DE69309227T2

DE69309227T2 - Passives Containmentkühlsystem eines Kernreaktors

Info

Publication number: DE69309227T2
Application number: DE69309227T
Authority: DE
Inventors: Paul Frederick Billig; Franklin Edward Cooke; James Richard Fitch
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1992-11-25
Filing date: 1993-11-24
Publication date: 1997-09-25
Anticipated expiration: 2013-11-25
Also published as: US5282230A; JPH06214082A; DE69309227D1; EP0599614B1; ES2099387T3; EP0599614A1

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Kernreaktoren und insbesondere auf eine passive Kühlung davon.

Hintergrund der Erfindung

Eine Kemreaktoranlage weist einen Containment-Behälter auf, der einen Reaktordruckbehälter umgibt und einen Trockenschacht damit bildet, der üblicherweise ein nicht-kondensierbares Gas, wie beispielsweise Stickstoff, enthält. In dem Druckbehälter ist ein üblicher, in Wasser eingetauchter Reaktorkern angeordnet, der das Wasser erhitzt, um Dampf zu erzeugen, der von dem Druckbehälter abgegeben wird zur Verwendung zum Antreiben eines Dampfturbinengenerators, um beispielsweise elektrische Leistung zu erzeugen.
Üblicherweise wird der Druckbehälter in dem Containment-Behälter von einem ringförmigen Unterdrückungspool oder Naßschacht umgeben, der verschiedenen Funktionen dient, einschließlich derjenigen, daß er eine Wärmesenke während postulierter Unfälle ist. Beispielsweise ist eine Art von Unfall, für den er ausgelegt ist, ein Kühlmittelverlust-Unfall (LOCA von Loss-of-Coolant Accident), bei dem Dampf aus dem Druckbehälter in den Trockenschacht herausleckt. Nach dem LOCA wird deshalb der Reaktor abgeschaltet, aber restliche Abklingwärme wird für eine gewisse Zeit nach dem Abschalten weiterhin erzeugt. In einem konventionellen Sicherheitssystem wird der Druck in dem Druckbehälter abgelassen, indem der Dampf in den Naßschacht abgegeben wird zum Abkühlen und Kondensieren und um unzulässig große Druckanstiege in dem Containment-Behälter selbst zu vermeiden. Traditionelle Sicherheitseinrichtungen er fordern üblicherweise Wechselspannung für einen effektiven Betrieb.
Dementsprechend sind verbesserte Kernreaktoranlagen entwickelt worden, um das Erfordernis für Wechselspannungs-Sicherheitssysteme nach beispielsweise einem LOCA zu verkleinern oder zu eliminieren. Bei einer Konstruktion, die als ein vereinfachter Siedewasserreaktor (SBWR von Simplified Boiling Water Reactor) bezeichnet ist, ist ein passives Einschluß-Kühlsystem (PCCS von Passive Containment Cooling System) vorgesehen, um während des LOCA Wärme von dem Containment-Behälter abzuführen. Ein Beispiel von einem PCCS ist in EP-A-0 460 805 beschrieben, die US-A-5 059 385 - Gluntz et al entspricht, die auf die vorliegende Patentinhaberin übertragen ist, wobei der Naßschacht oder Unterdrückungspool von dem Trockenschacht in dem Containment-Behälter eingeschlossen und von diesem getrennt ist, und ein durch Schwerkraft angetriebenes Kühlsystem (GDCS von Gravity Driven Cooling System) ist über dem Naßschacht in dem Containment-Behälter angeordnet und zu dem Trockenschacht entlüftet Ein Isolationspool ist über dem GDCS Pool angeordnet und enthält einen Isolationskondensator mit einem Einlaß, der in Strömungsverbindung mit dem Trockenschacht angeordnet ist, und einem Auslaß, der mit einer Sammelkammer verbunden ist, von der sich eine Entlüftungsleitung in den Naßschacht erstreckt, und eine Kondensat-Rückleitung erstreckt sich in den GDCS Pool. Der Isolations-Kondensator sorgt für eine passive Wärmeabfuhr von dem Containment-Trockenschacht nach dem LOCA, wobei in den Trockenschacht freigesetzter Dampf durch den Einlaß in den ISOlations-Kondensator strömt, wo er kondensiert wird. Das nichtkondensierbare Gas in dem Trockenschacht, wie beispielsweise Stickstoff, wird durch den Dampf in den Isolations-Kondensator getragen und muß davon getrennt werden, um für einen effektiven Betrieb des Isolations-Kondensators zu sorgen. Die Sammelkammer trennt das nicht-kondensierbare Gas von dem Kondensat, wobei das abgetrennte nicht-kondensierbare Gas in den Naßschacht abgegeben wird 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 erwärmtem Fluid von dem Containment-Behälter zu dem Naßschacht über die Kondensat- Rückleitung zu begrenzen, die einen Bypass zu dem Isolations- Kondensator bilden würde.
Deshalb ist dieses System so aufgebaut, daß das nichtkondensierbare Gas von dem Trockenschacht zu dem Naßschacht transportiert und dann Dampf aus dem Trockenschacht in dem Isolations-Kondensator kondensiert wird. Das nicht-kondensierbare Gas bleibt in dem eingeschlossenen Naßschacht, bis der Kondensator Dampf schneller kondensiert, als er von dem Druckbehälter freigesetzt wird. Wenn dies auftritt, ist der Isolations-Kondensator wirksam, den Druck des Trockenschachtes unter denjenigen des Naßschachtes abzusenken, was dazu führt, daß übliche Vakuumschalter, die mit dem Naßschacht verbunden sind, offnen und gestatten, daß nicht-kondensierbares Gas, das in dem Naßschacht gespeichert ist, zum Trockenschacht zurückkehrt. Diese Gase können dann jedoch wieder in den Isolations-Kondensator geleitet werden und dessen Kühleffektivität verkleinern, bis die Dampffreisetzung in dem Trockenschacht wieder dessen Druck über denjenigen des Naßschachtes erhöht, was dazu führt, daß die Vakuumschalter schließen und der Zyklus sich wiederholt, wobei das nicht-kondensierbare Gas wieder von dem Isolations- Kondensator in den Naßschacht abgegeben wird.
