DE3406090C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Korrosion verhinderende Vorrichtung für die Verwendung in einer Reaktorstruktur eines heliumgasgekühlten Reaktors, um gasförmige oxidierende Komponenten aus einem primären Kühlgas in einem Druckbehälter des Reaktors zu entfernen, mit einem ein Oxidationsmittel verbrauchenden oder aufnehmenden Teil aus einem Material mit einer hohen Affinität für oxidierende Verunreinigungen bei erhöhter Temperatur sowie mit einer Heizeinrichtung, wobei das das Oxidationsmittel verbrauchende oder aufnehmende Teil und die Heizeinrichtung in einer Rohrleitung angeordnet sind, und wobei die Vorrichtung in Reihe mit einer primären Kühlgasversorgungsleitung geschaltet oder in einer Umgehungsleitung der primären Kühlgasversorgungsleitung des Reaktors angeordnet ist.

Vorrichtungen zum Filtern des Kühlgases gasgekühlter Nuklearreaktoren sind aus der DE 26 55 310 A1 sowie der DE-OS 24 40 130 bekannt. Die in diesem Druckschriften beschriebenen Filter dienen insbesondere zum Reinigen des Kühlgases von bestimmten Spaltungsprodukten.

Bei einem heliumgasgekühlten Reaktor wird Graphit zur Herstellung der Reaktorstrukturen oder von Brennstoff verwendet. Da H₂O, O₂ und ähnliche Stoffe, die im Heliumgas enthalten sind, welches in den Reaktor als Kühlmittel eingeführt wird, die Wirkung haben, einen Oxidationskorrosion der Graphitstrukturen zu beschleunigen, wurde eine das Kühlmittel klärende Vorrichtung verwendet, die aus aktiviertem Kohlenstoff oder einem Molekularsieb besteht, und in dem Versorgungsleitungssystem des Kühlmittels vorgesehen, um oxidierende Verunreinigungen wie H₂O und O₂ aus dem in den Reaktor eingeleiteten Heliumgas zu entfernen.

Aus der DE-OS 26 01 460 ist ein Verfahren zum Reinigen des Kühlgases von Hochtemperaturkernreaktoren bekannt, bei welchem dem Kühlkreislauf Kohlenstaub in Kolloidkörnung zugeführt und wenigstens ein Teil des Kühlgases durch eine vorzugsweise in einem Bypass angeordnete Reinigungsanlage geleitet wird.

Eine Vorrichtung, die die eingangs erwähnten Merkmale aufweist, ist aus der DE-AS 15 64 051 bekannt. Diese Vorrichtung enthält als ein Oxidationsmittel verbrauchendes oder aufnehmendes Teil eine Anhäufung von Kupferpellets, wobei diese Anhäufung von Kupferpellets von dem zu reinigenden Kühlmittelgas durchströmt wird. Das Kühlmittelgas wird durch eine vorgeschaltete Heizeinrichtung aufgeheizt, so daß eine hohe Affinität zwischen den Kupferpellets und den in dem Kühlgas mitgeführten Oxidationsmitteln besteht.

Die zuvor erwähnten Kühlmittelreinigungsvorrichtungen waren nur dazu ausgelegt, oxidierende Verunreinigungen aus dem zugeführte Kühlmittelgas unter normalen Betriebsbedingungen zu entfernen. Die Vorrichtungen besitzen nicht die Fähigkeit, O₂ und H₂O auch dann zu entfernen, wenn eine große Menge von Luft oder eines Luftheliumgasgemisches plötzlich in den Reaktor eindringt, was dann der Fall sein kam , wenn beispielsweise die Hauptkühlmittelleitung bei einem Unfall bricht. Insbesondere dann, wenn ein Unfall auftritt, bei dem der Druck plötzlich abfällt, kann Gas in den Reaktor eindringen, ohne durch die Kühlmittelreinigungsvorrichtung hindurch zu gelangen. In einem solchen Fall besteht die Möglichkeit, daß die Graphitteile des Reaktors einer ernsthaften Oxidations-Korrosion unterworfen werden. Diese Umstände sollen unter Hinweis auf Fig. 1 erläutert werden.

