im Kernreaktordruckbehälter ein definierbarer
Füllstand einstellt. Wenn in der angegebenen Weise im Kopfbereich, d. h. gleichsam
im höchsten Punkt des Kernreaktordruckbehälters, die Messung durchgeführt wird,
so erreicht man die angestrebte Früherkennung, weil sich dort die Dampfblasen aus
thermodynamischen Gründen bereits bilden, ehe Sieden eintritt. Hinzukommt, daß in
der Kühlflüssigkeit gelöste Gase vor Siedebeginn ausperlen, die im Rahmen der Erfindung
ebenfalls erfaßt werden, was gleichsam eine Vorwarnung bewirkt, ehe die Dampfblasen
sich zu einem störenden Dampfpolster gesammelt haben. - Die sicherheitstechnische
Bedeutung der Erfindung liegt auch in der Tatsache, daß erfindungsgemäß mit gegenüber
der üblichen Sicherheitsanordnung diversitären Parametern gearbeitet und folglich
die Redundanz erhöht wird.
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Bei der Ausführungsform für Siedewasserreaktoren, die einen Kernbehälter
aufweisen, der von einem von Umwälzpumpen gesteuerten
Rückstromraum
umgeben ist, empfiehlt die Erfindung, daß ein Schallkopf im Bereich der Kernoberkante,
ein anderer im Bereich der Kernunterkante am Kernreaktordruckbehälter angeordnet
sind, wobei beide den Rückstromraum durchstrahlen. Zusätzlich kann ein weiterer
Schallkopf im Bereich.der Umwälzpumpen angeordnet sein. Bekanntlich befindet sich
bei Siedewasserreaktoren im Kernreaktordruckbehälter oberhalb des Kernbehälters
ein Dampfblasenseparator. Dabei ist unvermeidlich, daß das von dort in den Rückstromraum
zurückgeführte Wasser Dampfblasen mitreißt. Diese bilden. gleichsam eine Dampfblasenschleppe,
die bei den normalen, ungestörten Betriebsverhältnissen eine definierte Erstreckung
aufweist. Erfindungsgemäß sind die Schallköpfe so angeordnet, daß diese Dampfblasenschleppe
der mrmalen Betriebsverhältnisse, einschließlich Teillastbetrieb, nicht erfaßt wird.
Die Erfindung nutzt die Tatsache, daß störenden Änderungen der Kühlverhältnisse
eine Veränderung und Verlagerung der Dampfblasenschleppe vorausgeht.
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Diese wird bei erfindungsgemäßer Anordnung der Schallköpfe im Bereich
der Kernoberkante erfaßt. Sie erfassen auch ein Leck am Kernbehälter, weil auch
ein solches zur Dampfblasenbildung führt. Der Schallkopf im Bereich der Kernunterkante
dient der zusätzlichen Sicherheit. Im übrigen kann in diesem Zusammenhang die Anordnung
im allgemeinen so getroffen werden, daß auch der Mantel des Kernbehälters von den
Ultraschallwellen noch durchstrahlt und folglich auch die sog. Kernbypässe auf Dampfblasenbildung.
überwacht werden. Der Schallkopf im Bereich der Umwälzpumpen kontrolliert, ob kavitationsauslösende
Dampfblasen entstehen und dient damit dem Kavitationsschutz.
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In meßtechnischer Hinsicht bestehen im Rahmen der Erfindung verschiedene
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 Wand des
Reaktordruckbehälters oder an einem ohnehin vorhandenen Einbauteil 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
Kühlflüssigkeit/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 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 Weg der Ultraschallwellen
im Kernreaktordruckbehälter berücksichtigt. 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 Kernreaktors, Fig. 4 den
Gegenstand nach Fig. 3 bei Auftreten von Dampfblasen oder Gasblasen in der Kühlflüssigkeit,
Fig. 5 eine andere Ausführungsform des Gegenstandes der Fig. 1.
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In der Fig. 1 ist zunächst eine flüssigkeitsgekühlte Kernkraftwerksanlage
im Schema dargestellt worden. Zu dieser Kernkraftwerksanlage gehört im grundsätzlichen
Aufbau ein Kernreaktordruckbehälter 1 sowie im Ausführungsbeispiel ein Dampferzeuger
2 und entsprechend eine Umwälzschleife 3, 4. Die Umwälzschleife 3, 4 ist mit einem
heißen Strang 3 vom Kernreaktordruckbehälter 1 zum Dampferzeuger 2 und von diesem
mit dem sog. kalten Strang 4 zum Kernreaktordruckbehälter 1 zurückgeführt. Ventile
und zumindest eine Pumpe gehören zur Umwälzschleife 3, 4. Es versteht sich von selbst,
daß an den Dampferzeuger 2 Turbinen oder andere Dampfverbraucher angeschlossen sind,
die nicht gezeichnet wurden.