Durch kontinuerliches Rückleiten des nicht-kondensierbaren Gases in den Naßschacht bleibt der Containment-Gesamtdruck relativ hoch, insbesondere in dem eingeschlossenen Naßschacht selbst, was in geeigeter Weise aufgenommen werden muß, beispielsweise indem stärkere und deshalb teurere Containment- Wände vorgesehen werden. Weiterhin können eine schrittweise Erwärmung der oberen Schicht des Naßschachtpools immer dann, wenn der Isolations-Kondensator das nicht-kondensierbare Gas darin abgibt, und jede kleinere Leckage von den Vakuumschaltern selbst auch bewirken, daß der Containment-Druck langsam ansteigt.
Ein anderes System, um die Kühlleistung zu verbessern, ist in US-A-5 149 492 gezeigt, wonach das Kühlsystem eine Verbindungsleitung mit einem Ventil enthält, die entweder mit einem Notkondensator oder einer Unterdrückungskammer verbunden ist, um nicht-kondensierbares Gas von Wärmetauscherröhren abzuführen, wenn die Hauptdampfleitung unterbrochen ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein passives Containment-Kühlsystem geschaffen, das enthält: einen Reaktordruckbehälter, der einen in Reaktorwasser untergetauchten Reaktorkern enthält, der die Funktion hat, das Reaktorwasser zu erhitzen, um Dampf zu erzeugen; einen Containment-Behälter, der im Abstand außen von dem Druckbehälter angeordnet ist, um einen ein nicht-kondensierbares Gas enthaltenden Trockenschacht zu bilden; einen umschlossenen Naßschachtpool, der in dem Containment-Behälter angeordnet und teilweise mit Wasser gefüllt ist, um darüber eine Naßschachtkammer zu bilden, wobei der Naßschachtpool Mittel aufweist zum selektiven Entlüften der Naßschachtkammer in den Trockenschacht, wenn der Druck in der Naßschachtkammer den Druck im Trockenschacht überschreitet; einen durch Schwerkraft angetriebenen Kühlsystem(GDCS)-Pool, der in dem Containment-Behälter angeordnet und in einer Höhe über dem Reaktorkern und dem Naßschachtpool zu dem Containment-Behälter entlüftet ist und Wasser darin und Mittel aufweist zum selektiven Leiten durch Schwerkraft von dem GDCS-Poolwasser in den Druckbehälter; und einen Isolationspool, der in einer Höhe über dem GDCS-Pool angeordnet ist und einen in Wasser untergetauch ten Isolationskondensierer bzw. -kondensator enthält, wobei der Isolationspool eine Entlüftung zur Atmosphäre außerhalb des Containment-Behälters aufweist und der Kondensator eine Einlaßleitung aufweist, die in Strömungsverbindung mit dem Trockenschacht angeordnet ist, um das nicht-kondensierbare Gas zusammen mit irgendwelchem Dampf aufzunehmen, der von dem Druckbehälter in den Trockenschacht freigesetzt ist nach einem Kühlmittelverlust-Unfall, und der ferner eine Auslaßleitung, einen Sammler, der in Strömungsverbindung mit der Kondensator-Auslaßleitung angeordnet ist, und eine Entlüftungsleitung, die in Strömungsverbindung mit dem Naßschachtpool angeordnet ist, und eine Abflußleitung aufweist, die in Strömungsverbindung mit dem GDCS-Pool angeordnet ist, wobei die Abflußleitung ein U-förmiges entferntes Ende hat, das in dem GDCS Pool angeordnet ist, um eine Schleifendichtung zu bilden, damit das Kondensat in den GDCS Pool abgegeben werden kann und eine Rückströmung durch die Abflußleitung nach oben in Richtung auf den Sammler begrenzt wird; gekennzeichnet durch eine Einrichtung für einen selektiven Nebenschluß (Bypass) der Schleifendichtung, um den Sammler in einer direkten Strömungsverbindung mit dem Trockenschacht zu verbinden, um sowohl Kondensat als auch nicht-kondensierbares Gas zum Trockenschacht zurückzuleiten.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum passiven Kühlen eines Containment-Behälters geschaffen, der im Abstand außen von einem Druckbehälter angeordnet ist, die dazwischen einen Trockenschacht bilden, wobei der Druckbehälter einen Reaktorkern aufweist und der Containment- Behälter einen umschlossenen Naßschachtpool, der über dem Reaktorkern angeordnet ist, und einen durch Schwerkraft angetriebenen Kühlmittelversorgungs(GDCS)-Pool, der über dem Naßschachtpool angeordnet ist, und einen Isolationspool aufweist, der über dem Containment-Behälter angeordnet ist und einen Isolations-Kondensator enthält, wobei das Verfahren enthält: Leiten von Dampf, der nach einem Kühlmittelverlust-Unfall in den Trockenschacht freigesetzt wird, in den Isolations-Kondensator zum Abkühlen zusammen mit einem nicht-kondensierbaren Gas, das in dem Trockenschacht enthalten ist und zusammen mit dem Dampf mitgetragen wird; Trennen des Kondensats von dem nicht-kondensierbaren Gas, das von dem Isolations-Kondensator abgegeben wird; getrenntes Leiten des nicht-kondensierbaren Gases zu dem Naßschachtpool durch eine Entlüftungsleitung und des Kondensats zu dem GDCS-Pool durch eine Abflußleitung, die eine Schleifendichtung in dem GDCS-Pool aufweist; dadurch gekennzeichnet, daß nach einer vorbestimmten Zeit ein Nebenschluß bzw. Bypass zu der Schleifendichtung gebildet wird, um sowohl das Kondensat als auch das nicht-kondensierbare Gas durch natürliche Zirkulation direkt zu dem Trockenschacht zurückzuleiten.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun mit weiteren Einzelheiten anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, wobei die einzige Figur der Zeichnung eine schematische Seitenschnittansicht von einem Kemreaktorgebäude ist, das ein passives Containment-Kühlsystem (PCCS) gemäß drei Ausführungsbeispielen der Erfindung aufweist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist schematisch als Beispiel ein ringförmiges Kemreaktorgebäude 10 dargestellt, das eine longitudinale Mittelachse 12 aufweist. Das Gebäude 10 weist ein passives Containment-Kühlsystem (PCCS) 14 gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung auf. Das PCCS 14 weist einen Reaktordruckbehälter 16 auf, der darin einen Reaktorkern 18 enthält, der in Reaktorwasser 20 untergetaucht ist, wobei der Kern 18 auf übliche Weise wirksam ist, um das Reaktorwasser zur Erzeugung von Reaktordampf 20a zu erhitzen. Der Dampf 20a wird in üblicher Weise von dem Druckbehälter 16 durch eine Hauptdampfleitung 22 abgegeben, die mit einem üblichen Dampfturbinengenerator (nicht gezeigt) verbunden ist, um beispielsweise in üblicher Weise elektrische Leistung zu erzeugen.
