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Mediumgesteuertes Schnellschlußventil,Schnellschlußventil, insbesonderezum
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Schutz vor raschem Kühlmittelverlust Die Erfindung bezieht sich auf
ein mediumgesteuertes Schnellschlußventil, insbesondere zur Vermeidung rascher Kühlmittelverluste
in Reaktordruckbehältern, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei den heutigen Reaktorbauarten mit Reaktordruckbehältern geht man
von der Annahme aus, daß die Kühlmittelleitungen, insbesondere die Hauptkühlmittelleitungen,
katastrophal aufreißen können, während etwas derartiges beim Druckbenicht hälter
selbstvin Rechnung gestellt wird. Vergleiche in diesem Zusammenhang: R. Trumpfheller
"Sicherheit von Druckbehältern", KTG-Sonderdruck KAT - 2-77.. Da ein großer Teil
der mit großem Kostenaufwand abzusichernden Störfälle auf der Annahme mehr oder
weniger großer leitungslecks beruhf,'wäre es sicherlich ein großer Vorteil, die
Folgen solcher Lecks - insbesondere der größeren - vermeiden zu können.
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Ein Weg dazu liegt im Einsatz redundanter Primärkreisumhüllungen,
d.h. die Tragfunktionen im gesamten Primärkreis werden von einer Vielzahl von-unabhängigen
Elementen wahrgenommen und nicht nur von einer einzigen, vielgeprüften Rohrleitungs-
oder Behälterwand.
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Hält man jedoch am normalen Primärkreis fest und verfügt lediglich
über einen unzerstörbaren oder als unzerstorbar akzeptierten Druckbehälter für den
Reaktor selbst, dann bietet sich der Einsatz von Absperrorganen unmittelbar innerhalb
des Behälteraustritts an, wobei diese Absperrorgane natürlich möglichst wenig stören
und möglichst
sicher bei Störfällen schließen sollen, ohne die übrigen
Funktionen zu behindern.
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Hierzu sind schon viele Systeme vorgeschlagen worden, typisch z*B.
die Schnellschlußventile in den Dampfleitungen der Siedewasserreaktoren (SWR), die
allerdings schon wieder durch ein Stück Rohrleitung mit dem Druckbehälter verbunden
sind. Hin llauptproblem derartiger Vcrltile ist, daß sie bei einfacher Bauweise
mit den Massenkräften schlecht fertig werden. Um den recht großen Strömungsquerschnitt
(0,5 - 1 m) gegen die bei Reaktoren üblichen hohen Systemdrücke sicher abdecken
zu können, sind relativ schwere Ventiltcller notwendig. Normale ückschlagventile
würden schlagartig schließen, d.h. massIve Dämpfungseinrichtungen, Kolben, Federn
etc. sind erforderlich, um das Aufsetzen des Tellers ausreichend sanft zu gestalten,
wodurch außerdem die Schließzeiten ungünstig verlängert werden.
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Dies gilt für flüssige Kühlmedien. Für gasförmige Medien wurden bereits
Ventile aus dünnen Stahlplatten mit kleinen Wirkhüben vorgeschlagen, die nach Art
von Komprcssorventilen aufgebaut sind. Diese sind indessen nicht geeignet, im Störfall
wirklich dicht zu schließen.
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Wünschenswert wäre es also, über ein universelles System zu verfügen,
welches konsequenterweise alle größeren ein-und ausführenden Leitungen absichert
und zwar auf dem unmittelbarsten Weg, d.h. ohne Zwischenschaltung irgendwelcher
elektrischer oder auch mechanischer Organe, wie llilfs-und Steuerkolben, soweit
die unmittelbare Notlunktion bctroffen ist.
