DE4416140A1 - Passiver Mischer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Kernreaktoren und insbesondere auf ein passives Mischen von darin enthaltenen Wassermengen.

Eine Kernreaktoranlage enthält einen Einschlußbehälter (Containment) der einen Reaktordruckbehälter umgibt und darin einen Trockenschacht bildet, der üblicherweise ein nicht-kondensierbares Gas, wie beispielsweise Stickstoff enthält. In dem Druckbehälter ist ein üblicher Reaktorkern angeordnet, der in Wasser eingetaucht ist und das Wasser erhitzt, um Dampf zu erzeugen, der von dem Druckbehälter abgegeben wird, um beispielsweise zum Antrieb eines Dampf­ turbinengenerators zur Erzeugung elektrischer Energie ver­ wendet zu werden.

Typisch ist der Druckbehälter in dem Einschlußbehälter von einem ringförmigen Sperrpool oder Naßschacht umgeben, der verschiedenen Funktionen dient, zu denen eine Wärmesenke während erwarteter Unfälle gehört. Beispielsweise ist ein vorgesehener Unfalltyp ein Kühlmittelverlust-Unfall (loss­ of-coolant-accident bzw. LOCA), bei dem Dampf aus dem Druckbehälter in den Trockenschacht leckt. Nach dem Kühl­ mittelverlust-Unfall (LOCA) wird der Reaktor abgeschaltet, aber für eine gewisse Zeit nach der Abschaltung wird wei­ terhin restliche Abwärme erzeugt. In einem üblichen Sicher­ heitssystem wird der in den Trockenschacht abgegebene Dampf durch mehrere horizontale Abzüge in den Naßschacht geleitet zum Kühlen und Kondensieren und um zu verhindern, daß sich ein unzulässig großer Druck in dem Einschlußbehälter selbst aufbaut.

Es sind neue Kernreaktoranlagen entwickelt worden, um das Erfordernis für durch Wechselspannung gespeiste Sicher­ heitssysteme beispielsweise nach einem LOCA zu reduzieren oder zu eliminieren. Bei einer Konstruktion, die der ver­ einfachte Siedewasserreaktor (Simplified Boiling Water Re­ actor bzw. SBWR) genannt wird, ist ein passives Einschluß­ kühlsystem (Passiv Containment Cooling System bzw. PCCS) vorgesehen, um während eines LOCA Wärme aus dem Einschluß­ behälter abzuführen. Ein Beispiel für ein PCCS ist in der US-PS 5059385 beschrieben, wobei ein Naßschacht oder Sperr­ pool von dem Trockenschacht in dem Einschlußbehälter umge­ ben und getrennt ist, und ein Pool eines durch Schwerkraft angetriebenen Kühlsystems (Gravity Driven Cooling System bzw. GDCS) ist über dem Naßschacht in dem Einschlußbehälter angeordnet und zum Trockenschacht entlüftet. Ein Isolati­ onspool ist über dem GDCS Pool angeordnet und enthält einen Wärmetauscher, der als ein PCCS Kondensor bezeichnet wird und einen Einlaß, der in Strömungsverbindung mit dem Troc­ kenschacht angeordnet ist, und einen Auslaß aufweist, der mit einer Sammelkammer verbunden ist, von dem aus sich eine Entlüftungsleitung in den Naßschacht erstreckt und eine Kondensat-Rückleitung in den GDCS Pool erstreckt. Der PCCS Kondensor sorgt für eine passive Wärmeabführung aus dem Einschluß-Trockenschacht nach dem LOCA, wobei Dampf, der in den Trockenschacht freigesetzt wird, durch den Einlaß in den PCCS Kondensor strömt, wo er kondensiert wird. Das nicht-kondensierbare Gas in dem Trockenschacht, wie bei­ spielsweise Stickstoff, wird durch den Dampf in den PCCS Kondensor getragen und muß von diesem getrennt werden, um für einen effektiven Betrieb des PCCS Kondensors zu sorgen. Die Sammelkammer trennt das nicht-kondensierbare Gas von dem Kondensat, wobei das abgetrennte nicht-kondensierbare Gas in den Naßschacht abgegeben und das Kondensat in den GDCS Pool geleitet wird.

Dieses System beruht auf der Druckdifferenz zwischen dem Trockenschacht und dem Naßschacht, und deshalb ist eine Wasserfalle an dem Ende der Kondensat-Rückleitung in dem GDCS Pool vorgesehen, um eine Rückströmung von Strömungs­ mitteln aus dem Einschlußbehälter zu dem Trockenschacht über die Kondensat-Rückleitung zu begrenzen, die an dem PCCS Kondensor vorbeiströmen würden.

Demzufolge ist dieses System so konfiguriert, daß das nicht-kondensierbare Gas von dem Trockenschacht zum Naß­ schacht transportiert und Dampf aus dem Trockenschacht in dem PCCS Kondensor kondensiert wird. Das nicht-kondensier­ bare Gas bleibt in dem umschlossenen Naßschacht, bis der Kondensordampf schneller kondensiert, als er von dem Druck­ behälter freigegeben wird. Wenn dies auftritt, senkt der PCCS Kondensor den Trockenschacht-Druck unter denjenigen des Naßschachtes, wodurch übliche Vakuumschalter, die mit dem Naßschacht verbunden sind, öffnen und gestatten, daß das nicht-kondensierbare Gas, das in dem Naßschacht gespei­ chert ist, zum Trockenschacht zurückströmt. Jedoch können diese Gase dann wieder in den PCCS Kondensor geleitet wer­ den und senken dessen Kühlungs-Effektivität, bis die Dampf­ freigabe in dem Trockenschacht wieder die PCCS Kondensati­ onsgeschwindigkeit übersteigt und dessen Druck über denje­ nigen des Naßschachtes erhöht, wodurch die Vakuumschalter geschlossen werden und der Zyklus wiederholt wird, wobei das nicht-kondensierbare Gas von dem PCCS Kondensor in den Naßschacht abgeleitet wird.