Ein ringförmiger Containment-Behälter oder einfach ein Containment 24, das radial im Abstand außen von dem Druckbehälter 16 und im allgemeinen koaxial damit angeordnet ist, um einen Trockenschacht oder eine Kammer 26 zu bilden, enthält üblicherweise ein nicht-kondensierbares Gas, wie beispielsweise Stickstoff. Das Containment 24 ist eine übliche Betonstruktur mit einer Stahlauskleidung, die so bemessen und aufgebaut ist, daß sie dem erhöhten Druck widersteht, um den Druckbehälter 16 und den Reaktorkern 18 sicher einzuschließen.
Ein umschlossener ringförmiger Unterdrückungs- oder Naßschachtpool 28 ist in dem Containment 24 angeordnet und ist üblicherweise teilweise mit Wasser 30 gefüllt, um eine Naßschachtkammer oder einen Luftraum 32 darüber zu bilden. Der Naßschachtpool 28 sorgt für verschiedene konventionelle Funktionen, wozu gehört, daß er eine Wärmesenke ist, und er enthält beispielsweise konventionelle horizontale Entlüftungen 34, um darin irgendwelchen Dampf zu leiten, der von dem Druckbehälter 16 während beispielsweise eines Kühlmittelverlust-Unfalles (LOCA) freigesetzt wird. Der durch die Entlüftungen 34 in den Naßschachtpool 28 geleitete Dampf wird darin in geeigneter Weise gel3scht.
Der Naßschachtpool 28 ist üblicherweise wenigstens teilweise in einer Höhe über dem Reaktorkern 18 angeordnet und weist Mittel auf, um selektiv der Schwerkraft zu gestatten, das Wasser 30 des Naßschachtpools in den Druckbehälter 16 zu ziehen, um nach dem LOCA eine Kühlung des Reaktorkerns 18 sicherzustellen. Diese Mittel enthalten üblicherweise eine Auslaßleitung 36 mit einem üblichen Ventil 38 darin, das operativ mit einer üblichen Steuerung 40 verbunden ist, um das Ventil 38 entweder automatisch oder manuell zu öffnen, wenn es 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 überschreitet. 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 er öffnet automatisch unter Druck, wenn der Druck in der Naßschachtkammer 32 in geeigneter Weise größer als der Druck in dem Trockenschacht 26 ist, um die Naßschachtkammer 32 in den Trockenschacht 26 zu entspannen bzw. zu entlüften.
Das PCCS 14 enthält weiterhin einen üblichen durch Schwerkraft angetriebenen Kühlsystem(GDCS)-Pool 44, der in dem Containment 24 angeordnet und darin zum Trockenschacht 26 entlüftet ist. Der GDCS-Pool 44 ist in einer Höhe über dem Reaktorkern 18 und dem Naßschachtpool 28 angeordnet und enthält Wasser 46 darin. Es sind weiterhin Mittel vorgesehen zum selektiven Leiten des GDCS-Poolwassers 46 durch Schwerkraft in den Druckbehälter 16, um den Reaktorkern 18 nach dem LOCA in einer üblichen Weise zu kühlen. Diese Mittel enthalten eine übliche Auslaßleitung 48 und ein Ventil 50 darin, das in Strömungsverbindung zwischen dem GDCS-Pool 44 und dem Druckbehälter 16 angeordnet ist, wobei das Ventil 50 in üblicher Weise operativ mit der Steuerung 40 verbunden ist, so daß es in konventioneller Weise geöffnet werden kann, wenn es erforderlich ist, damit das GDCS-Poolwasser 46 in üblicher Weise durch Schwerkraft in den Druckbehälter 16 fließen kann.
Ein üblicher ringförmiger Isolationspool 52 ist in dem Reaktorgebäude 10 über dem Containment 24 und in einer Höhe über dem GDCS-Pool 44 in einer üblichen Konfiguration angeordnet. Der Isolationspool 52 enthält einen vorzugsweise vertikal verlaufenden Isolations-Kondensator bzw. -Kondensierer 54, der in dem Isolationswasser 56 untergetaucht ist. Der Isolationspool 52 enthält eine oder mehrere Entlüftungen 58 zur Atmosphäre außerhalb des Containments 24 und des Gebäudes 10, um den Luftraum über dem Isolationspoolwasser 56 zu entlüften, um bei Verwendung des Isolations-Kondensators 54 Wärme davon abzuführen.
Der Kondensator 54 ist üblich und weist eine Einlaßleitung 60 auf, die vorzugsweise in direkter Strömungsverbindung mit dem Trockenschacht 26 angeordnet ist, indem ein offenes Ende darin angeordnet ist, um das nicht-kondensierbare Gas zusammen mit irgendwelchem Dampf aufzunehmen, der von dem Druckbehälter 16 in den Trockenschacht 26 nach dem LOCA freigesetzt wird. Im Falle eines LQCA wird Dampf in den Trockenschacht 26 freigesetzt und hat einen Druck, der größer als der Druck in der Naßschachtkammer 32 ist. Der Dampf wird deshalb in die Einlaßleitung 60 strömen und das nicht-kondensierbare Gas mit sich tragen, das ursprünglich in dem Trockenschacht 26 enthalten ist. Der Dampf wird dann in konventioneller Weise in den Spulen des Isolations-Kondensators 54 durch das Isolationspoolwasser 56 gekühlt, wobei die davon freigesetzte Wärme durch die Entlüftung 58 zur Atmosphäre abgegeben wird, und das dabei entstehende Kondensat wird von dem Kondensator 54 durch eine oder mehrere Auslaßleitungen 62 