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Die sich stellende Aufgabe ist folglich, ein wie vor bcschriebenes
und auch für fl-üssige Kühlmedien brauchh.lrc w
System zu schaffen,
welches sich außerdem für alle vorkommenden Druckverhältnisse eignet,- also auch
für die hohen Systomdrücke bei Druckwasserreaktoren (DWR). Dabei soll nach einem
schweren Leitungsriß, wenn schon nicht die unmittelbare Wiederverwendbarkeit der
Absperrkomponenten gewährleistet sein, so doch der Wiedereinsatz nach dem Austausch
untergeordneter Einzelteile. Prüfbarkeit der Ventilbeweglichkeit soll möglich sein.
Dabei ist-zu berücksichtigen, daß jede zusätzliche Einrichtung, welche die Notfunktion
zu Prüfzwecken überspielen kann, auch schwerwiegende Fehlermöglichkeiten schaffen
kann und die inhärente Sicherheit vermindert.
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Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichen
des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß das
Schnellschlußventil mediumgesteuert und eigensicher arbeitet. Im Falle der Zuströmung
zum Druckbehälter (Ventilteller bildet das Verschlußstück eines Eintrittsstutzen-Stopventils)
ist keine Steuerungsmaßnahme notwendig; ein Rohrreißen bewirkt hier eine Umkehr
der Strömung, die dann das Ventil zuschlägt.
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Im Falle der Abströmung (Ventilteller bildet Verschlußstück eines
Austrittsstutzen-Stopventils) wird der Ventilteller durch die Reißelemente, das
können Zugstäbe, Bündel von Reißdrähten o.dgl. sein, gegen-den betriebsmäßigen Strö.-mungsdruck
offengehalten. Erst wenn als Folge eines Rohrreißens ein wesentlich höherer Strömungsdruck
entsteht, reißt das Reißelement und das Ventil schlägt zu. Wesentlich für die Funktionsfähigkeit
als Stopventil ist es dabei, daß der Ventilteller selbst leicht und dünn ist und
ledi-@@@@ einem @@@@@ @@@@@@@ @@@@@ @@@@ @@@@@@ @@@@@@@@@ leiste, eines SpielSkantes
odcr ähnlichcs hat. Die Tcllelform ist vorzugsweise konisch oder gewölbt, um größere
Steifigkeit
bei geringstem Gewicht zu crzielen. In der Scbiießlage
stützt sich dieser an sich viel zu schwache Ventilteller mit seiner gesamten Fläche
auf dem soliden Gitterstützkörper ab, so daß die freien Stützweiten praktisch nur
den oeffnungen des Gitterstützkörpers entsprechen und nicht dem ganzen Rohrdurchmesser.
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Im folgenden wird anhand zweier in ber'Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele
die Erfindung noch näher beschrieben.
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Die einzige Figur zeigt in einem Axialschnitt in der oberen Hälfte
des Schnittbildes ein Eintrittsstutzen-Stopventil und in der unteren Hälfte des
Schnittbildes ein Austr.ittsstutzen-Stopventil.
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Das Eintrittsstutzen-Stopventil, das man allgemein auch als Einlaß-Rückschlagventil
bezeichnen könnte, ist mit EV bezeichnet, die Normalströmung des kalten Stranges
ist durch die Strömungspfeile f1 bezeichnet. Dementsprechend ist im unteren Teil
der Figur das Austrittsstutzen-Stopventil (allgemein: Auslaß-Stopventil) mit AV
bezeichnet, die Normalrichtung der Auslaßströmung im sogenannten heißen Strang durch
die Strömungspfei:le f2.
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In der Druckbehälterwand 1 ist koaxial mit der Kühlmittelleitung 2
der Gitterstützkörper 3 eingebaut, an dem über die ein strömungsgünstiges Profil
aufweisenden Rippen 4 der Ventilkörper 5 befestigt ist, eine Schraubbefestigung
ist bei 4a strichpunktiert angedeutet. Der Gitterstützkörper 3 hat möglichst viel
freien Durchtritt und diflusorähn1iche Austritte 6. Der Ventilteller 7 hat nur geringe
Wandstärken, einen etwas verstärkten Rand 8 mit einer Dichtleiste, die beim Aufschlag
örtlich zum Fließen kommt, und eine Führung 9a, 10 im Gitterstützkörper 3.
