WO2004068504A1 - Schutzsystem, insbesondere für den primärkreislauf einer kerntechnischen anglage, und verfahren zum betreiben einer kerntechnischen anlage - Google Patents

Schutzsystem, insbesondere für den primärkreislauf einer kerntechnischen anglage, und verfahren zum betreiben einer kerntechnischen anlage Download PDF

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WO2004068504A1
WO2004068504A1 PCT/EP2004/000732 EP2004000732W WO2004068504A1 WO 2004068504 A1 WO2004068504 A1 WO 2004068504A1 EP 2004000732 W EP2004000732 W EP 2004000732W WO 2004068504 A1 WO2004068504 A1 WO 2004068504A1
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protection system
catalytic
primary circuit
temperature
evaluation unit
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PCT/EP2004/000732
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Bernd Eckardt
Dieter Groha
Doris Pasler
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Framatome Anp Gmbh
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    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C9/00—Emergency protection arrangements structurally associated with the reactor, e.g. safety valves provided with pressure equalisation devices
    • G21C9/04—Means for suppressing fires ; Earthquake protection
    • G21C9/06—Means for preventing accumulation of explosives gases, e.g. recombiners
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C17/00—Monitoring; Testing ; Maintaining
    • G21C17/02—Devices or arrangements for monitoring coolant or moderator
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C19/00—Arrangements for treating, for handling, or for facilitating the handling of, fuel or other materials which are used within the reactor, e.g. within its pressure vessel
    • G21C19/28—Arrangements for introducing fluent material into the reactor core; Arrangements for removing fluent material from the reactor core
    • G21C19/30—Arrangements for introducing fluent material into the reactor core; Arrangements for removing fluent material from the reactor core with continuous purification of circulating fluent material, e.g. by extraction of fission products deterioration or corrosion products, impurities, e.g. by cold traps
    • G21C19/317—Recombination devices for radiolytic dissociation products
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • Protection system in particular for the primary circuit of a nuclear facility, and method for operating a nuclear facility
  • the invention relates to a protection system for the primary circuit of a nuclear installation and to a primary circuit equipped with such a protection system. It further relates to a method for operating a nuclear facility with such a primary circuit.
  • radiolytic decomposition of water in radiolysis gas (H 2 ) and oxygen gas (O 2 ) can occur in the area of the reactor core.
  • the so-called radiolysis gas generated in this way can then be discharged into the main circuit or primary circuit of the nuclear plant with the live steam generated in the reactor core, where it circulates together with the flow medium carried there.
  • Suitable countermeasures are therefore desirable in branch lines of the primary circuit, such as, for example, the reactor cover spray line or the vapor line of the high-pressure feed system, although unnecessary countermeasures should be avoided as far as possible.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a protection system for the primary circuit of a nuclear installation, with which a particularly high level of operational safety in the primary circuit of the nuclear installation is ensured even under varying operating conditions. Furthermore, a method for operating a nuclear facility is to be specified, with which a particularly high level of operational safety is ensured even under varying operating conditions in the primary circuit.
  • this object is achieved according to the invention with a plurality of each in one
  • Line element of the primary circuit arranged catalytic elements, each of which a temperature sensor is assigned, wherein the temperature sensors are connected to a common evaluation unit.
  • the catalytic elements are designed in particular for the degradation of radiolysis gases, for example by catalytic recombination of hydrogen and oxygen to water.
  • the invention is based on the consideration that the formation of potentially explosive gas mixtures should be suppressed consistently for particularly high operational safety in the primary circuit of the nuclear installation.
  • the protection system should therefore be designed in such a way that even in those areas or branches of the primary circuit that are not regularly flowed through by the flow medium, an accumulation of radiolysis gas in the event of steam condensation can be avoided consistently.
  • the use of so-called catalytic elements in various branch lines or line elements of the primary circuit is fundamentally possible, the respective catalytic element ensuring early and extensive conversion of any radiolysis gas that may be present with oxygen gas to water in the manner of a recombination reaction.
  • measures should also be provided with which various types of branch lines or line elements of the primary circuit can be monitored in a simple and reliable manner for the possible presence or a concentration of radiolysis gas that is currently taking place.
  • a particularly suitable means of doing this is to specifically monitor and evaluate the temperature behavior of the respective catalytic elements. If hydrogen begins to accumulate in the immediate spatial environment of the respective catalytic element, local heating of the respective catalytic element occurs due to the reduction reaction favored by the respective catalytic element.
  • the temperature increase at the actual catalytic element could be comparatively small if countermeasures were initiated early.
  • the increasing system temperature in the respective system section or line element can therefore preferably be used as a monitoring criterion.
  • the temperature sensor assigned to the respective catalytic element is thus advantageously arranged within the respective line element. Monitoring the temperature behavior of the catalytic elements and / or
  • System temperature thus makes it possible to supplement the actually passive protective measure against the formation of explosive gas mixtures with diagnostic means with which the primary circuit can be monitored in a particularly simple manner for the occurrence of explosive gas mixtures.
  • the measured values obtained should be evaluated centrally for a particularly effective coordination of countermeasures.
  • the operating data of the catalytic elements received in the common evaluation unit are expediently used as the basis for the initiation of targeted countermeasures as required.
  • the evaluation unit is advantageously connected on the data output side to means for initiating protective measures.
  • This can be, for example, display or warning devices that notify the operating personnel of a potentially impending accident or a potential hazard, so that the Operating personnel can take targeted countermeasures, such as flooding or flushing an affected branch line.
  • suitable actuating devices or actuating value transmitters for specifically influencing selected operating components of the primary circuit.
  • the protection system is advantageously designed for targeted diagnosis and evaluation of the temperature characteristic data determined, even with varying operating parameters within the primary circuit. It is preferably taken into account that, with varying operating parameters in the primary cooling circuit, such as with varying operating pressure or operating temperature, different temperature expected values can occur for the individual catalytic elements, so that when the catalytic activity of the respective catalytic element begins, operating temperature-dependent local temperature variations can be expected ,
  • the evaluation unit of the protection system is advantageously provided with a memory module in which a number of reference temperature parameters are stored. In particular, for each catalytic element, a large number of reference temperature parameters can be stored for a large number of operating parameters in the primary circuit or also as a function of standardized operating situations.
  • the expected temperature characteristic of the respective catalytic element depends to a particular extent on the current nominal load condition and the resulting pressure and temperature conditions of the nuclear facility and / or on current load changes. On the basis of parameters characteristic of this, a rough expected value for their current temperature values can thus be derived in a particularly simple manner by means of central operating parameters for all catalytic elements provided in the primary circuit.
  • the evaluation unit is advantageously connected on the input side to a reference sensor for determining reference data relevant to the operating state of the nuclear facility.
  • the reference sensor is preferably arranged in the reactor pressure vessel of the nuclear facility.
  • the combination of passive countermeasures against the formation of explosive gas mixtures by the catalytic elements as such with a possibility of diagnosis and evaluation by monitoring the temperatures of the catalytic elements in a particularly advantageous development is also provided by means for active, local countermeasures against the undesired concentration of radiolysis gases supplemented to a particular extent.
  • the catalytic elements are advantageously designed to be heatable, a heating device being expediently assigned to each or each catalytic element.
  • the recombination or conversion rate on the respective catalytic element can be adjusted locally and as required, so that any locally present radiolysis gas can be broken down particularly effectively.
  • a targeted heating but also in the form of a cleaning, enables the targeted removal of any impurities or precipitates of the respective catalytic element in accordance with requirements, so that a hindrance to the local catalytic recombination process due to possible impurities can be completely avoided or at least minimized.
  • the heating devices are advantageously connected to a common control unit which supplies each heating element with an adapted control signal depending on the locally determined need.
  • the control unit expediently interacts with the evaluation unit.
  • the diffusion element which can be designed, for example, as a porous body or a porous protective layer, ensures due to its porous structure that in any case a certain amount of gas can penetrate from the interior of the respective line element to the catalyst body and be implemented there.
  • the diffusion element limits the inflow of gases to be converted to the actual catalyst body even in the case of comparatively large amounts of gas in the interior of the line element, so that the conversion rate and thus the locally established temperature can be kept below a desired limit value.
  • a pore or gap size of less than 0.5 mm, preferably less than 0.1 mm can reliably prevent ignition of reactive mixtures in the immediate vicinity of the catalyst body
  • the diffusion element in a further expedient embodiment with regard to its thickness is dimensioned such that the local temperature increase occurring on the catalyst body due to the design as a result of the reaction triggered by it does not exceed a predetermined limit value.
