DE102017008253B3

DE102017008253B3 - Containment cooling system

Info

Publication number: DE102017008253B3
Application number: DE102017008253.7A
Authority: DE
Inventors: Felix Sassen; Álvaro Pérez-Salado Kamps; Emil Kostov; Christoph Hartmann; Zoran Vujic
Original assignee: Westinghouse Electric Germany GmbH
Current assignee: Westinghouse Electric Germany GmbH
Priority date: 2017-09-01
Filing date: 2017-09-01
Publication date: 2018-12-06
Anticipated expiration: 2037-09-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitsbehälterkühlsystem (10, 50), aufweisend folgende Komponenten: einen hermetisch abgeschlossenen Sicherheitsbehälter (12, 52) für einen Kernreaktor, einen innerhalb des Sicherheitsbehälters (12, 52) befindlichen Kühlmediumsammelbereich (16) zur Aufnahme eines zu kühlenden Mediums (18), einen innerhalb des Sicherheitsbehälters (12, 52) und geodätisch oberhalb des Kühlmediumsammelbereiches (16) befindlichen ersten Wärmetauscher (20, 54) zur Wärmeübertragung zwischen dem zu kühlenden Medium (18) und einem Kühlmittel sowie Mittel, um dem ersten Wärmetauscher (20, 54) das Kühlmittel von außerhalb des Sicherheitsbehälters (12, 52) zuzuführen und nach dessen Durchströmung nach außerhalb des Sicherheitsbehälters (12, 52) rückzuführen. Innerhalb des Sicherheitsbehälters (12, 52) sind weiterhin folgende Komponenten vorgesehen sind, welche mit dem ersten Wärmetauscher (20, 54) zu einem geschlossenen ersten Kühlkreislauf (64) verbunden sind: ein in den mit zu kühlendem Medium (18) gefüllten Kühlmediumsammelbereich (16) ragender unten offener Thermosiphon-Behälter (32, 56) mit einem geodätisch oberhalb des Kühlmediumsammelbereiches (16) befindlichen Verdampfungsraum (34, 58), eine Rohrleitung (36) vom Verdampfungsraum (34, 58) zum ersten Wärmetauscher (20, 54), ein geodätisch unterhalb des ersten Wärmetauschers (20, 54) und oberhalb des Kühlmediumsammelbereiches (16) befindlicher Kondensatbehälter (38, 60), welcher mit dem ersten Wärmetauscher (20, 54) verbunden ist, sowie eine Kondensatrückführleitung (40, 62) aus dem Kondensatbehälter (38, 60) in den Kühlmediumsammelbereich (16). Eine optionale Vakuumvorrichtung (46, 68) ist vorgesehen, mit der der Druck vor Beginn des Kühlprozesses in demjenigen Bereich des ersten Kühlkreislaufes (64), welcher zwischen Verdampfungsraum und Kondensatbehälter (38, 60) liegt, reduziert wird.The invention relates to a safety container cooling system (10, 50), comprising the following components: a hermetically sealed safety container (12, 52) for a nuclear reactor, a cooling medium collecting region (16) located inside the containment (12, 52) for receiving a medium (18 ), a first heat exchanger (20, 54) located within the containment (12, 52) and geodetically above the cooling medium collection area (16) for heat transfer between the medium (18) to be cooled and a coolant, and means for supplying the first heat exchanger (20, 54) to supply the coolant from outside the containment vessel (12, 52) and to recirculate it to the outside of the containment vessel (12, 52) after it has flowed through. Within the containment (12, 52) the following components are further provided, which are connected to the first heat exchanger (20, 54) to a closed first cooling circuit (64): one in the medium to be cooled with medium (18) filled Kühlmediumsammelbereich (16 ) projecting downwardly open thermosiphon container (32, 56) with a geodetic above the cooling medium collecting area (16) located evaporation chamber (34, 58), a pipe (36) from the evaporation space (34, 58) to the first heat exchanger (20, 54), a geodetic below the first heat exchanger (20, 54) and above the Kühlmediumsammelbereiches (16) located condensate tank (38, 60), which is connected to the first heat exchanger (20, 54), and a condensate return line (40, 62) from the condensate tank (38, 60) into the cooling medium collecting area (16). An optional vacuum device (46, 68) is provided with which the pressure is reduced before the start of the cooling process in the region of the first cooling circuit (64) which lies between the evaporation space and the condensate tank (38, 60).

