DE3927958C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Gat­ tungsbegriff des Anspruches 1 sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4.

Bei Reaktor-Störfällen mit Kühlmittelverlust werden größere Mengen Wasserstoff durch radiolytische Zersetzung des Was­ sers, wie durch Metall-Wasser-Reaktionen, freigesetzt. Nach dem Einsetzen der Notkühlung wird Wasserstoff nur durch die Radiolyse erzeugt. Dieser Vorgang läuft relativ langsam ab, so daß die Wasserstoffkonzentration in einem Druckwasser­ reaktor erst nach langen Zeiträumen die gefährliche Explosionsgrenze von 4 Vol.% erreichen kann.

Um zu vermeiden, daß Wasserstoff und Luft in den gefähr­ lichen Konzentrationsgrenzen von 4 Vol.% bis 75 Vol.% ein Explosionsgemisch bilden, sind bereits verschiedene Ver­ fahren bekannt geworden, die eine unkontrollierte Wasser­ stoff-Verbrennung vermeiden sollen.

Bei einem aus der EP-A 00 56 830 bekannten gattungsgemäßen Verfahren werden Siedewasser-Reaktoren - in denen die untere H₂-Explosionsgrenze nach bedeutend kürzerer Zeit als bei den Druckwasserreaktoren bei Kühlmittelverlust erreicht wird - mit Stickstoff-Inertisierungssystemen ausgerüstet. Mit diesen Systemen wird die im Containment vorhandene Luft gegen Stickstoff ausgetauscht, und zwar so weit, bis die Rest-Sauerstoffkonzentration unterhalb des Grenzwertes liegt, bei dem eine Wasserstoff/Sauerstoffexplosion (Knall­ gasexplosion) möglich ist. Durch die Inertisierung wird der normale Reaktorbetrieb jedoch komplizierter.

Eine andere Möglichkeit zur Vermeidung eines Explosionsgemisches in einem Reaktor-Containment ist aus der DE-OS 22 39 952 bekannt geworden. Darin wird eine Rekombinationseinrichtung in einem Reaktor- Containment zum Verbinden von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser beschrieben. Das wesentliche Element der Rekombi­ nationseinrichtung ist ein Paket von elektrisch beheizten Heizstäben, mit denen die durchströmenden Gase auf min­ destens etwa 620°C aufgeheizt werden. Der Nachteil dieser Einrichtung ist darin zu sehen, daß in allen Fällen eine Versorgung mit elektrischer Energie sichergestellt sein muß.

Die EP-A 00 19 907 beschreibt ein Verfahren zur Rekombination von im Sicherheitsbehälter einer Kernreaktoranlage eingeschlossenen Wasserstoff, wobei unter Verwendung von Inertgas ein den Wasserstoff ab­ bauendes Pulver in den Sicherheitsbehälter eingebracht wird. Dabei wird als Pulver ein an sich bekannter Kata­ lysator verwendet, wobei das Katalysatorpulver mit dem Inertgas aus einem außerhalb des Sicherheitsbehälters angeordneten Vorratsbehälter überwiegend in den oberen Bereich des Sicherheitsbehälters eingeblasen wird.

Neben der Unsicherheit der Wirksamkeit dieses Katalysators in einer Reaktoratmosphäre nach einem Störfall muß als Nachteil die Ablagerung des eingeblasenen, feinen Kata­ lysatorpulvers (Al₂O₃-Pulver mit einer Korngröße von 20 bis 60 µm) im gesamten Containment angesehen werden.

Bei der katalytischen Rekombination wird die ursprünglich vorhandene Sauerstoffkonzentration der Containmentluft nicht abgebaut, da sich der radiolytisch erzeugte Wasser­ stoff nur mit der entsprechenden Menge des radiolytisch freigesetzten Sauerstoffs verbindet.

