DE3603566C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Ober­ begriff des Anspruches 1.

Bei der Wärmeabfuhr von Wärmequellen, z.B. bei der Küh­ lung von Behältern mit selbsterhitzendem Inhalt, wie aufkonzentrierte hochradioaktive Flüssigkeiten, wird oft ein Konvektionskühlkreislauf eingesetzt. Die Förderung des Kühlmittelflusses geschieht durch Konvek­ tion. Das hat den Vorteil, daß zur Kühlung bzw. Wärme­ abfuhr keine Fremdenergie notwendig ist, und daß die Kühlung bei Bedarf selbst anläuft.

Ein solches System arbeitet passiv, d.h. es werden we­ der Antrieb noch Steuerung benötigt. Daher eignet es sich besonders zum Einsatz in nukleartechnischen Anla­ gen, die aufgrund der radioaktiven Belastung schwer zu­ gänglich sind.

Es wurde vorgeschlagen, den sekundären Konvektionskühl­ kreislauf mit einem Kondensator und einem Luftkühler auszurüsten. Im Primärkühlkreislauf führt die Selbster­ hitzung des radioaktiven Konzentrates zu Dampfbildung. Der Dampf wird in den Kondensator geleitet und abge­ kühlt. Das Kondensat wird in den Behälter zurückge­ führt.

Um einen Kühlmittelstrom auch bei niedrigen Temperatu­ ren sicherzustellen, werden frostgeschützte Kühlmittel eingesetzt. Unter anderem wird sechsmolare HNO₃ als Kühlmittel verwendet, die bis -40 Grad Celsius frost­ sicher ist.

Das Kühlmittel strömt durch den Luftkühler und nimmt unter Abgabe von Wärme an die Außenluft annähernd deren Temperatur an. Der Kondensator wird daher von dem Kühlmittel mit der angenommenen Temperatur beauf­ schlagt, so daß die Möglichkeit denkbar ist, daß der Kondensator bei länger andauernden Frostperioden zufrieren kann. Die Wärmeabfuhr über den Kondensator wäre damit blockiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Einfrie­ ren des Kondensators durch geeignete Maßnahmen, die keinen Fremdenergieaufwand erfordern, zu verhindern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzei­ chen des Anspruches 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die Erfindung wird die Volumenverringerung des Kühlmittels aufgrund der Abkühlung ausgenutzt, um den Kühlmittelstrom zu drosseln oder zu unterbrechen. Durch konstruktive Auslegung ist es möglich, den Sekundär­ kreis bei einer definierten Temperatur zu unterbrechen. Der Kondensator kann damit nicht weiter abgekühlt werden und bleibt somit auf der Temperatur der abge­ schirmten Zelle, in der das Behälterlager angeordnet ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird durch den Merkmalen des Anspruchs 2 gekennzeichnet. Durch die Anordnung von zwei Überlaufwehren am höchsten Punkt des Sekundärkreislaufes ist eine vollständige Trennung des Luftkühlers vom stehenden Kühlmittel gewährleistet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen 3 und 4 gekennzeichnet.

Durch die Erfindung wird die Funktion der passiven Sie­ dekühlung auch bei längeren Frostsituationen gewähr­ leistet. Dabei werden keine Hilfsenergie für Regelein­ richtungen und keine Wartungs- und Bedienungsarbeiten benötigt.

Anhand der Zeichnung wird nachstehend ein Ausführungs­ beispiel der Erfindung näher erläutert.

Ein HAWC (aufkonzentrierter hochradioaktiver flüssiger Waste) enthaltender Lagerbehälter 1 ist über eine Rohr­ leitung 3 mit der höchsten Stelle eines geneigt ange­ ordneten Rohrschlangenkondensators 5 und über eine Rücklaufleitung 7 mit dem unteren Auslaufende des Kon­ densators 5 verbunden. Behälter 1, Rohrleitungen 3 und 7 sowie der Dampfraum innerhalb des Kondensators 5 bilden den Primärkühlkreislauf.

Der Sekundärkühlkreislauf besteht aus senkrechten Rohr­ leitungen 9, deren obere Enden durch eine horizontale Rohrstrecke 11 und deren untere Enden durch eine ge­ neigt verlaufende Rohrstrecke 13 miteinander verbunden sind. In dem Sekundärkühlkreislauf ist sechsmolare HNO₃ als Kühlmittel eingefüllt. In der unteren Rohrstrecke 13 ist der Kondensator 5 eingesetzt. In der oberen Rohrstrecke 11 ist ein Luftkühler 15 zur Wärmeabgabe des Kühlmittels angeordnet. Vor und hinter diesem Luft­ kühler 15 hat die Rohrstrecke 11 den Querschnitt erwei­ ternde Kammern 17 und 19, in deren Bereich auf dem Grund des jeweiligen waagerechten Rohrabschnittes 21 bzw. 23 jeweils ein Überlaufwehr 25 bzw. 27 angeordnet ist.

Die in Strömungsrichtung hinter dem Luftkühler 15 ange­ ordnete Kammer 19 ist mit einem Ausgleichsgefäß 29 ver­ bunden, während die andere Kammer 17 an ihrem oberen Punkt eine Entlüftungsleitung 31 aufweist. Das Aus­ gleichsgefäß 29 vermag größere Ausdehnungen des Kühl­ mittels aufzufangen. Der aus den Rohrleitungen 9, den Rohrstrecken 11 und 13, Kondensator 5 und Luftkühler 15 gebildete Sekundärkreislauf weist seitlich oben ein Füllstandsanzeigegefäß 33 über eine Verbindungsleitung 35 auf. Unterhalb der oberen Rohrstrecke 11 ist eine parallel verlaufende kleinere Bypassrohrleitung 37 ein­ gebaut, die die Kammern 17 und 19 und den Luftkühler 15 überbrückt.