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Diese Kernkraftwerks anlage ist mit einer besonderen Sicherheitsanordnung
ausgerüstet.
Die Sicherheitsanordnung arbeitet mit einem Ultraschallmeßgerät 5 mit zumindest
einem Schallkopf 6.
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Der Schallkopf 6 ist an die Kühlflüssigkeit angekoppelt.
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Das Ultraschallmeßgerät 5 ist erfindungsgemäß als Dampfblasendetektor
ausgelegt bzw. eingesetzt. Der Schallkopf 6 ist an die Kühlflüssigkeit mittelbar
angekoppelt. Im Ausführungsbeispiel und nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung
durchstrahlt dazu der Schallkopf 6 im Kopfbereich die Wand 7 des Kernreaktordruckbehälters
1. Dabei ist ein entsprechendes Ankopplungsmittel vorgesehen. Der Schallkopf 6 ist
in bekannter Weise zur Aufnahme der auftretenden Temperaturen eingerichtet.
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Das als Dampf blasendetektor ausgelegte oder eingesetzte Ultraschallmeßgerät
5 besitzt im Ausführungsbeispiel eine digital arbeitende Anzeige- und/oder Auslöseeinrichtung
8. Diese erfaßt ein Ausgangssignal des Ultraschallimpulses und ein an der gegenübexliegenden
Wand 9 oder an einem Einbauteil reflektiertes Signal, wobei die Anzeige- und/oder
Auslöseeinrichtung 8 bei Reduzierung bzw. Erlöschen des reflektierten Signals anspricht.
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- 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 Wand 7, durchläuft die im Kernreaktordruckbehälter
1 fließende Kühlflüssigkeit und wird an der gegenüberliegenden Wand 9 des Kernreaktordruckbehälters
1 reflektiert. Insoweit wird
auf die Fig. 2 verwiesen. Die oszillografische
Anzeigevorrichtung 9 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 lo 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.
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Das zeigt die Fig. 4. Schon bei wenigen Dampfblasen tritt dieser Effekt
ein.
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In Fig. 4 ist die Verwirklichung der Erfindung bei einem Siedewasserreaktor
angedeutet worden. Dieser ist in der Figur schematisch dargestellt. Man erkennt
den Kernreaktordruckbehälter 1, im Kernreaktordruckbehälter 1 den Kernbehälter 13,
14, der aus Kerrinantel 13 und Kerndeckel 14 besteht und darin den Kern 15. Einige
Brennelemente 16 wurden angedeutet. Der Kernbehälter 13, 14 ist von einem Rückstromraum
17 umgeben. Die Stromungsrichtung ist durch Pfeile 18 angedeutet. Auf den Rückstromraum
17 arbeiten die üblichen internen Umwälzpumpen 19.
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Verbunden mit dem Kernbehälter 13, 14 ist der übliche Dampfblasenseparator
20, neben dem im Ausführungsbeispiel der Normalfüllstand 21 angedeutet ist. Im Kopf
22 des Kernreaktordruckbehälters 1 befindet sich der Dampf trockner 23. Der erzeugte
Dampf wird bei 24 abgezogen, Speisewasser wird bei 25 wieder eingef(Lhrt.
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Ein Schallkopf 6 befindet sich im Bereich der Kernoberkante 26, ein
anderer 6a im Bereich der Kernunterkante 27 am Kernreaktordruckbehälter 1. Beide
Schallköpfe 6, 6a durchstrahlen folglich den Kückstromraum 17. Im übrigen ist im
Ausführungsbeispiel dargestellt
worden, daß ein weiterer Schallkopf
6b im Bereich der Umwälzpumpen 19 angeordnet ist. Wie bereits erläutert, ermittelt
der obere Schallkopf 6 Veränderungen der mrmalen Betriebsverhältnisse, die dazu
führen, daß die vom Dampf-Blasen-Separator 20 ausgehende Dampfblasenschleppe sich
in den Rückstromraum 17 hineinverlagert. Der Schallkopf 6a im Bereich des unteren
Randes des Reaktorkernes 15 dient der zusätzlichen Sicherheit. Der Schallkopf 6b
im Bereich der Umwälzpumpe 19 kontrolliert, ob kavitationsauslösende Dampfblasen
entstehen und dient damit dem Kavitationsschutz.