Da das PCCS nur Dampf abführt, der in dem Trockenschacht oder dem Reaktordruckbehälter erzeugt wird, kann das PCCS nur den Gesamtdruck begrenzen. Der Einschlußdruck wird ein quasi-stationärer Zustand, wenn das PCCS den gesamten Dampf abführen kann, der durch Abwärme erzeugt wird. Der quasi­ stationäre Druck ist relativ hoch und wird in geeigneter Weise auf genommen, indem beispielsweise stärkere und des­ halb teurere Einschlußwände vorgesehen werden. Weiterhin tritt eine stufenförmige Erwärmung der oberen Schicht des Naßschachtpools jedesmal dann auf, wenn der PCCS Kondensor das darin enthaltene nicht-kondensierbare Gas ableitet, da die Entlüftungsleitung für einen effektiven Betrieb mit dem Oberteil des Naßschachtpools oberhalb der horizontalen Ab­ leitungen verbunden sein muß. Dementsprechend tritt eine thermische Schichtung in dem Naßschachtpool auf, die dessen Fähigkeit verkleinert, Wärme auf effektive Weise zu absor­ bieren und den Gesamtdruckaufbau in dem Naßschacht nach dem LOCA zu verkleinern. Die thermische Schichtung vergrößert auch den gesamten Einschlußdruck, weil der Partialdruck des Dampfes in dem Naßschacht-Gasraum mit zunehmender Naß­ schachtpool-Oberflächentemperatur ansteigt. Es könnten zwar extern gespeiste Pumpen verwendet werden, um das Mischen in dem Naßschachtpool für eine Verkleinerung der thermischen Schichtung zu fördern, aber eine ausfallende Speisung würde sie unwirksam machen.

Gemäß der Erfindung vermindert ein passiver Mischer die thermische Schichtung in einem Flüssigkeitspool mit einer ersten Temperatur, wenn ein Strömungsmittel bzw. Fluid mit einer zweiten Temperatur eingeleitet wird, die höher als die erste Temperatur ist. Zum Einleiten des Strömungsmit­ tels erstreckt sich eine Ableitung in den Pool. Eine Strahlpumpe ist in dem Pool angeordnet und enthält ein Ge­ häuse, das eine Poolflüssigkeitssäule enthält und einen Einlaß an seinem einen Ende und einen Auslaß an seinem zweiten Ende aufweist. Eine Injektordüse ist in Strömungs­ verbindung mit der Ableitung angeordnet, um von dieser das Strömungsmittel aufzunehmen, und ist in dem Gehäuseeinlaß so positioniert, daß das Strömungsmittel longitudinal in das Gehäuse injiziert wird, um die Flüssigkeit vom Einlaß zum Auslaß durch das Gehäuse zu pumpen, um auf diese Weise die Flüssigkeit in dem Pool umzuwälzen. In einem Ausfüh­ rungsbeispiel leitet die Ableitung nicht-kondensierbares Gas von einem Kondensor in einer Kernreaktoranlage in einen Naßschachtpool, der als eine Wärmesenke vorgesehen ist. Die Strahlpumpe wälzt die Flüssigkeit in dem Pool passiv um, wobei das injizierte Gas als Antriebsenergie verwendet wird.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnungen von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein schematisches Schnittbild von einem Kernre­ aktorgebäude mit einem passiven Einschlußkühlsystem (PCCS), das ein nicht-kondensierbares Gas in einen Naßschachtpool mit einem passiven Mischer gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung abgibt.

Fig. 2 ist ein vergrößertes Schnittbild von dem passiven Mischer in dem in Figur dargestellten Naßschachtpool.

Fig. 3 ist ein Schnittbild von einem passiven Mischer ge­ mäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1 ist schematisch als Beispiel ein ringförmiges Reaktorgebäude 10 mit einer longitudinalen Mittelachse 12 dargestellt. Das Gebäude 10 weist ein übliches passives Einschlußkühlsystem (PCCS) 14 mit einem Reaktordruckbehäl­ ter 16 auf, der einen Reaktorkern 18 enthält, der in Reak­ torwasser 20 untergetaucht ist, wobei der Kern 18 das Reak­ torwasser 20 in üblicher Weise erhitzt, um Reaktordampf 20a zu erzeugen. Der Dampf 20a wird in üblicher Weise aus dem Druckbehälter 16 durch eine Hauptdampfleitung 22 herausge­ führt, die mit einem üblichen Dampfturbinengenerator (nicht gezeigt) verbunden ist, um beispielsweise in üblicher Weise elektrische Leistung zu erzeugen.

Ein ringförmiger Einschlußbehälter, auch einfach Contain­ ment 24 genannt, ist mit radialem Abstand außen von dem Druckbehälter 16 angeordnet und im allgemeinen koaxial da­ mit, um einen Trockenschacht oder eine Kammer 26 zu bilden, die üblicherweise ein nicht-kondensierbares Gas, wie bei­ spielsweise Stickstoff, enthält. Das Containment 24 ist eine übliche Betonstruktur mit einer Stahlauskleidung, die so bemessen und konfiguriert ist, daß sie erhöhtem Druck widersteht, um den Druckbehälter 16 und den Reaktorkern 18 sicher zu enthalten.

Ein umschlossener, ringförmiger Sperr- oder Naßschachtpool (-becken) 28 ist in dem Containment 24 angeordnet und üblicherweise teilweise mit Wasser 30 gefüllt, um eine Naß­ schachtkammer oder einen Luftraum 32 darüber zu bilden.

Der Naßschachtpool 28 sorgt für verschiedene konventionelle Funktionen einschließlich einer Wärmesenke und enthält bei­ spielsweise übliche horizontale Ableitungen 34, die mit dem Trockenschacht 26 verbunden sind, um von dem Druckbehälter 16 freigegebenen Dampf beispielsweise unmittelbar nach ei­ nem Kühlmittelverlust-Unfall (LOCA) direkt in den Naß­ schachtpool 28 zu leiten. Über die Ableitungen 34 in den Naßschachtpool 28 geleiteter Dampf wird darin in geeigneter Weise gelöscht.