abgegeben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine übliche Sammelkammer oder einfach Sammler 64 in Strömungsverbindung mit der Kondensator-Auslaßleitung 62 angeordnet und hat eine Gasentlüftungsleitung 66, die in üblicher Weise in Strömungsverbindung mit dem Naßschachtpool 28 angeordnet ist, und er hat eine Flüssigkondensat-Ablaufleitung 68, die in üblicher Weise in Strömungsverbindung mit dem GDCS Pool 44 angeordnet ist. Die Ablaufleitung 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 Schleifendichtung zu bilden, die auch mit 70 bezeichnet ist. Die Schleifendichtung 70 gestattet eine Abgabe des Kondensats von dem Sammler 64 in den GDCS-Pool 44 und begrenzt eine Rückströmung des Dampfes und nicht-kondensierbaren Gases in den Trockenschacht 26 nach dem LOCA, damit sie nicht durch die Ablaufleitung 68 rückwärts strömen und nach oben in Richtung auf den Sammler 64, um in einem Nebenschluß bzw. Bypass den Isolations-Kondensator 54 zu umgehen und in den Naßschachtpool 28 durch die Entlüftungsleitung 66 einzutreten, wie es üblicherweise bekannt ist.
Im üblichen Betrieb wird nach dem LOCA in den Trockenschacht 26 freigesetzter Dampf durch die Einlaßleitung 60 und durch den Isolations-Kondensator 54 geleitet, der Wärme von ihm abführt und das Kondenat bildet, das durch die Auslaßleitung 62 in den Sammler 64 getragen wird. Das nicht-kondensierbare Gas, das mit dem Dampf durch den Isolations-Kondensator 54 getragen wird, wird in dem Sammler 64 abgetrennt, wobei das abgetrennte, nicht-kondensierbare Gas durch die Entlüftungsleitung 66 in den Naßschachtpool 28 entlüftet wird, wo es sich in der Naßschachtkammer 32 über dem Naßschachtwasser 30 sammelt. Das Kondensat aus dem Sammler 64 wird durch die Abflußleitung 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 Isolations-Kondensator 54 Dampf schneller kondensiert, als er von dem Druckbehälter 16 freigesetzt wird. Zu dieser Zeit fällt der Druck innerhalb des Trockenschachtes 26 unter den Druck in der Naßschachtkammer 32, was bewirkt, daß die Vakuumschalter 42 öffnen und das nicht-kondensierbare Gas zu dem Trockenschacht 26 zurückleiten. Jedoch kann dieses Gas dann wieder in den Isolations-Kondensator 54 zurückströmen und dessen Effektivität absenken, bis der Dampf, der in dem Trockenschacht 26 freigesetzt wird, den Druck darin wieder über denjenigen der Naßschachtkammer erhöht, und zu dieser Zeit schließen die Vakuumschalter 42 und der Zyklus wiederholt sich, wobei das nicht-kondensierbare Gas von dem Isolations-Kondensator 54 in die Naßschachtkammer 32 abgegeben wird, wo es sich wieder mit steigendem Druck sammelt.
Dieser Betrieb, bei dem das nicht-kondensierbare Gas kontinuierlich zu der Naßschachtkammer 32 zurückgeleitet wird, hat einen relativ hohen Gesamtdruck in dem Containment 24 zur Folge, insbesondere in der Naßschachtkammer 32. Weiterhin können die zunehmende Erwärmung der oberen Schicht des Naßschachtpoolwasser 30 jedes Mal, wenn das nicht-kondensierbare Gas von dem Isolations-Kondensator 54 in die Naßschachtkammer 32 entlüftet wird, und jede kleine Leckage durch die Vakuumschalter 42 bewirken, daß der Druck in dem Containment 24 langsam ansteigt.
Gemäß einer Aufgabe der Erfindung ist eine Einrichtung vorgesehen, um selektiv einen Nebenschluß bzw. Bypass zu der Schleifendichtung 70 zu bilden, um den Sammler 64 in einer direkten Strömungsverbindung mit dem Trockenschacht 26 zu verbinden, um sowohl das Kondensat als auch das nicht-kondensierbare Gas von dem Isolations-Kondensator 54 direkt zu dem Trockenschacht 26 zurückzuleiten.
Genauer gesagt, enthält die Bypass-Einrichtung eine Nebenschlußleitung 72 mit einem Einlaß 72a, der in Strömungsverbindung mit der Abflußleitung 68, vorzugsweise zwischen dem Sammler 64 und der Schleifendichtung 70, verbunden ist. Die Nebenschlußleitung 72 enthält auch einen Auslaß 72b, der in direkter Strömungsverbindung mit dem Trockenschacht 26 angeordnet ist, und ein normalerweise geschlossenes Bypass-Ventil 74, das in Reihenströmung in der Nebenschlußleitung 72 angeordnet und operativ mit der Steuerung 40 verbunden ist, um selektiv geöffnet zu werden, um das Kondensat und das nicht-kondensierbare Gas von dem Sammler 64 durch den oberen Teil der Abflußleitung 68 und durch die Nebenschlußleitung 72 zu leiten für eine Rückkehr zum Trockenschacht 26. Das Bypass-Ventil 74 ist vorzugs weise ein übliches Explosions- oder Zündladungsventil, das manuell oder automatisch zum öffnen aktiviert werden kann, wobei beispielsweise die Steuerung 40 benutzt wird.
Wenn das Bypass-Ventil 74 geöffnet ist, bildet es eine direkte Strömungsbahn von dem Sammler 64 zu dem oberen Teil der Abflußleitung 68 und der Nebenschlußleitung 74 zu dem Trockenschacht 26 und bildet einen Nebenschluß bzw. Bypass zu dem unteren Teil der Abflußleitung 68 und der Schleifendichtung 70. Die Schleifendichtung 70 ist nur frühzeitig während des LOCA erforderlich, wenn der Isolations-Kondensator 54 nicht in der Lage ist, den gesamten Dampf zu kondensieren, der in den Trockenschacht 26 freigesetzt wird. Dementsprechend kann das Bypass-Ventil 74 nach einer solchen Zeit geöffnet werden, um sowohl das Kondensat, das beim Kühlen des Dampfes in dem Isolations-Kondensator 54 erzeugt wird, als auch das nicht-kondensierbare Gas, das mit dem Dampf durch den Isolations-Kondensator 54 getragen wird, durch natürliche Zirkulation direkt zu dem Trockenschacht 26 zurückzuleiten.