  • the dimensioning is expediently carried out in such a way that the temperature increase occurring as a result of the catalytic recombination reaction is in any case limited to a maximum of 200 ° Kelvin, preferably to a maximum of approximately 100 "Kelvin borne that the lower ignition limit of potentially explosive hydrogen-oxygen mixtures is around 550 ° C, which, however, can be somewhat lower at the higher live steam temperatures of around 285 ° C in the primary circuit, so that in any case the respective catalytic element for the surface temperature of which is a sufficient safety distance from the possible ignition temperature.
  • the diffusion element also ensures that discharge of catalytic material from the respective catalytic element cannot occur in the primary circuit. In this sense, the diffusion element acts as a retaining or trapping device for the catalytic material.
  • the device is also advantageously designed or can be operated in such a way that in the diffusion element in the unheated state, under the condensing conditions then present through the heat dissipation to the environment, a targeted water vapor condensation takes place in the pores of the diffusion body and thus the gas diffusion to the catalytic element is interrupted can. With the accumulation of radiolysis gases in the relevant pipe sections, this leads to a slight temperature decrease, which is registered via the temperature monitoring. When a predetermined limit value is reached, or cyclically controlled, the heating of the device is activated. Due to the external heating and
  • the condensate is expelled through a guide body, and the gas diffusion device becomes permeable to the radiolysis gases again. After diffusion of the radiolysis gases, the catalyst is recombined to form water vapor. After the radiolysis gas has been broken down, an increase in temperature is reached in the relevant pipe sections.
  • This mode of operation also has the advantage that areas in which radiolysis gases accumulate can be registered and specifically evaluated with regard to the formation rates.
  • the evaluation can be carried out automatically by means of the evaluation unit, the time-temperature profiles being automatically compared with the stored values and deviations from the pre-calculated values being reported. With this plant operation monitoring During the operation of the system, statements about the safe system operation of the system are always possible.
  • the specific heating and the associated release of the gas diffusion device make it possible to start the catalytic reaction under representative operating conditions.
  • This mode of operation enables in-situ functional verification for the catalytic device.
  • targeted proof of the effectiveness of the respective facility can be repeatedly provided, in particular also in the safety-relevant areas in which, for. B. a break exclusion, safe function, etc. is to be guaranteed.
  • the high proven reliability of the countermeasure makes a decisive contribution to increasing the operational safety of the overall system.
  • the protection system comprises a feed module in a further advantageous embodiment.
  • the feed module can be provided for feeding a flushing medium, such as flushing steam.
  • the feed module is advantageously designed for releasing and feeding oxygen into the primary circuit as required.
  • the protection system is advantageously used in the primary circuit of a nuclear installation.
  • the primary circuit comprises a plurality of line components provided for guiding a flow medium, the equipping of the line components or individual line elements of the primary circuit with a view to large-scale and reliable dismantling of any existing ones
  • Radiolysis gases is designed.
  • the fact is taken into account in particular that an undesired concentration of radiolysis gas as a result of steam condensation occurs due to the low specific weight of radiolysis gas can occur, in particular, in comparatively high-lying, non-continuously flowed pipe segments.
  • a number of the line elements of the primary circuit, which are equipped with catalytic elements are each designed as riser elements, which in particular have a gradient of, for example, more than 1%.
  • the above-mentioned object is achieved by comparing the measured values supplied by the temperature sensors with reference values obtained on the basis of reference measurements, a countermeasure being initiated if a measured value deviates from the assigned reference value.
  • an expected temperature can be specified.
  • the expected temperature behavior which depends in particular on the operating parameters of the flow medium in the assigned line element under the current operating conditions, and which can be determined, for example, on the basis of reference or calibration measurements, can be stored on the memory module, for example in the form of characteristic curves for a large number of operating states or operating parameters his.
  • a locally acting countermeasure is taken using the catalytic element identified as affected.
  • the catalytic element for whose measured value the deviation from the expected temperature value has been determined is advantageously heated.
  • the reference value used for the comparison with a measured value is advantageously selected on the basis of one or more measured values supplied by reference sensors.
  • the advantages achieved by the invention are, in particular, that by combining a passive countermeasure against the formation of explosive gas mixtures by radiolysis gases, namely by using the catalytic elements distributed in the primary circuit, with means for diagnosis and evaluation, namely the temperature monitoring of the catalytic elements , a need-based and effective initiation of countermeasures against the formation of explosive gas mixtures is made possible in a particularly simple manner.
  • a need-based and effective initiation of countermeasures against the formation of explosive gas mixtures is made possible in a particularly simple manner.
  • Fig. 1 shows schematically a protection system for the primary circuit of a nuclear facility
  • protection system 1 The only schematically in Figure 1 and shown in part protection system 1 'is provided to protect the primary circuit of a nuclear installation 2 against undesired formation of explosive gas mixtures by local concentration of Radiolysegasen.
  • the primary circuit 2 is designed according to the usual criteria for a boiling water reactor system, but is only shown in FIG. 1 in the form of a few line elements 4.
  • the line elements 4 are added to a conventional primary circuit 2 with the addition of further components, not shown.
  • a flow medium usually formed from water / steam, circulates during operation of the nuclear facility.
  • radiolytic decomposition of water into radiolysis gas H 2 and oxygen gas 0 2 can occur, which radiolysis gases can be conducted in the primary circuit 2 with the flow medium.
  • radiolysis gases can be conducted in the primary circuit 2 with the flow medium.
  • the protection system 1 is designed for targeted detection and for the reduction of such radiolysis gases as required.
  • the protection system 1 comprises a large number of catalytic elements 10 each arranged in a line element 8 of the primary circuit 2.
  • Each catalytic element 10 is used to initiate a recombination reaction of hydrogen and oxygen with the formation of water based on noble metal catalysts, for example on platinum or Palladium based, designed.
  • the catalytic elements 10 are arranged within the primary circuit 2 to a particular extent in those line elements 8 in which the concentration of radiolysis gases has to be expected due to the flow guidance. As shown in FIG. 1, these are in particular branch lines which are positioned comparatively high in relation to further line elements 4, so that condensing steam flows out of the line elements 8 into the line elements 4 underneath.
  • each catalytic element 10 Due to the initiated by the catalytic elements 10 in the presence of radiolysis H 2 recombination reaction with oxygen gas, 0 2, which complicates already the formation of explosive gas mixtures in the manner of a passive countermeasure, it turns on each affected catalytic element 10 locally a temperature change, in particular a temperature increase, on.
  • the protection system 1 is now designed to specifically detect this local temperature increase and to evaluate it, so that further, in particular active, countermeasures can be initiated immediately and as required.
  • each catalytic element 10 is in each case connected to an associated temperature sensor 12 via communication units 14 and bushings 16 inserted into the wall of the security container 6 with a central, common evaluation unit 18.
  • the evaluation unit 18 uses the temperature characteristic values to determine whether there is a need to initiate countermeasures.
  • the evaluation unit 18 is connected on the data side to a memory module 20, in which for a large number of operating parameters of the nuclear technology System reference temperature parameters for the catalytic elements 10 are stored.
  • the reference temperature parameters can be stored in the form of data records or as measurement curves characteristic of a temperature profile.
  • the evaluation unit 18 can thus determine whether there is a deviation which makes it necessary to initiate countermeasures by comparing the actual temperature values of the catalytic elements 10 with the reference temperature parameters stored in the storage module 20.
  • the protection system 1 is also particularly designed to take into account the current system status when determining the need to trigger countermeasures against the impending formation of explosive gas mixtures.
  • the evaluation unit 18 is connected on the input side to a reference sensor 24 arranged in the reactor pressure vessel or another suitable component, such as the feed water tank, the condenser chamber or similar, of the nuclear installation.
  • the reference sensor 24 determines parameters that are characteristic of the operating state of the nuclear facility, such as the pressure and the temperature in the reactor pressure vessel.
  • the evaluation unit 18 can determine from the reference characteristic values stored in the memory module 20 those which are relevant for the catalytic elements 10 correspond to the respective expected value.
  • the evaluation unit 18 On the data output side, the evaluation unit 18 is connected to means for initiating countermeasures or protective measures. For this purpose, the evaluation unit 18 is connected, on the one hand, to a reporting or alarm device 25, which alerts the operating personnel to the need to initiate countermeasures.
  • the signaling or alarm device 25 can be used, for example, as a monitor or
  • the catalytic elements 10 are not only designed in the manner of passive components, but on the other hand are also designed for active intervention from outside.
  • the catalytic elements are designed to be heatable.
  • the catalytic element 10 is designed as a pipe installation element 30 which is inserted into the respective line element 8 via flange connections 32.
  • the line element 8 can also be assigned a number of fittings 33, via which the line element 8 can be shut off from the other elements of the primary circuit 2.
  • the catalytic element 10 has a catalytically active coating 36 applied to the inside of a tubular jacket 34, which is based in particular on the use of noble metals, such as platinum and / or palladium, as the catalytically active material.
