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Die Erfindung betrifft ein Sicherheitsbehälterkühlsystem, aufweisend folgende Komponenten: einen hermetisch abgeschlossenen Sicherheitsbehälter für einen Kernreaktor, einen innerhalb des Sicherheitsbehälters befindlichen Kühlmediumsammelbereich zur Aufnahme eines zu kühlenden Mediums, einen innerhalb des Sicherheitsbehälters und geodätisch oberhalb des Kühlmediumsammelbereiches befindlichen ersten Wärmetauscher zur Wärmeübertragung zwischen dem zu kühlenden Medium und einem Kühlmittel, sowie Mittel, um dem ersten Wärmetauscher das Kühlmittel von außerhalb des Sicherheitsbehälters zuzuführen und nach dessen Durchströmung nach außerhalb des Sicherheitsbehälters rückzuführen
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Es ist allgemein bekannt, dass in kerntechnischen Anlagen eine Vielzahl an Vorkehrungen zum Schutz der Umwelt vor möglichen Schäden eines eventuellen Störfalls getroffen wird. Ein Störfall kann mit einer erhöhten Temperaturentwicklung innerhalb eines Kernreaktors einhergehen, wenn die vorgesehenen Kernreaktor-Sicherheitskühlsysteme ausfallen. In solchen Fällen wird die reaktorseitig erzeugte Wärmeenergie, beispielsweise die Nachzerfallsleistung, nicht in genügendem Maße abgeführt und es kann zu einer Überhitzung des Kernreaktors kommen.
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Um auch im Störfall ein Höchstmaß an Sicherheit zu gewährleisten, ist ein Kernreaktor von einem hermetisch abgeschlossenen Sicherheitsbehälter beziehungsweise einem Containment umgeben, wodurch beispielsweise im Falle eines Bruchs von Aktivität führenden Systemen, im Falle von defekten Brennstäben oder im Falle einer Kettenreaktion die dabei möglicherweise freigesetzten radioaktiven Stoffe nicht in die Umgebung austreten können, sondern vielmehr in dem Sicherheitsbehälter zurückgehalten werden. Derartige Sicherheitsbehälter können beispielsweise in Form einer Betonglocke realisiert sein. Innerhalb eines Sicherheitsbehälters ist ein Kühlmediumsammelbereich oder ein sogenannter Reaktorsumpf beziehungsweise ein Sumpfbereich vorgesehen, in welchem bei einem eventuellen Störfall beispielsweise aus einem leckenden Kühlsystem austretendes radioaktiv kontaminiertes Kühlwasser gesammelt, bedarfsweise gekühlt und dem Kühlsystem beziehungsweise dem Reaktorkern oder auch anderen Systemen wieder zugeführt wird. Es existieren auch Schutzkonzepte, bei welchen ein Kernreaktor in einem Kühlmediumsammelbereich angeordnet ist, welcher im Störfall mit Kühlwasser geflutet wird, um eine erhöhte Kühlung zu erzielen, wobei auch hier das sich im Reaktorsumpf ansammelnde radioaktiv kontaminierte Kühlwasser gekühlt werden muss.
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In einem solchen Störfall gibt der Kernreaktor in den Reaktorsumpf des Sicherheitsbehälters Wärmeenergie ab. Wird diese Wärmeenergie nicht nach außerhalb geführt, so führt sie zu einem Erhitzen des dort angesammelten Wassers und einer vermehrten Bildung von Wasserdampf, so dass ein gefährlicher Überdruck im Sicherheitsbehälter entstehen kann. Dieser Überdruck müsste, bei Übersteigen eines kritischen Niveaus, durch eine Entspannung der Gasphase aus dem Sicherheitsbehälter über entsprechende Rohrleitungen, Filter und Ventile in die Umgebung abgebaut werden, wenn ein Versagen des Sicherheitsbehälters vermieden werden soll.
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Zur Gewährleistung einer hinreichenden Kühlung sind entsprechende Kühlsysteme vorgesehen, welche typischerweise einen Wärmetauscher aufweisen, durch welchen sichergestellt wird, dass radioaktive Stoffe innerhalb des Sicherheitsbehälters verbleiben und nicht an die Umgebung abgegeben werden. Ein solcher Wärmetauscher wird primärseitig in einem geschlossenen Kühlkreislauf von dem erhitzten zu kühlenden Medium durchflossen, in einem Störfall also typischerweise von radioaktiv kontaminiertem Wasser. Die Sekundärseite eines derartigen Wärmetauschers wird von einem Kühlmittel durchflossen, welches Wärmeenergie von dem erhitzten zu kühlenden Medium aufnimmt und dieses damit kühlt, mit diesem aber nicht in direktem Kontakt tritt, so dass es auch nicht dadurch kontaminiert wird. Das nicht kontaminierte Kühlmittel gibt seinerseits die Wärmeenergie an eine Wärmesenke außerhalb des Sicherheitsbehälters ab.
