DE3129289C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Notkühlung eines Kernreaktors nach den Oberbegriffen der An­ sprüche 1 und 3. Ein solches Verfahren bzw. eine solche Vor­ richtung werden durch einen internen, offenkundig gewordenen Stand der Technik dokumentiert.

Bei einem Kernreaktor, insbesondere Druckwasserreaktor, tauscht ein geschlossener Kühlkreis des Reaktorkerns die Wärmeenergie unmittelbar oder über einen weiteren Kreis mit einem Sekundärfluid, im allgemeinen Wasser, aus, das in den Dampfgeneratoren zirkuliert. Bei einem Notstillstand infolge eines unabhängigen Ausfalls des Dampfkessels muß die Energieentnahme des Reaktorkerns aufrechterhalten werden. Dies erfolgt durch Speisung von Dampfgeneratoren mit Sekundär­ fluid, ausgehend von einem Sicherheitsvorrat an Wasser und mittels Sicherheitsspeisepumpen. Der den Notstillstand verursachende Ausfall kann aber gemeinsam mit einem vollständigen Ausfall der inneren und äußeren elektrischen Energiequellen zusammenfallen. Aus diesem Grund kann die Pumpe des Sicher­ heitsspeisekreises im allgemeinen von einer Turbine ange­ trieben werden, die von dem Dampf betrieben wird, der über eine Abzweigleitung entnommen wird, die am Hauptentleerungs­ kreis des Dampfgenerators abgezweigt ist.

Im allgemeinen wird der aus dem Dampfgenerator austretende Dampf über die Dampfumgehung oder am Hauptkondensator zur Atmosphäre freigegeben. Der Hauptkondensator ist aber infolge des Ausfalls der elektrischen Energiequelle nicht verfügbar.

Zur Verbesserung der Notkühlung wurden bereits ver­ schiedene Systeme vorgeschlagen.

Es wurde ein selbständiger Kreis zur Entnahme der Energie des Generators für den Fall eines Notstillstands vorgesehen, bei dem ein Teil des erzeugten Dampf zu einem Umformer ge­ leitet wird, der einen Niederdruckdampf erzeugt, ausgehend von einem Wasserspeisekreis, der das gespeicherte Volumen des Sicherheitswasservorrats verwendet. Dieser Niederdruck­ dampf wird in die einen Wechselstromgenerator antreibende Turbine geleitet zur Lieferung der elektrischen Energie für die Pumpen des Systems.

Ein derartiges System verwendet nicht den gesamten durch den Dampfgenerator erzeugten Dampf. Man ist daher gezwungen, den Rest des Dampfs in die Atmosphäre freizugeben. Somit geht das den Dampfgenerator speisende Wasser des Sicherheitsvorrats größtenteils verloren. Da die Notkühlung mehrere Stunden dauern kann, muß der Vorrat ein großes Volumen haben. Zur Beseiti­ gung dieses Nachteils wurde die Verwendung des Wasservolumens einer phreatischen Schicht vorgeschlagen, was aber offensich­ lich nur möglich ist, wenn eine derartige Schicht zur Verfügung steht. Dieses Wasser ist aber nicht behandelt und es ist nicht erwünscht, den Sekundärkreis während mehrerer Stunden mit unbehandeltem Wasser zu speisen.