Die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Einrich­ tung ist wie folgt.

Im Normalbetrieb der beschriebenen Kühleinrichtung ist der Füllstand des Kühlmittels so eingestellt, daß die Kammern 17 und 19 mit den Überfallwehren 25 und 27 ganz gefüllt sind (siehe Niveau-Pfeil a). Der maximale Massenstrom des Kühlmittels kann durch den einen Wärme­ tauscher darstellenden Luftkühler 15 fließen.

Verringert sich die Temperatur des umlaufenden Kühlmit­ tels, wird das Kühlmittelvolumen und damit auch der Füllstand niedriger (Niveauanzeige Pfeil b). Der Mas­ senstrom durch den Luftkühler 15 wird durch den nun kleineren Strömungsquerschnitt in den Kammern 17 und 19 an den Überfallwehren 25 und 27 gedrosselt.

Sinkt die Temperatur des Kühlmittels weiter und wird eine durch die Füllmenge einstellbare mittlere Kreislauftemperatur unterschritten, sinkt der Füllstand unter die Oberkante der Überlaufwehre 25, 27 (Pfeil c). Dieses kann bei einer Dauerfrostperiode aufgrund des Abkühlens über den Wärmetauscher 15 möglich sein. Das Kühlmittel erfährt dadurch eine Volumen­ verringerung, die die Ursache ist, daß der Füllstand unter die Oberkante der Überlaufwehre fällt. Der Durch­ lauf des Kühlmittels durch den Wärmetauscher 15 und da­ mit eine weitere Abkühlung des Kühlmittels durch Wärme­ abgabe an die Umgebungsluft ist nicht mehr möglich.

Lediglich durch die einen kleineren Durchmesser aufweisende Bypassrohrleitung 37 findet ein Restumlauf statt, der zur Vergleichmäßigung der Temperatur­ verteilung im Kühlmittelkreislauf dient. Der Mindestum­ lauf ist durch die Bypassrohrleitung 37 unter Umgehung der Kammern 17 und 19 und des Luftkühlers 15 möglich. Dadurch ist gewährleistet, daß die Volumenerhöhung ei­ nes warmen Teiles des Kühlmittels nicht durch die Volumenverringerung eines kälteren Teiles kompensiert wird. Durch den kleineren Durchmesser ist gewährleistet, daß beim Vollastbetrieb nur ein geringer Teil des Kühlmittels durch die Bypassrohrleitung 37 fließt.

Steigt die Kühlmitteltemperatur aufgrund der in dem Be­ hälter 1 erzeugten Nachzerfallswärme wieder über die eingestellte mittlere Kreislauftemperatur an, dehnt sich das Kühlmittel aus. Dadurch füllen sich die Kammern 17 und 19 mit den Überlaufwehren 25 und 27 und der Kühlmittelstrom kann wieder durch den Luftkühler 15 fließen.

Das üblicherweise verwandte Kühlmittel ist sechsmolare Salpetersäure, die bis minus 40 Grad Celsius flüssig bleibt.

Die Volumenänderung bei einer gegebenen Temperaturver­ teilung hängt von der Gesamtmenge des Kühlmittels ab. Die daraus resultierende Füllstandsänderung läßt sich durch Veränderung des Querschnittes der Kammern 17 und 19 einstellen. Durch die Dimensionierung der Kammern 17 und 19 kann eine den jeweiligen Anforderungen eines derartigen passiven Kühlsystems angepaßte Abhängigkeit der Empfindlichkeit von der mittleren Kreislauftempera­ tur erreicht werden.

Claims (4)

1. Passive Kühleinrichtung mit einem primären Siede­ kühlkreislauf und einem sekundären Konvektionskühl­ kreislauf, in dessen unterem Bereich ein von dem Kühl­ mittel des Sekundärkreislaufes beaufschlagter Kondensa­ tor für das abzukühlende Medium des primären Siedekühl­ kreislaufes und in dessen oberen Bereich ein Wärmetau­ scher zur Abkühlung des Kühlmittels auf annähernd Umgebungstemperatur angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundäre Konvektionskühlkreislauf (5, 9, 11, 13, 15) an seinem höchsten Punkt Mittel enthält, die bei einer Volumenänderung des Kühlmittels aufgrund sich erniedrigender Temperatur zu einem Drosseln oder Unter­ brechen des Kühlmitteldurchflusses durch den Wärme­ tauscher (15) führen.

2. Passive Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor und nach dem Wärmetauscher (15) den Querschnitt der Rohrleitungen erweiternde Kammern (17 und 19) vor handen sind, die den höchsten Punkt des sekundären Kon­ vektionskreislaufs bilden, daß im Bereich der Kammern (17, 19) auf dem Grund des jeweiligen Rohrabschnittes (21, 23) Überlaufwehre (25, 27) angebracht sind.

3. Passive Kühleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß der sekundäre Konvektionskühlkreislauf ein Füll­ standsanzeigegefäß (33) zur Überwachung der Füllhöhe des Kühlmittels aufweist.

4. Passive Kühleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundäre Konvektionskühlkreislauf eine die Drosselstellen (25, 27) und den Wärmetauscher (15) überbrückende Bypassrohrleitung (37) geringeren Durchmessers aufweist.