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Je nach Art des Störfalls müssen derartige Kühlsysteme sehr leistungsfähig und in der Lage sein, auch über einen langen Zeitraum größere Wärmemengen aus dem Kühlmediumsammelbereich eines Sicherheitsbehälters nach außerhalb zu transportieren. Hierzu ist es gemäß dem Stand der Technik üblich, mittels elektromotorbetriebener Pumpen einen Strom des zu kühlenden Mediums durch den Kühlkreislauf zu erzwingen. Dies führt zu einem erhöhten Wärmedurchsatz des Wärmetauschers und damit zu einer erhöhten Kühlwirkung. Hierbei sind die Elektromotoren für die Pumpen innerhalb des Sicherheitsbehälters angeordnet.
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Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass gerade in einem Störfall der Betrieb von aktiven Antriebsvorrichtungen wie Elektromotoren innerhalb des Sicherheitsbehälters aufgrund der in einem Störfall herrschenden Bedingungen wie erhöhter Temperatur und einer Atmosphäre mit radioaktiv kontaminiertem Wasserdampf mit einer erhöhten Unsicherheit verbunden sein kann. Dies widerspricht dem Sicherheitsbestreben, gerade in einem Störfall ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit des Sicherheitsbehälterkühlsystems vorzuhalten.
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Das Patentdokument
EP 2 575 141 A1 offenbart ein Kondensationskammerkühlsystem, umfassend eine Kondensationskammer für einen Siedewasserreaktor und wenigstens einen außerhalb der Kondensationskammer angeordneten Wärmetauscher. In der Kondensationskammer ist ein längliches Kühlmodul vorgesehen, welches in seinem oberen Bereich einen Verdampfungsraum umfasst, wobei das Kühlmodul derart in der Kondensationskammer angeordnet ist, dass der Verdampfungsraum oberhalb eines Höchstfüllstandniveaus der Kondensationskammer befindlich ist. Das Kühlmodul umfasst fernerhin wenigstens ein Steig- und ein Fallrohr, welche mit ihren jeweiligen oberen Enden in den Verdampfungsraum münden und mit ihren jeweiligen unteren Enden in der Kondensationskammer. Eine erste Rohrleitung ist vom Verdampfungsraum zum Wärmetauscher vorgesehen und von dort eine zweite Rohrleitung, welche in der Kondensationskammer unterhalb des Mindestfüllstandsniveaus mündet. Somit ist durch die Kondensationskammer, die Rohrleitungen, das Kühlmodul und den Wärmetauscher ein passiver geschlossener Kühlkreislauf gebildet.
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Das Patentdokument
DE 10 2011 107470 A1 offenbart ein Kernreaktorkühlsystem, umfassend einen Reaktordruckbehälter, welcher seinerseits innerhalb eines von einer ersten Schutzwandung umgebenen ersten räumlichen Bereiches angeordnet ist sowie einen auf ähnlicher geodätischen Höhe zum ersten Bereich angeordneten zweiten von einer zweiten Schutzwandung umgebenen räumlichen Bereich, der dafür vorgesehen ist, aus einem primären mit dem Reaktordruckbehälter zusammenwirkenden Kühlsystem austretendes Kühlwasser zu sammeln. Das Kernreaktorkühlsystem umfasst Mittel, in einem Notfall den ersten räumlichen Bereich mit gekühltem Kühlwasser zu fluten.
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Aus dem Patentdokument
US 2016/0336083 A1 ist zudem ein Wärmeabfuhrsystem für einen Kernreaktor bekannt geworden mit einem innerhalb des Sicherheitsbehälters befindlichen Kühlmedium des Kernreaktors. Oberhalb des Kühlmediumsspiegels im Sicherheitsbehälter ist ein Wärmetauscher angeordnet, der einerseits vom Kühlmedium durchströmt wird, andererseits von einem Kühlmittel, welches von außerhalb des Sicherheitsbehälters zugeführt wird. Nach dem Durchströmen des Wärmetauschers wird das Kühlmedium wieder aus dem Sicherheitsbehälter hinaus gefördert, wobei die für die Zwangskonvektion des Kühlmittels erforderliche Pumpe ebenfalls außerhalb des Sicherheitsbehälters angeordnet ist.