Der Naßschachtpool 28 ist typisch wenigstens teilweise in einer Höhe oberhalb des Reaktorkerns 18 angeordnet und weist Mittel auf, um selektiv durch Schwerkraft das Naß­ schachtpoolwasser 30 in den Druckbehälter 16 abfließen zu lassen, um eine Kühlung des Reaktorkerns 18 nach dem LOCA sicherzustellen. Derartige Mittel enthalten in üblicher Weise eine Auslaßleitung 36 mit einem üblichen Ventil 38 darin, das mit einem üblichen Regler 40 verbunden ist, um das Ventil 38 entweder automatisch oder manuell zu öffnen, wenn dies erforderlich ist. Es sind auch Mittel vorgesehen, um die Naßschachtkammer 32 selektiv in den Trockenschacht 26 zu entspannen, wenn der Druck in der Naßschachtkammer 32 den Druck in dem Trockenschacht 26 nach dem LOCA über­ schreitet. Derartige Mittel enthalten einen oder mehrere übliche Vakuumschalter 42, die in Strömungsverbindung mit der Naßschachtkammer 32 angeordnet sind. Der Vakuumschalter 42 ist normalerweise geschlossen, wenn der Druck in dem Trockenschacht 26 gleich oder größer als der Druck in der Naßschachtkammer 32 ist, und öffnet automatisch unter Druck, wenn der Druck in der Naßschachtkammer 32 in ge­ eigneter Weise größer als der Druck in dem Trockenschacht 26 ist, um die Naßschachtkammer 32 in den Trockenschacht 26 zu entspannen.

Das Reaktorgebäude 10 weist ferner einen üblichen Pool (Becken) 44 mit einem durch Schwerkraft angetriebenen Kühl­ system (GDCS) auf, der in dem Containment 24 angeordnet und darin mit dem Trockenschacht 26 in Verbindung steht. Der GDCS Pool 44 ist in einer gewissen Höhe oberhalb des Reak­ torkerns 18 und dem Naßschachtpool 26 angeordnet und ent­ hält Wasser 46 darin. Weiterhin sind Mittel vorgesehen zum selektiven Leiten des GDCS Poolwassers 26 durch Schwerkraft in den Druckbehälter 16, um den Reaktorkern 18 nach dem LOCA in einer üblichen Weise zu kühlen. Derartige Mittel enthalten eine übliche Auslaßleitung 48 und ein Ventil 50 darin, die in Strömungsverbindung zwischen dem GDCS Pool 44 und dem Druckbehälter 16 angeordnet sind, wobei das Ventil 50 in üblicher Weise mit der Regelung 40 verbunden ist, so daß es nach Erfordernis geöffnet werden kann, damit das GDCS Poolwasser 46 in üblicher Weise durch Schwerkraft in den Druckbehälter 16 strömen kann.

Ein üblicher ringförmiger Trenn- oder Isolationspool 52 ist in dem Reaktorgebäude 10 oberhalb des Containments 24 und in einer gewissen Höhe oberhalb des GDCS Pools 24 in einer konventionellen Konfiguration angeordnet. Der Isolations­ pool 52 enthält vorzugsweise vertikal verlaufende Wärmetau­ scher, die als ein PCCS Kondensor 54 bezeichnet sind, der in Isolationswasser 56 untergetaucht ist. Der Isolations­ pool 52 enthält eine oder mehr Entlüftungen 58 zur Atmo­ sphäre außerhalb des Containments 24 und des Gebäudes 10, um den Luftraum oberhalb des Isolationspoolwassers 56 zu entlüften für eine Abgabe von Wärme bei Benutzung des PCCS Kondensors 54.

Der Kondensor 54 ist üblich und weist eine Einlaßleitung 60 auf, die bevorzugt in direkter Strömungsverbindung mit dem Trockenschacht 26 angeordnet ist und ein offenes Ende darin aufweist, um das nicht-kondensierbare Gas zusammen mit ir­ gendwelchem Dampf aufzunehmen, der von dem Druckbehälter 16 nach dem LOCA in den Trockenschacht 26 freigesetzt wird.

Falls ein LOCA auftritt, wird Dampf in den Trockenschacht 26 freigegeben und hat einen Druck, der größer als der Druck in der Naßschachtkammer 32 ist. Der Dampf strömt des­ halb in die Einlaßleitung 60 und führt das nicht-konden­ sierbare Gas mit sich, das ursprünglich in dem Trocken­ schacht 26 enthalten war. Der Dampf wird dann in üblicher Weise in den Röhren des PCCS Kondensors 54 durch das Isola­ tionspoolwasser 56 gekühlt, wobei die davon freigesetzte Wärme durch die Entlüftung 58 zur Atmosphäre freigeben wird, wobei das entstehende Kondensat von dem Kondensor 54 durch eine oder mehr Auslaßleitungen 62 abgegeben wird.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine übliche Sammelkammer oder einfach Sammler (Collector) 64 in Strö­ mungsverbindung mit der Auslaßleitung 62 des Kondensors an­ geordnet und weist eine Gasentlüftungsleitung 66 auf, die in Strömungsverbindung mit dem Naßschachtpool 28 angeordnet ist, und weist ferner eine Auslaßleitung 68 für flüssiges Kondensat auf, die in üblicher Weise in Strömungsverbindung mit dem GDCS Pool 44 angeordnet ist. Die Auslaßleitung 68 hat ein übliches U-förmiges entferntes Ende 70, das in dem GDCS Pool 44 unter dem Poolwasser 46 angeordnet ist, um eine übliche Wasserfalle oder eine Schleifendichtung zu bilden, die auch mit 70 bezeichnet ist. Die Schleifendich­ tung 70 gestattet eine Abgabe von Kondensat aus dem Sammler 64 in den GCDS Pool 44 und begrenzt eine Rückströmung von Dampf und nicht-kondensierbarem Gas in dem Naßschacht 26 nach dem LOCA, damit sie nicht durch die Auslaßleitung 68 zurück und nach oben in Richtung auf den Sammler 64 strö­ men, um an dem PCCS Kondensor 54 vorbei zu strömen und in den Naßschachtpool 28 durch die Auslaßleitung 66 einzutre­ ten, wie es allgemein bekannt ist.