  • the coating 36 in this case comprises an adhesion promoter layer 38 which is applied directly to the tube inner wall of the tube jacket 34 and which can in particular be designed as a metal layer applied by plasma spraying.
  • catalytic components such as. B bushings, rings, pipe sections, which with high strength, z. B. galvanically or plasma-sprayed catalyst, in particular for an operating range below about 200 ° C, the application of a hydrophobization, so that the function is ensured even under condensing conditions - without heating.
  • a rough surface is produced by thermal or chemical treatment, on which the catalytically active metals platinum and / or palladium are applied in finely divided form as catalytic centers of an actual catalyst layer 40.
  • the carrier layer of the catalyst layer 40 particular attention is paid to a particularly large reactive surface, it being possible, if necessary, to additionally use a porous ceramic body with a correspondingly enlarged inner surface.
  • the temperature sensor 12 is arranged on the tubular jacket 34 in the immediate vicinity of the catalytically active coating 36. Furthermore, the catalytic element 10 is assigned a heating device 50 which, in the exemplary embodiment according to FIG. 2, surrounds the tubular jacket 34 in an annular manner and can be supplied with a heating current via an external energy source 52, which is only shown schematically in FIG.
  • the catalytic element 10 is designed as a built-in part and is flanged to a connecting piece 62 of the associated line element 8 via a cover flange 60.
  • the catalytic element 10 according to FIG. 3 likewise comprises a catalyst layer 40, which in this case is applied to a carrier core 64 to form a catalyst body.
  • the temperature sensor 12 is integrated in the carrier core 64, so that a particularly precise measurement of the local temperature values of the catalytic element 10 is made possible.
  • the heating device 50 is arranged on the cover flange 60.
  • the catalyst layer 40 is encased by a diffusion element 70 towards the flow space of the line element 8. Due to the sheathing with the diffusion element 70 or alternatively also with, for example, a metallic porous protective layer, the catalytic element 10 can be used in gaseous and also liquid dormant or, at times, strongly flowing media.
  • the diffusion element 70 is designed as a porous body with a pore or gap size of less than approximately 0.1 mm, so that ignition of reactive gas mixtures is reliably avoided in the area immediately adjacent to the catalyst layer 40.
  • the diffusion element 70 also ensures that there is no discharge of catalytic material from the catalyst layer 40 into the flow space of the line element 8.
  • the design is such that the diffusion of radiolysis gases from the interior of the line element 8 to the catalyst layer 40 is limited in such a way that the temperature increase caused by the exothermic recombination reaction does not exceed a predetermined maximum value of approximately 100 "Kelvin in the exemplary embodiment.
  • the countermeasure can be implemented as a thermocouple or resistance thermometer with a catalyst element with a diffusion layer attached to the cylindrical part, so that small external dimensions are possible. If it is designed as a resistance thermometer, it can continue to be heated directly on the catalytic converter section using an integrated resistor. Due to the small diameter of ⁇ 20 mm, preferably ⁇ 5 mm, the entire device can also be soldered or welded directly into the pressure-bearing wall or into a coupling piece.
  • the protection system 1 comprises a feed module (not shown in more detail in FIG. 1) for releasing and feeding in as required Oxygen in the primary circuit 2.
  • Temperature measuring device e.g. B. can be integrated as a thermocouple / resistance thermometer, which can also be arranged within the pressure-carrying enclosure with a correspondingly high-quality soldering / welding.
  • the current temperature values for the catalytic elements 10 are continuously monitored.
  • the actual temperature values determined are compared in the evaluation unit 18 with reference temperature characteristic values that are available for the respective catalytic element 10 for the respective one operational condition of the nuclear facility are expected. If there is a characteristic deviation from the
  • Countermeasures are initiated. If necessary, the operating personnel can be informed or alarmed, automated countermeasures, such as, for example, increased degradation of the radiolysis gases by targeted heating of individual or all catalytic elements 10, possibly also being carried out.
  • the catalytic elements can advantageously also be arranged according to fittings which, in certain operating cases, enable steam to be discharged into the condensation pool. This allows particularly effective occurring primary steam leaks - even in areas of low temperature - which would lead normal operational by condensation to form H 2/0 2 enrichment in the blowdown pipes, are reliably prevented.
  • reaction and diffusion body can also be heated directly, thus within the pressure-carrying enclosure.
  • z. B Measurement of the electrical resistances of the body connected in parallel - because of the different temperatures - the H2 concentration can also be determined directly.

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Abstract

Ein Schutzsystem (1) für den Primärkreislauf (2) einer kerntechnischen Anlage soll für eine besondere betriebliche Sicherheit im Primärkreislauf (2) der kerntechnischen Anlage auch bei variierenden Betriebsbedingungen ausgelegt sein. Dazu ist erfindungsgemäss eine Mehrzahl von jeweils in einem Leitungselement (4, 8) des Primärkreislaufs (2) angeordneten katalytischen Elementen (10) vorgesehen, denen jeweils ein Temperatursensor (12) zugeordnet ist, wobei die Temperatursensoren (12) mit einer gemeinsamen Auswerteeinheit (18) verbunden sind.

Description

Beschreibung
Schutzsystem, insbesondere für den Primärkreislauf einer kerntechnischen Anlage, und Verfahren zum Betreiben einer kerntechnischen Anlage
Die Erfindung bezieht sich auf ein Schutzsystem für den Primärkreislauf einer kerntechnischen Anlage sowie auf einen mit einem derartigen Schutzsystem ausgerüsteten Primärkreislauf. Sie betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben einer kerntechnischen Anlage mit einem derartigen Primärkreislauf.
In einer kerntechnischen Anlage, insbesondere in einer Siedewasser-Reaktoranlage, kann im Bereich des Reaktorkerns eine radiolytische Zersetzung von Wasser in Radiolysegas (H2) und Sauerstoffgas (O2) auftreten. Das solchermaßen erzeugte sogenannte Radiolysegas kann anschließend mit dem im Reaktorkern erzeugten Frischdampf in den Hauptkreislauf oder Primärkreislauf der kerntechnischen Anlage ausgetragen werden, wo es gemeinsam mit dem dort geführten Strömungsmedium zirkuliert.
Die dabei üblicherweise auftretenden Wasserstoff- und/oder Sauerstoffkonzentrationen im Frischdampf sind bei üblichen Betriebszuständen der kerntechnischen Anlage vergleichsweise niedrig und betragen beispielsweise etwa einige ppm. In den regelmäßig durchströmten Hauptleitungen des Primärkreislaufs sind derartige Konzentrationen unkritisch und können in der Regel nicht zu einer nennenswerten Gefährdung der betrieblichen Sicherheit der kerntechnischen Anlage führen. Allerdings könnte in nicht regelmäßig durchströmten Bereichen des Primärkreislaufs und/oder bei besonderer Betriebsweise der kerntechnischen Anlage lokal eine Kondensation des Dampfs erfolgen, die im verbleibenden gasförmigen Medium mittelfristig in einer Aufkonzentration der Radiolysegase resultieren könnte.
In diesen Fällen könnte es lokal zur Bildung explosiver Gasgemische innerhalb des Primärkreislaufs der kerntechnischen Anlage kommen. Zur Vermeidung einer Gefährdung der betrieblichen Sicherheit der kerntechnischen Anlage durch die Bildung derartiger Gasgemische insbesondere in nicht regelmäßig durchströmten Zweigleitungen des Primärkreislaufs, wie beispielsweise der Reaktordeckelsprühleitung oder der Zudampfleitung des Hochdruckeinspeisesystems, sind daher geeignete Gegenmaßnahmen wünschenswert, wobei allerdings eine unnötige Einleitung von Gegenmaßnahmen möglichst vermieden werden sollte.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schutzsystem für den Primärkreislauf einer kerntechnischen Anlage anzugeben, mit dem eine besonders hohe betriebliche Sicherheit im Primärkreislauf der kerntechnischen Anlage auch bei variierenden Betriebsbedingungen gewährleistet ist. Des Weiteren soll ein Verfahren zum Betreiben einer kerntechnischen Anlage angegeben werden, mit dem auch bei variierenden Betriebsbedingungen im Primärkreislauf eine besonders hohe betriebliche Sicherheit gewährleistet ist.