Es ist auch bekannt, zur Rekombination des Wasserstoffs ein leicht reduzierbares Metalloxidpulver einzubringen. In die­ sem Fall wird aber nicht einmal der radiolytisch freige­ setzte Sauerstoff rekombiniert. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch die Radiolyse noch erhöht. Außerdem ist auch hier die Ablagerung der feinen Pulverpartikel im gesamten Innenbereich des Containments als nachteilig anzusehen.

Gefährliche Wasserstoffkonzentrationen in Teilbereichen des Containments lassen sich durch Durchmischen der Contain­ ment-Atmosphäre, z.B. durch Gebläse und Umluftanlagen, verhindern (DE-C 32 18 355). Damit wird aber keine Inertisierung bewirkt.

Bei den bekannten Verfahren wird fast ausschließlich die Verringerung der Wasserstoffkonzentration angestrebt. Bei den katalytischen Rekombinationsverfahren wird zwar auch ein Teil des Sauerstoffs gebunden, dabei sinkt jedoch der Sauerstoffpartialdruck - bei der Reaktion mit radiolytisch freigesetztem Wasserstoff - nicht unter den ursprünglich in der Containmentluft vorhandenen Partialdruck.

Bei der Inertisierung von Siedewasser-Reaktoren erfolgt dieses durch eine sogenannte Vorinertisierung. Mit der Vorinertisierung wird das Containment beim Anfahren bzw. dem Wiederanfahren der Anlage mit Stickstoff so lange gespült und gefüllt, bis die O₂-Konzentration auf die vorgegebene O₂-Konzentration abgesunken ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verhältnis von Wasserstoff und Sauerstoff in einem Kernreaktor-Containment nach einem Störfall mit Kühlmittelverlust auch in lokalen Bereichen des Containments so zu beeinflussen, daß mit Sicherheit eine Knallgasexplosion vermieden wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß Gattungsbe­ griff durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruches 1 gelöst. Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Einrichtung nach Anspruch 4 vorgesehen.

Dadurch, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Sauerstoff-Konzentration unter eine bestimmte, kritische Grenze erniedrigt wird, ist mit Sicherheit eine Wasser­ stoff-Sauerstoff-Knallgasexplosion ausgeschlossen. Die Herabsetzung der Sauerstoff-Konzentration im Reaktor- Containment nach einem Störfall erfolgt somit durch Ver­ brennungsvorgänge in Verbrennungskraftmaschinen, wobei die Luft der Containment-Atmosphäre bzw. aus einem oder mehreren Teilräumen desselben entnommen und das Abgas der Verbrennungskraftmaschine in das Containment bzw. die Teilräume wieder zurückgeblasen wird.

Dabei kann es aus Redundanz- und verfahrenstechnischen Gründen sinnvoll sein, mehrere Verbrennungsmotoren einzusetzen. Ist daher im folgenden nur ein Verbrennungsmotor genannt, so schließt dies immer auch die Verwendung einer Mehrzahl von Verbrennungsmotoren ein.

Der Betrieb beispielsweise eines Otto-Motors ist nicht nur an das durch die Verbrennungsgleichungen bestimmte Luft­ verhältnis (Luftzahl) λ = 1 gebunden. Er arbeitet innerhalb des Zündbereiches sowohl im reichen Gemisch (Kraftstoffüberschuß) als auch mit armem Gemisch (Luft­ überschuß). Für Benzin liegt die untere Zündgrenze bei ca. 1,4 und die obere bei ca. 8 Dampf-Vol.% (Dubbel, 12. Aufl., 2. Band, S. 173).

Bei Explosionsgemischen wird der Explosionsbereich durch Erhöhung des Vordruckes verbreitert, insbesondere wird die obere Explosionsgrenze zu höheren Werten verschoben. Ebenso wird der Explosionsbereich mit steigender Temperatur ver­ breitert, d.h. je höher die Temperatur des Gemisches bei der Zündung ist, desto leichter kann sich die eingeleitete Reaktion fortpflanzen (vgl. W. Bartknecht "Explosionen, Ablauf und Schutzmaßnahmen", Springer-Verlag 1980, S. 6/7).