Fig. 1 ist eine vertikale Schnittdarstellung, die schema­ tisch einen heliumgasgekühlten Reaktor zeigt. In Fig. 1 ist mit 11 ein gebrochener Abschnitt einer primären Kühl­ gas-Versorgungsleitung bezeichnet. Ein nach innen eindringen­ des Gas, welches durch den gebrochenen Abschnitt 11 hindurch­ strömt, ist mit einem Pfeil 12 angegeben. Weitere Pfeile bezeichnen die Strömung des Kühlmittel-Heliumgases innerhalb des Reaktors. Die Luft oder das Helium-Luftgemisch dringt durch den gebrochenen Abschnitt 11 ein und enthält sowohl die Komponenten O₂ als auch H₂O in relativ hohen Konzen­ trationen. Die oxidierende Wirkung von O₂ und H₂O, die in dem eindringenden Gas enthalten sind wird durch die erhöhte Temperatur innerhalb des Reaktors beschleunigt. Demzufolge werden die Reaktorstrukturen wie beispielsweise ein Plenum­ pfosten 13 und der Brennstoff 14 oxidiert und korrodiert. Die Temperatur innerhalb des Reaktors wird durch eine Kühl­ systemfüllung oder Platte auf der Rückseite abgesenkt. Der Reaktor benötigt jedoch eine relativ lange Zeit um aus­ reichend gekühlt zu werden und zwar aufgrund der großen Wärmekapazität der Reaktorstrukturen. Während der Kühlperio­ de tritt unvermeidbar eine Oxidierung der Graphitteile des Reaktors auf.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wurde in Hinblick auf die zuvor erläuterten Umstände entwickelt und es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Möglichkeit zu schaf­ fen, oxidierende Komponenten aus der Luft oder dem Luft- Heliumgasgemisch, welches in den Reaktor eindringt zu ent­ fernen beispielsweise zum Zeitpunkt des Bruches eines Kühl­ gas-Versorgungsleitungssystems des Reaktors, um dadurch eine Oxidationskorrosion der Reaktor-Graphitteile zu unterdrücken.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das ein Oxidationsmittel verbrauchende oder aufnehmende Teil aus einem Bündel von Stäben oder einem Zylinder, der eine große Anzahl von durchgehenden Öffnungen, die in Form eines Honigwabenmusters in Längsrichtung ausgebildet sind, aufweist, besteht oder daß das ein Oxidationsmittel verbrauchende oder aufnehmende Teil eine große Anzahl von Kugeln umfaßt, daß die Heizeinrichtung zum Aufheizen des das Oxidationsmittel verbrauchenden oder aufnehmenden Teils Elektroden aufweist, die an beiden Endabschnitten des das Oxidationsmittel verbrauchenden Teils befestigt sind, so daß das das Oxidationsmittel verbrauchende Teil nach der Stromzuführung zu den Elektroden von einer außerhalb der Rohrleitung gelegenen Quelle direkt aufheizbar ist oder/und daß die Heizeinrichtung zum Aufheizen des das Oxidationsmittel verbrauchenden oder aufnehmenden Teils eine Heizeinheit aufweist, die an einem Innenwandabschnitt der Rohrleitung angeordnet ist, welche das das Oxidationsmittel verbrauchende oder aufnehmende Teil enthält, wobei das das Oxidationsmittel verbrauchende Teil nach Stomzuführung zu der Heizeinheit von einer außerhalb der Rohrleitung gelegenen Quelle indirekt aufheizbar ist.

Durch die angegebene erfindungsgemäße Lösung wird erreicht, daß die bei einem Störfall auftretenden großen Mengen an von dem Kühlgas mitgeführten Oxidationsmitteln wirksam aus dem Kühlgas entfernt werden können, so daß es nicht zu einer nachteiligen Korrosion von Teilen im Inneren des Reaktors kommen kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine vertikale Schnittdarstellung, die schematisch einen heliumgasgekühlten Reaktor veranschaulicht;

Fig. 2 und 3 schematische Diagramme, welche die In­ stallation einer bevorzugten Ausführungsform einer Korrosion verhindernden Vorrichtung nach der Erfindung veranschaulicht;

Fig. 4A eine Längsschnittdarstellung einer bevorzugten Aus­ führungsform einer Korrosion verhindernden Vor­ richtung nach der Erfindung, und Fig. 4B eine Schnittdarstellung nach der Linie A-A′ in der Fig. 4A;

Fig. 5A und 5B der Fig. 4 entsprechende Darstellungen einer anderen Ausführungsform;

Fig. 6A eine Längsschnittdarstellung einer weiteren Aus­ führungsform einer Korrosion verhindernden Vor­ richtung nach der Erfindung, und Fig. 6B eine Schnittdarstellung nach der Linie C-C′ in Fig. 6A;

Fig. 7 eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Menge der Oxidationsprodukte und der Temperatur eines Plenum-Pfostens in dem Reaktorkern in Abhängigkeit von der Betriebszeit der Korrosion verhindernden Vorrichtung nach der Erfindung wiedergibt.