Genauer gesagt, verlaufen die Rohrleitungen des Isolations-Kondensators 54 vorzugsweise vertikal, so daß das darin gebildete Kondensat durch Schwerkraft nach unten strömen kann durch die Auslaßleitung 62, den Sammler 64, den oberen Teil der Abflußleitung 68 und durch die Nebenschlußleitung 72, um durch Schwerkraft in den Trockenschacht 26 zurückzufallen. Und die Kühlung des Dampfes innerhalb des Isolations-Kondensators 54 senkt seinen Druck und bildet ein Vakuum, das zusätzlichen Dampf von dem Trockenschacht 26 durch die Einlaßleitung 60 hindurch in den Kondensator 54 zieht. Diese natürliche Zirkulation von Dampf, der in den Isolations-Kondensator 54 gezogen wird, und des Kondensats, das durch Schwerkraft in den Trockenschacht 26 zurückfällt, gestattet, daß der Isolationskondensator 54 weiterhin auf wirksame Weise Wärme von dem Containment 24 abführt, während das nicht-kondensierbare Gas direkt zu dem Trockenschacht 26 zurückgeleitet wird, und zwar ohne das Erfordernis, ihn kontinuierlich zu der Naßschachtkammer 32 zu entlüften. Dementsprechend kann gemäß der Erfindung der Containment- Gesamtdruck einschließlich demjenigen in der Naßschachtkammer 32 gesenkt werden.
Weiterhin wird der Isolation-Kondensator 54 schließlich Dampf schneller kondensieren, als er in den Trockenschacht 26 freigesetzt wird, was zur Wirkung hat, daß der Druck in dem Trockenschacht 26 unter den Druck in der Naßschachtkammer 32 abfällt, und dann werden die Vakuumschalter 42 öffnen und in den Trockenschacht 26 sogar mehr von dem nicht-kondensierbaren Gas zurückleiten, das sich anfangs nach dem LOCA in der Naßschachtkammer 32 gesammelt hat. Der Containment-Gesamtdruck wird deshalb weiterhin abfallen, wenn die Abklingwärme des Reaktors sinkt, was die in den Trockenschacht 26 freigesetzte Dampfmenge verkleinert.
Um die Wärmeabfuhr von dem Isolations-Kondensator 54 zu unterstützen und den Containment-Gesamtdruck während des LOCA weiter zu senken, ist ein zweiter Isolations-Kondensator 54a ebenfalls in dem Isolationspool 52 untergetaucht, wobei der Isolations-Kondensator 54 als ein erster Isolations-Kondensator bezeichnet wird. Selbstverständlich können einer oder mehrere von jedem Typ der Isolations-Kondensatoren 54 oder 54a nach Wunsch verwendet werden, was von den spezifischen Erfordernissen zur Abfuhr von Wärme von dem Containment 24 abhängt. Der zweite Isolations-Kondensator 54a enthält in ähnlicher Weise eine Einlaßleitung 60a, die in direkter Strömungsverbindung mit dem Trockenschacht 26 angeordnet ist, um einen Teil des Dampfes, der darin während des LOCA freigesetzt wird, und das nicht-kondensierbare Gas aufzunehmen, das darin mitgetragen wird. Beide Einlaßleitungen 60 und 60a können einen gleichen Aufbau haben, um entsprechende Teile des freigesetzten Dampfes und des nicht-kondensierbaren Gases von dem Trockenschacht 26 mit einer unbehinderten Strömung aufzunehmen, um eine natürlich Zirkulation zu gestatten, um den Dampf und das nicht-kondensierbare Gas in die Einlaßleitungen 60, 60a zu führen.
Der zweite Isolations-Kondensator 54a enthält eine oder mehrere Auslaßleitungen 62a, die in direkter Strömungsverbindung mit dem Trockenschacht 26 angeordnet ist, um sowohl das Kondensat, das in dem zweiten Isolations-Kondensator 54a erzeugt wird, als auch das nicht-kondensierbare Gas, das mit dem Dampf durch den zweiten Isolations-Kondensator 54a getragen wird, dorthin zurückzuleiten. Die Auslaßleitung 62a des zweiten Isolations-Kondensators 54a ist analog zu der Auslaßleitung 62, dem oberen Teil der Abflußleitung 68 und der Nebenschlußleitung 72, wenn das Bypass-Ventil 74 geöffnet ist, um eine direkte und unbehinderte Strömungsbahn von dem zweiten Isolations-Kondensator 54a direkt zu dem Trockenschacht 26 zu bilden, wobei eine natürlich Zirkulation gestattet wird, um das Kondensat und das nicht-kondensierbare Gas für eine Rückleitung zum Trockenschacht 26 hindurchzuleiten.
Der erste Isolations-Kondensator 54 ist zunächst mit dem GDCS-Pool 44 durch die Schleifendichtung 70 operativ verbunden, wenn das Bypass-Ventil 74 zunächst geschlossen ist, um einen üblichen Betrieb des Isolations-Kondensators 54 während der Anfangsstufen des LOCA zu gestatten, um das nicht-kondensierbare Gas durch die Entlüftungsleitung 66 in die Naßschachtkammer 32 zu entlüften und das Kondensat durch die Abflußleitung 68 in den GDCS-Pool 44 abzuleiten. Wenn jedoch die Schleifendichtung 70 nicht länger erforderlich ist, um eine Rückströmung des Druckdampfes und des nicht-kondensierbaren Gases in den Trockenschacht 26 zu begrenzen, damit sie nicht durch die Abflußleitung 68 zurückströmen, kann das Bypass-Ventil 74 geöffnet werden, um einen Nebenschluß bzw. Bypass zu der Schleifendichtung 70 zu bilden und die Auslaßleitung 62 des ersten Kondensators 54 direkt mit den Trockenschacht 26 zu verbinden.
Dementsprechend arbeitet der erste Isolations-Kondensator 54 zunächst unter der Druckdifferenz zwischen dem Trockenschacht 26 und der Naßschachtkammer 32 und nach dem Öffnen des Bypass-Ventils 74 stützt er sich allein auf die natürliche Zirkulation durch den Isolations-Kondensator 54 zum Führen von Dampf darin und zum Zurückleiten des Kondensats zum Trockenschacht 26, während sichergestellt wird, daß das nicht-kondensierbare Gas in dem Trockenschacht 26 bleibt oder direkt dorthin zurückgeleitet wird ohne Entlüftung zu der Naßschachtkammer 32.
