DE3525986A1 - Fluessigkeitsvorlage als rberdruckventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitsvorlage als Über­ druckventil für radioaktive Dämpfe und/oder Gase eines Kern­ reaktors, insbesondere eines Leichtwasserreaktors oder eines heliumgekühlten Hochtemperaturreaktors, mit einem Düsensystem zum Einführen des Kühlmittels in den Vorlagebe­ hälter im Störfall.

Eine Einrichtung dieser Art wird in der DE-PS 29 31 140 beschrieben. Die zugehörige Flüssigkeitsvorlage befindet sich zwischen dem Reaktordruckbehälter und/oder dem Reak­ torschutzbehälter (containment) einerseits und einer einen Waschzyklon und einen Trocknerzyklon aufweisenden Druckent­ lastungsstation andererseits. Die Entlastungsstation muß bestimmungsgemäß nur im Störfall arbeiten, z.B. wenn im Reaktorschutzbehälter durch Undichtheiten im Kühlkreislauf eine größere Menge des radioaktiv verunreinigten Kühlmit­ tels entweicht. Im Normalbetrieb des Kernkraftwerkes dage­ gen wird im Schutzbehälter ein leichter Unterdruck gehal­ ten, vorzugsweise um an den Personen- und Materialschleusen ein Austreten von radioaktiven Gasen und Dämpfen zu verhin­ dern. Die Druckentlastungsstation, durch die reines, d.h. von radioaktiven Bestandteilen befreites Kühlmittel an die Atmosphäre abgegeben werden soll, wird daher im ungestörten Reaktorbetrieb mit einer Wasservorlage als Überdruckventil gegenüber der Atmosphäre des Reaktordruckbehälters bzw. der Abgasleitung eines konventionellen Überdruckventils des Reaktordruckbehälters abgeschlossen.

Um die technischen Einrichtungen, insbesondere die Elektro­ nik im Schutzbehälter, zu schützen bzw. um nach einer Stö­ rung den Schutzbehälter möglichst bald wieder begehbar zu machen, soll das Überdruckventil in einem relativ weiten Druckbereich von etwa 1 bis 50 × 10³ Pa ansprechen. Eine Störung dieser Art ist zwar kaum während der Lebenszeit eines Kernreaktors zu erwarten, trotzdem müssen Maßnahmen getroffen werden, den Störfall sicher zu beherrschen und die Reparatur sowie den Weiterbetrieb der gesamten Anlage zu gewährleisten.

Als Überdruckventil für die im vorliegenden Zusammenhang in Frage kommenden kleinen Drücke wird in der DE-PS 29 31 140 eine Flüssigkeitsvorlage, insbesondere Wasservorlage, vor­ gesehen. Diese befindet sich in einem geschlossenen, ober­ halb des Flüssigkeitsspiegels einen Gas- und Luftsammelraum aufweisenden Vorlagebehälter mit einem unterhalb des Flüs­ sigkeitsspiegels angeordneten Düsensystem zum Einführen des Kühlmittelgases und/oder Kühlmitteldampfes.

Eine solche Flüssigkeitsvorlage kann zwar von keinem mecha­ nischen Ventil und von keiner Reißmembran hinsichtlich ih­ rer Zuverlässigkeit, Ansprechpräzision und Wartungsfreiheit überboten werden, sie hat jedoch bei kleinen Drücken den Nachteil, daß die Flüssigkeit auch bei dem jeweiligen An­ sprechüberdruck nicht ausgeworfen werden kann, sondern ge­ gebenenfalls erst durch den mit Überdruck austretenden Heißdampf aufgeheizt und verdampft werden muß. Nicht konden­ sierbares Gas kann also nur durch die Vorlage hindurchper­ len und sie gegebenenfalls aufheizen, während Wasserdampf voll kondensiert wird und damit die Flüssigkeit aufheizt.