Description

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 rückzuführenThe invention relates to a safety container cooling system comprising the following components: a hermetically sealed containment vessel for a nuclear reactor, a cooling medium collection area located inside the containment vessel for receiving a medium to be cooled, a first heat exchanger within the containment and geodetically above the cooling medium collection area for heat transfer between the medium to be cooled and a coolant, as well as means to supply the first heat exchanger, the coolant from outside the containment vessel and to recirculate after its flow to the outside of the containment

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.It is well known that in nuclear installations, a large number of precautions are taken to protect the environment from possible damage caused by a potential accident. An incident can be accompanied by increased temperature development within a nuclear reactor if the proposed nuclear reactor safety cooling systems fail. In such cases, the thermal energy generated by the reactor, for example, the Nachzerfallsleistung, not dissipated to a sufficient extent and it can lead to overheating of the nuclear reactor.

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.In order to ensure the highest level of safety even in the event of a fault, a nuclear reactor is surrounded by a hermetically sealed containment or containment, whereby, for example, in the event of breakage of activity-leading systems, in the case of defective fuel rods or in the case of a chain reaction, the potentially released radioactive Substances can not escape into the environment, but rather be retained in the containment. Such security containers can be realized for example in the form of a concrete bell. Within a containment vessel, a cooling medium collection area or a so-called reactor sump or a sump area is provided in which, in the event of a malfunction, for example, radioactive contaminated cooling water exiting from a leaking cooling system is collected, cooled, if necessary, and returned to the cooling system or the reactor core or other systems. There are also protection concepts in which a nuclear reactor is arranged in a cooling medium collecting area, which is flooded in case of failure with cooling water to achieve increased cooling, and here also in the reactor sump accumulating radioactive contaminated cooling water must be cooled.

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.In such an accident, the nuclear reactor releases heat energy into the reactor sump of the containment. If this heat energy is not led to the outside, it leads to a heating of the accumulated water there and an increased formation of water vapor, so that a dangerous overpressure in the containment can occur. This overpressure would, if a critical level is exceeded, have to be reduced by relaxing the gas phase from the containment vessel via corresponding pipelines, filters and valves into the environment, if a failure of the containment is to be avoided.

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.To ensure sufficient cooling, appropriate cooling systems are provided, which typically have a heat exchanger, which ensures that radioactive substances remain within the containment and are not released to the environment. Such a heat exchanger is traversed on the primary side in a closed cooling circuit of the heated medium to be cooled, in a fault so typically from radioactively contaminated water. The secondary side of such a heat exchanger is traversed by a coolant, which absorbs heat energy from the heated medium to be cooled and this cools, but does not come into direct contact with it, so that it is not contaminated thereby. The uncontaminated coolant in turn emits the heat energy to a heat sink outside the containment.

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.Depending on the nature of the accident, such cooling systems must be very powerful and capable of transporting larger amounts of heat from the cooling medium collection area of a containment to the outside, even over a long period of time. For this purpose, according to the prior art, it is usual to force a flow of the medium to be cooled through the cooling circuit by means of electric motor-driven pumps. This leads to an increased heat throughput of the heat exchanger and thus to an increased cooling effect. In this case, the electric motors for the pumps are arranged inside the safety container.

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.A disadvantage of this prior art is that especially in an accident, the operation of active drive devices such as electric motors within the containment can be associated with increased uncertainty due to the prevailing conditions such as elevated temperature and an atmosphere with radioactively contaminated water vapor in an incident. This contradicts the safety endeavor to maintain the highest degree of reliability of the containment cooling system, especially in the event of a malfunction.

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. The patent document EP 2 575 141 A1 discloses a condensation chamber cooling system comprising a condensation chamber for a boiling water reactor and at least one heat exchanger located outside the condensation chamber. In the condensation chamber, an elongate cooling module is provided, which comprises in its upper region an evaporation space, wherein the cooling module is arranged in the condensation chamber, that the evaporation space is located above a maximum level of the condensing chamber. The cooling module further comprises at least one riser and one downcomer, which open with their respective upper ends in the evaporation space and with their respective lower ends in the condensation chamber. A first pipe is provided from the evaporation space to the heat exchanger and from there a second pipe, which opens in the condensation chamber below the minimum level. Thus, a passive closed cooling circuit is formed by the condensation chamber, the pipes, the cooling module and the heat exchanger.