Im Gegensatz dazu benutzt der zweite Isolations-Kondensator 54a keine Sammelkammer 64, Schleifendichtung 70, Bypass Ventil 74 oder Entlüftungsleitung 66, sondern stützt sich allein auf eine natürliche Zirkulation, um Dampf hindurchzuleiten und das Kondensat zum Trockenschacht 26 zurückzuleiten, um die Wärmeabfuhr von dem Containment 24 zu unterstützen, während das nicht-kondensierbare Gas direkt zu dem Trockenschacht 26 zu rückgeleitet wird, um einen kleineren Containment-Gesamtdruck während des LOCA zu erhalten.
Der erste Isolations-Kondensator 54 kann weiter unterstützt werden bei der Abfuhr von Wärme von dem Containment 24, wiederum ohne Entlüftung des nicht-kondensierbaren Gases zu der Naßschachtkammer 32, indem mehrere vertikal verlaufende, übliche Wärmerohre (Heat Pipes) 76 verwendet werden, von denen als Beispiel zwei in Figur 1 schematisch dargestellt sind. Die Wärmerohre 76 enthalten ein Arbeitsfluid, wie beispielsweise Wasser, wobei jedes Wärmerohr 76 ein erstes oder heißes Rohr 78, das sich durch das Oberteil des Containment 24 nach unten in den Trockenschacht 26 erstreckt, und ein integrales zweites oder kaltes Rohr 80 hat, das sich vertikal nach oben in den Isolations-Kondensatorpool 52 erstreckt. Das heiße Rohr 78 hat üblicherweise die Funktion, das Arbeitsfluid darin zu verdampfen, um einen Dampf zu bilden beim Erwärmen von dem Dampf, der in dem Trockenschacht 26 freigesetzt wird, der das heiße Rohr 78 umgibt. Der Dampf innerhalb des heißen Rohres 78 steigt durch natürliche Zirkulation nach oben in das integrale kalte Rohr 80, um beim Abkühlen von dem Isolationspoolwasser 56 kondensiert zu werden, wobei das Kondensat durch Schwerkraft in das heiße Rohr 78 zurückgeleitet wird, um den Zyklus zu wiederholen.
Dementsprechend tritt das nicht-kondensierbare Gas in dem Trockenschacht 26 nicht in die Wärmerohre 76 ein, sondern bleibt immer in dem Trockenschacht 26, wobei die Wärmerohre 76 für eine Kühlung des Containments 24 sorgen als eine Unterstützung für den ersten Isolations-Kondensator 54.
Gegen Ende des LOCA, wenn die Abklingwärme von dem Reaktorkern 18 sich wesentlich verkleinert hat, wird erwartet, daß seine gesamte Wärmebelastung allein durch die Wärmerohre 78 abgeführt werden kann. Falls die ersten und zweiten Isolations- Kondensatoren 54 oder 54a weniger wirksam werden bei der Abfuhr von Wärme, weil während des Betriebs irgendwelches nicht-kondensierbare Gas darin zurückbleibt, können die Wärmerohre 76 den Rest der Wärme abführen, wie es von dem Containment 24 gefordert wird. Es kann eine geeignete Anzahl der Wärmerohre 76 gewählt werden, wie es für jede Konstruktion erforderlich ist, und übliche Rippen können nach Wunsch daran befestigt sein, um die Wärmeübertragungsrate von dem Dampf innerhalb des Trockenschachtes 26 in das Arbeitsfluid innerhalb der heißen Röhren 78 zu vergrößern.
Die Anordnung der ersten und zweiten Isolations-Kondensatoren 54 und 54a, wie sie vorstehend beschrieben ist, gestattet ein verbessertes Verfahren zum passiven Kühlen des Containments 24, das die Schritte enthält, daß der Dampf der nach dem LOCA in den Trockenschacht 26 freigesetzt wird, in die Isolations-Kondensatoren 54, 54a geleitet wird, um zusammen mit dem in dem Trockenschacht 26 enthaltenen nicht-kondensierbaren Gas, das mitgetragen wird, abgekühlt zu werden. Das Verfahren enthält weiterhin, daß sowohl das Kondensat, das in den Isolations-Kondensatoren 54, 54a beim Abkühlen des Dampfes darin gebildet wird, als auch das nicht-kondensierbare Gas, das damit nitgetragen wird, durch natürliche Zirkulation direkt zum Trockenschacht 26 zurückgeleitet werden.
Während sich der zweite Isolations-Kondensator 54 allein auf eine natürlich Zirkulation für seinen Betrieb stützt, gestattet der erste Isolations-Kondensator 54, der mit dem Sammler 64 und von dort mit der Entlüftungsleitung 66 und der Abflußleitung 68 verbunden ist, daß das Verfahren weiter die Schritte enthält, daß zunächst das Kondensat von dem nicht-kondensierbaren Gas abgeschieden bzw. getrennt wird, das von dem ersten Isolations-Kondensator 54 in den Sammler 64 abgegeben wird; dann werden getrennt das nicht-kondensierbare Gas zu dem Naßschachtpool 28 und der Kammer 32 durch die Entlüftungsleitung 66 und das Kondensat zu dem GDCS-Pool 44 durch die Abflußleitung 68 und die Schleifendichtung 70 geleitet, die in dem GDCS-Pool 44 angeordnet ist; und nach einer vorbestimmten Zeit, zu der der erste Isolations-Kondensator 54 in der Lage ist, den gesamten Dampf zu kondensieren, den er von dem Trockenschacht 26 empfängt, enthält das Verfahren schließlich den Schritt, daß ein Nebenschluß bzw. Bypass zu der Schleifendichtung 70 gebildet wird, um sowohl das Kondensat als auch das nicht-kondensier bare Gas direkt zu dem Trockenschacht 26 durch natürliche Zirkulation durch die Nebenschlußleitung 72 zurückzuleiten.
Dementsprechend ist das PCCS 14, das oben in verschiedenen Ausführungsbeispielen beschrieben ist, wirksam, Abklingwärme von dem Containment 24 abzuführen, während der gesamte Druckanstieg des Containments verkleinert wird, der anderenfalls ohne einen Nebenschluß der nicht-kondensierbaren Gase direkt in den Trockenschacht 26 auftreten würde, anstatt durch die Entlüftungsleitung 66 kontinuierlich in die Naßschachtkammer 32 entlüftet zu werden.
Es ist hier zwar das beschrieben worden, was als die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung betrachtet wird, aber für den Fachmann werden aus den hier gegebenen Lehren andere Abwandlungen der Erfindung deutlich, und es ist deshalb beabsichtigt, daß diese von den beigefügten Ansprüchen umfaßt sind.

