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Verfahren und Einrichtung zur Notkühlung gasgekühlter
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schneller Brutreaktoren Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Notkühlung gasgekühlter schneller Brutreaktoren, deren Kern aus Spalt- und Brutzonen
besteht, mit Wasser, das im Störfall aus Düsen von oben auf den Kern gesprüht wird.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen
Verfahrens.
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Es gibt eine Reihe von sehr unwahrscheinlichen, aber zumindest denkbaren
Störfällen, die bei einem gasgekühlten schnellen Brüter oder Brutreaktor, nachfolgende
abgekürzt als GSB bezeichnet, zum Kernschmelzen führen könnten. Dazu gehören in
erster Linie rasche Verluste des Kühlmittels, in aller Regel Heliumgas, durch große
Lecks mit gleichzeitigem Netzausfall und/ oder Druckhüllenschaden. Mit Helium gekühlte
GSB können von der Werkstoffseite her so ausgebildet werden, daß sie wasserverträglich
sind, also z.B. gelegentliches Fluten des Kerns zu Reparaturzwecken vertragen, allerdings
normalerweise nach dem Entladen der Brennelemente.
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Die Brennelemente selbst sind, von Reaktivitätsproblemen abgesehen,
auch durchaus wasserverträglich, und man kann sie unter Wasser lagern und kühlen.
Es scheint also keineswegs abwegig, im Notfall Wasserkühlung als zusätzliches andersartiges
Kühlmittel system einzusetzen. Notkühlung durch Besprühen des trockengefahrenen
Kernes mit Wasser ist für Siedewasserreaktoren bekannt, siehe Aufsatz n Safety concepts
and emergency core cooling for a BWR" von E.Koch und L.Sack in "Nuclear Engineering
International", Juni 1972, Seiten 483 -487. Eine Notkühlung mit Einspritzwasser
für eine
Druckwasser-Kernreaktoranlage zeigt die US-PS 3 528 884.
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Weiterhin ist es durch die DE-AS 25 16 123 bekannt, bei heliumgekühlten,
graphitmoderierten Hochtemperatur-Kernreaktoren zum Abführen der Zerfalärme radioaktiver
Spaltprodukte nach dem Eintritt der den Störfall bedingenden Fehlerkombination Wasser,
vorzugsweise vollentsalztes Wasser, als Kernkühlmittel zu verwenden.
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Dabei wird das Wasser insbesondere von oben auf das Core gegossen.
Schließlich ist es grundsätzlich für den GSB bekannt, ein Kernschmelzen durch Einsprühen
von Notkühlwasser von oben auf den Kern zu verhindern, siehe DE-OS 22 34 744.
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Normalerweise reagiert ein GSB-Kern auf die Einbringung geringer und
verteilter Wassermengen, z.B.
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in Dampfform, mit einer Senkung der Reaktivität. Bei manchen Auslegungen
ist allerdings zunächst ein minimaler Reaktivitätsanstieg vorhanden, der erst mit
steigendem Dampfgehalt verschwindet. Werden Jedoch auch nur Teile der Spaltzone
mit flüssigem Wasser gefüllt, so resultiert daraus ein starker Reaktivitätsanstieg,
der nur mit großen Absorbermengen kompensiert werden könnte. Man müßte also stark
boriertes oder unter Umständen mit B10 angereichertes Kühlwasser verwenden. Dies
wieder führt zu einer für reine Notmaßnahmen zwar nicht unbedingt prohibitiven,
aber umfangreichen und unangenehmen Problemgruppe, die mit der Wiederentfernung
des eingebrachten und'unter Umständen ausgefällten Bors zusammenhängt.
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Es liegt die Aufgabe vor, das Verfahren der eingangs genannten Art
so auszugestalten, daß der GSB-mit reinem, insbesondere chemisch reinem, Wasser
ohen Zusatz von Bor notgekühlt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichen
des Anspruchs 1 enthaltenen Maßnahmen gelöst. Zur Abfuhr der Nachzerfallswärme bei
abgeschaltetem Reaktor genügt eine relativ geringe, verdampfende Wassermenge. Dabei
wird das Wasser vorteilhaft von oben auf den Kern gesprüht, und zwar nur mäßig zerstäubt
aus einer Vielzahl von Düsen und teilweise mit alternierendem Sprühdruck, damit
die Strahllänge wechselt und der ganze Kern bestrichen wird. Man vermeidet so nicht
besprühte Kernbereiche. Der nicht sofort verdampfende Wasseranteil tropft durch
die Brennelemente des Kerns hindurch und steigt sofort wieder auf nach Verdampfung
an den heißen Einbauten und Wänden. Bei einigermaßen feiner Wasserverteilung können
Thermoschocks dabei, insbesondere in bezug auf die Kerntragplatte, praktisch vermieden
werden. Erst nach dem hinreichenden Abkühlen des Reaktordruckbehälters kann sich
Wasser im Druckbehälter-Unterteil sammeln und wieder hochgepumpt und erneut versprüht
werden.