Bezüglich des Schutzsystems für den Primärkreislauf der kerntechnischen Anlage wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit einer Mehrzahl von jeweils in einem
Leitungselement des Primärkreislaufs angeordneten katalytischen Elementen, denen jeweils ein Temperatursensor zugeordnet ist, wobei die Temperätursensoren mit einer gemeinsamen Auswerteeinheit verbunden sind. Die katalytischen Elemente sind dabei insbesondere für einen Abbau von Radiolysegasen, beispielsweise durch katalytische Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser ausgelegt.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass für eine besonders hohe betriebliche Sicherheit im Primärkreislauf der kerntechnischen Anlage die Bildung möglicherweise explosiver Gasgemische konsequent unterdrückt werden sollte. Das Schutzsystem sollte daher derart ausgestaltet sein, dass auch in denjenigen Bereichen oder Zweigleitungen des Primärkreislaufs, die nicht regelmäßig vom Strömungsmedium durchströmt sind, eine Anreicherung von Radiolysegas im Fall der Auskondensation von Dampf konsequent vermieden werden kann. Zu diesem Zweck kommt grundsätzlich der Einsatz sogenannter katalytischer Elemente in verschiedenartigen Zweigleitungen oder Leitungselementen des Primärkreislaufs in Betracht, wobei das jeweilige katalytische Element eine frühzeitige und weitgehende Umsetzung möglicherweise vorhandenen Radiolysegases mit Sauerstoffgas zu Wasser in der Art einer Rekombinationsreaktion gewährleistet. Um aber über derartige, passive Maßnahmen hinausgehend eine besonders hohe betriebliche Sicherheit zu gewährleisten, sollten zudem Maßnahmen vorgesehen sein, mit denen verschiedenartige Zweigleitungen oder Leitungselemente des Primärkreislaufs auf einfache und zuverlässige Weise auf das mögliche Vorhandensein oder eine gerade stattfindende Aufkonzentration von Radiolysegas hin überwachbar sind. Als ein besonders geeignetes Mittel hierzu ist vorgesehen, das Temperaturverhalteή der jeweiligen katalytischen Elemente gezielt zu überwachen und auszuwerten. Falls sich nämlich in der unmittelbaren räumlichen Umgebung des jeweiligen katalytischen Elements Wasserstoff anzusammeln beginnt, so tritt aufgrund der durch das jeweilige katalytische Element begünstigten Reduktionsreaktion eine lokale Aufheizung des jeweiligen katalytischen Elements ein.
Die Temperaturerhöhung am eigentlichen katalytischen Element könnte bei früher Einleitung von Gegenmaßnahmen vergleichsweise gering sein. Um nach erfolgter H2 - O2- Reaktion eine besonders zuverlässige Diagnose zu ermöglichen, kann daher vorzugsweise die sich erhöhende Systemtemperatur im jeweiligen Systemabschnitt oder Leitungselement als Überwachungskriterium herangezogen werden. Der dem jeweiligen katalytischen Element zugeordnete Temperatursensor ist somit vorteilhafterweise innerhalb des jeweiligen Leitungselements angeordnet. Die Überwachung des Temperaturverhaltens der katalytischen Elemente und/oder der
Systemtemperatur ermöglicht somit, die eigentlich passive Schutzmaßnahme gegen die Bildung explosiver Gasgemische noch durch Diagnosemittel zu ergänzen, mit denen der Primärkreislauf auf besonders einfache Weise auf das Auftreten explosiver Gasgemische hin überwachbar ist. Die dabei erhaltenen Messwerte sollten für eine besonders wirksame Koordination von Gegenmaßnahmen zentral ausgewertet werden.
Zweckmäßigerweise werden die in der gemeinsamen Auswerteeinheit empfangenen Betriebsdaten der katalytischen Elemente als Grundlage für die bedarfsweise Einleitung gezielter Gegenmaßnahmen genutzt. Dazu ist die Auswerteeinheit vorteilhafterweise datenausgangsseitig mit Mitteln zum Einleiten von Schutzmaßnahmen verbunden. Dabei kann es sich beispielsweise um Anzeige- oder Warneinrichtungen handeln, die das Betriebspersonal auf einen sich möglicherweise anbahnenden Störfall oder ein Gefährdungspotential hinweisen, so dass das Betriebspersonal gezielte Gegenmaßnahmen, wie beispielsweise die Flutung oder Spülung einer betroffenen Zweigleitung, vornehmen kann. Alternativ kann aber auch eine direkte, automatisierte Einleitung von geeigneten Gegenmaßnahmen vorgesehen sein, wobei die Auswerteeinheit beispielsweise mit geeigneten Stelleinrichtungen oder Stellwertgebern zur gezielten Beeinflussung von ausgewählten Betriebskomponenten des Primärkreislaufs verbunden sein kann.
Für eine besonders hohe betriebliche Sicherheit auch bei variierenden Betriebsbedingungen ist das Schutzsystem vorteilhafterweise für eine gezielte Diagnose und Auswertung der ermittelten Temperaturkenndaten auch bei variierenden Betriebsparametern innerhalb des Primärkreislaufs ausgelegt. Dabei wird vorzugsweise berücksichtigt, dass bei variierenden Betriebsparametern im Primärkühlkreislauf, wie beispielsweise bei variierendem Betriebsdruck oder variierender Betriebstemperatur, unterschiedliche Temperatur-Erwartungswerte für die einzelnen katalytischen Elemente auftreten können, so dass bei einsetzender katalytischer Aktivität des jeweiligen katalytischen Elements mit betriebsparameterabhängigen lokalen Temperaturvariationen zu rechnen ist. Um auch unter diesen Bedingungen eine zuverlässige Diagnose und Auswertung zu ermöglichen, ist die Auswerteeinheit des Schutzsystems vorteilhafterweise mit einem Speichermodul versehen, in dem eine Anzahl von Referenztemperaturkennwerten hinterlegt ist. Dabei kann insbesondere für jedes katalytische Element jeweils eine große Vielzahl von Referenztemperaturkennwerten für eine große Vielzahl von Betriebsparametern im Primärkreislauf oder auch in Abhängigkeit von standardisierten betrieblichen Situationen hinterlegt sein.
In besonderem Maße hängt der erwartete Temperaturkennwert des jeweiligen katalytischen Elements vom aktuellen Nennlastzustand und den resultierenden Druck- und Temperaturbedingungen der kerntechnischen Anlage und/oder von aktuellen Lastwechseln ab. Aufgrund hierfür charakteristischer Parameter ist somit auf besonders einfache Weise durch zentrale Betriebsparameter für sämtliche im Primärkreislauf vorgesehenen katalytischen Elemente ein grober Erwartungswert für deren aktuelle Temperaturwerte ableitbar. Um auf dieser Grundlage auf besonders einfache Weise eine Berücksichtigung des Anlagenzustands bei der Diagnose und Auswertung der ermittelten Temperaturkennwerte zu ermöglichen, ist die Auswerteeinheit vorteilhafterweise eingangsseitig mit einem Referenzsensor zu Ermittlung von für den Betriebszustand der kerntechnischen Anlage relevanten Referenzdaten verbunden. Der Referenzsensor ist dabei vorzugsweise im Reaktordruckbehälter der kerntechnischen Anlage angeordnet.
Zur Sicherstellung einer besonders hohen betrieblichen Sicherheit ist im Schutzsystem die Kombination aus passiven Gegenmaßnahmen gegen die Bildung explosiver Gasgemische durch die katalytischen Elemente als solche mit einer Diagnose- und Auswertmöglichkeit durch die Überwachung der Temperaturen der katalytischen Elemente in besonders vorteilhafter Weiterbildung noch durch Mittel für aktive, in besonderem Maße lokal wirkende Gegenmaßnahmen gegen die unerwünschte Aufkonzentrierung von Radiolysegasen ergänzt. Um derartige Gegenmaßnahmen auf besonders einfache Weise bereitzustellen, sind die katalytischen Elemente vorteilhafterweise beheizbar ausgebildet, wobei zweckmäßigerweise dem oder jedem katalytischen Element jeweils eine Heizeinrichtung zugeordnet ist.
Durch eine gezielte Beheizung einzelner oder aller katalytischen Elemente ist dabei einerseits lokal und bedarfsgerecht die Rekombinations- oder Umsetzungsrate am jeweiligen katalytischen Element einstellbar, so dass eventuell lokal vorhandenes Radiolysegas besonders wirksam abgebaut werden kann. Zusätzlich ist durch eine gezielte Beheizung aber auch in der Art einer Reinigung die gezielte und bedarfsgerechte Entfernung eventueller Verunreinigungen oder Niederschläge des jeweiligen katalytischen Elements möglich, so dass eine Behinderung des lokalen katalytischen Rekombinationsprozesses durch möglicherweise vorhandene Verunreinigungen völlig vermieden oder zumindest minimiert werden kann.