Im folgenden sollen nunmehr bevorzugte Ausführungsbei­ spiele nach der Erfindung unter Hinweis auf die Figuren erläutert werden.

Fig. 2 und 3 sind schematische Darstellungen eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Korrosion verhindernden Vorrichtung nach der Erfindung, die in Reihe mit einem Abschnitt eines primären Kühlgas-Versorgungslei­ tungssystems gekoppelt ist und in Form einer Umgehungslei­ tung vorgesehen ist. In den Fig. 2 und 3 ist mit 21 der Druckbehälter des Reaktors, mit 22 das primäre Kühlgas- Versorgungsleitungssystem, mit 23 die besagte Korrosion verhindernde Vorrichtung und mit 24 und 25 Ventile bezeich­ net. Die Art der Kopplung der besagten Korrosion verhindern den Vorrichtung direkt mit dem primären Kühlgas-Versorgungs­ leitungssystem nach Fig. 2 ist zu bevorzugen im Vergleich mit dem Fall, bei welchem die Vorrichtung in Form einer Umgehungs­ leitung vorgesehen ist und zwar in Relation zum primären Kühlgas-Versorgungsleitungssystem, wie dies in Fig. 3 ge­ zeigt ist. Speziell bietet die erste Art der Anordnung einen hohen Grad der Zuverlässigkeit beim Starten und einen hohen Wirkungsgrad bei der Verhinderung einer Korrosion der Reaktorstrukturen, da die genannte Vorrichtung dicht beim Reaktorkern angeordnet werden kann. Wenn jedoch der für die Montage verfügbare Raum begrenzt ist oder wenn die Materialien für die Herstellung der Vorrichtung eingeschränkt sind und zwar da diese erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird, kann die Anordnung nach Fig. 3 realisiert werden. Bei der An­ ordnung nach Fig. 3 ist jedoch eine Betätigung der Ventile 24 und 25 erforderlich. Das heißt, während des normalen Betriebes ist das Ventil 24 geschlossen und das Ventil 25 geöffnet, um das primäre Kühlgas zuzuführen. Zum Zeitpunkt eines Unglücks oder Fehlers in dem primären Kühlgas-Versorgungsleitungssystem muß das Ventil 24 geöff­ net und das Ventil 25 geschlossen werden, um das Gas umzuleiten.

Fig. 4A zeigt eine Längsschnittdarstellung einer Korrosion verhindernden Vorrichtung gemäß einem ersten bevorzugten Aus­ führungsbeispiel nach der Erfindung, und Fig. 4B zeigt eine Schnittdarstellung nach der Linie A-A′ in Fig. 4A. In den Fig. 4A und 4B ist mit 31 eine Elektrode, mit 32 ein ein Oxidationsmittel verbrauchendes Teil in Form eines Bündels von Stäben aus Graphit, Kohlenstoff, Tantal, Kupfer oder einem ähnlichen Stoff und mit 33 ein Rohr be­ zeichnet. Das das Oxidationsmittel verbrauchende oder auf­ nehmende Teil 32 wird während des normalen Betriebes auf Raumtemperatur gehalten und zum Zeitpunkt eines Unglücks oder eines Fehlers in der primären Kühlgas-Versorgungslei­ tung wird das das Oxidationsmittel verbrauchende Teil 32 di­ rekt über die Elektroden 31 mit Energie versorgt und aufge­ heizt, um eine Reaktion mit dem oxidierenden Gas (wie O₂) zu bewirken, welches in dem primären Kühlgas enthalten ist.

Wenn das verbrauchende Teil aus Graphit oder Kohlenstoff besteht, so besteht das Oxidations-Reaktionsprodukt aus einem Gas wie CO oder CO₂, welches nach der Reaktion auf einfache Weise behandelt werden kann. Wenn andererseits das das Oxidationsmittel verbrauchende Teil aus Tantal oder Kupfer besteht, so besteht das Oxidationsprodukt aus einem Metalloxid, welches nach Eindringen in den Reaktor aktiviert werden kann. Eine Behandlung ist daher in diesem Fall schwierig. Vergleicht man Graphit mit Kohlenstoff, so be­ sitzt Graphit einen kleineren elektrischen spezifischen Widerstand und erfordert daher einen größeren Strom für die Aufheizung als Kohlenstoff und es ist auch langsamer in der Reaktionsgeschwindigkeit als Kohlenstoff. Daher ist die Verwendung von Kohlenstoff für das das Oxidationsmittel aufbrauchende Teil allgemein günstiger als Graphit.