Solange es sich um Heißdampf oder sehr heiße nicht konden­ sierbare Gase handelt, wird die Flüssigkeitsvorlage wunsch­ gemäß relativ schnell verdampft sein. Kommt jedoch Naßdampf in die Vorlage, so ist naturgemäß eine Vermehrung der Flüssigkeit und kein Eindampfen zu erwarten. Eine Konden­ sation, die jedoch stark in die Richtung einer Vollkonden­ sation verläuft, ist aber nicht erwünscht. Die Anforderun­ gen an die Vorlage sind, die nachgeschaltete Reinigungsan­ lage optimal zu beaufschlagen. Sie hat daher folgende Auf­ gaben zu erfüllen:

• - als Überdruckventil für kleine Dampf- und/oder Gas­ drücke, im Normalbetrieb geschlossen, zu wirken;,
• - bei langsamem Überschreiten des Ansprechdruckes Kon­ densation des Dampfes bzw. Durchperlen und Abkühlen der nicht kondensierbaren Gase zu gestatten;
• - bei steilem Anstieg des Druckes im Falle von Heiß­ dampf Verdampfen und Auswerfen der Vorlage zu bewir­ ken, (im Falle von Naßdampf soll die Vorlage schnell­ stens ausgeworfen werden, im Falle von heißen Gasen ist ein Auswerfen der Vorlage zwar nicht erforder­ lich, aber auch kein Nachteil);,
• - unabhängig von dem jeweiligen Dampfzustand Wasser­ schläge in jedem Fall sicher zu verhindern.

Die ersten beiden Aufgaben kann auch eine nicht besonders ausgebildete Vorlage erfüllen. Im Falle von Heiß- oder Naßdampf ist es schon wesentlich schwieriger. Sollen hier Wasserschläge verhindert werden, so ist der Dampf - wie in der DE-PS 29 31 140 beschrieben - über Düsen in das Wasser der Vorlage einzublasen. Dies hat zwar den Vorteil, daß die Flüssigkeitsschläge auf eine Vielzahl klei­ ner Schläge, deren Geräusche nur noch zu einem Zischen führen, aufgelöst werden, hat aber auch den entscheidenden Nachteil, daß anders als bei Heißdampf im Fall von Naßdampf die Wasservorlage ständig vermehrt und damit die Anlage überschwemmt wird.

Würde als Flüssigkeitsvorlagebehälter ein mit Wasser gefüll­ tes U-förmig gebogenes Rohr eingesetzt, so erhielte man den Vorteil der Ansprechsicherheit und Wartungsfreiheit, aber den Nachteil, daß das Wasser schon bei kurzzeitigem Über­ schreiten eines vorgegebenen Drucks ausgeworfen würde. Auch bei Undichtheiten mit relativ kleinen Ausströmraten des Kühlmittels wird aus einer solchen Vorlage bereits Wasser ausgestoßen. Hinzu kämen die genannten Wasserschläge im aufsteigenden Ast des U-Rohrs sowohl bei kurzzeitiger Druck­ erhöhung als auch bei relativ kleinen Ausströmraten, wenn das Kühlmittel Wasserdampf ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkeits­ vorlage so auszubilden, daß sie nicht schon bei einer kurz­ zeitigen Druckerhöhung oder bei geringen Ausströmmengen ihre Sperrfähigkeit einbüßt, sondern erst dann, wenn die Störung ihr Übergangsverhalten beendet und sich stabili­ siert hat, und daß die Vorlageflüssigkeit unabhängig davon auszuwerfen ist, ob die Einrichtung mit Gas, Naßdampf, Heiß­ dampf oder mit einem Gas-Dampf-Gemisch beaufschlagt wird. Die erfindungsgemäße Lösung ist für die eingangs genannte Flüssigkeitsvorlage gekennzeichnet durch einen Düsenkranz mit vertikaler Achse und gleichsinnig etwa tangential zum Erzeugen einer Zyklonwirkung ausgerichteten Düsen als Kühl­ mitteleinführung im Vorlagebehälter. Vorzugsweise sollen die insbesondere trompetenartig in Strömungsrichtung geöff­ neten Düsen des Düsenkranzes schräg nach oben ausgerichtet werden; ferner soll der Behälter einen etwa kegelstumpfför­ migen Mantel besitzen, an dessen Boden der Düsenkranz zu lagern ist.