Bei einem konventionellen Betrieb wird Dampf, der nach dem LOCA in den Trockenschacht 26 freigesetzt wird, durch die Einlaßleitung 60 und durch den PCCS Kondensor 54 geleitet, der Wärme abführt und das Kondensat bildet, das durch die Auslaßleitung 62 in den Sammler 64 geführt wird. Das nicht­ kondensierbare Gas, das mit dem Dampf durch den PCCS Kon­ densor 54 gefühlt wird, wird in dem Sammler 64 von dem Kon­ densat getrennt, wobei das abgetrennte nicht-kondensierbare Gas und irgendwelcher nicht-kondensierter Dampf durch die Auslaßleitung 66 in den Naßschachtpool 28 abgegeben werden, von wo es aufsteigt und sich in der Naßschachtkammer 32 oberhalb des Naßschachtwassers 30 sammelt. Das Kondensat aus dem Sammler 64 wird durch die Auslaßleitung 68 in den GDCS Pool 44 abgegeben. Wenn sich das nicht-kondensierbare Gas in der Naßschachtkammer 32 sammelt, steigt der Druck darin an, bis der PCCS Kondensor 54 Dampf schneller konden­ siert, als er von dem Druckbehälter 16 abgegeben wird. Zu dieser Zeit fällt der Druck in dem Naßschacht 26 unter den Druck in der Naßschachtkammer 32 ab, wodurch die Vakuum­ schalter 42 geöffnet werden und nicht-kondensierbares Gas in den Trockenschacht 26 zurückleiten. Dieses Gas kann dann jedoch wieder zu dem PCCS Kondensor 54 strömen und senkt dessen Effektivität, bis der in dem Trockenschacht 26 frei­ gesetzte Dampf wieder den Druck darin über denjenigen der Naßschachtkammer 32 erhöht, und zu dieser Zeit schließen die Vakuumschalter 42 und der Zyklus wird wiederholt, wobei das nicht-kondensierbare Gas von dem PCCS Kondensor 54 in die Naßschachtkammer 32 abgegeben wird, wo es sich sammelt und den Druck erhöht.

Dieser Betrieb, bei dem das nicht-kondensierbare Gas konti­ nuierlich zur Naßschachtkammer 32 zurückgeleitet wird, hat einen relativ hohen Gesamtdruck in dem Containment 24 zur Folge. Weiterhin können die inkrementale Erwärmung der obe­ ren Schicht des Naßschachtpoolwassers 30 immer dann, wenn das nicht-kondensierbare Gas von dem PCCS Kondensor 54 in die Naßschachtkammer 32 abgegeben wird, und jede kleine Leckage durch die Vakuumschalter 42 bewirken, daß der Druck in dem Containment 24 langsam ansteigt.

Die Auslaßleitung 66 muß in üblicher Weise ihr Gas unter­ halb der oberen Oberfläche des Naßschachtpools 28 und ober­ halb der obersten horizontalen Entlüftung 34 abgeben, um einen geeigneten antreibenden Druck zwischen dem Trocken­ schacht 26 und dem Naßschachtpool 28 für einen effektiven Betrieb des PCCS 14 sicherzustellen. Der Naßschachtpool 28 sorgt für eine Wärmesenke in dem Containment 24, wobei das Wasser 30 eine relativ kalte, erste Nominaltemperatur hat, so daß es Wärme von dem injizierten Gas aus der Ausgangs­ leitung 66 absorbieren kann, das eine relativ hohe zweite Temperatur hat, die größer als die erste Temperatur ist. Ohne Mischen des injizierten heißen Gases treibt dessen Auftrieb die heißesten und leichtesten Strömungsmittel zur Pooloberfläche, wodurch eine thermische Schichtung inner­ halb des Naßschachtpools 28 entsteht, wobei sich dessen größte Temperatur neben der oberen Oberfläche befindet und die tiefsten Temperaturen neben dem Poolboden sind. Dement­ sprechend würde der relativ kalte Teil des Naßschachtpools 28 unterhalb des Injektionspunktes der Ausgangsleitung 66 nicht in wirksamer Weise ausgenutzt zum Kühlen des inji­ zierten Gases, wodurch deshalb der Druck in der Naßschacht­ kammer 32 ansteigen könnte, der aufgenommen werden muß, in­ dem geeignet feste Wände um den Pool 28 herum und ein ge­ eignet festes Containment 24 vorgesehen werden.

Gemäß der Erfindung ist eine passive Mischeranordnung, oder einfach ein Mischer 72, in dem Naßschachtpool 28 angeordnet für ein passives Umwälzen des darin enthaltenen Wassers 30 zum Vermindern der thermischen Schichtung und um dadurch auf wirksamere Weise die heißen Gase zu kühlen, die von der Ableitung 66 injiziert werden, und um mehr von dem Naß­ schachtpool 28 bei der Wärmeabsorption zu verwenden.