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Eine weitere Anordnung eines Wärmetauschers in einem Sicherheitsbehälter eines Kernreaktors ist aus dem Patentdokument
CN 102097139 A bekannt geworden, wobei auch bei diesem die Rückkühlung mit einem Kühlmittel erfolgt, das von außerhalb des Sicherheitsbehälters zugeführt und nach Durchströmen des Wärmetauschers aus dem Sicherheitsbehälter hinaus gefördert wird.
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Zudem ist aus dem Patentdokument US 2015 / 0096721 A1 die grundsätzliche Möglichkeit bekannt geworden mit einem Thermosiphon-Effekt eine Notfallkühlung für zum Beispiel einen Nuklearreaktor zu verwenden. Bei diesem Patentdokument geht es um die Beschreibung des Termosiphon-Effekts selbst und nicht die Erläuterung von technischen Anwendungen in einem Nuklearreaktor.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein leistungsfähiges Sicherheitsbehälterkühlsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einer erhöhten Zuverlässigkeit bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Sicherheitsbehälterkühlsystem der eingangs genannten Art. Dieses ist dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Sicherheitsbehälters weiterhin folgende Komponenten vorgesehen sind, welche mit dem ersten Wärmetauscher zu einem geschlossenen ersten Kühlkreislauf verbunden sind:
- • ein in den mit zu kühlendem Medium gefüllten Kühlmediumsammelbereich ragender unten offenen Thermosiphon-Behälter mit einem geodätisch oberhalb des Kühlmediumsammelbereiches befindlichen Verdampfungsraum, wobei der Thermosiphon-Behälter Teil eines Thermosiphons ist,
- • eine Rohrleitung vom Verdampfungsraum zum ersten Wärmetauscher,
- • ein geodätisch unterhalb des ersten Wärmetauschers und oberhalb des Kühlmediumsammelbereiches befindlicher Kondensatbehälter, welcher mit dem ersten Wärmetauscher verbunden ist,
- • eine Kondensatrückführleitung aus dem Kondensatbehälter in den Kühlmediumsammelbereich.
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Die Grundidee der Erfindung besteht darin, den ersten Kühlkreislauf unter weitgehender Vermeidung von Pumpmitteln für das zu kühlende Medium als natürlichen Kühlkreislauf mit Verdampfer und Kondensator auszubilden, wobei das zu kühlende Medium vorzugsweise Wasser ist.
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Durch eine Vakuumvorrichtung, beispielsweise einer Vakuumpumpe, kann der Druck vor Beginn des eigentlichen Kühlprozesses in demjenigen Bereich des ersten Kühlkreislaufes, welcher zwischen Verdampfungsraum und Kondensatbehälter liegt, reduziert werden, maximal bis zum Sättigungsdampfdruck entsprechend der Temperatur des im Kühlmediumsammelbereich befindlichen zu kühlenden Mediums bzw. Wassers. Hierdurch sinkt die Verdampfungstemperatur des im Thermosiphon-Behälter befindlichen zu kühlenden Mediums und es fängt an zu sieden und zu verdampfen, wodurch wiederum eine Kühlwirkung auf das im Thermosiphon-Behälter befindliche Medium erreicht wird. Der Thermosiphon-Behälter ist derart angeordnet, dass er mit seinem unten offenen Ende in das zu kühlende Medium hineinragt, so dass es bei einem Unterdruck im Verdampfungsraum in den Thermosiphon-Behälter eingesaugt wird. Der beim Sieden entstehende Wasserdampf wird über eine entsprechende Zuführleitung aus dem Verdampfungsraum der Primärseite des ersten Wärmetauschers zugeführt, wo er wieder unter Abgabe von Wärmeenergie (der Kondensationswärme) an dessen Sekundärseite zu Wasser kondensiert und damit wieder an Volumen verliert.
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Das kondensierte Wasser wird in dem unterhalb des ersten Wärmetauschers befindlichen Kondensatbehälter gesammelt und über eine Kondensatrückführleitung wieder als flüssiges Medium dem Kühlmediumsammelbereich zugeführt, wobei die Kondensatrückführleitung unterhalb der Oberfläche des Mediums in den Kühlmediumsammelbereich mündet. Der Kühlmediumsammelbereich kann ein beispielsweise ein Reaktorsumpf sein. Dies ist ein an sich kontinuierlicher und sich selbst erhaltender natürlicher Kühlkreislauf, welcher sich durch eine geringe Anzahl an benötigten Komponenten und eine hohe Betriebssicherheit auszeichnet.