Durch die Erfindung wird im Einsatzfall eine Zyklonwirkung auf die Flüssigkeitsvorlage ausgeübt, durch die eine mit dem abzulassenden Überdruck zunehmende Menge der Flüssig­ keitsvorlage auszuwerfen ist. Das bedeutet zunächst, daß eine Durchmischung von Dampf und Flüssigkeit mit Hilfe der durch den einströmenden Dampf hervorgerufenen, etwa kreis­ förmigen Strömung innerhalb der Flüssigkeitsvorlage und so­ mit eine Verteilung der Kondensationswärme auf das gesamte Vorlagevolumen erzwungen wird. Vor allem aber bringen die die Zyklonwirkung hervorrufenden Düsen des Düsenkranzes die im Vorlagebehälter enthaltene Flüssigkeit zum Rotieren, so daß das ursprünglich horizontale Flüssigkeitsniveau durch die mit der Zyklonwirkung einhergehende Zentrifugalkraft in ein mehr oder weniger trichterförmiges Niveau übergeht und die ursprünglich im Vorlagebehälter enthaltene Flüssigkeit in Abhängigkeit vom Maß des abzuleitenden Überdrucks mehr oder weniger stark ausgeworfen wird. Das wiederum bringt den Vorteil, daß die Kondensation in gewünschter Weise mit zunehmendem Überdruck abnimmt und auch der Druckverlust des Gas- und/oder Dampfgemisches in der Vorlage sinkt, weil die aus den Düsen des Düsenkranzes austretenden Dampfstrahlen die jeweils noch im Vorlagebehälter enthaltene Flüssigkeit nicht mehr bis zu dem ursprünglichen, statischen Niveau sondern nur noch bis zu dem Rotationsniveau durchströmen müssen. Der Kühlmitteldampf kann daher auf dem nunmehr kurzen Weg von den Düsen bis zum Rotationsniveau eine relativ dünne Flüssigkeitsschicht praktisch ohne Konden­ sation durchschlagen. Das Düsensystem muß daher nicht etwa im Sinne einer sicheren Kondensation des Dampfes sondern so ausgelegt werden, daß die Rotationsgeschwindigkeit der Flüssigkeit im Vorlagebehälter maximal wird. Hierzu genügen relativ wenige grobe und daher dauernd betriebssicher zu haltende Düsen. Die aus diesen Düsen austretenden Dampf­ strahlen können die bei hoher Rotationsgeschwindigkeit dünne Flüssigkeitsschicht der sich drehenden Flüssigkeits­ vorlage praktisch ohne Kondensation durchschlagen. Die Nei­ gung und die lichte Weite der Düsen sowie die übrigen Abmes­ sungen der Anordnung werden für die jeweilige Anwendung durch Versuche problemlos ermittelt.

Anhand der schematischen Darstellung eines Ausführungsbei­ spiels werden Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 einen Querschnitt eines mit einer Flüssigkeitsvor­ lage arbeitenden Überdruckventils; und

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Düsensystem nach Fig. 1.

Nach Fig. 1 wird eine mit einem Reaktordruckbehälter und/ oder mit einem Reaktorschutzbehälter verbundene Kühlmittel­ zuführleitung 1 mit ihrem Auslaß 2 in einem eine Flüssig­ keits- bzw. Wasservorlage 3 aufnehmenden Vorlagebehälter 4 unterhalb des statischen Flüssigkeitsniveaus 5 angeordnet. Im Ruhezustand ist das Flüssigkeitsniveau 5 im Vorlage­ behälter 4 gemäß dem Ausführungsbeispiel etwas niedriger als das Flüssigkeitsniveau 6 in der Kühlmittelzuführleitung 1, wenn im Reaktorschutzbehälter ein entsprechender Unter­ druck aufrechterhalten wird. Der Vorlagebehälter 4 befindet sich in einem Gas- bzw. Luftsammelbehälter 7 mit einem Ausgang 8 zu einer Wascheinrichtung und einem Ausgang 9 mit daran angeschlossener Kühlmittelleitung.

Erfindungsgemäß wird auf den Auslaß 2 der Kühlmittelzuführ­ leitung 1 am Boden 10 des Vorlagebehälters 4 ein Düsenkranz 11 mit (zum Boden 10) vertikaler Achse 12 aufgesetzt. Nach Fig. 1 und 2 besitzt der Düsenkranz 11 eine Reihe von Düsen 13, deren Auslaßöffnungen tangential und schräg nach oben in Pfeilrichtung 14 ausgerichtet werden.