Infolge der erfindungsgemäßen Umwälzung der Containment- Luft durch den Verbrennungsmotor und der damit einher­ gehenden Abnahme der Sauerstoffkonzentration dieser vom Verbrennungsmotor angesaugten Luft kann es dazu kommen, daß die Explosionsgrenze für das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Verbrennungsmotor unterschritten wird und die Betriebs­ fähigkeit der Verbrennungsmaschine nicht mehr gegeben ist.

Um nun die Betriebsfähigkeit des Verbrennungsmotors in jedem Fall aufrechtzuerhalten, ist erfindungsgemäß vorge­ sehen, neben der Containmentluft zusätzlich in entsprechender Menge Sauerstoff dem Motoransaugstutzen zuzuführen. Die Gemischregelung kann dabei beispielsweise mittels der Lambda-Sonde vorgenommen werden (vgl. hierzu C. Reuber "25 Jahre Analysensensoren", Elektronik Journal 8/88, S. 16).

Auf diese Weise wird die volle Leistungsfähigkeit der eingesetzten Verbrennungsmotoren aufrechterhalten, so daß für diese bei Störfällen als Antrieb für Pumpen oder Gebläse für die Luftumwälzung eingesetzt werden können.

Die von dem Verbrennungsmotor angetriebene(n) Pumpe(n) kann (können) z. B. zur Borwasserversorgung des Reaktorkühl­ systems und/oder zur Nachwärmeabfuhr eingesetzt werden. Auch können derart angetriebene Pumpen zur Wasserversorgung eines Sprühsystems dienen, welches für den Druckabbau im Reaktorkühlkreislauf und im Sicherheitsbehälter eingesetzt ist.

Bei der Verbrennung von Kraftstoffen, die Wasserstoff ent­ halten - wie beispielsweise Benzin, Dieselöl, Alkohole sowie Wasserstoffgas und andere gasförmige Kraftstoffe - entsteht Wasserdampf.

2 H₂+O₂=2H₂O (kondensierbar).

Durch die Kondensation des Wasserdampfes wird der Druck im Containment erniedrigt und es wäre daher die Zufuhr eines Inertgases, wie beispielsweise Stickstoff, zum Druckaus­ gleich erforderlich.

Bei der Verbrennung von Kohlenstoff und von Hydrazin mit dem Sauerstoff der Containmentluft ändert sich die Molzahl der nicht kondensierbaren Gase nicht:

C + O₂ = CO₂
bzw.
N₂H₄ + O₂ = N₂ + 2 H₂O (kondensierbar).

Mit der erfindungsgemäß vorgesehenen zusätzlichen Zufuhr von Sauerstoff - um wie beschrieben den Betrieb des Ver­ brennungsmotors aufrechtzuerhalten - würde mit dem zusätz­ lich benötigten bzw. verbrauchten kohlenstoffhaltigen Kraftstoff bzw. Hydrazin ein Druckaufbau bewirkt werden. Dieser würde jedoch bei Kraftstoffen mit Kohlenwasser­ stoffen unterhalb 0,06 bar bleiben, insbesondere wenn man einen Restsauerstoffgehalt im Reaktorcontainment zulassen würde. Nach K. Nabert und G. Schön "Sicherheitstechnische Kennzahlen brennbarer Gase und Dämpfe", 2. Aufl., Deutscher Eichverlag GmbH, Berlin, ist

C_{max O₂} - Wert von Wasserstoff
in CO₂ = 5,9 Vol.-% und
in N₂ = 5,0 Vol.-%.
Dabei ist
C_{max O₂}: Die maximale Konzentration des Sauerstoffgehalts der Luft in Vol.-%, bezogen auf das Gesamtgemisch Brennstoff + Luft + Inertgas, ist die Konzentration, die der Sauerstoff der Luft im Gesamtgemisch nicht überschreiten darf, um bei unbekannter Konzentration des Brennstoffes und des jeweiligen Inertgases eine Explosion gerade noch zu verhindern.