Da sich jedoch Kohlenstoff im Vergleich zu Graphit schwer bearbeiten läßt, kann Graphit und Kohlenstoff selektiv ver­ wendet werden, was von der Gestalt des das Oxidationsmittel aufnehmenden oder verbrauchenden Teiles abhängig ist. Es sei darauf hingewiesen, daß das das Oxidationsmittel ver­ brauchende Teil so gestaltet sein muß, daß es eine große Kontaktfläche aufweist, die mit dem primären Kühlgas in Berührung gelangt.

Fig. 5A zeigt einen Längsschnitt einer Korrosion verhindern­ den Vorrichtung, die gemäß einer zweiten bevorzugten Aus­ führungsform nach der Erfindung konstruiert ist, während Fig. 5B eine Schnittdarstellung nach der Linie B-B′ in Fig. 5A zeigt. In den Fig. 5A und 5B sind die Elemente ähnlich denjenigen von Fig. 4A und 4B mit gleichen Bezugszeichen ver­ sehen. Ferner ist mit 32 ein ein Oxidationsmittel aufneh­ mendes oder verbrauchendes Teil in Form eines Zylinders be­ zeichnet, der aus Graphit oder Kohlenstoff besteht und mit einer großen Anzahl von Bohrungen oder durchgehenden Öff­ nungen ausgestattet ist, die in Form eines Honigwabenmusters in Längsrichtung angeordnet sind. Das Teil 32 ist an dem Rohr 33 durch Rippen 34 befestigt. Ähnlich dem Ausführungs­ beispiel nach den Fig. 4A und 4B wird das das Oxidations­ mittel aufnehmende oder verbrauchende Teil 32 durch Elek­ troden 31 aufgeheizt.

Fig. 6A zeigt einen Längsschnitt einer Korrosion verhindern­ den Vorrichtung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungs­ form nach der Erfindung, während Fig. 6B eine Schnittdarstel­ lung gemäß der Linie C-C′ in Fig. 6A ist. In diesen Figuren ist mit 32 ein ein Oxidationsmittel verbrauchendes Teil be­ zeichnet, welches aus einer großen Anzahl von Kugeln aus Graphit oder Kohlenstoff besteht, wobei mit 33 ein Rohr und mit 35 eine Heizeinheit bezeichnet sind, die in dem inneren Wandabschnitt des Rohres 33 montiert sind und die dazu dienen, indirekt das das Oxidationsmittel auf­ nehmende Teil 32 nach der Energieversorgung durch eine ex­ terne Versorgungsquelle aufzuheizen. Mit 36 ist eine Gitter­ struktur bezeichnet, um das das Oxidationsmittel ver­ brauchende Teil aufzunehmen.

Wenn als Beispiel das das Oxidationsmittel aufbrauchende Teil aus einem Graphitzylinder besteht, der eine Länge von 100 cm hat und einen Innendurchmesser von 1 cm hat, durch welchen ein Helium-Luftgemisch mit einer Sauerstoffkonzen­ tration von 15% mit einer Geschwindigkeit von 100 cm/sec hindurchströmt, so wird die Sauerstoffkonzentration auf ca 1% am Auslaß des Zylinders vermindert, wenn die Temperatur des Graphits bei 900°C liegt. Im Betrieb wird mit der Zeit das das Oxidationsmittel aufnehmende Teil selbst verbraucht, es wird jedoch die Oxidation der Reaktorstrukturen und des Brennstoffs unterdrückt, da die Reaktortemperatur während einer entsprechenden Zeitperiode allmählich abgesenkt wird.