Die Heizeinrichtungen sind dabei vorteilhafterweise mit einer gemeinsamen Steuereinheit verbunden, die jedem Heizelement in Abhängigkeit vom lokal ermittelten Bedarf ein angepasstes Steuersignal zuführt. Die Steuereinheit wirkt dabei zweckmäßigerweise mit der Auswerteeinheit zusammen. Beim Einsatz der katalytischen Elemente ist aufgrund der exothermen Rekombinationsreaktion mit einer lokalen Temperaturerhöhung beim katalytischen Abbau des Radiolysegases zu rechnen. Da diese lokale Temperaturerhöhung von der Umsetzungsrate des abzubauenden Radiolysegases und somit von der lokal vor- handenen Gasmenge abhängt, sind die katalytischen Elemente für eine besonders hohe betriebliche Sicherheit vorteilhafterweise derart ausgelegt, dass auch bei vergleichsweise hohen lokal auftretenden Radiolysegasmengen bestimmte Temperaturgrenzwerte und insbesondere die Zündtemperatur für den Wasserstoff nicht überschritten wird. Dies ist auf vergleichsweise einfache Weise erreichbar, indem das oder jedes katalytische Element vorteilhafterweise jeweils einen Katalysatorkörper umfasst, der zum Strömungsraum des jeweiligen Leitungselements hin von einem Diffusionselement ummantelt ist.
Das Diffusionselement, das beispielsweise als poröser Körper oder porös ausgestaltete Schutzschicht ausgebildet sein kann, gewährleistet dabei aufgrund seiner porösen Struktur, dass in jedem Fall eine gewisse Gasmenge vom Innenraum des jeweiligen Leitungselements hin zum Katalysatorkörper vordringen kann und dort umgesetzt wird. Andererseits beschränkt das Diffusionselement auch bei vergleichsweise hohen Gasmengen im Innenraum des Leitungselements den Zustrom an umzusetzenden Gasen zum eigentlichen Katalysatorkörper, so dass die Umsetzungsrate und damit die sich lokal einstellende Temperatur unterhalb eines gewünschten Grenzwerts gehalten werden kann. Insbesondere durch eine Poren- oder Spaltgröße von weniger als 0,5 mm, vorzugsweise weniger als 0,1 mm, kann dabei eine Zündung von reaktionsfähigen Gemischen in der direkten Umgebung des Katalysatorkörpers sicher vermieden werden, wobei das Diffusionselement in weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung hinsichtlich seiner Dicke derart dimensioniert ist, dass die am Katalysatorkörper auslegungsbedingt infolge der von ihm ausgelösten Reaktion eintretende lokale Temperaturerhöhung einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet.
Die Dimensionierung ist dabei zweckmäßigerweise insbesondere derart vorgenommen, dass die infolge der katalytischen Rekombinationsreaktion auftretende Temperaturerhöhung in jedem Fall auf maximal 200 °Kelvin, vorzugsweise auf maximal etwa 100 "Kelvin, begrenzt ist. Dabei ist insbesondere der Erkenntnis Rechnung getragen, dass die untere Zündgrenze möglicherweise explosiver Wasserstoff- Sauerstoff-Gemische bei etwa 550 °C liegt, die jedoch bei den im Primärkreislauf herrschenden höheren Frischdampftemperaturen von etwa 285 °C noch etwas tiefer liegen kann, so dass in jedem Fall am jeweiligen katalytischen Element für dessen Oberflächentemperatur ein ausreichender Sicherheitsabstand zur möglichen Zündtemperatur eingehalten ist. Durch das Diffusionselement ist zudem auch sichergestellt, dass ein Austrag von katalytischem Material aus dem jeweiligen katalytischen Element in den Primärkreislauf nicht eintreten kann. In diesem Sinne wirkt das Diffusionselement als Rückhalte- oder Fangeinrichtung für das katalytische Material.
Die Einrichtung ist weiterhin vorteilhaft so ausgelegt oder kann so betrieben werden, daß im Diffusionselement im ungeheizten Zustand, unter den dann durch die Wärmeableitung zur Umgebung vorliegenden kondensierenden Bedingungen, eine gezielte Wasserdampfkondensation in den Poren des Diffusionkörpers erfolgt und somit die Gasdiffusion zum katalytischen Element unterbrochen werden kann. Dies führt bei der Ansammlung von Radiolysegasen in den betreffenden Rohrabschnitten zu einer leichten Temperaturabsenkung, die über die Temperaturüberwachung registriert wird. Bei Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes, oder zyklisch gesteuert, erfolgt die Aktivierung der Beheizung der Einrichtung. Durch die äußere Beheizung und
Wärmetransport über einen Leitkörper erfolgt das Austreiben des Kondensates, und die Gasdiffusionseinrichtung wird somit wieder durchlässig für die Radiolysegase. Nach Diffusion der Radiolysegase erfolgt nun am Katalysator die Rekombination zu Wasserdampf. Nach erfolgtem Radiolysegasabbau wird in den betreffenden Rohrabschnitten ein Anstieg der Temperatur erreicht.
Diese Betriebsweise hat weiterhin den Vorteil, daß Bereiche, in denen sich Radiolysegase ansammeln, registriert und gezielt hinsichtlich der Enstehungsraten bewertet werden können. Die Bewertung kann hierbei mittels der Auswerteeinheit automatisch durchgeführt werden, wobei die Zeit- Temperaturverläufe mit den gespeicherten Werten automatisch verglichen und Abweichungen von den vorausberechneten Werten gemeldet werden. Mit diesem Anlagenbetriebsüberwach- ungssystem sind betriebsbegleitend ständig Aussagen zum sicheren Systembetrieb der Anlage möglich.
Weiterhin wird durch die gezielte Beheizung und die damit verbundene Freigabe der Gasdiffusionseinrichtung der definierte Start der katalytischen Reaktion unter repräsentativen Betriebsbedingungen möglich. Durch diese Betriebsweise wird ein In- situ-Funktionsnachweis für die katalytische Einrichtung ermöglicht. Hierdurch kann ein gezielter Nachweis über die Wirksamkeit der jeweiligen Einrichtung wiederholt erbracht werden, insbesondere auch in den sicherheitstechnisch relevanten Bereichen, in denen z. B. ein Bruchausschluß, sichere Funktion, etc. zu gewährleisten ist. Durch die hohe nachgewiesene Zuverlässigkeit der Gegenmaßnahme wird ein entscheidender Beitrag zur Erhöhung der Betriebssicherheit der Gesamtanlage erbracht.
Je nach Betriebszustand der kerntechnischen Anlage und abhängig von den lokalen Begebenheiten an der jeweiligen Stelle des Primärkreislaufs ist es denkbar, dass lokal Radiolysegas auftreten kann, ohne dass in gleichem Maße Sauerstoff zur Verfügung steht. In diesem Fall wäre eine katalytische Entfernung des Radiolysegases nicht ohne Weiteres möglich, da nicht ausreichend Sauerstoff zur Durchführung der katalytischen Rekombinationsreaktion vorhanden ist. Um auch in derartigen Fällen eine zuverlässige Entfernung des Radiolysegases aus dem Primärkreislauf zu gewährleisten, umfasst das Schutzsystem in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ein Einspeisemodul. Das Einspeisemodul kann zur Enspeisung eines Spülmediums wie beispielsweise Spüldampf vorgesehen sein. Vorteilhafterweise ist das Einspeisemodul zur bedarfsweisen Freisetzung und Einspeisung von Sauerstoff in den Primärkreislauf ausgelegt.
Vorteilhafterweise wird das Schutzsystem im Primärkreislauf einer kerntechnischen Anlage verwendet. Der Primärkreislauf umfasst dabei eine Mehrzahl von zur Führung eines Strömungsmediums vorgesehenen Leitungskomponenten, wobei die Bestückung der Leitungskomponenten oder einzelner Leitungselemente des Primärkreislaufs im Hinblick auf einen großflächigen und zuverlässigen Abbau eventuell vorhandener
Radiolysegase ausgelegt ist. In vorteilhafter Weiterbildung ist dabei insbesondere dem Umstand Rechnung getragen, dass eine unerwünschte Aufkonzentration von Radiolysegas infolge einer Auskondensation von Dampf aufgrund des geringen spezifischen Gewichts von Radiolysegas insbesondere in vergleichsweise hoch gelegenen, nicht kontinuierlich durchströmten Rohrleitungssegmenten auftreten kann. In vorteilhafter Weiterbildung ist daher eine Anzahl der Leitungselemente des Primärkreislaufs, die mit katalytischen Elementen bestückt sind, jeweils als Steigleitungselemente ausgebildet, die insbesondere ein Gefälle von beispielsweise mehr als 1 % aufweisen.
Bezüglich des Verfahrens zum Betreibens einer kerntechnischen Anlage mit einem derartig ausgerüsteten Primärkreislauf wird die genannte Aufgabe gelöst, indem die von den Temperatursensoren gelieferten Messwerte mit anhand von Referenzmessungen gewonnenen Referenzwerten verglichen werden, wobei bei einer Abweichung eines Messwerts vom ihm zugeordneten Referenzwert eine Gegenmaßnahme eingeleitet wird.