Mit anderen Worten: Mit einer Rest-Sauerstoffkonzentration unterhalb 5 Vol.% in der Containment-Atmosphäre wäre eine Explosion mit Sicherheit vermieden.

Durch Schließen einzelner Teilräume des Containments und Absaugen der in diesen befindlichen Luft sowie durch Wiedereinblasen der Abgase in diese Teilräume läßt sich auch eine Teilinertisierung erreichen.

Als Verbrennungsmotoren können in der Einrichtung sowohl Hubkolben- als auch Kreiskolbenmaschinen, Strahltriebwerke oder dgl. eingesetzt werden. Entscheidend ist, daß der Verbrennungsvorgang in begrenzten, festen Gehäusen unter erhöhtem Druck erfolgt. Auch ein sogenannter Dampferzeuger ist einsetzbar, der mit flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff nach dem Prinzip eines Strahltriebwerkes betrieben wird.

Durch den geschlossenen Kreislauf der Containmentluft über den Verbrennungsraum des Motors wird bei gleichbleibender Einstellung des Motors das Gemisch: Kraftstoff-Luft immer reicher, da sich ein Kraftstoff- Überschuß einstellt und die aus dem Containment angesaugte Luft immer sauerstoffärmer wird.

Die Aufstellung des Verbrennungsmotors geschieht bevorzugt innerhalb des Containments, da damit gewährleistet ist, daß keine eventuell radioaktive Luft in die Umgebung des Kernreaktors gelangen kann. Es ist aber außerhalb des Containments anzuordnen. Dabei muß durch geeignete Maßnahmen sichergestellt sein, daß keine radioaktive Containmentluft nach außen gelangt.

Um zu erreichen, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gegebenenfalls auch abgesonderte Zonen, also lokale Bereiche der Containmentluft möglichst schnell zwecks Minderung des Sauerstoffanteiles verbrannt wird, kann es besonders vorteilhaft sein, wenn die Ansaugstutzen zu den Verbrennungsmotoren und/ oder die Abgasstutzen in verschiedene Bereiche des Containments münden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, in der im folgenden beschriebene Ausführungsbeispiele einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Vertikalschnitt durch das Containment mit im Containment angeordneten Verbrennungsmotoren;

Fig. 2 einen schmematischen Horizontalschnitt durch das Containment mit außerhalb des Containments ange­ ordneten Verbrennungsmotoren.

Das dargestellte Containment 1 eines Kernreaktors ist von einer Stahlsicherheitshülle 1′ umschlossen. Im Containment sind der Reaktor sowie die radioaktiv beaufschlagten Dampf­ generatoren, Wärmetauscher etc. angeordnet. Tritt ein Stör­ fall mit Kühlwasserverlust ein, wird durch radiolytische Zersetzung des Wassers eine große Menge Wasserstoff frei, wobei bei 4 Vol.% und mehr die Gefahr einer Knallgasex­ plosion und damit die Gefahr eines Schadens am Containment selbst besteht. Um die Knallgasbildung zu verhindern, sind in dem Containment beispielsweise zwei Verbrennungsmotoren 3 und 4 angeordnet. Diese Verbrennungsmotoren saugen über ihre Ansaugstutzen 5 die Luft aus dem Containment an, die dann nach der Verbrennung im Verbrennungsmotor über den Abgasstutzen 6 wieder in das Containment austritt. Als Verbrennungsmotoren kommen solche in Betracht, die für einen Mischbetrieb (H₂/ Flüssig-/ oder Gaskraftstoff) geeignet sind, beispielsweise Hubkolbenmotoren, Kreiskol­ benmaschinen, Strahltriebwerke, Dampferzeuger oder dgl., bei denen der Verbrennungsvorgang in begrenzten, festen Gehäusen, nämlich den Motorgehäusen dieser Verbrennungsmo­ toren unter erhöhtem Druck erfolgt. Als Kraftstoffe können auch Benzin, Dieselöl, Alkohol, Hydrazin, gasförmige Kraft­ stoffe oder dgl. verwendet werden.