Aus der DE 28 09 466 A1 ist es bekannt zur Entnahme der Energie des Reaktors einen geschlossenen Kreis mit einem Sicherheitsspeisewasserbe­ hälter einschließlich einer mittels Durchblasens arbeitenden Kondensationsvorrichtung und eine Hilfsspeisepumpe vorzusehen. Der durch die Dampfgeneratoren erzeugte Dampf wird zu einem Sicherheitsbehälter geleitet, wo er mittels Durchblasens kondensiert. Dieser Behälter muß daher sehr große Abmessungen haben. Selbst in diesem Fall muß der Behälter mit einer Entlüftung versehen werden, die den Ausstoß des Dampfs zur Atmosphäre gestattet, sobald dieser einen erhöhten Druck hat.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Sicherheits­ kühlsystems, das die Nachteile der bisherigen Systeme nicht aufweist und insbesondere den selbständigen und im geschlossenen Kreislauf erfolgenden Betrieb wenigstens während des größten Teils der Kühlung gestattet.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch das Verfahren und die Vorrichtung nach Anspruch 1 bzw. 3.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß vom Beginn des Sicherheitskühlvor­ gangs an ein Teil des erzeugten Dampfs zu einer Hilfs­ turbine abgezweigt wird zur Steuerung des Anfahrens des Luftkondensators, daß der Rest des Dampfs zunächst zur Atmosphäre hin entleert und dann teilweise zum Luftkonden­ sator nach dessen Anlaufen abgezweigt wird, daß die zur Atmosphäre entleerte Durchsatzmenge dann bis auf Null ab­ nimmt, wenn die Kondensationskapazität des Luftkondensators der Dampfproduktion entspricht, und daß das System dann bis zur völligen Abkühlung des Reaktors im geschlossenen Kreislauf arbeitet.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß der Luftkondensator mit einem Ventilator und einer Vakuumpumpe verbunden ist, daß der Rezirkulations­ kreis eine motorbetriebene Pumpe aufweist und daß diese Organe durch Elektromotoren angetrieben werden, die von einem durch die Hilfsturbine angetriebenen Wechselstrom­ generator mit Strom gespeist werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die verschiedenen Organe des Luftkondensators und des Rezirkulationskreises von Turbomaschinen angetrieben oder gespeist werden, die mit dem am Dampfabgabekreis entnommenen Dampf gespeist werden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.

Die einzige Figur zeigt schematisch ein Sicherheitskühl­ system nach der Erfindung.

Die linke Seite der Figur zeigt symbolisch einen Kernreak­ tor 1, der durch einen Primärkreis 10 gekühlt wird, der eine Primärpumpe 11 und einen Druckhalter 12 aufweist und sich durch ein Rohrbündel 13 innerhalb eines Dampfgenera­ tors 2 erstreckt. Der Sekundärkreis des Dampfgenerators enthält eine Leitung 3 zur Speisung des Dampfgenerators mit Wasser und eine Leitung 4 zur Entnahme des im Dampfgenerator erzeugten Dampfs.

Die Leitung 3 ist mit einem Kreis 30 zur normalen Speisung mit Speisewasser verbunden, während die Leitung 4 mit einem Kreis 40 zur normalen Verwendung des Dampfs in Turbi­ nen verbunden ist, sofern es sich um ein Elektrizitätswerk handelt.

Die Kreise 30 und 40 können von jeder normalerweise verwen­ deten Bauart sein und brauchen hier nicht beschrieben zu werden.

Im Fall eines Notstillstands gestatten Ventile 31 und 41 die Abtrennung der normalen Kreise für die Speisung und Entnahme des Dampfs. In diesem Fall kann der Dampf zur Atmosphäre über ein Entlastungsventil 42 freigegeben werden, das im Speisekreis 4 stromauf des Ventils 41 angeordnet ist.

Selbstverständlich wird im Fall eines Notstillstands der Kern­ reaktor sofort durch das Absenken der Steuerstäbe stillgelegt. Jedoch müssen die Brennelemente des Kernreaktors noch während mehrerer Stunden durch den Primärkreis gekühlt werden, der sich seinerseits im Dampfgenerator abkühlt. Dieser muß daher weiter arbeiten, weshalb er ausgehend von einem Vorratsbe­ hälter 5 für behandeltes Speisewasser über einen Speisekreis 50 gespeist wird, der stromab des Ventils 31 des normalen Kreises an der Speiseleitung 3 mündet. In bekannter Weise erfolgt die Umwälzung des Sicherheitsspeisewassers mittels einer Turbopumpe 51, die von einer Hilfsturbine 52 ange­ trieben wird. Diese Hilfsturbine kann über einen Kreis 53 mit Dampf gespeist werden, der am Dampfabgabekreis 4 stromauf des Ventils 41 abgezweigt und seinerseits mit einem Trennorgan 54 versehen ist.