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Die Angabe "bis zur Unterkante der Spaltzone" im Anspruch 1 umschreibt
das höchstzulässige Niveau, welches unzulässige Reaktivitätssteigerungen mit Sicherheit
vermeidet. Bei einem GSB mit stehendem Kern und einer Kerntragplatte unterhalb desselben
kann gemäß Anspruch 2 indessen eine solche Reservoir-Wassermenge vorteilhaft sein,
datz das unterhalb des Kerns sich ansammelnde Kühlwasser höchstens bis zur Kerntragplatte
ansteigt. In diesem Falle bleibt auf jeden Fall der Weg für eine eventuelle restliche
Gaskühlung frei, und die Materialbeanspruchung der Kerntragplatte und der unteren
Enden der Brennelemente ist geringer, als wenn diese in Wasser eintauchen würden.
Aber auch bei der Grenzauslegung gemäß Anspruch 1 sind noch erhebliche Reserven
gegen das Kritischwerden gegeben, da sich ein Teil des Wassers ständig im Dampfzustand
befindet und ein anderer Teil als Niederschlag an Wänden und Kühlflächen gebunden
ist.
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Durch seine Kondensationsfähigkeit bietet das Wasser hervorragende
Naturumlauf-Eigenschaften auch bei niedrigen Drücken im Bereich von wenigen bar,
bei welchen kein Gas mehr im Stande wäre, im Naturzug ausreichend zu kühlen.
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Eine vorteilhafte Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
der Erfindung ist in den Ansprüchen 3 bis 6 angegeben.
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Im folgenden wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
die Erfindung nach näher erläutert.
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Die einzige Figur zeigt siematisch unter Fortlassung der für das Verständnis
der Erfindung nicht erforderlichen Teile einen GSB mit Einrichtungen zur Notkühlung
mit Wasser.
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Der aus der inneren Spaltzone 1 und einer diese ummantelnden Brutzone
2 bestehende Kern K (auch als Core bezeichnet) ist auf der Kerntragplatte 3 und
im Innenraum des z.B. hohlzylindrisch geformten biologischen Schildes 5 gelagert,
wobei letzterer wieder am Innenumfang des vorzugsweise aus Spannbeton bestehenden
Reaktordruckbehälters 4 mit Deckel 4a angeordnet ist. Spaltzone 1 und Brutzone 2
werden durch achsparallel zur Längsachse a des als Ganzes mitGSB bezeichneten Brutreaktors
angeordnete Brennelemente gebildet, die jedoch, da für die vorliegende Erfindung
ohne Belang, nicht im einzelnen dargestellt sind.
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Normalerweise wird der in Fig. 1 dargestellte gasgekühlte schnelle
Brutreaktor GSB, d.h. sein Kern K, von oben nach unten von Heliumgas durchströmt,
so wie es die oberen, zuströmseitigen Kaltgaskanäle gl und die
unteren,
abströmseitigen Heißgaskanäle g2 mit den entsprechenden Gasströmungspfeilen G1,
G2 verdeutlichen.
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Die Kühlung kann jedoch auch ansteigend, d.h. in umgekehrter Richtung,erfolgen.
Wird nun der Helium-Kühlkreislauf gestört, so setzt die Notkühlung ein. Dazu sind
Düsen 6 über den Innenumfang des biologischen Schildes 5 verteilt oberhalb des Kernes
K angeordnet (von denen nur eine dargestellt ist), aus denen im Störfall von oben
das Wasser auf den Kern K gesprüht wird. Erfindungsgemäß wird unboriertes Wasser
einem Reservoir 7 in einer solchen Maximalmenge entnommen, daß das im Raum K1 unterhalb
des Kernes K sich ansammelnde Kühlwasser höchstens bis zur Unterkante 1.0 der Spaltzone
1 ansteigt, was durch die gezackt verlaufende Wasserniveaulinie W1 angedeutet ist.
In Fig. 1 handelt es sich um einen stehenden Kern K mit einer Kerntragplatte 3 unterhalb
desselben. Für eine solche Anordnung ist es besonders günstig, eine solche Reservoir-Wassermenge
zu verwenden, daß das unterhalb des Kernes K sich ansammelnde Kühlwasser höchstens
bis zur Kerntragplatte 3 ansteigen kann, was durch die zweite gezackte Wassernieveaulinie
W2 angedeutet ist. Vorteilhaft wird das Wasser nur mäßig zerstäubt aus einer Vielzahl
von Düsen 6 und teilweise mit alternierenden Sprühdruck gesprüht, so daß die Strahllänge
wechselt und der ganze Kern K bestrichen wird. Dies ist durch den aufgefächerten
Sprühstrahl 6a verdeutlicht.