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.The patent document DE 10 2011 107470 A1 discloses a nuclear reactor cooling system comprising a reactor pressure vessel which in turn is disposed within a first spatial area surrounded by a first guard wall and a second geophysical height to the first area surrounded by a second protective wall space provided therefor, of a primary collecting cooling water leaking from the reactor pressure vessel cooling system. The nuclear reactor cooling system includes means to flood the first spatial area with cooled cooling water in an emergency.

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.From the patent document US 2016/0336083 A1 In addition, a heat removal system for a nuclear reactor has become known with a cooling medium of the nuclear reactor located inside the containment vessel. Above the cooling medium level in the containment a heat exchanger is arranged, which is traversed on the one hand by the cooling medium, on the other hand by a coolant, which is supplied from outside the containment. After flowing through the heat exchanger, the cooling medium is again conveyed out of the containment, wherein the required for the forced convection of the coolant pump is also disposed outside of the containment.

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.Another arrangement of a heat exchanger in a containment vessel of a nuclear reactor is disclosed in the patent document CN 102097139 A have become known, wherein also in this the recooling is carried out with a coolant which is supplied from outside the containment and is conveyed after flowing through the heat exchanger from the containment beyond.

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.In addition, from the patent document US 2015/0096721 A1 the basic possibility has become known with a thermosiphon effect to use emergency cooling for, for example, a nuclear reactor. This patent document is concerned with the description of the termosiphon effect itself and not the explanation of technical applications in a nuclear reactor.

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.Based on this prior art, it is an object of the invention to provide an efficient safety container cooling system according to the preamble of claim 1 with increased reliability.

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.

This object is achieved by a safety container cooling system of the aforementioned type. This is characterized in that the following components are further provided within the containment, which are connected to the first heat exchanger to a closed first cooling circuit:

A downwardly open thermosyphon container projecting into the cooling medium collection area filled with the medium to be cooled and having a vaporization space located geodetically above the cooling medium collection area, the thermosyphon container being part of a thermosyphon,
A pipeline from the evaporation space to the first heat exchanger,
A geodetically below the first heat exchanger and above the cooling medium collecting area befindlicher condensate tank, which is connected to the first heat exchanger,
• a condensate return line from the condensate tank into the cooling medium collection area.

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.The basic idea of the invention is to design the first cooling circuit, with largely avoiding pumping means for the medium to be cooled, as natural cooling circuit with evaporator and condenser, wherein the medium to be cooled is preferably water.

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.By a vacuum device, such as a vacuum pump, the pressure before the actual cooling process in the region of the first cooling circuit, which is located between the evaporation chamber and condensate tank, can be reduced to a maximum saturation vapor pressure corresponding to the temperature of the Coolant medium collecting area to be cooled medium or water. This reduces the evaporation temperature of the medium to be cooled in the thermosyphon container and begins to boil and evaporate, which in turn achieves a cooling effect on the medium in the thermosyphon container. The thermosyphon container is arranged such that it protrudes with its bottom open end into the medium to be cooled, so that it is sucked into the thermosyphon container at a negative pressure in the evaporation space. The water vapor formed during boiling is supplied via a corresponding feed line from the evaporation chamber of the primary side of the first heat exchanger, where it condenses again with the release of heat energy (the heat of condensation) on the secondary side to water and thus loses volume again.

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.The condensed water is collected in the condensate tank located below the first heat exchanger and fed via a condensate return line again as a liquid medium to the cooling medium collecting area, wherein the condensate return line opens below the surface of the medium in the cooling medium collecting area. The cooling medium collecting area may be, for example, a reactor sump. This is a per se continuous and self-sustaining natural refrigeration cycle, which is characterized by a small number of required components and high reliability.

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.The vacuum device is used in particular in the initial phase of this process to reduce the air content in the evaporation chamber, the primary side of the first heat exchanger and the condensate tank, thereby achieving a quasi-stationary state of the then natural cooling circuit. In the quasi-stationary state, almost only steam is still present in gaseous media in the aforementioned regions of the first cooling circuit, and the vacuum device is then theoretically no longer necessary. The absence of non-condensable gases also contributes to a high efficiency of the heat exchanger, which also favors a reduced size.

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.Nevertheless, the vacuum device in the stationary state can also serve to regulate the pressure within the condensate tank and thus to control the first cooling circuit. In any case, the required operating power of a sufficiently sized vacuum device is so low that it can be driven for a longer period, for example, only by means of a battery-powered motor, so no energy supply from outside the containment is required.