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Die Vakuumvorrichtung dient hierbei insbesondere in der Anfangsphase dieses Prozesses dazu, den Luftanteil im Verdampfungsraum, der Primärseite des ersten Wärmetauschers sowie dem Kondensatbehälter zu senken, so dass dadurch ein quasistationärer Zustand des dann natürlichen Kühlkreislaufes erreicht wird. Im quasistationären Zustand befindet sich in den genannten Bereichen des ersten Kühlkreislaufes an gasförmigen Medien nahezu nur noch Wasserdampf und die Vakuumvorrichtung ist dann theoretisch nicht mehr notwendig. Die Abwesenheit nicht-kondensierbarer Gase trägt darüber hinaus zu einem hohen Wirkungsgrad des Wärmetauschers bei, welcher auch eine reduzierte Baugröße begünstigt.
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Dennoch kann die Vakuumvorrichtung im stationären Zustand auch zur Regelung des Drucks innerhalb des Kondensatbehälters dienen und damit zur Regelung des ersten Kühlkreislaufes. In jedem Fall ist die erforderliche Betriebsleistung einer ausreichend dimensionierten Vakuumvorrichtung so gering, dass sie auch über einen längeren Zeitraum beispielsweise lediglich mittels eines batteriebetriebenen Motors angetrieben werden kann, also keine Energieversorgung von außerhalb des Sicherheitsbehälters erforderlich ist.
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Im quasistationären Zustand des dann natürlichen ersten Kühlkreislaufes ist dessen gasförmiger Anteil frei von Luft oder anderen nicht-kondensierbaren Gasen, wohingegen die atmosphärischen Gase innerhalb des Sicherheitsbehälters einen Luftanteil oder Anteile anderer nicht-kondensierbarer Gasen aufweisen. Hierbei tritt eine Wassersäule innerhalb des Thermosiphon-Behälters auf. Unter quasistationären Bedingungen ist die Höhe der Wassersäule proportional zum Partialdruck der Luft innerhalb des Sicherheitsbehälters. Dieser Partialdruck wird maßgeblich beeinflusst vom Luftanteil und der Temperatur innerhalb des Sicherheitsbehälters. Eine korrekte Funktionsweise des ersten Kühlkreislaufes ist nur dann gewährleistet, wenn vom Thermosiphon-Behälter aus kein flüssiges Medium beziehungsweise kein Wasser den ersten Wärmetauscher erreicht. Dies kann einerseits dadurch gewährleistet werden, dass der erste Wärmetauscher geodätisch genügend hoch über dem Kühlmediumsammelbereich angeordnet wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass Mittel vorgesehen sind, welche vor Beginn des quasistationären natürlichen Betriebes des ersten Kühlkreislaufes den Luftanteil innerhalb des Sicherheitsbehälters reduzieren.
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Im ersten Wärmetauscher erfolgt unter Abgabe von Energie an dessen Sekundärseite die Kondensation des primärseitig strömenden Wasserdampfes. Diese Energie wird mittels des sekundärseitig strömenden Kühlmittels nach außerhalb des Sicherheitsbehälters transportiert, beispielsweise in eine geeignete Wärmesenke. Die Strömung des Kühlmittels kann beispielsweise durch eine außerhalb des Sicherheitsbehälters vorgesehene Pumpe erzwungen werden.
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Auf diese Weise ist im Inneren des Sicherheitsbehälters ein leistungsfähiger erster Kühlkreislauf für das zu kühlende Medium realisiert, welcher beispielsweise durch eine Vakuumvorrichtung in einen quasistationären Zustand des natürlichen Umlaufs gebracht und geregelt werden kann.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Variante des Sicherheitsbehälterkühlsystems sind Mittel zur Regelung des Differenzdrucks zwischen dem atmosphärischen Druck innerhalb des Sicherheitsbehälters und dem Druck innerhalb des Kondensatbehälters vorgesehen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Wassersäule des Kondensats ausreicht, um dieses alleinig durch Schwerkraft getrieben in den Kühlmediumsammelbereich zurückzudrücken. Eine Regelung des Differenzdrucks kann beispielsweise basierend auf den Werten entsprechender Druckmessungen mittels eines auf den zu evakuierenden Bereich des ersten Kühlkreislaufs wirkenden Ventils erfolgen, welches im Falle einer zu hohen Druckdifferenz geöffnet wird.