Der passive Mischer 72 in dem Naßschachtpool (-becken) 28 ist deutlicher in Fig. 2 dargestellt. Der Mischer 72 ent­ hält die Ableitung 66 zum Leiten eines Strömungsmittels bzw. Fluids 74 in den Naßschachtpool 28, wobei das Strö­ mungsmittel 74 in diesem Ausführungsbeispiel das Gas ist, das von dem Sammler 64 (siehe Fig. 1) abgegeben wird und das primär das nicht-kondensierbare Gas, wie beispielsweise Stickstoff, und sekundär allen Dampf enthält, der in dem PCCS Kondensor 54 nicht kondensiert wird. Das Strömungsmit­ tel 74 befindet sich auf einer zweiten Temperatur, die hö­ her als die erste Temperatur der Poolflüssigkeit oder des Wassers 30 ist, das als die Wärmesenke verwendet wird. Die Ableitung 66 erstreckt sich vorzugsweise nach unten in den Naßschachtpool 28 und hat ein geschlossenes entferntes Ende 66a, das auf geeignete Weise an einem Boden 28a des Pools 28 befestigt ist. Der Mischer 72 enthält weiterhin eine Mischdüse oder Strahlpumpe 76, die in dem Pool 28 angeord­ net oder in diesem untergetaucht ist und durch das Strö­ mungsmittel 74 aus der Ableitung 66 angetrieben wird. Ge­ nauer gesagt, enthält die Strahlpumpe 76 ein rohrförmiges Gehäuse 78 für eine seitliche Aufnahme einer Säule des Was­ sers 30 in dem Pool 28, wobei das Gehäuse 78 an einem Ein­ laß 80 an dem einen Ende davon, bevorzugt an dem unteren Ende, in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel eine rohr­ förmige Leitung mit einer die Form eines Glockenmundes auf­ weisenden Einlaßöffnung, und einen Auslaß 82 an seinem ge­ genüberliegenden Ende aufweist, das vorzugsweise das Ober­ teil des Gehäuses 78 in der als Beispiel gezeigten Orien­ tierung gemäß Fig. 2 ist.

Der Mischer 72 enthält auch eine Injektordüse 84, die in Strömungsverbindung mit der Ableitung 66 angeordnet ist, um von dieser das Strömungsmittel 74 zu empfangen, wobei das nahegelegene Ende davon fest mit der Ableitung 66 verbunden ist, und ein entferntes oder Düsenende davon in dem Gehäu­ seeinlaß 80 angeordnet ist, um das Strömungsmittel 74 lon­ gitudinal nach oben in das Gehäuse 78 zu injizieren, um das Wasser 30 von dem Gehäuseeinlaß 80 durch das Gehäuse 78 hindurch zu dem Gehäuseauslaß 82 zu pumpen, um das Wasser 30 in dem Pool 28 zur Verminderung der thermischen Schich­ tung darin umzuwälzen.

Im Betrieb des Mischers gemäß der Erfindung hat das hohle Gehäuse 78 die Funktion, die Säule des Wassers 30 in dem Naßschachtpool 28 seitlich aufzunehmen, während das untere und obere Ende der Säule an dem Gehäuseeinlaß 80 und den -auslaß 82 nicht umschlossen oder freigelassen werden. Die Injektordüse 84, die in Strömungsverbindung mit der Ablei­ tung 66 angeordnet ist, hat dann die Funktion, das Strö­ mungsmittel 74 longitudinal in die Flüssigkeitssäule inner­ halb des Gehäuses 78 zu injizieren, um das Wasser 30 durch die Säule hindurch von dem unteren zu dem oberen Ende davon zu pumpen, um das Wasser 30 in dem Pool 28 umzuwälzen.

Das Gehäuse 78 der Strahlpumpe 76 weist ferner einen Mischabschnitt mit einer konstanten Querschnittsfläche und einen Hals 86 oder eine Zugstelle mit einer minimalen Strö­ mungsquerschnittsfläche auf, die unmittelbar stromabwärts von der Injektordüse 84 angeordnet ist, um das Strömungs­ mittel 74 aus der Injektordüse 84 mit dem Wasser 30 aus dem Gehäuseeinlaß 80 zu mischen. Das Gehäuse 78 enthält weiter­ hin einen divergenten konischen Kanal oder Diffusor 88, der von der Engstelle bzw. dem Hals 86 ausgeht und mit dem Ge­ häuseauslaß 82 in Strömungsverbindung steht, um für eine Diffusorwirkung des Strömungsmittels 74 und des Wassers 30 zu sorgen, die in dem Hals 86 gemischt werden, um den Druck zurückzugewinnen.

Die Strahlpumpe 76 arbeitet in üblicher Weise, wobei die kinetische Energie und das Moment aus dem injizierten Strö­ mungsmittel 74 verwendet werden, um das Wasser 30 durch das Gehäuse 78 zu pumpen. Dementsprechend kann die Strahlpumpe 76 für einen effektiven Betrieb in jeder Orientierung ein­ schließlich der vertikalen oder horizontalen Orientierungen oder irgendwelchen Schrägstellungen dazwischen angeordnet sein. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Gehäuse 78 jedoch im wesentlichen vertikal in dem Naßschachtpool 28 angeordnet, wobei der Gehäuseeinlaß 80 neben dem Poolboden 28a und der Gehäuseauslaß 82 in einer Höhe oberhalb des Gehäuseeinlasses 80 neben der oberen Oberfläche 30a des Poolwassers 30 angeordnet sind. Auf diese Weise wird relativ kaltes Wasser 30 von dem Poolboden 28a in den Gehäuseeinlaß 80 gezogen und nach oben geleitet, wobei es mit dem relativ heißen Strömungsmittel 74 gemischt wird, das in die Engstelle 86 injiziert wird, um zusammen damit zu der oberen Pooloberfläche 30a aufzusteigen. Diese Orientierung des Gehäuses 78 zieht Nutzen aus der größeren Dichte des kälteren Wassers 30 nahe dem Poolboden 28a und des eine kleinere Dichte aufweisenden Wassers 30 in dem Ge­ häuse 78, das durch das ankommende heißere Strömungsmittel 74 erwärmt wird, um die natürliche Zirkulation und Wirbel­ ströme in dem Naßschachtpool 28 zu verstärken.