Fig. 7 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der angesammelten Menge der Oxidationsprodukte und der Temperatur des Plenum-Pfostens innerhalb des Reaktor­ kerns in Relation zur Betriebszeit der Korrosion ver­ hindernden Vorrichtung nach der Erfindung wiedergibt, die nach dem Auftreten eines Unfalls oder eines Fehlers in den primären Kühlgas-Versorgungsleitungssystem in Tätigkeit gesetzt vurde. In Fig. 7 bezeichnet (a) die Beziehung zwischen der Betriebszeit und der Temperatur des Plenum-Pfostens. Die Temperatur des Plenum-Pfostens liegt spezifisch zu Beginn bei 1000°C, wird jedoch 200 Stunden nach dem Auftreten des Unglücks oder des Fehlers in dem primären Kühlgas-Versorgungsleitungssystem auf 600°C abgesenkt, zu welchem Zeitpunkt die Geschwindigkeit der Reaktion zwischen dem Graphit und der Luft merklich proportional zu der Geschwindigkeit abgesenkt wird, mit welcher die Temperatur des Plenum-Pfostens absinkt. Wenn dagegen keine Korrosion verhindernde Vorrichtung für die Reaktorstrukturen vorgesehen ist, so ändert sich die Menge des angesammelten Oxidationsproduktes am Plenum-Pfosten innerhalb des Reaktorkernes, die nach einem Unfall oder Fehler in dem primären Kühlgas-Versorgungsleitungssystem erzeugt wird, gemäß (b) in Fig. 7. Die Oxidationsmenge des Plenum-Pfostens erreicht spezifisch 1000 Stunden nach dem Unglück ca 0,7 g/cm², an welchem Punkt die Festigkeit des Plenum-Pfostens auf ca. 25% seiner Anfangsfestigkeit vor dem Unfall abgefallen ist. Wenn jedoch eine Korrosion ver­ hindernde Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ver­ wendet wird, so ändert sich die angesammelte Oxidations­ menge des Plenum-Pfostens gemäß (c) in Fig. 7 und wird zu 0,1 g/cm² und zwar 1000 Stunden nach dem Unglück oder dem Fehler in dem primären Kühlgas-Versorgungsleitungssystem.

Claims (2)

1. Korrosion verhinderende Vorrichtung für die Verwendung in einer Reaktorstruktur eines heliumgasgekühlten Reaktors, um gasförmige oxidierende Komponenten aus einem primären Kühlgas in einem Druckbehälter des Reaktors zu entfernen, mit einem ein Oxidationsmittel verbrauchenden oder aufnehmenden Teil (23; 32) aus einem Material einer hohen Affinität für oxidierende Verunreinigungen bei erhöhter Temperatur sowie mit einer Heizeinrichtung (31; 35), wobei das das Oxidationsmittel verbrauchende oder aufnehmende Teil (23; 32) und die Heizeinrichtung (31; 35) in einer Rohrleitung (22, 33) angeordnet sind, und wobei die Vorrichtung in Reihe mit einer primären Kühlgasversorgungsleitung geschaltet oder in einer Umgehungsleitung der primären Kühlgasversorgungsleitung des Reaktors angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das ein Oxidationsmittel verbrauchende oder aufnehmende Teil (23; 32) aus einem Bündel von Stäben oder einem Zylinder, der eine große Anzahl von durchgehenden Öffnungen, die in Form eines Honigwabenmusters in Längsrichtung ausgebildet sind, aufweist, besteht oder daß das ein Oxidationsmittel verbrauchende oder aufnehmende Teil (23; 32) eine große Anzahl von Kugeln umfaßt,
daß die Heizeinrichtung (31) zum Aufheizen des das Oxidationsmittel verbrauchenden oder aufnehmenden Teils (32) Elektroden aufweist, die an beiden Endabschnitten des das Oxidationsmittel verbrauchenden Teils (32) befestigt sind, so daß das das Oxidationsmittel verbrauchende Teil (32) nach der Stromzuführung zu den Elektroden (31) von einer außerhalb der Rohrleitung gelegenen Quelle direkt aufheizbar ist oder/und
daß die Heizeinrichtung (35) zum Aufheizen des das Oxidationsmittel verbrauchenden oder aufnehmenden Teils (32) eine Heizeinheit aufweist, die an einem Innenwandabschnitt der Rohrleitung (33) angeordnet ist, welche das das Oxidationsmittel verbrauchende oder aufnehmende Teil (32) enthält, wobei das das Oxidationsmittel verbrauchende Teil (32) nach Stromzuführung zu der Heizeinheit (35) von einer außerhalb der Rohrleitung gelegenen Quelle indirekt aufheizbar ist.

2. Korrosion verhindernde Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit einer hohen Affinität gegenüber oxidierenden Verunreinigungen bei einer erhöhten Temperatur aus einem Material besteht, welches aus der Gruppe von Kohlenstoff und Graphit ausgewählt ist.