Wenn der Kernreaktor infolge eines Ausfalls der elektrischen Energiequelle stillgelegt wird, schließen die Ventile 31 und 41 automatisch derart, daß sie die Kreise 30 und 40 für die normale Speisung mit Wasser bzw. mit Dampf abtrennen. Gleichzeitig öffnet das Trennorgan 54, wobei die Hilfsturbine 52 in Betrieb gesetzt wird und die Pumpe 51 antreibt, die die Förderung des im Vorratsbehälter 5 enthaltenen Wassers zum Dampfgenerator 2 bewirkt. Beim nor­ malen System wird der erzeugte Dampf über das Entlastungs­ ventil 42 zur Atmosphäre freigegeben.

Das System nach der Erfindung enthält zwei weitere Kreise 60 und 70 zur Verwendung des Dampfs, die am Kreis 53 stromab des Trennorgans 54 abgezweigt sind und an den im rechten Teil der Figur dargestellten Vorrichtungen nach der Erfindung münden.

Der über ein Entspannungsventil 61 gespeiste Kreis 60 mündet in einem Luftkondensator 6, der durch ein Bündel aus ver­ rippten Rohren 62 gebildet ist, die mit einem Sammelkanal 63 verbunden sind und durch eine durch einen Ventilator 64 erzeugte Luftzirkulation gekühlt werden. Zur Verbesserung des Betriebs kann der Luftkondensator 6 durch eine von einem Motor 66 angetriebene Vakuumpumpe 65 unter Unterdruck gesetzt werden.

Das in den Rohren 62 kondensierte und im Sammelkanal 63 ge­ sammelte Wasser wird zu einem Vorratsbehälter 8 geleitet, der mit dem Sicherheitsvorrat 5 über einen Rezirkulations­ kreis 80 verbunden ist, der mit einer von einem Motor 82 angetriebenen Pumpe 81 versehen ist.

Eines der Merkmale des Systems besteht darin, daß es außer der herkömmlichen Hilfsturbine 52 für die Turbopumpe 51, des Sicherheitswasser­ speisekreises 50 eine zusätzliche Hilfsturbine 7 verwendet, die mit Dampf durch den Kreis 70 gespeist wird, der am Kreis 53 zur Entnahme des Dampfs abgezweigt ist, und zwar zum Bei­ spiel stromab des Trennorgans (Trennventils) 54. Die Hilfs­ turbine 7 treibt einen Wechselstromgenerator 75 an, der den für den Betrieb der verschiedenen Organe des Systems erfor­ derlichen Strom liefert, und zwar insbesondere zum Motor 82 der Entnahmepumpe 81 des Rezirkulationskreises für das Wasser, zum Motor des Ventilators 64 des Luftkondensators und zum Motor 66 der Vakuumpumpe 65.

Im Augenblick des Anfahrens der Notkühlung wird nach der Abtrennung der Kreise 30 und 40 durch das Schließen der Ventile 31 und 41 die Hilfsturbine 7 gleichzeitig mit der Hilfsturbine 52 für die Turbopumpe 51 gespeist und bewirkt die allmähliche In­ betriebsetzung des Luftkondensators 6, den sie insbesondere unter Unterdruck setzt. Während dieser Zeit wird der Dampf, der nicht zum Antrieb der Turbinen 7 und 52 dient, in her­ kömmlicher Weise über das Ventil 42 zur Atmosphäre freige­ geben.