In der in Fig. 2 schematisch gezeigten Anordnung liegen die Verbrennungsmotoren 4a, 4b außerhalb des Containments 1, gemäß Ausführungsbeispiel zwischen der äußeren Stahlsicher­ heitshülle 1′ und dem Containment 1. Die Ansaugstutzen 5a, 5b sowie die Abgasstutzen 6a, 6b sind gasdicht durch das Containment hindurchgeführt. Die Verbrennungsmotoren 4a, 4b sind mit Schutzeinrichtungen gegen den Austritt radioakti­ ver Containmentluft versehen. Diese können z.B. aus einer Kurbelwannenentlüftung 9 bestehen (Verbrennungsmotor 4a), die gasdicht in das Containment 1 mündet. Die Zuführung von Kraftstoff zu den einzelnen Verbrennungsmotoren erfolgt über Leitungen 16, die mit einem Kraftstoffbehälter 15 ver­ bunden sind.

Der Verbrennungsmotor 3 nach Fig. 1 ist derart in einem Teilraum des Containments 1 angeordnet, daß sein Ansaug­ stutzen 5 und sein Abgasstutzen 6 ebenfalls in diesem Teil­ raum liegen. Es kann zweckmäßig sein, die Stutzen 5 und 6 in andere Teilräume münden zu lassen und/oder mehrere An­ saug- bzw. Abgasstutzen vorzusehen, die in jeweils anderen Teilräumen münden.

Liegen mehrere Verbrennungsmotoren 4a, 4b außerhalb des Containments, kann über getrennte Ansaug- und Abgasstutzen 5a, 5b, 6a, 6b die Luft aus dem Containment 1 und/oder aus Teilräumen des Containments abgesaugt und die Abgase wie­ derum in Teilräume des Containments eingeleitet werden. Da­ durch, daß die Ansaugstutzen und/oder Abgasstutzen in ver­ schiedene Teilräume des Containments 1 münden, wird in die­ sen lokalen Bereichen des Containments der dort herrschende Sauerstoffpartialdruck schnell und gleichmäßig durch Ver­ brennung der in diesem Bereich vorhandenen Luft erniedrigt, wodurch einer Knallgasbildung entgegengewirkt ist.

Zur Senkung der mit den Abgasen in das Containment 1 einge­ brachten Schadstoffe ist es vorteilhaft, im Abgasstutzen 6, 6b der Verbrennungsmotoren 4, 4b einen Katalysator 10 anzu­ ordnen.

Um bei sinkendem Sauerstoffpartialdruck weiterhin eine vollständige Verbrennung im Verbrennungsmotor sicherzustel­ len, ist ferner vorgesehen, auf der Ansaugseite des Ver­ brennungsmotors 3, 4a, 4b dem Ansaugstutzen 5, 5a, 5b Fremdluft zuzuführen, was in den gezeigten Ausführungsbei­ spielen über Leitungen 8 möglich ist. Vorteilhaft sind die Leitungen 8 mit Sauerstoffbehältern 7 verbunden, so daß reiner Sauerstoff zumischbar ist.

Neben der erfindungsgemäßen Anordnung von Verbrennungsmoto­ ren kann zur Inertisierung z.B. anderer Teilräume 1a des Containments 1 auch ein anderer Rekombinator eingebracht werden. Vorteilhaft ist das Einblasen eines Inertgases wie Helium oder Stickstoff, welches über die Leitung 12a von einer Druckgasflasche 12 zugeführt ist.

Die Zuführung eines Inertgases in das Containment bzw. in Teilräume des Containments, in dem die Ansaugstutzen 5, 5a, 5b der Verbrennungsmotoren 3, 4, 4a, 4b münden, ist auch zum Ausgleich eines entstehenden Unterdruckes vorteilhaft. So wird z.B. über die Leitung 12b von einer Druckgasflasche 12 ein Inertgas wie z.B. Stickstoff oder Helium eingebla­ sen, um einen Druckausgleich zu erzielen.