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Der Führungskolben 9a sitzt am äußeren Ende des zentral den Ventilteller
7 durchdringenden und mit ihm verbundenen Schaftes 9, wobei im Falle des Auslaßventils
AV mit diesem Schaft 9 ein Reißelement 11 verbunden ist, welches den Kolbenstützkörper
16c und den Kolben 16a durchdringt und am Kolben 16a verankert ist.
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Der' Ventilteller 7 stützt sich in Ruhelage auf dem Ventilkörper 5
ab und wird entweder durch den Strömungsdruck gemäß Pfeilen fl (obere Hälfte der
Figur) oder durch Reißelemente 11 (Auslaßventil AV, untere Hälfte) gegen den Ventilkörper
5 gepreßt. Doppelte Kolben 12al, 12a2 und zugehörige Zylinder-Rührungsflächen 12bl,
12b2 liegen beim Ventil EV auf relativ kleinem Durchmesser, beim Ventil AV liegt
der Kolben 16a dagegen auf relativ großem Durchmesser.
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Die linke, zum Behälterinneren weisende Kolbenfläche ist betriebsmäßig
über die Bohrungen 13 und 14 mit einem Druck beaufschlagt, der unterhalb des Systemdruckes
im Ventilbereich liegt. An die Bohrungen 13, 14 sind zugehörige strichpunktiert
dargestellte Drucksteuerleltungen 13a, 14a angeschlossen, die nach Art von Meßleitungen
nur einen geringen Durchmesser aufzuweisen brauchen und durch die Druckbehälterwand
1 zu Drucksteuerventilen geführt sind.
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Letztere werden so geschaltet, daß Leitung 14a betriebsmäßig Unterdruck
führt und so der Kolben i6a in der dargestellten Lage auch im Störfall gehalten
wird und so das schnelle Abreißen der Reielemente 11 gewährleistet ist.
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Dieser Unterdruck kann z.B. an einer Stelle des Niederdruck-Reaktorreinigungssystems
abgenommen werden. Im Falle der Prüfung auf Gängigkeit des Ventils AV (zweckmäßig
bei abgeschaltetem Reaktor wie z.B. gelegentlich des Brennelementwechsels) wird
Druck von einem Druckspeicher auf leitung 14a gegeben; das Ventil AV fährt dann
zu. Zur
oeffnung wird wieder auf Unterdruck geschaltet. Das Ventil
EV benötigt betriebsmäßig in seiner dargestellten offenen Stellung keinen Unterdruck
in Leitung 13a, da es in dieser Stellung durch den Strömungsdruck gehalten wird;
für die Gängigkeitsprüfung braucht es bei 13 jedoch abwechselnd Überdruck und Unterdruck
wie AV.
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Durch Erhöhung des Prüfdruckes können die Kolben 12als 12a2, bzw.
16a, zusammen mit dem Ventilteller 7 in Schliel.S-richtung bewegt werden. Anschließende
entsprechende Druckabsenkung holt den Teller 7 wieder in seine offene Position zurück,
wodurch eine willkürliche Kontrolle bzw.
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Überprüfung der Ventilbewegung (nicht Auslösefunktion) möglich wird.
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Im Falle EV werden-wie gesagt die (kleinen) Kolben 12ai, 12a2 durch
den normalen Strömungsdruck in der linken Lage gehalten. Sie dienen nur als Führung
bzw. Prüfgerät; wie beschrieben.
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Im Falle AV muß der Kolben so groß sein (16a), daß er über den Unterdruck
in seiner linken Seite (Bohrung 14) den Ventilteller gegen den Strömungsdruck offenhalten
kann, solange, bis das Reißelement 11 in Funktion tritt.