Wenn der Luftkondensator in Betrieb ist, reicht seine Kapa­ zität normalerweise aus, um den gesamten zu Beginn des Not­ stillstandes erzeugten Dampf aufzunehmen. Aus diesem Grund enthält der Kreis 60 für die Speisung des Luftkondensators ein zur Atmosphäre hin entlastendes Ventil 67. Der Rest des Dampfs wird, falls erforderlich, über das Ventil 42 zur Atmosphäre freigesetzt. Während der Kernreaktor allmählich abkühlt und am Ende einer Zeit, die von der Restenergie des Kernreaktors abhängt, die aber einige Stunden dauern kann, ist das System stabilisiert und arbeitet dann vollständig im geschlossenen Kreislauf. Die Entlastungsventile 42 und 67 bleiben dann geschlossen, wobei die über den Kreis 53 aus dem Dampfgenerator austretende Energie gleich der über den Luftkondensator 6 in die Luft abgegebenen Energie ist. In diesem Fall wird ein Teil des Dampfs ständig mechanisch in den Turbinen 7 und 52 verwendet, während der gesamte Rest­ dampf im Luftkondensator 6 nach der Entspannung in einem Entspannungsventil 61 kondensiert, stromab dessen die Rückführungs­ rungsleitungen für den in den Turbinen 7 und 52 entspannten Dampf münden, der ebenfalls im Luftkondensator 6 kondensiert.

Alle Kondensate werden von der motorbetriebenen Pumpe 81 zum Vorratsbehälter 5 rezirkuliert. Auf diese Weise wird Dampf nur zu Beginn der Kühlung zur Atmosphäre in dem Maß freige­ geben, in dem eine Überdimensionierung des Luftkondensators 6 nicht gewünscht wurde. Dadurch, daß diese Freisetzung zur Atmosphäre nur während eines Bruchteils der Gesamtkühlzeit stattfindet, kann der Vorratsbehälter 5, der während des gesamten Rests der Kühlung durch den Rezirkulationskreis 80 gespeist wird, keine übermäßigen Abmessungen haben.

Außerdem besteht ein wesentlicher Vorteil der Erfindung darin, daß der Dampfgenerator ständig durch das behandelte Wasser gespeist wird. Ist das System einmal stabilisiert, so kann der Kernreaktor ohne Nachteil in einem Zwischenstillstandszustand während einer sehr langen Zeitdauer gekühlt werden, in der er auf die Inbetriebsetzung der Kühlung beim Stillstand oder auf die Reparatur des Fehlers wartet, der den Notstillstand herbeigeführt hat.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die Einzelheiten der beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, die Gegenstand von Varianten, insbesondere unter Verwendung äquivalenter Mittel sein könnte.

So scheint es sinnvoll zu sein, die Anordnung der verschiedenen Organe des Systems durch Elektromotoren zu steuern, die durch einen turbinengetriebenen Wechselstromgenerator gespeist werden. In Betracht zu ziehen wäre auch ein Antrieb dieser verschiedenen Organe unmittelbar oder mittelbar durch eine oder mehrere am Entleerungskreis des Dampfs abgezweigten Turbomaschinen.

Da das System völlig unabhängig von der elektrischen Energie von Notstromdieselaggregaten ist, kann es offensichtlich den bis heute verwendeten herkömmlichen Systemen hinzugefügt werden, die Notstromdieselaggregate verwenden, die überdies die Speisung für gleichzeitige Sicherheitsfunktionen über­ nehmen können.

Für die Beschreibung wurde Bezug auf den Fall eines Druck­ wasserreaktors genommen. Die Erfindung ist aber auch bei Kernreaktoren anwendbar, bei denen zwischen dem Reaktorkern und dem Sekundärkreis des Dampfgenerators wenigstens ein Puffer­ kreis vorhanden ist. Insbesondere für den Fall von schnellen, durch Flüssigmetall gekühlten Kernreaktoren, bei denen das Primärfluid für die Kühlung des Reaktorkerns die Energie auf einen Gas- oder Flüssigmetallpufferkreis mit einem Dampf­ generator überträgt, kann der Sicherheitskreis nach der Er­ findung bei dieser Dampfproduktion angewendet werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Notkühlung eines mit einem Primärkreis (10) zum Heizen eines Dampfgenerators (2) und einem mit Wasser ge­ speisten Sekundärkreis (3), der den vom Dampfgenerator erzeug­ ten Dampf über einen Dampfabgabekreis (4) abgibt, versehenen Kernreaktors, mit den Merkmalen:

• - in die zum Dampferzeuger führende Leitung (3) des Sekundär­ kreises wird über einen Sicherheitsspeisekreis (50), der aus einem Wasservorrat (5), einer Wasserspeiseleitung und einer ersten Hilfspumpe (51) besteht, Wasser eingespeist,
• - die erste Hilfspumpe (51) wird von einer Turbine (52) ange­ trieben,
• - die Turbine (52) wird mit vom Dampferzeuger (2) erzeugten Dampf über eine erste Zweigleitung (53) gespeist, die vom Dampfabgabekreis (4) abzweigt, dadurch gekennzeichnet,
• - daß von der ersten Zweigleitung (53) über eine zweite Zweig­ leitung (70) ein Teil des Dampfs abgezweigt und einer Hilfs­ turbine (7) zugeführt wird, die den Antrieb eines Luftkon­ densators (6) gewährleistet, welcher innerhalb eines eben­ falls von der ersten Zweigleitung (53) abzweigenden Dampf­ speisekreises (60) angeordnet ist, und in dem der Rest des Dampfes kondensiert wird,
• - und daß das Kondenswasser dem Wasservorrat (5) über eine von der Hilfsturbine (7) angetriebene zweite Hilfspumpe (81) rückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Rest des Dampfs zu Beginn des Notkühlvorgangs zu­ nächst zur Atmosphäre hin abgegeben und danach teilweise zum Luftkondensator nach dessen Anlaufen abgezweigt wird,
• - daß die zur Atmosphäre abgegebene Durchsatzmenge dann bis auf Null abnimmt, wenn die Kondensationskapazität des Luft­ kondensators der Dampfproduktion entspricht, und
• - daß das Notkühlsystem dann bis zur völligen Abkühlung des Dampfgenerators im geschlossenen Kreislauf arbeitet.

3. Vorrichtung zur Notkühlung eines Kernreaktors mit:

• - einem Primärkreis (10) zum Heizen eines Dampfgenerators (2),
• - einem Sekundärkreis, der den Dampfgenerator mit Wasser speist und der den erzeugten Dampf über einen Dampfabgabe­ kreis (4) abgibt,
• - einem Wasservorrat (5),
• - einem Sicherheitsspeisekreis (50) ausgehend von dem Wasser­ vorrat (5), in dem eine erste Hilfspumpe (51) angeordnet ist, die von einer Turbine (52) angetrieben wird, die in einer ersten vom Dampfabgabekreis (4) abzweigenden Zweig­ leitung (53) angeordnet ist, gekennzeichnet durch
• - einen Luftkondensator (6) mit einem Ventilator und einem Unterdrucksystem (65),
• - einen von der ersten Zweigleitung (53) abzweigenden Dampf­ speisekreis (60) für den Luftkondensator,
• - einen Rezirkulationskreis (80) zur Rückführung des in dem Luftkondensator (6) erzeugten Kondenswassers in den Wasser­ vorrat (5), wobei in dem Rezirkulationskreis eine zweite Hilfspumpe (81) vorgesehen ist,
• - jeweils eine Antriebsvorrichtung (64, 66, 82) für den Venti­ lator, für das Unterdrucksystem des Luftkondensators (6) und für die zweite Hilfspumpe (81), die über eine Hilfsturbine (7), die in einer zweiten, ebenfalls von der ersten Zweig­ leitung abzweigenden Zweigleitung (70) angeordnet ist, betä­ tigt werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Luftkondensator (6) mit einem Ventilator (64) und einer Vakuumpumpe (65) verbunden ist,
• - daß der Rezirkulationskreis (80) eine motorbetriebene Pumpe (81) aufweist, und
• - daß diese Organe durch Elektromotoren angetrieben werden, die von einem durch die Hilfsturbine (7) angetriebenen Wech­ selstromgenerator (75) mit Strom gespeist werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die verschiedenen Organe des Luftkondensators (6) und des Rezirkulationskreises (80) von Turbomaschinen angetrie­ ben oder gespeist werden, die mit dem am Dampfabgabekreis (4) entnommenen Dampf angetrieben werden.