DE3035103C2

DE3035103C2 - Kernkraftwerk mit einer Sicherheitshülle

Info

Publication number: DE3035103C2
Application number: DE3035103A
Authority: DE
Inventors: Claus-Peter Ing.(grad.) 8523 Baiersdorf Barthelmes
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1980-09-17
Filing date: 1980-09-17
Publication date: 1983-10-13
Also published as: DE3035103A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernkraftwerk mit einer Sicherheitshülle zum Einschluß der aktivitätsführenden Komponenten und mit einer Rekombinationseinrichtung zur gesteuerten Oxidation von freiem Wasserstoff innerhalb der Sicherheitshülle.

Der Wasserstoff kann im Fall eines Kühlmittelverluststörfalls durch Radiolyse von Wasser im Kern des Reaktors, im Sumpf sowie im Brennelementbecken entstehen. Denkbar als Wasserstoffquellen sind auch Metall-Wasser-Reaktionen, die bei extrem hohen Temperaturen im Kern an den Brennstäben möglich sind.

Der Wasserstoff gibt bekanntlich bei einer Konzentration in Luft von mehr als 4 VoI.-% ein zündfähiges Gemisch. Deshalb versucht man solche Konzentrationen durch gesteuerte Oxidation zu verhindern, wie es zum Beispiel in der DE-OS 20 02 542 beschrieben ist.

Die Behandlung des Wasserstoffes setzt bei der Auslegung von Gegenmaßnahmen üblicherweise eine homogene Durchmischung des Gasinhaltes innerhalb der Sicherheitshülle voraus. Diese homogene Durchmischung kann jedoch durch eine Sperrschicht gestört werden, die sich insbesondere auf Grund der baulichen Gestaltung, aber auch bei bestimmten thermischen Verhältnissen innerhalb der Sicherheitshülle einstellt. Deshalb besteht die Aufgabe, mit einfachen Mitteln für eine Strömung innerhalb der Sicherheitshülle zu sorgen, die lokale Wasserstoff-Überkonzentrationen ausgleicht.

Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe ist bei einem Kraftwerk der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung vorgesehen, daß innerhalb der Sicherheitshülle in an sich bekannter Weise vertikal verlaufende Schächte vorhanden sind, daß dieselben über mindestens die halbe Höhe der Sicherheitshülle reichen und Heizeinrichtungen zum Ingangsetzen einer Gasströmung durch Kaminwirkung aufweisen.

Vorzugsweise dienen die Heizeinrichtungen zugleich zur thermischen Rekombination des Wasserstoffes, d. h. ihre Temperatur wird so gewählt, daß sie für eine Verbrennung des Wasserstoffes ausreicht.

Bei der Erfindung erhält man die gewünschte Gasströmung zur Durchmischung des Gasinhaltes der Sicherheitshülle ohne bewegbare Teile. Damit entfallen die für solche Teile erforderlichen Wartungsmaßnahmen. Wird an den Heizelementen die Zündtemperatur von Wasserstoff-Luft-Gemischen erreicht, dient der für die Gasströmung ei.-.gesetzte Energieaufwand zugleich zur Rekombination des Wasserstoffes, so daß es, wie gewünscht, mit einfachen Mitteln gelingt, gefährliche Wasserstoffkonzentrationen zu vermeiden, die sich auf Grund langfristiger Prozesse bilden oder lokal bestehen. Die Erfindung ist nicht mit einer aus der DE-AS 12 07 024 bekannten Sicherheitseinrichtung für die Gebäude von Leistungskernreaktoren zu verwechseln, mit der die Kondensation des bei einem Leck austretenden Wasserdampfes bezweckt wird. Die bekannte Einrichtung umfaßt zwar einen als Druckausgleichsieitung bezeichneten vertikalen Schacht. Dieser, mir seinem oberen Ende von dem Raum oberhalb des Reaktordruckbehälters ausgehende und im Normalfall dort mit einer Platzmembran verschlossene Schacht führt nämlich über einen ringförmigen Sammelraum aus dem Reaktorgebäude heraus in ein besonderes Kondensationsgebäude. Deshalb ist es ausgeschlossen, daß mit dem bekannten Schacht eine Durchmischung der Gasatmosphäre innerhalb der Sicherheitshülle erreicht werden kann. Selbstverständlich gibt es beim Bekannten auch keine Heizeinrichtungen innerhalb des Schachtes. Bei der Erfindung ist man nicht auf bestimmte bauliche Gegebenheiten angewiesen, weil die nach der Erfindung vorgesehenen Schächte zum Beispiel in Form von Metallrohren ohne Schwierigkeiten verlegt werden können. Sie sollten annähernd aus dem Bodenbereich der Sicherheitshülle in den Deckenbereich führen, weil damit die maximale Strömungswirkung zu erreichen ist. Empfehlenswert ist ferner die Verteilung der Schächte über den Querschnitt der Sicherheitshülle. Damit erhält man eine größere Sicherheit durch Redundanz.