Dabei kann insbesondere berücksichtigt werden, dass anhand von Erfahrungswerten für jedes der katalytischen Elemente abhängig vom aktuellen Betriebszustand der kemtechnischen Anlage ein jeweils erwartetes Temperatun/erhalten vorgegeben werden kann. Das erwartete Temperaturverhalten, das insbesondere von den Betriebsparametern des Strömungsmediums im zugeordneten Leitungselement unter den aktuellen Betriebsbedingungen abhängt, und das beispielsweise aufgrund von Referenz- oder Eichmessungen ermittelt werden kann, kann beispielsweise in Form von Kennlinien für eine Vielzahl von Betriebszuständen oder Betriebsparametern auf dem Speichermodul hinterlegt sein.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung wird in dem Fall, dass die Notwendigkeit eines Eingriffs in den Primärkreislauf zur Beseitigung von Radiolysegasen festgestellt wird, eine lokal wirkende Gegenmaßnahme unter Nutzung des als betroffen erkannten katalytischen Elements vorgenommen. Dazu wird vorteilhafterweise dasjenige katalytische Element, für dessen Messwert die Abweichung vom erwarteten Temperaturwert festgestellt wurde, beheizt.
Vorteilhafterweise wird bei der Auswertung der für die katalytischen Elemente festgestellten Temperaturwerte der aktuelle Betriebszustand der kerntechnischen Anlage in besonderem Maße berücksichtigt. Dazu wird der für den Vergleich mit einem Messwert herangezogene Referenzwert vorteilhafterweise anhand eines oder mehrerer von Referenzsensoren gelieferten Messwerten ausgewählt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Kombination einer passiven Gegenmaßnahme gegen die Bildung explosiver Gasgemische durch Radiolysegase, nämlich durch die Verwendung der im Primärkreislauf verteilt angeordneten katalytischen Elemente, mit Mitteln zur Diagnose und Auswertung, nämlich der Temperaturüberwachung der katalytischen Elemente, auf besonders einfache Weise ein bedarfsgerechte und wirkungsvolle Einleitung von Gegenmaßnahmen gegen die Bildung explosiver Gasgemische ermöglicht ist. Unter gezielter Nutzung der Erkenntnis, dass die bei Anwesenheit von unerwünschtem Radiolysegas einsetzende katalytische Rekombinationsreaktion zu einer lokalen Temperaturerhöhung des jeweiligen katalytischen Elements beiträgt, ist auch unter variierenden Betriebsbedingungen oder Anlagenzuständen ein zuverlässiger Rückschluss auf sich möglicherweise anbahnende gefährdungsrelevante Situationen möglich.
Durch die Hinterlegung einer Vielzahl von abhängig vom jeweiligen Anlagenzustand ermittelten Referenzkennlinien oder -kennwerten ist die Diagnose und auch die bedarfsgerechte Einleitung von Gegenmaßnahmen mit besonders hoher Zuverlässigkeit an den jeweiligen Anlagenzustand anpassbar. Darüber hinaus ist bei einem derartigen System in geeigneten Situationen, beispielsweise während eines Anlagenstillstands zu Revisions- oder Wartungszwecken, mit nur geringem Aufwand durch gezielte lokale Einleitung eines wasserstoffhaltigen Gasgemischs eine
Funktionsüberprüfung des Schutzsystems im eingebauten Zustand möglich, so dass gerade im üblicherweise genehmigungspflichtigen sicherheitsrelevanten Bereich einer kerntechnischen Anlage die zuverlässige Funktionsfähigkeit des Schutzsystems besonders nachhaltig nachgewiesen werden kann. Das Schutzsystem ist zudem in besonderem Maße für integrierte Wiederholungsprüfzyklen und für eine Vermeidung von Katalysatorabrieb geeignet, so dass eine besonders hohe betriebliche Zuverlässigkeit gewährleistet ist. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 schematisch ein Schutzsystem für den Primärkreislauf einer kern- technischen Anlage und
Fig. 2, 3 jeweils ein Ausführungsbeispiel für ein in einem Leitungselement des Primärkreislaufs angeordnetes katalytisches Element.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den selben Bezugszeichen versehen.
Das in Figur 1 lediglich schematisch und auszugsweise dargestellte Schutzsystem 1 ist zur Absicherung des Primärkreislaufs 2 einer kerntechnischen Anlage gegen eine unerwünschte Bildung explosiver Gasgemische'durch lokale Aufkonzentration von Radiolysegasen vorgesehen. Der Primärkreislauf 2 ist dabei im Ausführungsbeispiel nach üblichen Kriterien für eine Siedewasser-Reaktoranlage ausgestaltet, in Figur 1 jedoch lediglich in Form einiger Leitungselemente 4 wiedergegeben. Selbstverständlich sind die Leitungselemente 4 unter Hinzufügung weiterer, nicht näher dargestellter Komponenten zu einem herkömmlichen Primärkreislauf 2 zusammengesetzt.
Im Primärkreislauf 2, dessen Komponenten innerhalb eines Sicherheitsbehälters 6 geführt sind, zirkuliert beim Betrieb der kerntechnischen Anlage ein Strömungsmedium, üblicherweise gebildet aus Wasser/Dampf. Infolge der bei der Energieumwandlung in der kerntechnischen Anlage auftretenden Prozesse kann es zur radiolytischen Zersetzung von Wasser in Radiolysegas H2 und Sauerstoffgas 02 kommen, wobei diese Radiolysegase mit dem Strömungsmedium im Primärkreislauf 2 geführt sein können. Obwohl deren Konzentration unter üblichen Betriebsbedingungen unkritisch ist und nicht zur Bildung explosiver Gasgemische führen kann, so könnte an lokalen Stellen des Primärkreislaufs 2, die nicht regelmäßig vom Strömungsmedium durchströmt sind, doch eine Auskondensation des dort vorhandenen Dampfes mit daraus resultierender Aufkonzentration der Radiolysegase auftreten. Dies könnte lokal zur unerwünschten Bildung explosiver Gasgemische führen. Das Schutzsystem 1 ist zur gezielten Erkennung und zum bedarfsweisen Abbau derartiger Radiolysegase ausgelegt. Dazu umfasst das Schutzsystem 1 eine Vielzahl von jeweils in einem Leitungselement 8 des Primärkreislaufs 2 angeordneten katalytischen Elementen 10. Jedes katalytische Element 10 ist dabei zur Einleitung einer Rekombinationsreaktion von Wasserstoff und Sauerstoff unter Bildung von Wasser auf der Basis von Edelmetallkatalysatoren, beispielsweise auf Platin- oder Palladiumbasis, ausgelegt. Die katalytischen Elemente 10 sind dabei innerhalb des Primärkreislaufs 2 in besonderem Maße in denjenigen Leitungselementen 8 angeordnet, in denen aufgrund der Strömungsführung vermehrt mit der Auf- konzentration von Radiolysegasen gerechnet werden muss. Wie in Figur 1 dargestellt, sind dies insbesondere Zweigleitungen, die in Relation zu weiteren Leitungselementen 4 vergleichsweise hoch positioniert sind, so dass auskondensierender Dampf aus den Leitungselementen 8 in die darunterliegenden Leitungselemente 4 abfließt.
Aufgrund der von den katalytischen Elementen 10 bei Anwesenheit von Radiolysegas H2 initiierten Rekombinationsreaktion mit Sauerstoffgas 02 , die in der Art einer passiven Gegenmaßnahme bereits die Bildung explosiver Gasgemische erschwert, stellt sich am jeweils betroffenen katalytischen Element 10 lokal eine Temperaturänderung, insbesondere eine Temperaturerhöhung, ein. Das Schutzsystem 1 ist nunmehr darauf ausgerichtet, diese lokale Temperaturerhöhung gezielt zu erfassen und zur Auswertung zu bringen, so dass bedarfsgerecht und unmittelbar weitere, insbesondere aktive, Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können. Dazu ist jedes katalytische Element 10 jeweils mit einem zugeordneten Temperatursensor 12 über Kommunikationseinheiten 14 und in die Wand des Sicherheitsbehälters 6 eingesetzte Durchführungen 16 mit einer zentralen, gemeinsamen Auswerteeinheit 18 verbunden.
Unter gezielter Auswertung der Erkenntnis, -dass bei der Anwesenheit von Radiolysegas in der Umgebung des jeweiligen katalytischen Elements 10 dort eine Temperaturerhöhung eintritt, wird über die Auswerteeinheit 18 anhand der Temperaturkennwerte ermittelt, ob die Notwendigkeit zur Einleitung von Gegenmaßnahmen besteht. Dazu ist die Auswerteeinheit 18 datenseitig mit einem Speichermodul 20 verbunden, in dem für eine große Vielzahl von Betriebsparametern der kerntechnischen Anlage Referenztemperaturkennwerte für die katalytischen Elemente 10 hinterlegt sind. Die Referenztemperaturkennwerte können dabei in der Art von Datensätzen oder auch als für einen Temperaturverlauf charakteristische Messkurven hinterlegt sein. Unter Zugrundelegung der aktuellen Betriebsparameter der kerntechnischen Anlage kann damit von der Auswerteeinheit 18 durch Vergleich der Ist-Temperaturwerte der katalytischen Elemente 10 mit den im Speichermodul 20 hinterlegten Referenztemperaturkennwerten festgestellt werden, ob eine Abweichung vorliegt, die die Einleitung von Gegenmaßnahmen erforderlich macht.