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.In the quasi-stationary state of the then natural first cooling circuit, its gaseous portion is free of air or other non-condensable gases, whereas the atmospheric gases within the containment contain an amount of air or other non-condensable gases. In this case, a water column occurs within the thermosyphon container. Under quasi-stationary conditions, the height of the water column is proportional to the partial pressure of the air within the containment. This partial pressure is significantly influenced by the proportion of air and the temperature within the containment. Correct functioning of the first cooling circuit is only guaranteed if no liquid medium or no water reaches the first heat exchanger from the thermosyphon container. On the one hand, this can be ensured by arranging the first heat exchanger geodetically high enough above the cooling medium collecting area. Another possibility is that means are provided which reduce the proportion of air within the containment prior to the quasi-stationary natural operation of the first refrigeration cycle.

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.In the first heat exchanger takes place with the release of energy at the secondary side of the condensation of the primary side flowing water vapor. This energy is transported by means of the secondary side flowing coolant to the outside of the containment, for example in a suitable heat sink. The flow of the coolant can be forced, for example, by a pump provided outside the containment.

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.In this way, a powerful first cooling circuit for the medium to be cooled is realized in the interior of the containment, which can be brought and regulated by a vacuum device in a quasi-stationary state of natural circulation, for example.

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.According to a particularly preferred variant of the containment cooling system, means are provided for controlling the differential pressure between the atmospheric pressure within the containment vessel and the pressure within the condensate vessel. In this way it is ensured that the water column of the condensate is sufficient to push it back into the cooling medium collecting area driven solely by gravity. A regulation of the differential pressure can be carried out, for example, based on the values of corresponding pressure measurements by means of a valve acting on the region of the first cooling circuit to be evacuated, which valve is opened in the event of an excessively high pressure difference.

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. According to a further variant of the containment cooling system according to the invention, the means for controlling the differential pressure between atmospheric pressure in the containment vessel and in the condensate tank or in the associated components such as primary side of the first heat exchanger and evaporation space of the thermosyphon tank comprise a vacuum device acting on the first cooling circuit. In the event that the differential pressure is too low, which may also be the case before the quasi-stationary natural state of the first cooling circuit is reached, the pressure in the corresponding section of the first cooling circuit is correspondingly reduced by the vacuum device.

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.According to a further embodiment of the safety container cooling system, the vacuum device is realized by means of a vacuum pump which is arranged inside the safety container and is operated by means of a low-voltage battery. Of course, other sources of energy than a low-voltage battery are possible to drive the vacuum pump. The required pumping power of a vacuum pump is very low, both in the non-stationary state and in the quasi-stationary state, so that it can be operated for longer periods with an electric battery. For safety reasons, however, this should be designed as a low-voltage battery.

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.According to a further variant of the safety container cooling system, the vacuum device is realized by means of a vacuum tank arranged inside the safety container. This is advantageous insofar as no active drive device is necessary for this, thereby achieving even further increased reliability. Due to the low pumping power required, a vacuum tank located inside the safety container is also suitable for longer operating periods. Vacuum devices can be redundant and / or diversified to increase the reliability.

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.According to a further variant of the safety container cooling system, the vacuum device is connected to the condensate container. Here, the internal pressure can be determined with high accuracy and a vacuum device very easy to grow. Due to the position behind the primary side of the first heat exchanger, where a condensation of the water vapor takes place, the vapor content at this point is particularly low.

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.According to another variant of the containment cooling system, the vacuum device is connected to a dedicated second non-condensable gas exit from the primary side of the first heat exchanger. Again, the internal pressure can be determined with high accuracy and grow a vacuum device very easy. Due to the position behind the primary side of the first heat exchanger, the vapor content at this point is particularly low.

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.A further variant of the containment cooling system is characterized in that the condensate return line has a non-return valve to prevent backflow of medium to be cooled from the cooling medium collecting area into the condensate tank. Such a check valve serves in particular as a safety device, if the pressure control should have failed and the pressure in the condensate tank should be too low.

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.In a particularly preferred embodiment, the first heat exchanger on the primary side comprises an evaporation condenser or a condenser, which provides complete condensation of the medium to be cooled. This is particularly suitable for the inventive function of the safety container cooling system, which provides for condensation of water vapor in the first heat exchanger.