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Die Durchbrechungen 15 im Ventilkörper 5 erleichtern das Abheben des
Ventiltellers 7 im Ansprechfalle. Die geringc Masse des Ventiltellers 7 und seine
großflächige Abstützung auf dem Stützkörper 3 bewirken dabei einen harmlosen Aufschlag.
Naturgemäß besteht der Ventilteller 7 aus zähem Werkstoff, insbesondere einer zähen,
austenitischen Stahllegierung, und bleibt selbst dann dicht, wenn er deformiert
und in die relativ kleinen Stützkörperöffnungen hineingewölbt wird, was schon sehr
hoher Druckkrä£te bedürfte,-da sich innerhalb des Druckbehälters 1 keine schnell
strömende Flüssigkeitssäule (Wasserschlag) ausbilden kann. Der l)itilt-
rand
8 kommt etwas vor dem ganzen Ventilteller 7 zur Auflage, wodurch eine gute Dichtheit
gewährleistet ist. Nach dem Störfall bleibt das Sicherheitsventil wiederverwendbar,
selbst bei Deformation des Ventiltellers. Lediglich der Reißdraht 11 müßte im Falle
des Ansprechens des Ventils AV ersetzt werden.
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Der Strömungsumenkkanal zwischen Gitterstützkörper 3 und dem in seiner
Ruhestellung befindlichen Ventilteller 7 ist mit 17 bezeichnet. Seine Form ist dadurch
bedingt, daß die Sitzflächen 3a des Gitterstützkörpers 3 konisch nach innen gezogen
sind bei entsprechend konischer Ausbildung des Ventiltellers 7. Auf diese Weise
erhält man, wie ersichtlich, eine resultierende Strömungsumlenkung im Strömungsumlenkkanal
17 im Bereich zwischen 60° und 90". Zusätzlich zu den diffusoråhnlichen Austritten
6 können die Eintrittskanalabschnitte 6a so mit in Strömungsrichtung geringfügig
zunehmender Verengung ausgebildet sein, daß die Kanalstrecken 6a, 6 jeweils Venturirohre
zum Druckrückgewinn bilden. Auf der Anströmseite sind die einzelnen Gitterprofilstege
3b jeweils keulenförmig abgerundet.
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Die Gitterprofilstege haben somit ein Schaufelprofil mit geringem
Strömungswiderstand. Die Führung 10 wird von einem Zusatzzylinder gebildet, der
an seinem Ende 10a strömungsgünstig abgerundet ist. Der Zusatzzylinder 10a kann
seinerseits längsverschieblich im Gitterstützkörper 3 gelagert sein, damit auch
hier eine redundante Bewegungsmöglichkeit für den Schaft 9 im Ansprechfalle gegeben
ist, sofern der Kolben 9a klemmt. Der gleiche Gesichtspunkt einer redundanten Bewegungsmöglichkeit
liegt auch der Doppelkolben-Führung 12a1 - 12b1 und 12a2 - 12b2 zugrunde..
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Zur Wiederholung'sprüfbarkeit der Stutzenkanten 1a und der Wandung
2a der IIaptkühlmittellcitung ist cs zweckmäßig, dic Sclin.cl lschlußventile EV,
AV leicht ein- und ausbaubar zu gestalten, so daß durch einen Manipulator fernbedient
die
Befestigungsschrauben 4a gelöst und der gesamte Ventileinsatz unter Wasser entfernt
und zu ei.ner Abstellposition transportiert werden kann. Nach Durchführung der Ultraschall-Wiederholungsprüfung
werden die Ventile EV, AV durch den Manipulator wieder fernbedient eingesetzt.
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Dabei konnten die Ventile auch in ihrem ausgebauten Zustand in heißen
Zellen auf Gängikeit bzw. allgemein auf Funktionstüchtigkeit überprüft werden.
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1 Figur 9 Patentansprüche