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Entsprechend einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Sicherheitsbehälterkühlsystems umfassen die Mittel zur Regelung des Differenzdrucks zwischen atmosphärischem Druck im Sicherheitsbehälter und in dem Kondensatbehälter bzw. in den damit verbundenen Komponenten wie Primärseite des ersten Wärmetauschers und Verdampfungsraum des Thermosiphon-Behälters eine auf den ersten Kühlkreislauf wirkende Vakuumvorrichtung. In dem Fall, dass der Differenzdruck zu gering ist, was auch vor Erreichen des quasistationären natürlichen Zustands des ersten Kühlkreislaufs der Fall sein kann, wird der Druck im entsprechenden Abschnitt des ersten Kühlkreislaufs durch die Vakuumvorrichtung entsprechend reduziert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Sicherheitsbehälterkühlsystems ist die Vakuumvorrichtung mittels einer innerhalb des Sicherheitsbehälters angeordneten Niedervoltbatterie betriebenen Vakuumpumpe realisiert. Es sind selbstverständlich auch andere Energiequellen als eine Niedervoltbatterie möglich, um die Vakuumpumpe anzutreiben. Die erforderliche Pumpleistung einer Vakuumpumpe ist sowohl im nicht-stationären Zustand als auch im quasistationären Zustand sehr gering, so dass sie auch über längere Zeiträume mit einer elektrischen Batterie betrieben werden kann. Aus Sicherheitszwecken sollte diese jedoch als Niedervoltbatterie ausgeführt sein.
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Gemäß einer weiteren Variante des Sicherheitsbehälterkühlsystems ist die Vakuumvorrichtung mittels eines innerhalb des Sicherheitsbehälters angeordneten Unterdrucktanks realisiert. Dies ist insoweit von Vorteil, als keine aktive Antriebsvorrichtung hierfür notwendig ist wobei dadurch eine noch weiter gesteigerte Betriebssicherheit erreicht wird. Aufgrund der geringen erforderlichen Pumpleistung ist ein innerhalb des Sicherheitsbehälters befindlicher Unterdrucktank durchaus auch für längere Betriebszeiträume geeignet. Vakuumvorrichtungen können zur Steigerung der Betriebssicherheit redundant und/oder diversitär ausgeführt sein.
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Entsprechend einer weiteren Variante des Sicherheitsbehälterkühlsystems ist die Vakuumvorrichtung mit dem Kondensatbehälter verbunden. Hier lässt sich der Innendruck mit hoher Genauigkeit bestimmen und eine Vakuumvorrichtung besonders einfach anbauen. Aufgrund der Lage hinter der Primärseite des ersten Wärmetauschers, wo eine Kondensation des Wasserdampfes erfolgt, ist der Dampfanteil an dieser Stelle besonders gering.
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Entsprechend einer weiteren Variante des Sicherheitsbehälterkühlsystems ist die Vakuumvorrichtung mit einem dedizierten zweiten Ausgang für nicht-kondensierbare Gase aus der Primärseite des ersten Wärmetauschers verbunden. Auch hier lässt sich der Innendruck mit hoher Genauigkeit bestimmen und eine Vakuumvorrichtung besonders einfach anbauen. Aufgrund der Lage hinter der Primärseite des ersten Wärmetauschers ist der Dampfanteil an dieser Stelle besonders gering.
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Eine weitere Variante des Sicherheitsbehälterkühlsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatrückführleitung ein Rückschlagventil zur Vermeidung eines Rückflusses von zu kühlendem Medium aus dem Kühlmediumsammelbereich in den Kondensatbehälter aufweist. Ein solches Rückschlagventil dient insbesondere als Sicherungsvorrichtung, falls die Druckregelung ausgefallen sein sollte und der Druck in dem Kondensatbehälter zu gering werden sollte.
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In besonders bevorzugter Weise umfasst der erste Wärmetauscher primärseitig einen Verdampfungskondensator beziehungsweise einen Kondensator, welcher ein vollständiges Kondensieren des zu kühlenden Mediums vorsieht. Dieser ist besonders für die erfindungsgemäße Funktion des Sicherheitsbehälterkühlsystems geeignet, welches ein Kondensieren von Wasserdampf im ersten Wärmetauscher vorsieht.
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Entsprechend einer weiteren Variante des Sicherheitsbehälterkühlsystems ist der erste Wärmetauscher ein Plattenwärmetauscher. Derartige Wärmetauscher weisen durch alternierende Anordnung von plattenähnlichen Elementen von deren Primär- und Sekundärseite eine besonders hohe Wärmeübertragungsfläche und primär- und sekundärseitig besonders ausgeprägte turbulente Strömungen und damit einen besonders hohen Wirkungsgrad auf, welcher gegebenenfalls auch eine reduzierte Baugröße ermöglicht.