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.According to a further variant of the containment cooling system, the first heat exchanger is a plate heat exchanger. Such heat exchangers have by alternating arrangement of plate-like elements of the primary and secondary side of a particularly high heat transfer surface and on the primary and secondary side particularly pronounced turbulent flows and thus a particularly high efficiency, which optionally also allows a reduced size.

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.According to a preferred variant of the containment cooling system, the medium to be cooled and / or the coolant is water. The operation of the containment cooling system is based on the evaporation and condensation of the medium to be cooled. Water meets these requirements and is also a common coolant.

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. According to a further variant of the safety container cooling system, the means for supplying the first heat exchanger with a coolant from outside the safety container, a pump device located outside of the safety container and driven by an electric motor or an internal combustion engine. The heat transfer to the outside of the containment is thereby increased in an advantageous manner. Outside the containment, such conditions are not to be expected even in an accident or accident that the reliability of a pumping device could be adversely affected.

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.According to a further variant of the containment cooling system, a second heat exchanger is provided outside the containment vessel and the refrigerant is passed through the latter in a second preferably closed refrigeration cycle. This results in a derivative of the absorbed heat energy to the environment, which in this case has a heat sink. By this closed second cooling circuit, the probability that no radioactively contaminated material is discharged from the containment to the environment, increased in an advantageous manner. Even in the event that, for example, via a leak of the first heat exchanger radioactively contaminated material is transmitted from the primary side to the secondary side, this is not discharged to the environment, because the second cooling circuit is closed and in turn its heat energy through the second heat exchanger to the environment emits. Like the first heat exchanger, the second heat exchanger also has a primary side and a secondary side, with the coolant of the second cooling circuit flowing through its primary side.

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.For cooling the coolant flowing on the primary side through the second heat exchanger, a further coolant is guided on the secondary side through the second heat exchanger, by means of which a dissipation of the absorbed heat energy to the environment takes place, which in this case has a heat sink.

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.According to the invention, water or air are preferably used as further coolant. Water can be removed, for example via appropriate pumps a nearby body of water or river and returned to it after passing through the secondary side of the second heat exchanger in heated form there. Air as a further coolant can be blown through corresponding fans through the secondary side of the second heat exchanger and heated there. In both cases, the water or the air of the environment acts as a heat sink. Cooling towers are also suitable heat sinks or second heat exchangers.

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%.

All components located inside the containment must be designed to operate reliably under severe boundary conditions even in the event of a major accident. Such conditions are approximately the following at the beginning of the use of the first natural cooling circuit of the containment cooling system for a concretely used nuclear power plant type:

• Absolute pressure: ≈ 3.5 bar,
Temperature: ≈135 ° C,
• vapor content in atmospheric gas: ≈ 90%.

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.Under these initial conditions, in particular with an air fraction of 10% in the atmospheric gases within the containment resulting from 90% vapor, the function of the quasi-stationary natural first refrigeration cycle is ensured without requiring additional means to adjust the air content of the atmospheric gas within the containment.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind den weiteren abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.Further advantageous embodiment possibilities can be found in the further dependent claims.

Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden.Reference to the embodiments illustrated in the drawings, the invention, further embodiments and other advantages will be described in detail.

Es zeigen

1 ein exemplarisches erstes Sicherheitsbehälterkühlsystem sowie
2 ein exemplarisches zweites Sicherheitsbehälterkühlsystem.

Show it

1 an exemplary first containment refrigeration system as well
2 an exemplary second containment refrigeration system.

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. 1 shows in a schematic diagram an exemplary first containment cooling system 10 , A security container 12 For example, a steel or concrete containment encloses an atmospheric area 14 and a cooling medium collecting area 16 , For example, a reactor sump. The cooling medium collection area 16 is with a medium to be cooled 18 filled, in this case with cooling water, whose surface is indicated in the figure with a line. The medium to be cooled 18 is from an at least partially in the cooling medium collection area 16 located heat source 48 which, in the event of a concrete failure, heats up its decay to the medium to be cooled 18 emits.

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.The medium to be cooled 18 is guided in a first closed cooling circuit. The first cooling circuit has as components a bottom open thermosiphon tank 32 on, which protrudes with its lower portion in the medium to be cooled and which in its upper part an evaporation chamber 34 includes. This is by means of a pipeline 36 from the top with the primary side 22 a geodetic above the cooling medium collection area 16 located first heat exchanger 20 connected, which has a capacitor on the primary side. The primary side 22 of the first heat exchanger 20 is down via a corresponding line with a condensate tank 38 connected, which is intended, from the first heat exchanger 20 to collect dripping condensate and a condensate return line 40 , which in the medium to be cooled 18 protrudes, back into the cooling medium collection area 16 due. The condensate return line 40 has a check valve 42 on which of avoiding a reflux of medium to be cooled 18 from the cooling medium collection area 16 in the condensate tank 38 serves.