Claims

1. Passives Containment-Kühlsystem (14), enthaltend: einen Reaktordruckbehälter (16), der einen in Reaktorwasser untergetauchten Reaktorkern (18) enthält, der die Funktion hat, das Reaktorwasser zu erhitzen, um Dampf zu erzeugen;

einen Containment-Behälter (24), der im Abstand außen von dem Druckbehälter (16) angeordnet ist, um einen ein nicht-kondensierbares Gas enthaltenden Trockenschacht (26) zu bilden;

einen umschlossenen Naßschachtpool (28), der in dem Containment-Behälter (24) angeordnet und teilweise mit Wasser gefüllt ist, um darüber eine Naßschachtkammer (32) zu bilden, wobei der Naßschachtpool (28) Mittel aufweist zum selektiven Entlüften der Naßschachtkammer (32) in den Trockenschacht (26), wenn der Druck in der Naßschachtkammer (32) den Druck im Trockenschacht (26) überschreitet;

einen durch Schwerkraft angetriebenen Kühlsystem(GDCS)-Pool (44), der in dem Containment-Behälter (24) angeordnet und in einer Höhe über dem Reaktorkern (18) und dem Naßschachtpool (28) zu dem Containment-Behälter (24) entlüftet ist und Wasser darin und Mittel aufweist zum selektiven Leiten durch Schwerkraft von dem GDCS-Poolwasser in den Druckbehälter (16); und

einen Isolationspool (52), der in einer Höhe über dem GDCS-Pool (24) angeordnet ist und einen in Wasser untergetauchten Isolationskondensierer (54) enthält, wobei der Isolationspool (52) eine Entlüftung (28) zur Atmosphäre außerhalb des Containment-Behälters (24) aufweist und der Kondensierer (54) eine Einlaßleitung (60) aufweist, die in Strömungsverbindung mit dem Trockenschacht (26) angeordnet ist, um das nicht-kondensierbare Gas zusammen mit irgendwelchem Dampf aufzunehmen, der von dem Druckbehälter (16) in den Trockenschacht (26) freigesetzt ist nach einem Kühlmittelverlust-Unfall (LOCA), und der ferner eine Auslaß leitung (62), einen Sammler (64), der in Strömungsverbindung mit der Kondensierer-Auslaßleitung (62) angeordnet ist, und eine Entlüftungsleitung (66), die in Strömungsverbindung mit dem Naßschachtpool (28) angeordnet ist, und eine Abflußleitung (68) aufweist, die in Strömungsverbindung mit dem GDCS-Pool (44) angeordnet ist, wobei die Abflußleitung (68) ein U-förmiges entferntes Ende hat, das in dem GDCS-Pool (44) angeordnet ist, um eine Schleifendichtung (70) zu bilden, damit das Kondensat in den GDCS-Pool (44) abgegeben werden kann und eine Rückströmung durch die Abflußleitung (68) nach oben in Richtung auf den Sammler (64) begrenzt wird; gekennzeichnet durch

eine Einrichtung (72) für einen selektiven Nebenschluß (Bypass) der Schleifendichtung (70), um den Sammler (64) in einer direkten Strömungsverbindung mit dem Trockenschacht (26) zu verbinden, um sowohl Kondensat als auch nicht-kondensierbares Gas zum Trockenschacht (26) zurückzuleiten.