Das Schutzsystem 1 ist darüber hinaus in besonderem Maße für die Berücksichtigung des aktuellen Anlagenzustands bei der Ermittlung der Notwend gkeit zur Auslösung von Gegenmaßnahmen gegen die sich anbahnende Bildung explos ver Gasgemische ausgestaltet. Um dies auf einfache Weise zu ermöglichen, ist d e Auswerteeinheit 18 eingangsseitig mit einem im Reaktordruckbehälter oder einer anderen geeigneten Komponente wie beispielsweise dem Speisewasserbehälter, der Kondensatorkammer oder ähnlichen, der kerntechnischen Anlage angeordneten Referenzsensor 24 verbunden. Der Referenzsensor 24 ermittelt dabei für den Betriebszustand der kerntechnischen Anlage insgesamt charakteristische Parameter wie beispielsweise den Druck und die Temperatur im Reaktordruckbehälter. Anhand dieser Parameter sowie gegebenenfalls unter Hinzuziehung leittechnischer Informationen, auf deren Grundlage erm ttelbar ist, ob aktuell ein Lastwechsel vorgenommen oder vielmehr ein Dauer- betri ebszustand eingenommen wird, kann die Auswerteeinheit 18 aus den im Spe chermodul 20 hinterlegten Referenzkennwerten diejenigen ermitteln, die für die katalytischen Elemente 10 dem jeweiligen Erwartungswert entsprechen.
Datenausgangsseitig ist die Auswerteeinheit 18 mit Mitteln zum Einleiten von Gegenoder Schutzmaßnahmen verbunden. Dazu ist die Auswerteeinheit 18 einerseits mit einer Melde- oder Alarmeinrichtung 25 verbunden, die das Bedienpersonal auf die Notwendigkeit der Einleitung von Gegenmaßnahmen aufmerksam macht. Die Meldeoder Alarmeinrichtung 25 kann dabei beispielsweise als Monitor oder
Datenausgabeeinheit ausgebildet und in das Leitsystem der kerntechnischen Anlage integriert sein. Es kann sich aber auch um eine andersartige Melde- oder Alarmeinrichtung 25, wie beispielsweise eine akustische Alarmeinrichtung, handeln. Zur Begünstigung des bedarfsweisen Abbaus von Radiolysegasen und auch zur Ermöglichung der Einleitung aktiver Gegenmaßnahmen gegen die Bildung explosiver Gasgemische sind die katalytischen Elemente 10 aber nicht nur in der Art passiver Bauelemente ausgestaltet, sondern andererseits auch vielmehr für einen aktiven Eingriff von außen ausgelegt. Dazu sind, wie dies in den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, die katalytischen Elemente beheizbar ausgestaltet. Im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist das katalytische Element 10 als Rohreinbauelement 30 ausgestaltet, das über Flanschverbindungen 32 in das jeweilige Leitungselement 8 eingesetzt ist. Dem Leitungselement 8 kann dabei im übrigen noch eine Anzahl von Armaturen 33 zugeordnet sein, über die das Leitungselement 8 von den weiteren Elementen des Primärkreislaufs 2 absperrbar ist.
Das katalytische Element 10 weist in dieser Ausführungsform eine an der Innenseite eines Rohrmantels 34 aufgebrachte, katalytisch aktive Beschichtung 36 auf, die insbesondere auf der Verwendung von Edelmetallen, wie beispielsweise Platin und/oder Palladium, als katalytisch aktivem Material beruht. Die Beschichtung 36 umfasst dabei eine direkt auf der Rohrinnenwand des Rohrmantels 34 aufgebrachte Haftvermittlerschicht 38, die insbesondere als durch Plasmaspritzen aufgebrachte Metallschicht ausgestaltet sein kann.
Als günstig erweist sich bei katalytischen Bauteilen, wie z. B Buchsen, Ringen, Rohrabschnitten, die mit hochfestem, z. B. galvanisch oder plasmagespritzt aufgebrachtem Katalysator versehen sind, insbesondere für einen Betriebsbereich unterhalb von etwa 200° C die Aufbringung einer Hydrophobierung, so dass die Funktion auch unter kondensierenden Bedingungen - ohne Beheizung - sichergestellt ist. Durch thermische oder chemische Behandlung wird dabei eine raue Oberfläche erzeugt, auf der die katalytisch aktiven Metalle Platin und/oder Palladium feinverteilt als katalytische Zentren einer eigentlichen Katalysatorschicht 40 aufgebracht sind. Bei der Trägerschicht der Katalysatorschicht 40 wird dabei insbesondere auf eine besonders große reaktive Oberfläche geachtet, wobei bedarfsweise zusätzlich ein poröser Keramikkörper mit entsprechend vergrößerter innerer Oberfläche verwendet werden kann. Bei dieser Ausführungsform ist der Temperatursensor 12 am Rohrmantel 34 in unmittelbarer Nähe der katalytisch aktiven Beschichtung 36 angeordnet. Des Weiteren ist dem katalytischen Element 10 eine Heizeinrichtung 50 zugeordnet, die im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 den Rohrmantel 34 ringförmig umschließt und über eine in Figur 2 lediglich schematisch dargestellte externe Energiequelle 52 mit einem Heizstrom beaufschlagbar ist.
Im Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist das katalytische Element 10 als Einbauteil ausgebildet und über einen Deckelflansch 60 an einem Stutzen 62 des zugeordneten Leitungselements 8 angeflanscht. Das katalytische Element 10 gemäß Figur 3 umfasst ebenfalls eine Katalysatorschicht 40, die in diesem Fall zur Bildung eines Katalysatorkörpers auf einem Trägerkern 64 aufgebracht ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Temperatursensor 12 in den Trägerkern 64 integriert, so dass eine besonders genaue Messung der lokalen Temperaturwerte des katalytischen Elements 10 ermöglicht ist. Die Heizeinrichtung 50 ist dabei am Deckelflansch 60 angeordnet.
Im Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist die Katalysatorschicht 40 zum Strömungsraum des Leitungselements 8 hin von einem Diffusionselement 70 ummantelt. Durch die Ummantelung mit dem Diffusionselement 70 oder alternativ auch mit einer beispielsweise metallischen porösen Schutzschicht ist ein Einsatz des katalytischen Elements 10 in gasförmigen und auch flüssigen ruhenden oder auch zeitweise stark strömenden Medien möglich. Das Diffusionselement 70 ist als poröser Körper mit einer Poren- oder Spaltgröße von weniger als etwa 0,1 mm ausgebildet, so dass im Bereich unmittelbar benachbart zur Katalysatorschicht 40 eine Zündung von reaktionsfähigen Gasgemischen sicher vermieden ist. Das Diffusionselement 70 stellt zudem sicher, dass ein Austrag von katalytischem Material aus der Katalysatorschicht 40 in den Strömungsraum des Leitungselements 8 hinein ausgeschlossen ist. Hinsichtlich der Dimensionierung der Porengröße und auch der Dicke des Diffusionselements 70 ist die Auslegung derart vorgenommen, dass die Diffusion von Radiolysegasen aus dem Innenraum des Leitungselements 8 an die Katalysatorschicht 40 derart begrenzt ist, dass der durch die exotherme Rekombinationsreaktion bewirkte Temperaturanstieg einen vorgegebenen Maximalwert von im Ausführungsbeispiel etwa 100 "Kelvin nicht übersteigt.
Kleinere Abmessung der genannten Einrichtungen können auch als Schraubeinsätze ausgeführt werden. Bei Anfall geringer Mengen Radiolysegases kann eine Ausführung der Gegenmaßnahme als Thermoelement oder Widerstandsthermometer mit am zylindrischem Teil angebrachten Katalysatorelement mit Diffusionsschicht erfolgen, so dass geringe äußere Abmessungen möglich werden. Bei Ausführung als Widerstandsthermometer kann weiterhin die Beheizung direkt am Katalysatorteil durch einen integrierten Widerstand erfolgen. Durch den geringen Durchmesser von < 20 mm, vorzugsweise < 5 mm, wird auch eine Einlötung- oder Schweißung der kompletten Einrichtung direkt in die drucktragende Wandung oder in ein Kupplungsstück möglich.