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Gemäß einer bevorzugten Variante des Sicherheitsbehälterkühlsystems ist das zu kühlende Medium und/oder das Kühlmittel Wasser. Die Funktionsweise des Sicherheitsbehälterkühlsystems beruht auf dem Verdampfen und Kondensieren des zu kühlenden Mediums. Wasser erfüllt diese Voraussetzungen und ist zudem ein gängiges Kühlmittel.
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Entsprechend einer weiteren Variante des Sicherheitsbehälterkühlsystems weisen die Mittel, um dem ersten Wärmetauscher ein Kühlmittel von außerhalb des Sicherheitsbehälters zuzuführen, eine außerhalb des Sicherheitsbehälters befindliche durch einen Elektromotor oder einen Verbrennungsmotor angetriebene Pumpvorrichtung auf. Der Wärmetransport nach außerhalb des Sicherheitsbehälters wird dadurch in vorteilhafter Weise gesteigert. Außerhalb des Sicherheitsbehälters sind auch in einem Störfall oder Unfall nicht derartige Bedingungen zu erwarten, dass die Zuverlässigkeit einer Pumpvorrichtung dadurch negativ beeinflusst werden könnte.
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Entsprechend einer weiteren Variante des Sicherheitsbehälterkühlsystems ist außerhalb des Sicherheitsbehälters ein zweiter Wärmetauscher vorgesehen und das Kühlmittel in einem zweiten vorzugsweise geschlossenen Kühlkreislauf durch diesen geführt. Dadurch erfolgt eine Ableitung der aufgenommenen Wärmeenergie an die Umgebung, die in diesem Fall eine Wärmesenke aufweist. Durch diesen geschlossenen zweiten Kühlkreislauf ist die Wahrscheinlichkeit, dass kein radioaktiv kontaminiertes Material aus dem Sicherheitsbehälter an die Umgebung abgegeben wird, in vorteilhafter Weise erhöht. Selbst für den Fall, dass beispielsweise über ein Leck des ersten Wärmetauschers radioaktiv kontaminiertes Material von dessen Primärseite auf dessen Sekundärseite übertragen wird, wird dieses nicht an die Umgebung abgegeben, weil der zweite Kühlkreislauf geschlossen ist und seinerseits seine Wärmeenergie über den zweiten Wärmetauscher an die Umgebung abgibt. Wie der erste Wärmetauscher weist auch der zweite Wärmetauscher eine Primär- und eine Sekundärseite auf, wobei das Kühlmittel des zweiten Kühlkreislaufs durch dessen Primärseite fließt.
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Zur Kühlung des primärseitig durch den zweiten Wärmetauscher fließenden Kühlmittels ist sekundärseitig ein weiteres Kühlmittel durch den zweiten Wärmetauscher geführt, mittels welchem dann eine Ableitung der aufgenommenen Wärmeenergie an die Umgebung erfolgt, die in diesem Fall eine Wärmesenke aufweist.
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Erfindungsgemäß werden als weiteres Kühlmittel bevorzugt Wasser oder Luft verwendet. Wasser kann beispielsweise über entsprechende Pumpen einem naheliegenden Gewässer oder Fluss entnommen werden und nach Durchlauf durch die Sekundärseite des zweiten Wärmetauschers wieder in erwärmter Form dorthin rückgeführt werden. Luft als weiteres Kühlmittel kann über entsprechende Gebläse durch die Sekundärseite des zweiten Wärmetauschers geblasen und dort erwärmt werden. In beiden Fällen fungiert das Wasser beziehungsweise die Luft der Umgebung als Wärmesenke. Auch Kühltürme sind geeignete Wärmesenken oder auch zweite Wärmetauscher.
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Alle innerhalb des Sicherheitsbehälters befindlichen Komponenten müssen dafür ausgelegt sein, auch bei einem schweren Störfall zuverlässig unter den dann deutlich erschwerten Randbedingungen zu arbeiten. Solche Bedingungen sind bei beginnendem Einsatz des ersten natürlichen Kühlkreislaufes des Sicherheitsbehälterkühlsystems für einen konkret herangezogenen Kernkraftwerkstyp in etwa folgende:
- • Absoluter Druck: ≈ 3.5 bar,
- • Temperatur: ≈135°C,
- • Dampfanteil im atmosphärischen Gas: ≈ 90%.
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Unter diesen Anfangsbedingungen, insbesondere bei einem aus 90% Dampfanteil resultierenden Luftanteil vom 10% in den atmosphärischen Gasen innerhalb des Sicherheitsbehälters ist die Funktion des quasistationären natürlichen ersten Kühlkreislaufs gewährleistet, ohne dass zusätzliche Mittel benötigt würden, den Luftgehalt des atmosphärischen Gases innerhalb der Schutzhülle einzustellen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind den weiteren abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden.