Da das Strömungsmittel 74 in dem bevorzugten Ausführungs­ beispiel der Erfindung, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, ein Gas ist, das primär das nicht-kondensierbare Gas, das ursprünglich in dem Trockenschacht 26 enthalten ist, zusam­ men mit irgendwelchem nicht-kondensierten Dampf ist, der darin mitgeführt ist, enthält das Gehäuse 78 vorzugsweise auch einen rohrförmigen, eine konstante Strömungsquer­ schnittsfläche aufweisenden Steiger 90, der von dem Diffu­ sor 88 vertikal nach oben zu dem Gehäuseauslaß 82 verläuft. Das gasförmige Strömungsmittel 74, das von der Düse 84 in­ jiziert wird, bildet Blasen in dem damit gemischten Wasser 30, und diese Blasen steigen durch ihren natürlichen Auf­ trieb in der im Gehäuse 78 enthaltenen Wassersäule nach oben und werden durch den Steiger 90 hindurch nach oben ge­ leitet, um das Wasser 30 durch den Gehäuseeinlaß 80 hin­ durch nach oben zu ziehen, um durch den allgemeinen bekann­ ten Luftauftriebseffekt zusätzlich das Wasser durch das Ge­ häuse 78 zu pumpen. Der Steiger 90 kann irgendeine ge­ eignete Höhe aufweisen, um den Luftauftriebseffekt der auf­ steigenden Blasen zu maximieren zur Verstärkung der Pumpwirkung innerhalb des Gehäuses 78.

Da das Strömungsmittel 74 in diesem Ausführungsbeispiel nicht-kondensierten Dampf aufweisen kann, der nach dem LOCA in den Trockenschacht 26 abgegeben wird, kondensiert dieser Dampf, wenn er mit dem relativ kalten Poolwasser 30 in dem Gehäuse 78 gemischt wird. Die Kondensation des Dampfes be­ wirkt auf natürliche Weise eine Druckverminderung, die für ein zusätzliches Pumpen des Wassers 30 durch das Gehäuse 78 sorgt. Dementsprechend ist es wünschenswert, die relativ hohe Temperatur des Strömungsmittels 74 beizubehalten, bis es durch die Düse 74 in das Gehäuse 78 injiziert wird, um die Effektivität des Pumpens der Strahlpumpe 76 zu verbes­ sern. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 2 dargestellt ist, erstreckt sich die Ableitung 66 nach un­ ten durch die Naßschachtkammer 32 und in den Naßschachtpool 28 hinein, wobei ihr entferntes Ende 66a an dem Poolboden 28a gehaltert ist. Die Ableitung 66 ist deshalb vorzugs­ weise von einer bekannten Schicht einer thermischen Isolie­ rung 92 wenigstens stromaufwärts von der damit verbundenen Injektordüse 84 umgeben, um die Abkühlung des Fluids 74 zu vermindern, das durch die Ableitung 66 geleitet wird. Eine nicht-isolierte Ableitung 66, die in Kontakt mit dem rela­ tiv kalten Poolwasser 30 angeordnet ist, würde eine Konden­ sation des hindurchgeleiteten Dampfes fördern, wodurch ein Wärmeverlust entstehen würde, der die potentielle Pumpef­ fektivität verkleinern und die thermische Schichtung ver­ größern würde.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 2 dar­ gestellt ist, ist der Gehäuseauslaß 82 in einem bestimmten Abstand unterhalb der oberen Pooloberfläche 30a unterge­ taucht, um eine maximale Pumpwirkung aufgrund des Auftrie­ bes der Blasen sicherzustellen, die durch den Steiger 90 hindurch nach oben geleitet werden. Der Druckgewinn oder die Pumpeffektivität aus dem Luftauftriebseffekt nimmt mit der vertikalen Höhe des Steigers 90 zu, abgesehen davon, daß die Steigerhöhe durch die Eintauchtiefe der Injektor­ düse 84 und die Untertauchung des Steigerausgangs, d. h. des Gehäuseauslasses 82, begrenzt ist. Die Eintauchtiefe der Düse bestimmt die Druckdifferenz zwischen dem Naß­ schachtpool 28 und dem Trockenschacht 26, die überwunden werden muß, um eine Entlüftung aus dem Trockenschacht 26 durch den PCCS Kondensor 54 und in den Naßschachtpool 28 durch die Ableitung 66 zu gestatten. Die Eintauchung des Steigerausgangs sollte in ausreichender Weise größer sein, um eine effektive Pumpwirkung der Strahlpumpe 72 bei dem minimalen erwarteten Poolpegel beizubehalten, damit verhin­ dert wird, daß er während des Betriebes freigelegt wird.

Dementsprechend sollte die Injektordüse 84 in einer ge­ eigneten Höhe H₁ oberhalb der höchsten horizontalen Ablei­ tung 34 gehalten werden, um einen effektiven antreibenden Druck aus dem Trockenschacht 26 in den Naßschachtpool 28 sicherzustellen, damit das Strömungsmittel 74 durch die Ab­ leitung 66 geleitet wird, wobei darauf hingewiesen sei, daß die horizontalen Ableitungen 34 zunächst freigesetzten Dampf 20a und alles nicht-kondensierbare Gas nur am Anfang nach dem LOCA leiten, wobei der verbleibende Dampf 20a und das nicht-kondensierbare Gas anschließend durch den PCCS Kondensor 74 geleitet werden, um eine passive Kühlung zu erhalten. Die Eintauchtiefe der Düse, ihre Höhe H₁ oberhalb der horizontalen Ableitungen 34, und die Eintauchtiefe des Steigers können in konventioneller Weise für jeden Anwen­ dungsfall bestimmt werden, um die Pumpwirkung der Strahl­ pumpe 72 zu optimieren.

Obwohl es vorzuziehen ist, daß der Gehäuseauslaß in dem Poolwasser 30 untergetaucht bleibt, kann trotzdem eine we­ sentliche Pumpwirkung durch die Strahlpumpe 72 auftreten, selbst wenn der Steiger 90 teilweise unbedeckt ist, und zwar aufgrund des signifikanten Effekts des gasfreien An­ teils oder des Volumenprozentgehaltes der Blasen relativ zu dem Wasser 30 in dem Steiger 90. Jedoch nimmt die Pumpwir­ kung der Strahlpumpe 72 ab, wenn der Anteil des unbedeckten Steigers zunimmt, und schließlich beginnt der Wasserdampf direkt in die Naßschachtkammer 32 abgegeben zu werden und beschränkt wesentlich die Effektivität der Strahlpumpe 72.