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.Through a vacuum device 46 is before the actual cooling process in that area of the first cooling circuit, which between the evaporation space 34 and condensate tanks 38 lies opposite the atmospheric area 14 of the containment 12 generates a negative pressure. Therefore, a water column forms in the thermosyphon container 32 and the medium to be cooled located there 18 or water begins to boil and evaporate, whereby a cooling effect is achieved. The resulting water vapor is via a pipeline 36 from above the primary side 22 of the first heat exchanger 20 fed, where the water vapor condenses under volume reduction and heat energy to the secondary side 24 emits. The condensed water flows into the condensate tanks 38 where it is collected and returned to the cooling medium collection area as a water column 16 is returned.

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.The vacuum device 46 In this case, in particular in the initial phase of this process, the proportion of air in the evaporation space, the primary side, is used 22 of the first heat exchanger 20 and the condensate tank 38 to lower, so that thereby a quasi-stationary state of the then natural cooling circuit is achieved.

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.With the condensate tank 38 are connected as means 44 to regulate the differential pressure acting on the closed first cooling circuit vacuum device 46 to increase the differential pressure between the pressure inside the condensate tank 38 and the atmospheric area 14 inside the containment 12 and a control valve for reducing this differential pressure.

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.The secondary side 24 of the heat exchanger 20 is traversed by a coolant, which via a pumping device 30 through a pipe 26 from outside the containment 12 is supplied. After flowing through the secondary side 24 of the heat exchanger 20 Then the heated coolant is then passed through a pipe 28 outside the containment 12 led, where the heat energy is then delivered to any kind of heat sink.

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. 2 shows in a schematic diagram of an exemplary second containment cooling system 50 , This includes the essential components of the previously mentioned in 1 illustrated safety container cooling system, namely a safety container 52 , a thermosyphon container 56 with evaporation space 58 , a first heat exchanger 54 , a condensate container 60 and a condensate return line 62 , the latter components to a first closed cooling circuit 64 are interconnected for medium to be cooled. In the cooling medium collecting area is a heat source 70 indicated, which heats the medium to be cooled. For regulation of the first cooling circuit 64 are means 66 and a vacuum device 68 intended.

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.A closed second cooling circuit 72 includes the first heat exchanger 54 , one outside the containment 52 located pumping device 74 , a second heat exchanger also located outside the containment 76 with its primary page 78 as well as corresponding lines. Characterized that the coolant now in a closed second cooling circuit 72 flows, even with a leakage between the first 64 and second 72 Cooling circuit ensures that no contaminated medium to be cooled is released into the environment.

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.For cooling the primary side 78 through the second heat exchanger 76 flowing coolant is on the secondary side 80 another coolant passed through this, by means of which then takes place a derivative of the absorbed heat energy to the environment. In this example, the secondary page becomes 80 of the second heat exchanger 76 flows through ambient air, which is guided via corresponding lines and a fan 82 is sucked. But it is also any other heat sink for this purpose conceivable, for example, a cooling tower or a body of water.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: exemplarisches erstes Sicherheitsbehälterkühlsystemexemplary first containment refrigeration system
1212: Sicherheitsbehältercontainment
1414: atmosphärischer Bereich in Sicherheitsbehälteratmospheric area in containment
1616: Kühlmediumsammelbereich in SicherheitsbehälterCoolant collection area in containment
1818: zu kühlendes Medium (Oberfläche)medium to be cooled (surface)
2020: erster Wärmetauscherfirst heat exchanger
2222: Primärseite von erstem WärmetauscherPrimary side of first heat exchanger
2424: Sekundärseite von erstem WärmetauscherSecondary side of first heat exchanger
2626: Leitung für KühlmittelLine for coolant
2828: Leitung für KühlmittelLine for coolant
3030: Pumpvorrichtungpumping device
3232: Thermosiphon-BehälterThermosiphon tank
3434: VerdampfungsraumEvaporation space
3636: Rohrleitungpipeline
3838: Kondensatbehältercondensate tank
4040: KondensatrückführleitungCondensate return line
4242: Rückschlagventilcheck valve
4444: Mittel zur Regelung des DifferenzdrucksMeans for controlling the differential pressure
4646: Vakuumvorrichtungvacuum device
4848: Wärmequelleheat source
5050: exemplarisches zweites Sicherheitsbehälterkühlsystemexemplary second containment refrigeration system
5252: Sicherheitsbehältercontainment
5454: erster Wärmetauscherfirst heat exchanger
5656: Thermosiphon-BehälterThermosiphon tank
5858: VerdampfungsraumEvaporation space
6060: Kondensatbehältercondensate tank
6262: KondensatrückführleitungCondensate return line
6464: erster geschlossener Kühlkreislauffirst closed cooling circuit
6666: Mittel zur Regelung des DifferenzdrucksMeans for controlling the differential pressure
6868: Vakuumvorrichtungvacuum device
7070: Wärmequelleheat source
7272: zweiter geschlossener Kühlkreislaufsecond closed cooling circuit
7474: Pumpvorrichtungpumping device
7676: zweiter Wärmetauschersecond heat exchanger
7878: Primärseite von zweitem WärmetauscherPrimary side of second heat exchanger
8080: Sekundärseite von zweitem WärmetauscherSecondary side of second heat exchanger
8282: Gebläsefan