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Es zeigen
- 1 ein exemplarisches erstes Sicherheitsbehälterkühlsystem sowie
- 2 ein exemplarisches zweites Sicherheitsbehälterkühlsystem.
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1 zeigt in einer Prinzipskizze ein exemplarisches erstes Sicherheitsbehälterkühlsystem 10. Ein Sicherheitsbehälter 12, beispielsweise ein Containment aus Stahl oder Beton, umschließt einen atmosphärischen Bereich 14 und einen Kühlmediumsammelbereich 16, beispielsweise einen Reaktorsumpf. Der Kühlmediumsammelbereich 16 ist mit einem zu kühlenden Medium 18 gefüllt, in diesem Fall mit Kühlwasser, dessen Oberfläche in der Figur mit einer Linie angedeutet ist. Das zu kühlende Medium 18 wird von einer zumindest teilweise im Kühlmediumsammelbereich 16 befindlichen Wärmequelle 48 erhitzt, welche im konkreten Störfall seine Nachzerfallsleistung an das zu kühlende Medium 18 abgibt.
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Das zu kühlende Medium 18 wird in einem ersten geschlossenen Kühlkreislauf geführt. Der erste Kühlkreislauf weist als Komponenten einen unten offenen Thermosiphon-Behälter 32 auf, welcher mit seinem unteren Bereich in das zu kühlende Medium ragt und welcher in seinem oberen Bereich einen Verdampfungsraum 34 umfasst. Dieser ist mittels einer Rohrleitung 36 von oben mit der Primärseite 22 eines geodätisch oberhalb des Kühlmediumsammelbereiches 16 befindlichen ersten Wärmetauschers 20 verbunden, welcher primärseitig einen Kondensator aufweist. Die Primärseite 22 des ersten Wärmetauschers 20 ist unten über eine entsprechende Leitung mit einem Kondensatbehälter 38 verbunden, welcher dafür vorgesehen ist, aus dem ersten Wärmetauscher 20 tropfendes Kondensat zu sammeln und über eine Kondensatrückführleitung 40, welche in das zu kühlende Medium 18 ragt, wieder in den Kühlmediumsammelbereich 16 zurückzuführen. Die Kondensatrückführleitung 40 weist ein Rückschlagventil 42 auf, welches der Vermeidung eines Rückflusses von zu kühlendem Medium 18 aus dem Kühlmediumsammelbereich 16 in den Kondensatbehälter 38 dient.
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Durch eine Vakuumvorrichtung 46 wird vor Beginn des eigentlichen Kühlprozesses in demjenigen Bereich des ersten Kühlkreislaufes, welcher zwischen Verdampfungsraum 34 und Kondensatbehälter 38 liegt, gegenüber dem atmosphärischen Bereich 14 des Sicherheitsbehälters 12 ein Unterdruck erzeugt. Deshalb bildet sich eine Wassersäule im Thermosiphon-Behälter 32 und das dort befindliche zu kühlende Medium 18 beziehungsweise Wasser fängt an zu sieden und zu verdampfen, wodurch eine Kühlwirkung erzielt wird. Der dabei entstehende Wasserdampf wird über eine Rohrleitung 36 von oben der Primärseite 22 des ersten Wärmetauschers 20 zugeführt, wo der Wasserdampf unter Volumenreduktion kondensiert und Wärmeenergie an die Sekundärseite 24 abgibt. Das kondensierte Wasser strömt in die Kondensatbehälter 38, wo es gesammelt wird und als Wassersäule wieder in den Kühlmediumsammelbereich 16 zurückgeführt wird.
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Die Vakuumvorrichtung 46 dient hierbei insbesondere in der Anfangsphase dieses Prozesses dazu, den Luftanteil im Verdampfungsraum, der Primärseite 22 des ersten Wärmetauschers 20 sowie der Kondensatbehälter 38 zu senken, so dass dadurch ein quasistationärer Zustand des dann natürlichen Kühlkreislaufes erreicht wird.
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Mit der Kondensatbehälter 38 verbunden sind als Mittel 44 zur Regelung des Differenzdrucks die auf den geschlossenen ersten Kühlkreislauf wirkende Vakuumvorrichtung 46 zur Erhöhung des Differenzdrucks zwischen dem Druck innerhalb der Kondensatbehälter 38 und dem atmosphärischen Bereich 14 innerhalb des Sicherheitsbehälters 12 sowie ein Regelventil zur Reduktion dieses Differenzdrucks.