Die Schächte können Absperrklappen aufweisen. Damit ist es möglich, den zum Normalbetrieb der Anlage geforderten lüftungstechnischen Abschluß innerhalb der Sicherheitshülle zwischen Betriebs- und Anlagenräumen aufrecht zu erhalten.

Die Schächte können, wie gesagt, als Rohre ausgebildet sein, die an den Baustrukturen im Inneren der Sicherheitshülle leicht anzubringen sind. Sie müssen auch nicht genau vertikal verlaufen, sondern können schräge Teile aufweisen, um bestimmte Punkte an denen in erster Linie die Entstehung von Wasserstoff zu vermuten ist, günstig zu erreichen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Schächte von Ausnehmungen in Baustrukturen gebildet werden, die in der Sicherheitshülle vorhanden sind. Solche Baustrukturen mit überwiegend vertikaler Richtung sind zum Beispiel der biologische Schild zur Abschirmung der Reaktorgrube oder der Trümmerschutzzylinder, der den Primärkreis mit seinen Großkomponenten von der

Sicherheitshülle trennt

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel beschrieben, das den wesentlichen Teil eines Druckwasserreaktors zur Leistungserzeugung in einem Vertikalschnii'. zeigt.

In einem aus Beton bestehenden Reaktorgebäude 1, das auch als Sekundärabschirmung bezeichnet wird, ist eine Stahlkugel 2 als Sicherheitshülle untergebracht Die Stahlkugel enthält den Primärkreis 3 des Druckwasserreaktors. Er umfaßt einen Reaktordruckbehälter 4 und mehrere Dampferzeuger 5, die mit dem Reaktordruckbehälter über Rohrleitungen S und nicht dargestellte Hauptkühlmittelpumpen versehen sind.

Die vorgenannten Komponenten des Primärkreises 3 sitzen in einem während des Reaktorbetriebes nicht begehbaren Betriebsraum, der seitlich durch einen aus Beton bestehenden Trümmerschutzzylinder 10, unten durch eine Betonauskleidung 11 der Sicherheitshülle 2 unü oben durch eine Abschirmwand 12 begrenzt wird. Das Luftvolumen des Betriebsraumes beträgt ca. 13 000 m³, wenn man die Höhe einer denkbaren Sperrschicht 14 stehender Luft mit etwa 27 m über dem Erdboden {5 annimmt. Das Gasvolumen des verbleibenden Raumes in der Sicherheitshülle 2 beträgt etwa 57 000 m³, und zwar liegen davon etwa 7000 m³ in dem Raum 16 zwischen dem Trümmerschutzzylinder 10 und den seitlichen Bereichen der Sicherheitshülle 2, während 50 000 m³ für den Raum 17 im oberen Bereich der Sicherheitshülle zu rechnen sind.

Im Normalfall ist die Sicherheitshülle 2 mit Luft gefüllt. Hierbei sind unterschiedliche Belüftungszonen vorgesehen, um sicherzustellen, daß aus dem Betritösraum mit dem Primärkreis 3 keine aktivierte Luft in die anderen Bereiche übertritt. Dies wird dadurch erreicht, daß man in dem Betriebsraum 3 einen geringeren Luftdruck als in den anderen Räumen aufrecht erhält.

Bei einem Kühlmittelverluststörfall kann Wasserstoff aus verschiedenen Quellen freigesetzt werden. So kann beispielsweise durch radiolytische Zersetzung des Wassers im Sumpf 20 Wasserstoff entstehen, der über den Wasserspiegel 21 austritt. Nimmt man eine thermische Sperrschicht über dem Sumpfwasserspiegel an (zum Beispiel im Bereich der oberen Dampferzeuger), so wird der entstehende Wasserstoff nicht durch Konvektion im ganzen Containment gleichmäßig verteilt, sondern reichert sich unterhalb der Sperrschicht an.

Als Abhilfe ist beim Ausführungsbeispiel eine Anzahl von Schächten vorgesehen, von denen in der Figur in erster Linie ein Schacht 23 dargestellt ist. Er besteht aus einem auf der Außenseite des Trümmerschutzzylinders 10 angeordneten vertikalen Rohr 24 mit einer zur Mitte geneigten Mündung 25. Im Verlauf des vertikalen Rohres 24 ist eine Heizeinrichtung 26 vorgesehen, die mit Beinen 27 auf einer Zwischendecke 28 abgestutzt ist Unter der Heizeinrichtung 26 führt ein schräg verlaufendes Rohrstück 30 durch den Trümmerschutzzylinder 10 in den Bereich des Sumpfes 20.