Claims

Sicherheitsbehälterkühlsystem (10, 50), aufweisend folgende Komponenten: • einen hermetisch abgeschlossenen Sicherheitsbehälter (12, 52) für einen Kernreaktor, • einen innerhalb des Sicherheitsbehälters (12, 52) befindlichen Kühlmediumsammelbereich (16) zur Aufnahme eines zu kühlenden Mediums (18), • einen innerhalb des Sicherheitsbehälters (12, 52) und geodätisch oberhalb des Kühlmediumsammelbereiches (16) befindlichen ersten Wärmetauscher (20, 54) zur Wärmeübertragung zwischen dem zu kühlenden Medium (18) und einem Kühlmittel, • Mittel, um dem ersten Wärmetauscher (20, 54) das Kühlmittel von außerhalb des Sicherheitsbehälters (12, 52) zuzuführen und nach dessen Durchströmung nach außerhalb des Sicherheitsbehälters (12, 52) rückzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Sicherheitsbehälters (12, 52) weiterhin folgende Komponenten vorgesehen sind, welche mit dem ersten Wärmetauscher (20, 54) zu einem geschlossenen ersten Kühlkreislauf (64) verbunden sind: • ein in den mit zu kühlendem Medium (18) gefüllten Kühlmediumsammelbereich (16) ragenden unten offenen Thermosiphon-Behälter (32, 56) mit einem geodätisch oberhalb des Kühlmediumsammelbereiches (16) befindlichen Verdampfungsraum (34, 58), • eine Rohrleitung (36) vom Verdampfungsraum (34, 58) zum ersten Wärmetauscher (20, 54), • ein geodätisch unterhalb des ersten Wärmetauschers (20, 54) und oberhalb des Kühlmediumsammelbereiches (16) befindlicher Kondensatbehälter (38, 60), welcher mit dem ersten Wärmetauscher (20, 54) verbunden ist, • eine Kondensatrückführleitung (40, 62) aus dem Kondensatbehälter (38, 60) in den Kühlmediumsammelbereich (16). Containment vessel cooling system (10, 50), comprising the following components: a hermetically sealed containment vessel (12, 52) for a nuclear reactor, a cooling medium collection area (16) located inside the containment vessel (12, 52) for receiving a medium (18) to be cooled, A first heat exchanger (20, 54) located inside the containment (12, 52) and geodetically above the cooling medium collection area (16) for heat transfer between the medium (18) to be cooled and a coolant, means for supplying the first heat exchanger (20, 54) to supply the coolant from outside the containment (12, 52) and to recirculate it to the outside of the containment (12, 52), characterized in that within the containment (12, 52) the following components are further provided with the first heat exchanger (20, 54) to a closed first cooling circuit (64) connected: • a downwardly open thermosyphon container (32, 56) projecting into the cooling medium collecting area (16) filled with the medium to be cooled (18), with a evaporation space (34, 58) located geodetically above the cooling medium collecting area (16), • a pipeline (36) from the evaporation space (34, 58) to the first heat exchanger (20, 54), • a geodetically below the first heat exchanger (20, 54) and above the cooling medium collecting area (16) located condensate tank (38, 60), which with the first Heat exchanger (20, 54) is connected, • a condensate return line (40, 62) from the condensate tank (38, 60) in the cooling medium collecting area (16).

Sicherheitsbehälterkühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Regelung des Differenzdrucks (44, 66) zwischen dem atmosphärischen Druck innerhalb des Sicherheitsbehälters (12, 52) und innerhalb des Kondensatbehälters (38, 60) vorgesehen sind.Safety container cooling system according to Claim 1 , characterized in that means for controlling the differential pressure (44, 66) between the atmospheric pressure within the containment vessel (12, 52) and within the condensate vessel (38, 60) are provided.

Sicherheitsbehälterkühlsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Regelung des Differenzdrucks (44, 66) eine auf den geschlossenen ersten Kühlkreislauf (64) wirkende Vakuumvorrichtung (46, 68) umfassen.Safety container cooling system according to Claim 2 , characterized in that the means for controlling the differential pressure (44, 66) comprise a vacuum device (46, 68) acting on the closed first cooling circuit (64).

Sicherheitsbehälterkühlsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumvorrichtung (46, 68) mittels einer innerhalb des Sicherheitsbehälters (12, 52) angeordneten Niedervoltbatterie betriebenen Vakuumpumpe realisiert ist.Safety container cooling system according to Claim 3 , characterized in that the vacuum device (46, 68) is realized by means of a vacuum pump operated within the safety container (12, 52) arranged vacuum pump.

Sicherheitsbehälterkühlsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumvorrichtung (46, 68) mittels eines innerhalb des Sicherheitsbehälters (12, 52) angeordneten Unterdrucktanks realisiert ist.Safety container cooling system according to Claim 3 Characterized in that the vacuum device (46, 68) by means of a within the containment vessel (12, 52) arranged in the vacuum tank is realized.

Sicherheitsbehälterkühlsystem nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumvorrichtung (46, 68) mit dem Kondensatbehälter (38, 60) verbunden ist.Safety container cooling system according to Claim 3 to 5 , characterized in that the vacuum device (46, 68) is connected to the condensate container (38, 60).

Sicherheitsbehälterkühlsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatrückführleitung (40, 62) ein Rückschlagventil (42) zur Vermeidung eines Rückflusses von zu kühlendem Medium (18) aus dem Kühlmediumsammelbereich (16) in den Kondensatbehälter (38, 60) aufweist.Safety container cooling system according to one of the preceding claims, characterized in that the condensate return line (40, 62) has a check valve (42) for preventing backflow of medium to be cooled (18) from the cooling medium collecting area (16) in the condensate tank (38, 60).

Sicherheitsbehälterkühlsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (20, 54) einen Verdampfungskondensator umfasst. Safety container cooling system according to one of the preceding claims, characterized in that the first heat exchanger (20, 54) comprises an evaporation condenser.

Sicherheitsbehälterkühlsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zu kühlende Medium (18) und/oder das Kühlmittel Wasser ist.Safety container cooling system according to one of the preceding claims, characterized in that the medium to be cooled (18) and / or the coolant is water.

Sicherheitsbehälterkühlsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel, um dem ersten Wärmetauscher (20, 54) ein Kühlmittel von außerhalb des Sicherheitsbehälters (12, 52) zuzuführen, eine außerhalb des Sicherheitsbehälters (12, 52) befindliche durch einen Elektromotor oder einen Verbrennungsmotor angetriebene Pumpvorrichtung (30, 74) aufweisen.A security container cooling system according to one of the preceding claims, characterized in that the means for the first heat exchanger (20, 54) to supply a coolant from outside the containment (12, 52), an outside of the containment (12, 52) located by an electric motor or an internal combustion engine driven pump device (30, 74).

Sicherheitsbehälterkühlsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb des Sicherheitsbehälters (12, 52) ein zweiter Wärmetauscher (76) vorgesehen ist und dass das Kühlmittel in einem zweiten geschlossenen Kühlkreislauf (72) durch diesen geführt ist.Safety container cooling system according to one of the preceding claims, characterized in that outside the containment (12, 52), a second heat exchanger (76) is provided and that the coolant in a second closed cooling circuit (72) is guided by this.

Sicherheitsbehälterkühlsystem nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung des Kühlmittels als weiteres Kühlmittel Wasser oder Luft durch den zweiten Wärmetauscher (76) geführt ist.Safety container cooling system according to Claim 11 characterized in that for cooling the coolant as a further coolant water or air through the second heat exchanger (76) is guided.