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Die Sekundärseite 24 des Wärmetauschers 20 wird von einem Kühlmittel durchflossen, welches über eine Pumpvorrichtung 30 durch eine Leitung 26 von außerhalb des Sicherheitsbehälters 12 zugeführt wird. Nach Durchströmen der Sekundärseite 24 des Wärmetauschers 20 wird das dann erwärmte Kühlmittel über eine Leitung 28 nach außerhalb des Sicherheitsbehälters 12 geführt, wo die Wärmeenergie dann an eine beliebig geartete Wärmesenke abgegeben wird.
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2 zeigt in einer Prinzipskizze ein exemplarisches zweites Sicherheitsbehälterkühlsystem 50. Dieses beinhaltet die wesentlichen Komponenten des zuvor in 1 dargestellten Sicherheitsbehälterkühlsystems, nämlich einen Sicherheitsbehälter 52, einen Thermosiphon-Behälter 56 mit Verdampfungsraum 58, einen ersten Wärmetauscher 54, einen Kondensatbehälter 60 sowie eine Kondensatrückführleitung 62, wobei letztere Komponenten zu einem ersten geschlossenen Kühlkreislauf 64 für zu kühlendes Medium verschaltet sind. Im Kühlmediumsammelbereich ist eine Wärmequelle 70 angedeutet, welche das zu kühlende Medium erhitzt. Zur Regelung des ersten Kühlkreislaufes 64 sind Mittel 66 sowie eine Vakuumvorrichtung 68 vorgesehen.
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Ein geschlossener zweiter Kühlkreislauf 72 umfasst den ersten Wärmetauscher 54, eine außerhalb des Sicherheitsbehälters 52 befindliche Pumpvorrichtung 74, einen ebenfalls außerhalb des Sicherheitsbehälters befindlichen zweiten Wärmetauscher 76 mit seiner Primärseite 78 sowie entsprechende Leitungen. Dadurch dass das Kühlmittel nunmehr in einem geschlossenen zweiten Kühlkreislauf 72 fließt, ist selbst bei einer Leckage zwischen erstem 64 und zweitem 72 Kühlkreislauf gewährleistet, dass kein kontaminiertes zu kühlendes Medium an die Umgebung abgegeben wird.
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Zur Kühlung des primärseitig 78 durch den zweiten Wärmetauscher 76 fließenden Kühlmittels ist auf dessen Sekundärseite 80 ein weiteres Kühlmittel durch diesen geführt, mittels welchem dann eine Ableitung der aufgenommenen Wärmeenergie an die Umgebung erfolgt. In diesem Beispiel wird die Sekundärseite 80 des zweiten Wärmetauschers 76 von Umgebungsluft durchströmt, welche über entsprechende Leitungen geführt ist und über ein Gebläse 82 angesaugt wird. Es ist aber auch jede andere Wärmesenke für diesen Zweck denkbar, beispielsweise ein Kühlturm oder ein Gewässer.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- exemplarisches erstes Sicherheitsbehälterkühlsystem
- 12
- Sicherheitsbehälter
- 14
- atmosphärischer Bereich in Sicherheitsbehälter
- 16
- Kühlmediumsammelbereich in Sicherheitsbehälter
- 18
- zu kühlendes Medium (Oberfläche)
- 20
- erster Wärmetauscher
- 22
- Primärseite von erstem Wärmetauscher
- 24
- Sekundärseite von erstem Wärmetauscher
- 26
- Leitung für Kühlmittel
- 28
- Leitung für Kühlmittel
- 30
- Pumpvorrichtung
- 32
- Thermosiphon-Behälter
- 34
- Verdampfungsraum
- 36
- Rohrleitung
- 38
- Kondensatbehälter
- 40
- Kondensatrückführleitung
- 42
- Rückschlagventil
- 44
- Mittel zur Regelung des Differenzdrucks
- 46
- Vakuumvorrichtung
- 48
- Wärmequelle
- 50
- exemplarisches zweites Sicherheitsbehälterkühlsystem
- 52
- Sicherheitsbehälter
- 54
- erster Wärmetauscher
- 56
- Thermosiphon-Behälter
- 58
- Verdampfungsraum
- 60
- Kondensatbehälter
- 62
- Kondensatrückführleitung
- 64
- erster geschlossener Kühlkreislauf
- 66
- Mittel zur Regelung des Differenzdrucks
- 68
- Vakuumvorrichtung
- 70
- Wärmequelle
- 72
- zweiter geschlossener Kühlkreislauf
- 74
- Pumpvorrichtung
- 76
- zweiter Wärmetauscher
- 78
- Primärseite von zweitem Wärmetauscher
- 80
- Sekundärseite von zweitem Wärmetauscher
- 82
- Gebläse