2. System nach Anspruch 1, wobei die Nebenschluß-Einrichtung eine Nebenschlußleitung (72) aufweist, die einen Einlaß (72a), der mit der Abflußleitung (68) zwischen dem Sammler(64) und der Schleifendichtung (70) in Strömungsverbindung ist, einen Auslaß (72b), der in Strömungsverbindung mit dem Trockenschacht (26) angeordnet ist, und ein normalerweise geschlossenes Bypass-Ventil (74) hat, das in der Nebenschlußleitung (72) angeordnet ist und selektiv geöffnet werden kann, um das Kondensat und das nicht-kondensierbare Gas von dem Sammler (64) durch die Nebenschlußleitung (72) für eine Rückführung zum Trockenschacht (26) zu leiten.

3. System nach Anspruch 2, wobei das Bypass-Ventil (74) ein Explosionsventil ist.

4. System nach Anspruch 3, wobei der Isolations-Kondensierer (54) ein erster Isolations-Kondensierer ist und ferner ein zweiter Isolations-Kondensierer (54a) vorgesehen ist, der in dem Isolationspool (52) untergetaucht ist und eine Einlaßleitung (60a), die in Strömungsverbindung mit dem Trockenschacht (26) angeordnet ist, um einen Teil von dem nicht-kondensierbaren Gas und den Dampf aufzunehmen, der nach dem LOCA in den Trockenschacht freigesetzt wird, und eine Auslaßleitung (62a) aufweist, die in Strömungsverbindung mit dem Trockenschacht (26) angeordnet ist, um sowohl das Kondensat, das in dem zweiten Isolations-Kondensierer (52a) erzeugt ist, als auch das nicht-kondensierbare Gas zum Trockenschacht (26) zurückzuleiten, das mit dem Dampf durch den zweiten Isolations-Kondensierer (54a) getragen wird.

5. System nach Anspruch 4, wobei sowohl die Einlaßals auch Auslaßleitungen (60a, 62a) des zweiten Isolations- Kondensierers in einer ungehinderten Strömungsverbindung mit dem Trockenschacht (26) angeordnet sind, um eine natürliche Zirkulation zu gestatten, um den Dampf und das nicht-kondensierbare Gas in die Einlaßleitung (60a) zu tragen und das Kondensat und das nicht-kondensierbare Gas durch die Auslaßleitung (62a) zum Trockenschacht (26) zurückzuleiten.

6. Systemnach Anspruch 5, wobei ferner mehrere Wärmeleitungen bzw. Heat-Pipes (76) vorgesehen sind, die ein Arbeitsfluid enthalten, wobei jede Wärmeleitung (76) ein heißes Rohr (78), das sich nach unten in den Trockenschacht (26) erstreckt, und ein integrales kaltes Rohr (80) aufweist, das sich nach oben in den Isolations-Pool (52) erstreckt, wobei das heiße Rohr (78) die Funktion hat, das Arbeitsfluid zu verdampfen, um darin Dampf zu bilden, wenn es von dem im Trockenschacht (26) freigesetzten Dampf erhitzt wird, wobei der Dampf durch natürliche Zirkulation nach oben in das kalte Rohr (80) steigt, um bei Abkühlung von dem Isolationspoolwasser darin kondensiert zu werden, und durch Schwerkraft zurück zu dem heißen Rohr (78) strömt.

7. Verfahren zum passiven Kühlen eines Containment-Behälters (24), der im Abstand außen von einem Druckbehälter (16) angeordnet ist, die dazwischen einen Trockenschacht (26) bilden, wobei der Druckbehälter (16) einen Reaktorkern (18) aufweist und der Containment-Behälter (24) einen um schlossenen Naßschachtpool (28), der über dem Reaktorkern (18) angeordnet ist, und einen durch Schwerkraft angetriebenen Kühlmittelversorgungs(GDCS)-Pool (44), der über dem Naßschachtpool (28) angeordnet ist, und einen Isolationspool (52) aufweist, der über dem Containment-Behälter (24) angeordnet ist und einen Isolations-Kondensierer (54) enthält,

wobei das Verfahren enthält

Leiten von Dampf, der nach einem Kühlmittelverlust-Unfall (LOCA) in den Trockenschacht (26) freigesetzt wird, in den Isolations-Kondensierer (54, 54a) zum Abkühlen zusammen mit einem nicht-kondensierbaren Gas, das in dem Trockenschacht (26) enthalten ist und zusammen mit dem Dampf mitgetragen wird;

Trennen des Kondensats von dem nicht-kondensierbaren Gas, das von dem Isolations-Kondensierer (54) abgegeben wird;

getrenntes Leiten des nicht-kondensierbaren Gases zu dem Naßschachtpool (28) durch eine Entlüftungsleitung (66) und des Kondensats zu dem GDCS-Pool (44) durch eine Abflußleitung (68), die eine Schleifendichtung (70) in dem GDCS-Pool (44) aufweist; dadurch gekennzeichnet, daß

nach einer vorbestimmten Zeit ein Nebenschluß bzw. Bypass zu der Schleifendichtung (70) gebildet wird, um sowohl das Kondensat als auch das nicht-kondensierbare Gas durch natürliche Zirkulation direkt zu dem Trockenschacht (26) zurückzuleiten.