Wenn die Düsen 13 des Düsenkranzes 11 mit dem abzulassenden Kühlmittel beaufschlagt werden, beginnt die Flüssigkeitsvor­ lage 3 um die zentrale Achse 12 zu rotieren. Durch Zyklon­ wirkung und die dabei auftretende Zentrifugalkraft wird die Flüssigkeitsvorlage 3 an die beispielsweise etwa kegel­ stumpfförmige Wandung des Vorlagebehälters 4 gedrängt, so daß sich das horizontale, statische Flüssigkeitsniveau 5 in das etwa trichterförmige Rotationsflüssigkeitsniveau 15 ver­ ändert und ein Teil 16 der Flüssigkeitsvorlage 3 über den oberen Rand 17 des Vorlagebehälters 4 ausgestoßen wird. Der Rand 17 kann auch (wie in Fig. 1 angedeutet) nach außen umgebördelt sein. Durch die abnehmende Flüssigkeitsmenge und durch den Übergang des statischen Flüssigkeitsniveaus 5 in das Rotationsniveau 15 werden eine (gewünschte) Vermin­ derung der Kondensation und zugleich eine schnelle Abnahme des Druckverlustes des Gas- und/oder Dampfgemisches in der Flüssigkeitsvorlage 3 erreicht, weil die aus den Düsen 13 in Richtung 14 austretenden Dampfstrahlen die Vorlage 3 nicht mehr bis zum statischen Flüssigkeitsniveau 5 durch­ strömen müssen, wobei Wasserdampf in für die zu lösende Aufgabe schädlicherweise bis zur Endaufheizung der Flüssig­ keitsvorlage 3 kondensieren würde, sondern auf dem nunmehr kurzen Weg von den Düsen 13 bis zum Rotationsniveau 15 eine relativ dünne Flüssigkeitsschicht praktisch ohne Kondensa­ tion durchschlagen können.

Innerhalb des Sammelbehälters 7 wird zweckmäßig oberhalb der Flüssigkeitsvorlage 3 ein Tropfenabscheider 18 vorge­ sehen, der verhindert, daß mit dem aus den Düsen 13 ausströ­ menden Dampf bzw. Gas mitgerissene Flüssigkeit aus der Vor­ lage in die Kühlmittelleitung 9 gelangt.

Bei einer Störung mit relativ steilem Druckanstieg, insbe­ sondere im Falle von reinem Dampf, könnte es zu Wasser­ schlägen kommen, solange das Wasser in der Vorlage nicht rotiert. Hierbei ist jedoch das Wasservolumen im Düsenkranz 11 und dem Zuführungsrohr 1 von großer Bedeutung, weil es vom anströmenden Dampf verdrängt, also aus den Düsen ausge­ stoßen werden muß und dabei bereits die Rotation der Vor­ lageflüssigkeit einleitet.

Claims (4)

1. Flüssigkeitsvorlage als Überdruckventil für radioak­ tive Dämpfe und/oder Gase eines Kernreaktors, insbeson­ dere eines Leichtwasserreaktors oder eines heliumge­ kühlten Hochtemperaturreaktors, mit einem Düsensystem zum Einführen des Kühlmittels in den Vorlagebehälter (4) im Störfall, gekennzeichnet durch einen Düsenkranz (11) mit vertikaler Achse (12) und gleichsinnig etwa tangential zum Erzeugen einer Zyklonwirkung ausgerich­ teten Düsen (13) als Kühlmitteleinführung im Vorlagebe­ hälter (4).

2. Flüssigkeitsvorlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Düsen (13) des Düsenkranzes (12) schräg nach oben gerichtet sind.

3. Flüssigkeitsvorlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorlagebehälter (4) einen etwa kegelstumpfförmigen Mantel besitzt.

4. Flüssigkeitsvorlage nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Düsenkranz (11) am Boden des Behäl­ ters (4) angeordnet ist und daß der Außendurchmesser des Düsenkranzes (11) annähernd gleich dem Behälterbo­ dendurchmesser ist.