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Der nur die maximale Kühlwassermenge Wo enthaltende Vorratstank 7
ist an ein System von Kernsprühleitungen L angeschlossen, von denen nur eine Verbindungsleitung
8 dargestellt ist, von welcher über die Sumpfstrahlpumpe 9 (auch hierbei sind mehrere
über den Umfang des Kernes K verteilte vorgesehen) das Notkühlwaßser in die Düsen
6 gefördert wird Aus Gründen der Redundanz können mehrere solcher Tanks 7 vorgesehen
sein, von denen Jeder dann nur eine entsprechende Teilmenge
Notkühlwasser
enthält. Der Tank 7 ist wie ersichtlich geodätisch höher als die Düsen 6 des Kernsprüh-Leitungssystems
L angeordnet. Die Wassermenge Wo im tank 7 kann so bemessen sein, daß sie im Notkühlfall
den Sumpfspiegel entweder bis zum Niveau W2 oder aber höchstens bis zum Niveau W1
ansteigen läßt. Durch die geodätisch höhere Anordnung des Vorratstankes 7 wird erreicht,
daß auch ohne Pumpen zunächst ein minimaler trUhdruck für die Notkühlung gewährleistet
ist. Der Vorratstank 7 ist über das Einschaltventil 10 und das Rückschlagventil
11 sowie die Verbindungsleitung 8 mit dem Sprühleitungssystem L, d.h. der Sumpfstrahlpumpe
9 und den Sprühdüsen 6 verbunden. Je nach dem Tankniveau erfolgt die Sprühung durch
den natürlichen Höhenunterschied oder aber durch die Pumpen 12, welches für den
Langzeigbetrieb noch der Kühler 13 vorgeschaltet ist. Die Pumpen 12 sind Niederdruckpumpen,
die in einem geschlossenen System nur den Sprühdruck bzw. den Jetdruck für die Sumpfstrahlpumpe
9 aufzubringen haben.
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Die dargestellte Reihenschaltung von drei Pumpenaggregaten dient der
Redundanz und bewirkt eine gute Fördermengenkonstanz unabhängig von der arbeitenden
Pumpenanzahl. Die Bypaßleitungen 14 der Pumpen 12 sind normalerweise durch entsprechende
Absperrventile 15 abgesperrt. Den Pumpen 12 sind jeweils auf ihrer Saug-und auf
ihrer Druckseite weitere AbsperrventiS 16 zugeordnet, wobei die Pumpen so ausgebildet
und bemessen sind, daß bereits durch eine Pumpe t2 der minimale Jetdruck für eine
der Sumpfstrahlpumpen 9 aufgebracht werden kann. Der zwischen den Verzweigungspunkten
17 und 18 gelegene Leitungszweig 19 mit Kühler 13 und den Pumpen 12 kann mittels
der Ventile 15, 16 also so geschaltet werden, daß alle drei Pumpen 12 oder nur zwei
davon in Reihe geschaltet sind oder aber daß nur eine der Pumpen in Betrieb ist,
was auch für die Pumpenwartung von Vorteil iat.
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Die Sumpfstrahlpumpe 9 hat einen Ejektor 9.1 am unteren Ende des zentralen
Druckrohres 9.2, welchem das Treibwasser über die Verbindungsleitung 8 und den Pumpen
12 zugeführt wird. Das Druckrohr 9.2 ist konzentrisch umgeben von der Kernsprühleitung
6.1 mit Sprühdüse 6 an ihrem oberen Ende. Im Bereich ihres unteren Endes hat die
Kernsprühleitung 6.1 eine Erweiterung 6.2, die den Ejektor 9.1 umgibt und an ihrem
Boden ein Ansaug-Rückschlagventil 6.3 aufweist, so daß bei genügendem Sog das Rückschlagventil
6.3 öffnet und das Sumpfwasser, angetrieben von der Sumpfstrahlpumpe, durch die
Sprühleitung 6.1 hindurch nach oben zu den Sprühdüsen 6 gefördert wird. Zur Kondensation
des im Notkühlfall an den heißen Brennstäben des Kernes K verdampfenden Kühlwassers
ist eine Wärmesenke in Form eines Hilfswärmetauschers 20 vorgesehen, welcher an
den oberhalb des Kernes K befindlichen Gasraum bzw. das Plenum 21 über eine Dampfleitung
22 angeschlossen ist und dessen Kondenswasser in den Sumpfkreislauf über die Pumpe
23 und die Rückspeiseleitung 24 zurückgespeist wird. Die Rückspeiseleitung 24 ist
strichpunktiert schematisch angedeutet; ihr Auslaß mündet am Ende von den biologischen
Schild 5 durchdringenden Leitungsteilen im Bereich einer Auslaßöffnung 24a in den
Gasraum 21. Der Kühlrohr-Kreislauf des Hilfswärmetauschers 20 ist bei 20a angedeutet.