Zur Durchführung von Wiederholungsprüfungen ist in besonders vorteilhafter Ausgestaltung auch die Injektion von geringen H2/θ2-Konzentrationen (<4 Vol %) in N2, über eine in der katalytischen Einrichtung integrierte Kapillarleitung mit Kupplungsstück, in den betreffenden Systemabschnitt, zur Durchführung der Funktionsprüfung, möglich. Über diese Einleitung kann beispielsweise auch bei O2-Mangel O2 nachgespeist werden.
Um auch in dem Fall, dass lediglich Radiolysegas, nicht aber Sauerstoffgas im Primärkreislauf (2) mitgeteilt wird, eine zuverlässige Entfernung des Radiolysegases durch katalytische Rekombination zu ermöglichen, umfasst das Schutzsystem 1 ein in Figur 1 nicht näher dargestelltes Einspeisemodul zur bedarfsweisen Freisetzung und Einspeisung von Sauerstoff in den Primärkreislauf 2.
Durch die zyklische Ausschaltung und Einschalten der Heizung kann eine gezielte Kondensation und Verdampfung erreicht werden und somit ein „Beatmen/Spülen" entsprechender Bereiche erfolgen. Zur Minimierung von Thermospannungen in den Komponenten und Anregung von internen Konvektionswalzen kann auch ein großflächiger Bereich beheizt werden. In der Diffusionskörperanordnung kann gezielt, durch Anbringung von kaminartigen Spalten oder Öffnungen eine Umwälzung zur Steigerung der Oxidationsraten erfolgen. Weiterhin kann in dieser Einrichtung eine Temperaturmeßeinrichtung, z. B. als Thermoelement/Widerstandsthermometer integriert sein, das bei entsprechend hochwertiger Lötung/Schweißung auch innerhalb der druckführenden Umschließung angeordnet sein kann.
Beim Betrieb der kerntechnischen Anlage und somit auch des Schutzsystems 1 erfolgt kontinuierlich eine Überwachung der aktuellen Temperaturwerte für die katalytischen Elemente 10. Die ermittelten Temperatur-Ist-Werte werden in der Auswerteeinheit 18 mit Referenztemperaturkennwerten verglichen, die für das jeweilige katalytische Element 10 für den jeweiligen betrieblichen Zustand der kerntechnischen Anlage erwartet werden. Falls dabei eine charakteristische Abweichung vom
Referenztemperaturkennwert oder auch von einem zugeordneten Temperaturprofil festgestellt wird, so wird darauf geschlossen, dass eine Erwärmung des jeweiligen katalytischen Elements 10 infolge einsetzenden Abbaus von lokal vorhandenem Radiolysegas vorliegt. Daraus wird abgeleitet, dass lokal Radiolysegase vorhanden sind, wobei in Abhängigkeit vom Ausmaß der Abweichung entsprechende
Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Bedarfsweise kann dabei das Bedienpersonal informiert oder alarmiert werden, wobei möglicherweise auch automatisierte Gegenmaßnahmen, wie beispielsweise ein verstärkter Abbau der Radiolysegase durch gezielte Beheizung einzelner oder aller katalytischen Elemente 10, durchgeführt werden.
Eine Anordnung der katalytischen Elemente kann vorteilhafterweise auch nach Armaturen, über die in bestimmten Betriebsfällen eine Dampfableitung in den Kondensationspool ermöglicht wird, erfolgen. Hierdurch können besonders effektiv auftretende Primärdampfleckagen - auch in Bereichen niedriger Temperatur - die normalbetrieblich durch Kondensation zu H2/02-Anreicherung in den Abblaserohren führen würden, sicher verhindert werden.
Bei Verwendung von metallisch/keramischen Kabeldurchführungen kann die Beheizung des Reaktions- und Diffusionskörpers auch direkt, somit innerhalb der druckführenden Umschließung, erfolgen. Bei Integration eines in gleicher Ausführung wie der Reaktionskörper, zusätzlichen nichtkatalytischen Körpers, kann durch z. B. Messung der elektrischen Widerstände des parallel geschalteten Körpers - wegen der unterschiedlichen Temperaturen - auch die H2-Konzentration direkt bestimmt werden.
Bezugszeichenliste
Schutzsystem
Primärkreislauf
Leitungselement
Sicherheitsbehälter
Leitungselement katalytisches Element
Temperatursensor
Kommunikationseinheit
Durchführung
Auswerteeinheit
Speichermodul
Referenzsensor
Melde- oder Alarmeinrichtung
Rohreinbauelement
Flanschverbindung
Armatur
Rohrmantel
Beschichtung
Haftvermittlerschicht
Katalysatorschicht
Heizeinrichtung externe Energiequelle
Deckelflansch
Stutzen
Trägerkern
Diffusionselement

Claims

Ansprüche
1. Schutzsystem (1 ) für den Primärkreislauf (2) einer kerntechnischen Anlage mit einer Mehrzahl von jeweils in einem Leitungselement (4, 8) des Primärkreislaufs (2) angeordneten katalytischen Elementen (10), denen jeweils ein Temperatursensor (12) zugeordnet ist, wobei die Temperatursensoren (12) mit einer gemeinsamen Auswerteeinheit (18) verbunden sind.
2. Schutzsystem (1 ) nach Anspruch 1 , dessen Auswerteeinheit (18) daten- ausgangsseitig mit Mitteln zum Einleiten von Schutzmaßnahmen verbunden ist.
3. Schutzsystem (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dessen Auswerteeinheit (18) ein Speichermodul (20) umfasst, in dem eine Anzahl von Referenztemperaturkennwerten hinterlegt ist.
4. Schutzsystem (1 ) nach einem der Ansprüchen 1 bis 3, dessen Auswerteeinheit (18) eingangsseitig mit einem Referenzsensor (24) verbunden ist.
5. Schutzsystem (1) nach Anspruch 4, dessen Referenzsensor (24) im Reaktordruckbehälter der kerntechnischen Anlage angeordnet ist.
6. Schutzsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem einem oder jedem der katalytischen Elemente (10) jeweils eine Heizeinrichtung (50) zugeordnet ist.
7. Schutzsystem (1 ) nach Anspruch 6, bei dem die Heizeinrichtungen (50) mit einer gemeinsamen, mit der Auswerteeinheit (18) zusammenwirkenden Steuereinheit verbunden sind.
8. Schutzsystem (1 ) nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die einem katalytischen Element (10) zugeordnete Heizeinrichtung (50) außerhalb des das katalytische Element (10) umschließenden Leitungselementes (4, 8) angeordnet und wärmeseitig über ein Wärmeleitelement mit einem Katalysatorkörper des katalytischen Elements (10) verbunden ist.
9. Schutzsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem jedes katalytische Element (10) jeweils einen Katalysatorkörper umfasst, der zum Strömungsraum des jeweiligen Leitungselements (4, 8) hin von einem Diffusionselement (70) s ummantelt ist.
10. Schutzsystem (1 ) nach Anspruch 9, bei dem jedes Diffusionselement (70) hinsichtlich seiner Dicke derart dimensioniert ist, dass die am Katalysatorkörper auslegungsbedingt infolge der von ihm ausgelösten Reaktion eintretende lokale 0 Temperaturerhöhung einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet.
11. Schutzsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das ein Einspeisemodul zur bedarfsweisen Freisetzung und Einspeisung von Sauerstoff in den Primärkreislauf (2) umfasst.
12. Schutzsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit einem hinsichtlich seiner Dimensionierung an einen Reaktionskörper eines katalytischen Elements (10) angepaßten, aus nicht - katalytischem Material gefertigten Referenzkörper, dem ebenfalls ein mit der Auswerteeinheit (18) verbundener Temperatursensor zugeordnet ist.
13. Primärkreislauf (2) einer kerntechnischen Anlage mit einer Mehrzahl von zur Führung eines Strömungsmediums vorgesehenen Leitungskomponenten (4, 8), der mit einem Schutzsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 versehen ist.
14. Primärkreislauf (2) nach Anspruch 13, bei dem eine Anzahl der Leitungskomponenten (4, 8) jeweils als Steigleitungselemente ausgebildet ist, in denen jeweils ein katalytisches Element (10) angeordnet ist.
15. Verfahren zum Betreiben einer kerntechnischen Anlage mit einem Primärkreislauf (2) nach Anspruch 13 oder 14, bei dem die von den Temperatursensoren (12) gelieferten Messwerte mit anhand von Referenzmessungen gewon- nenen Referenzwerten verglichen werden, wobei bei einer Abweichung eines Messwerts vom ihm zugeordneten Referenzwert eine Gegenmaßnahme eingeleitet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem als Gegenmaßnahme dasjenige katalytische Element (10), für dessen Messwert die Abweichung festgestellt wurde, beheizt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, bei dem der für den Vergleich mit einem Messwert herangezogene Referenzwert anhand eines vom Referenzsensor (24) gelieferten Messwerts ausgewählt wird.
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