Fig. 3 stellt diesen Fall dar, wo der normale Pegel des Poolwassers 30 des Naßschachtes gestrichelt oberhalb des Gehäuseauslasses 82 und ein unterer Pegel davon in einer ausgezogenen Linie dargestellt ist, wobei der Steiger 90 unbedeckt ist. Dementsprechend kann das Gehäuse 78 mehrere Bypass-Löcher 94 aufweisen, die in einer Reihe unterhalb des Gehäuseauslasses 82 in dem Steiger 90 in einer geeigne­ ten Höhe angeordnet sind, um sicherzustellen, daß sie bei dem minimalen erwarteten Wasserpegel des Naßschachtpools 28 untergetaucht bleiben. Auf diese Weise sorgen die Bypass- Löcher 94 für einen Hilfsauslaß aus dem Steiger 90, um die Mischung aus dem gasförmigen Fluid 74 und dem Wasser 30 von dem Steiger 90 direkt in den Naßschachtpool 28 abzugeben, falls das Poolwasser 30 unter den Hauptauslaß 82 des Gehäu­ ses absinkt.

Es wird noch einmal auf Fig. 2 Bezug genommen. Die Ablei­ tung 66 weist vorzugsweise mehrere Auslaßlöcher 96 auf, die in einer Reihe unterhalb der Injektordüse 84 und oberhalb der obersten horizontalen Ableitung 34 angeordnet sind, um für einen sekundären Auslaß für das Fluid 74 aus der Ablei­ tung 66 in den Naßschachtpool 28 zu sorgen, wobei die In­ jektordüse 84 der primäre Ausgang ist. Falls die Injektor­ düse 84 während des Betriebs verstopft werden sollte, ge­ statten die Auslaßlöcher 96, daß das Fluid 74 trotzdem in den Naßschachtpool 28 abgegeben wird, um einen fortgesetz­ ten Betrieb des PCCS Kondensors 54 zu gestatten, selbstver­ ständlich ohne einen Betrieb der Strahlpumpe 72. Die Aus­ laßlöcher 96 sind auch nützlich, wenn die Injektordüse 94 nicht verstopft wird, und zwar um den Druck auf das Fluid 74 zu begrenzen, das durch die Düse 84 injiziert wird. Falls das Fluid 74 unter einer zu großen Druckdifferenz und Geschwindigkeit in die Engstelle 86 injiziert wird, kann der Ausgangsstrahl die Pooloberfläche 30a durchbrechen und das Fluid 74 direkt in die Naßschachtkammer 32 austreten lassen, wodurch die Effektivität der Strahlpumpe 72 wesent­ lich verkleinert wird. Dementsprechend können die Auslaßlö­ cher 96 bezüglich ihrer Größe und Höhe in geeigneter Weise bemessen werden, um die Injektionsdruckdifferenz des Fluids 74 durch die Düse 84 zu begrenzen, um einen effektiven Be­ trieb der Strahlpumpe 72 beizubehalten. Wie bereits beschrieben wurde, müssen die horizontalen Ableitungen 34 unterhalb der Injektordüse 84 bleiben und sind in ähnlicher Weise auch unterhalb der Auslaßlöcher 96 angeordnet, um eine geeignete Druckdifferenz zwischen dem Trockenschacht 26 und dem Naßschachtpool 28 für einen normalen Betrieb durch den Kondensor 54 sicherzustellen.

Der vorstehend beschriebene Mischer 72 arbeitet also pas­ siv, wobei das Strömungsmittel bzw. Fluid 74, das aus dem PCCS Kondensor 54 in den Naßschachtpool 28 abgegeben wird, verwendet wird, um die Strahlpumpe 76 für ein Umwälzen des Poolwassers 30 anzutreiben. Auf diese Weise wird die ther­ mische Schichtung in dem Naßschachtpool 28 wesentlich redu­ ziert oder eliminiert, wenn das relativ heiße Fluid 74 zu­ geführt wird. Es ist zwar nur ein passiver Mischer 72 in dem Naßschachtpool 28 dargestellt, es kann aber nach Erfor­ dernis eine geeignete Anzahl davon verwendet werden, um eine effektive Zirkulation innerhalb des gesamten Naß­ schachtpools 28 sicherzustellen.

Der passive Mischer 72 kann in alternativen Ausführungsbei­ spielen zur Eliminierung einer thermischen Schichtung in einem Flüssigkeitspool verwendet werden, der mit einem re­ lativ heißen Fluid versehen ist. Obwohl das Fluid 74 in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sowohl nicht-kondensierba­ res Gas als auch nicht-kondensierten Dampf enthält, die die Pumpwirkung der Strahlpumpe 76 durch den Luftauftriebsef­ fekt verstärken, kann das Fluid 74 in alternativen Ausfüh­ rungsbeispielen eine Flüssigkeit mit einem geeigneten Druck sein, um die Strahlpumpe 76 anzutreiben.

Claims (12)

1. Mischer zum Verkleinern einer thermischen Schichtung in einem Becken (28) mit einer Flüssigkeit (30), die sich auf einer ersten Temperatur befindet, beim Einleiten eines Strömungsmittels (74) mit einer zweiten Temperatur, die größer als die erste Temperatur ist, gekennzeichnet durch:

eine Ableitung (66), die sich in das Becken (28) erstreckt, zum Zuführen des Strömungsmittels in das Becken (28), und
eine Strahlpumpe (76), die in dem Becken (28) angeordnet ist und aufweist:

ein Gehäuse (78), das eine Säule der Flüssigkeit in dem Becken (28) enthält und einen Einlaß (80) an seinem einen Ende und einen Auslaß (82) an seinem gegenüberliegenden Ende und ferner eine Engstelle (86) mit einer minimalen Strömungsquerschnittsfläche, die stromabwärts von der Injektordüse (84) angeordnet ist, zum Mischen des Strömungsmittels (74) aus der Injektordüse (84) mit der Flüssigkeit (30) aus dem Gehäuseeinlaß (80) und einen Diffusor (88) aufweist, der von der Engstelle (86) ausgeht und mit dem Gehäuseauslaß (82) in Verbindung steht für eine Diffusorwirkung der gemischten Flüssigkeit und des Strömungsmittels für eine Druckrückgewinnung, und
eine Injektordüse (84), die in Strömungsverbindung mit der Ableitung (66) angeordnet ist zur Aufnahme des Strömungsmittels (74) und die in dem Gehäuseeinlaß (80) angeordnet ist zum Injizieren des Strömungsmittels longitudinal in das Gehäuse (78) für ein Pumpen der Flüssigkeit (30) von dem Gehäuseeinlaß (80) durch das Gehäuse (78) hindurch zum Gehäuseauslaß (82) zum Umwälzen der Flüssigkeit (30) in dem Becken (28).

2. Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (78) im wesentlichen vertikal in dem Becken (28) angeordnet ist, wobei der Gehäuseeinlaß (80) neben einem Boden (28a) des Beckens (28) angeordnet und der Gehäuseauslaß (82) in einer Höhe oberhalb des Gehäuseeinlasses (80) angeordnet ist.

3. Mischer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsmittel ein Gas ist, und daß das Gehäuse (78) ferner einen rohrförmigen Steiger (90) aufweist, der von dem Diffusor (88) nach oben zu dem Gehäuseauslaß (82) verläuft, um Blasen, die durch das Gas beim Mischen mit der Flüssigkeit gebildet sind, nach oben zu leiten, um für eine zusätzliche Pumpwirkung der Flüssigkeit durch das Gehäuse (78) zu sorgen.

4. Mischer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Becken (28) ein Naßschachtbecken und die Flüssigkeit (30) Wasser ist und der Mischer (72) in Kombination enthält:

einen Reaktordruckbehälter (16), der einen Reaktorkern (18) enthält, der darin in Reaktorwasser untergetaucht ist und der das Reaktorwasser zur Erzeugung von Dampf erhitzt,
einen Einschluß- bzw. Containmentbehälter (24), der im Abstand außen von dem Druckbehälter (16) angeordnet ist zur Bildung eines Trockenschachtes (26), der ein nicht­ kondensierbares Gas enthält,
der Naßschachtpool (28) in dem Containmentbehälter (24) angeordnet und von diesem umschlossen ist und teilweise mit Wasser gefüllt ist zur Bildung einer Naßschachtkammer (32) darüber,
ein Becken (44) eines durch Schwerkraft angetriebenen Kühlsystems (GDCS), das in dem Containmentbehälter (24) in einer Höhe über dem Reaktorkern (18) und dem Naßschachtbecken (28) angeordnet ist und darin Wasser und Mittel enthält zum selektiven Leiten des GDCS Beckenwassers durch Schwerkraft in den Druckbehälter (16),
ein Trenn- bzw. Isolationsbecken (52), das in einer Höhe über dem GDCS Pool (44) angeordnet ist und einen in Wasser untergetauchten Kondensor (54) enthält und eine Entlüftung (58) zur Atmosphäre außerhalb des Containmentbehälters (24) aufweist, und wobei der Kondensor (54) eine Einlaßleitung (60), die in Strömungsverbindung mit dem Trockenschacht (26) angeordnet ist, zur Aufnahme des nicht-kondensierbaren Gases zusammen mit irgendwelchem Dampf, der von dem Druckbehälter (16) in den Trockenschacht (26) nach einem Kühlmittelverlust-Unfall (LOCA) freigesetzt ist, und der ferner eine Auslaßleitung (62) aufweist, und
einen Sammler (64), der in Strömungsverbindung mit der Kondensorauslaßleitung (62) angeordnet ist, zum Sammeln und Trennen von Kondensat, das beim Kühlen des Dampfes in dem Kondensor (54) erzeugt ist, und des nicht-kondensierbaren Gases, das mit dem Dampf durch den Kondensor (54) getragen ist, und der eine Ableitung (66), die in Strömungsverbindung mit dem Naßschachtbecken (28) angeordnet ist, zum Zuführen des nicht-kondensierbaren Gases und eine Auslaßleitung (68) aufweist, die in Strömungsverbindung mit dem GDCS Becken (44) angeordnet ist, wobei die Auslaßleitung (68) ein U-förmiges Ende aufweist, das in dem GDCS Becken (44) angeordnet ist zur Bildung einer Schleifendichtung (70), um die Abgabe des Kondensats in das GDCS Becken (44) zu gestatten und eine Rückströmung durch die Auslaßleitung (68) nach oben zum Sammler (64) zu begrenzen.

5. Mischer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitung (66) nach unten durch die Naßschachtkammer (32) und in das Naßschachtbecken (28) verläuft und durch eine thermische Isolierung (92) wenigstens stromaufwärts von der damit verbundenen Injektordüse (84) umgeben ist, um eine Kühlung des Gases zu vermindern, das durch die Ableitung (66) geleitet wird.

6. Mischer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitung (66) mehrere Auslaßlöcher (96) aufweist, die unterhalb der Injektordüse (84) angeordnet sind.

7. Mischer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Abzugsleitungen (34) in Strömungsverbindung zwischen dem Trockenschacht (26) und dem Naßschachtbecken (28) angeordnet und unterhalb der Auslaßlöcher (96) und der Injektordüse (84) angeordnet sind.

8. Mischer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäuseauslaß (82) in vorbestimmter Weise unterhalb einer Oberfläche der Flüssigkeit in dem Naßschachtbecken (28) untergetaucht ist.

9. Mischer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (78) ferner mehrere Bypass-Löcher (94) aufweist, die unterhalb des Gehäuseauslasses (82) in dem Steiger (90) angeordnet sind, zum Abgeben des Gases und Wassers aus dem Steiger (90) direkt in das Becken (28), falls das Beckenwasser in der Höhe unter den Gehäuseauslaß (82) absinkt.