Dementsprechend weist auch der Kühler 13 einen äußeren Kühlkreislauf mit Kühlschlangen
oder dergleichen 13a auf. Der Hilfswärmetauscher 20 kann auch ein zusätzlicher Dampferzeuger
sein. über Leitung 25 wird das Kondenswasser des Hilfswärmetauschers 20 dem Vorratstank
7 zu- und damit für Sprühzwecke wieder zurückgeführt.
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Die vorbeschriebenen Aggregate des Notkühlkreislaufes haben nur geringe
Wassermengen und geringe Druckhöhen zu bewältigen. Die daraus resultierenden kleinen
Motor-
leistungen sind notstromfähig im Gegensatz zu relativ großen
Gas-Umwälzleistungen.
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Der insbesondere in sogenannter pod-Bauweise ausgeführte im wesentlichen
hohlzylindrische Spannbetonbehälter 4 enthält, wie bereits erwähnt mehrere über
seinen Umfang verteilte Kaltgaskanäle gl in seinem oberen Bereich und Heißgaskanäle
g2 in seinem unteren Bereich, die gestrichelt angedeutet sind und zu nicht dargestellten
Dampferzeugern führen. Das Kaltgas (Pfeil G1) strömt also von oben in das Plenum
21 und durchströmt den Kern K von oben nach unten; es verläßt den Kern K in seinem
unteren Bereich durch die durchbrochene Kerntragplatte 3 hindurch und verläßt das
untere Plenum K1 über die Heißgaskanäle g2 (Heißgasströmungsrichtung G2). Wie erwähnt,
wird als Kühlgas Helium verwendet; wnn dessen Primärdruck auf einen zur Kernkühlung
(Naturzug) nicht mehr ausreichenden Wert in der Größenordnung von 10 bar absinkt,
so wird über (nicht dargestellte) Druckwächter die dargestellte Notkühleinrichtung
in Gang gesetzt. Es ist auch möglich, den Vorratstank 7 als Drucktank auszuführen
und ihn mit einem Druckpolster zu versehen, so daß es nicht unbedingt erforderlich
ist, ihn geodätisch höher als die Kernsprühleitungen L anzuordnen. Im Sinne einer
verbesserten Redundanz können auch mehrere Tanks 7 vorgesehen sein, von denen einige
als Drucktanks ausgebildet sind und andere durch ihre geodätisch wesentlich höhere
Anordnung das Gefälle zur Erzeugung des Sprühdruckes ausnutzen. Für das erste Einsprühen
genügen also die Drucktanks bzw.
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Tanks; um den weiteren Notkühlbetrieb aufrecht zu erhalten und dabei
das wieder an den Einbauten des Reaktors sich kondensierende Wasser umzuwälzen,
sind die Pumpen 12 in Verbindung mit der Sumpfstrahlpumpe 9 vorgesehen. Bei den
Pumpen 12 handelt es sich insbesondere um Kreiselpumpen mit voneinander unabhängigen
Antrieben.
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Im Notkühlfalle schützen sich die heißesten Stellen des Kernes (Brennelemente)
durch Bildung eines Dampffilmes. Andererseits bewirkt das überschüssige, die Strukturteile
berührende und verdampfende Kühlwasser eine kräftige Dampfströmung auch durch die
Brennelemente hindurch. Uberschlägig benötigt man für einen 1000 MWe-GSB eine mittlere
Sprühmenge von ca. 50 Liter pro Sek., was eine 200%ige Sicherheit ergibt, upd ein
0 Gesamteinspeisevolumen im Vorratstank 7 von ca. cbm in ca. 20 Min. Etwa die Hälfte
dieser Menge wird für die Abkühlung der unteren Einbauten auf 1000 benötigt und
verdampft.
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Im Falle, daß das Sumpfniveau W2 gewählt wird, liegt, wie ersichtlich,
das Niveau der Heißgasleitungen g2 darüber und gestattet noch ein zusätzliches Hindurchleiten
von Kühlgas aus den nicht gestörten Primärkühlkreisen. Wid das höhere Sumpfniveau
W1 gewählt, so müßten die Heißgasleitungen g2 abgeschottet werden, damit das Nptkühlwasser
nicht abfließt, oder aber es müssen die durch g2 erreichbaren unteren Dampferzeugerräume
dem Sumpfvolumen zugerechnet werden.
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6 Ansprüche 1 Figur