Die Heizeinrichtung 26 ist als Elektroheizung ausgeführt, wobei die Heizleistung regelbar sein soll und etwa 5OkW betragen kann. Sie sorgt für eine Kaminwirkung, durch die die oberhalb des Sumpfes 20 vorhandenen Gase durch den Schacht 23 nach oben gesaugt werden, während gleichzeitig von dort wasserstoffärmeres Gas nach unten sinkt. Dadurch ergibt sich eine Durchmischung der Luft innerhalb der Sicherheitshülle 2, so daß die Wasserstoffkonzentration im gesamten Gasvolumen gleich ist.

Die Heizeinrichtung 26 kann darüber hinaus auch mit einer Heizleistung betrieben werden, die die für die Rekombination erforderliche Temperatur von mindestens 600⁰C liefert. Dies bedeutet, daß der in dem Schacht aufströmenden Luft der Wasserstoff durch Verbrennung entzogen wird. Das dabei entstehende Wasser kann abgeleitet werden.

Auf der linken Seite der Figur ist dargestellt, daß ein Schacht 23' auch in Form eines Rohres 24' ausgebildet sein kann, das im Inneren des Trümmerschutzzylinders 10 verläuft. Die zugehörige Heizeinrichtung ist mit 26' bezeichnet.

Es ist auch möglich, einen Schacht 23" dadurch herzustelle.i, daß Ausnehmungen 32 in Baustrukturen im Inneren der Sicherheitshülle, hier im biologischen Schild 31 des Reaktordruckbehälters 4, aus dem unteren Bereich nach oben führen. Beim Ausführungsbeispiel ist über diesen Ausnehmungen 32 ein vertikales Rohrstück 24" zur Verlängerung des Schachtes 23" angeordnet, an dem auch die Heizeinrichtung 26" vorgesehen ist.

Die einzelnen Ausführungsformen der Schächte 23, 23' und 23" können in vorzugsweise gleichmäßiger Verteilung mehrfach in dem horizontalen Querschnitt der Sicherheitshülle 2 vorgesehen sein, so daß eine Strömung aus dem den Sumpf 20 einschließenden Bodenbereich der Sicherheitshülle in den Deckenbereich mit dem Raum 17 sichergestellt ist, auch wenn eine Heizeinrichtung 26 ausfällt oder ein Schacht 23 beschädigt ist. Außerdem können sie in gleicher Weise Klappen 33, 33' und 33" aufweisen, um einen lüftungstechnischen Abschluß beim Normalbetrieb zu haben. Macht man diese Klappen genügend leicht oder ausbalanciert in bezug auf ihre Drehachse, so kann schon die durch die Kaminwirkung angefachte Gasströmung zum Öffnen der Klappen ausreichen. Alternativ zu den Klappen können auch Kunststoffolien eingesetzt werden, die bei erhöhten Temperaluren, die vom Störfall oder dem Einschalten der Heizeinrichtung 26 herrühren, öffnen und die lufttechnische Trennung aufheben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kernkraftwerk mit einer Sicherheitshülle zum Einschluß der aktivitätsführenden Komponenten und mit einer Rekombinationseinrichtung zur gesteuerten Oxidation von freiem Wasserstoff innerhalb der Sicherheitshülle, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Sicherheitshülle (2) in an sich bekannter Weise vertikal verlaufende Schächte (23) vorhanden sind, daß ₎₀ dieselben über mindestens die halbe Höhe der Sicherheitshülle (2) reichen und Heizeinrichtungen (26) zum Ingangsetzen einer Gasströmung durch Kaminwirkung aufweisen.

2. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtungen (26) als thermische Rekombinatoren dienen.

3. Kernkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schächte (23) annähernd aus dem Bodenbereich (20) der Sicherheitshülle (2) in den Deckenbereich (17) führen.

4. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schächte (23) über den Querschnitt der Sicherheitshülle (2) verteilt sind.

5. Kernkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schächte (23) Absperrklappen (33) aufweisen.

6. Kernkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schächte (23) Folien zur Absperrung enthalten.

7. Kernkraftwerk nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schächte (23) mindestens zum Teil von Ausnehmungen (32) in Baustrukturen (31) gebildet werden, die in der Sicherheitshülle (2) vorhanden sind.