In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens bzw. der erfindungsgemäßen Einrichtung treibt der bzw. die angeordnete(n) Verbrennungsmotor(en) 4 eine Pumpe 2 (Fig. 1) bzw. einen Pumpensatz an. Da die Verbrennungsmo­ toren im Störfall in Betrieb genommmen werden und - durch Zufuhr von Sauerstoff - in jeder Betriebssituation stö­ rungsfrei laufen können, steht eine Antriebsenergie zur Verfügung, die zur Beherrschung des Störfalles eingesetzt werden kann. Die Saugleitung 2a der so angetriebenen Pumpe 2 bzw. deren Druckleitung 2b wird mit dem Reaktor-Kühlsy­ stem verbunden, so daß z.B. die Borwasserversorgung des Kühlsystems sichergestellt ist. Auch kann mit der Pumpe 2 die Nachwärmeabfuhr sichergestellt werden.

Vorteilhaft ist die Pumpe 2 zur Wasserversorgung eines Sprühsystems 11 (Fig. 1) verwendet. Das Sprühsystem 11 ist im Sicherheitsbehälter des Reaktors zum Druckabbau im Störfall eingesetzt. Auch ist die Verwendung des Sprühsystems 11 für eine Kühlung des Reaktordruckbehälters sinnvoll.

Claims (10)

1. Verfahren zur Vermeidung von Gefahren, die bei Störfällen in wassergekühlten Kernreaktoren durch Bildung eines explosiven Gasgemisches im Containment entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß Luft aus dem Containment (1) mindestens einem Verbrennungsmotor (3, 4, 4a, 4b) als Verbrennungsluft zugeführt wird und die Abgase des Verbrennungsmotors in das Containment (1) zurückgeführt werden, derart, daß der Sauerstoffpartialdruck im Containment erniedrigt wird, wobei zur vollständigen Verbrennung des Kraftstoffes gegebenenfalls zusätzlich Sauerstoff in die zur Verbrennung angesaugte Containmentluft zugegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch die Verbrennungsvorgänge in einem oder mehreren Verbrennungsmotoren (3, 4, 4a, 4b) entstehender Unterdruck im Containment durch Zuführen von Inertgas, beispielsweise Stickstoff, ausgeglichen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Verbrennungsmotor (4) eine mit dem Kühlsystem des Reaktors verbundene Pumpe (2) angetrieben wird.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein für den Mischbetrieb (H₂/Flüssig- oder Gaskraftstoff) geeigneter Verbrennungsmotor (3, 4, 4a, 4b), beispielsweise Hubkolbenmotor, Kreiskolbenmaschine, Strahltriebwerke, Dampferzeuger oder dgl. vorgesehen ist, und daß dessen Verbrennungsluftansaugseite gasdicht mit dem Containment (1) und dessen Abgasstutzen gleichfalls gasdicht mit dem Containment (1) zu einem geschlossenen Kreislauf verbunden sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Verbrennungsmotoren (3, 4) innerhalb des Containments (1) angeordnet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Verbrennungsmotoren (4a, 4b) außerhalb des Containments (1) angeordnet sind und mit Schutzvorrichtungen gegen den Austritt radioaktiver Containmentluft versehen sind.

7. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Verbrennungsmotoren (4, 4b) mit Katalysatoren (10) ausgerüstet sind.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansaugstutzen (5a, 5b) der Verbrennungsmotoren (4a, 4b) bzw. ihre Abgasstutzen (6a, 6b) an verschiedene Bereiche des Containments (1) einmündend angeschlossen sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansaugstutzen (5, 5a, 5b) der Verbrennungsmotoren (3, 4a, 4b) zusätzlich mit Sauerstoffbehältern (7) verbunden sind.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansaugseite des Verbrennungsmotors Fremdluft zwecks Zumischung zuzuführen ist.