DE2064321A1

DE2064321A1 - Einrichtung zur Regelung von Leichtwasser-Kernrekatoren

Info

Publication number: DE2064321A1
Application number: DE19702064321
Authority: DE
Inventors: William W. Monroeville; Schoot Martinus R. van der Pittsburgh; Pa. Brown (V.StA.)
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1970-01-14
Filing date: 1970-12-29
Publication date: 1972-07-20
Also published as: CH514914A; BE761514A; FR2076099B1; AT310883B; SE360492B; DE2064321B2; JPS5114675B1; DE2064321C3; FR2076099A1

Description

Einrichtung zur Eegelung von Leichtwasser-Kernreaktoren

Es wird die Priorität der USA-Patentanmeläung Serial No. 2,797 vom 14.1.1970 in Anspruch genommen

Bei leichtwassergekühlten Kernreaktoren ist es bekannt, zusätzlich zu einer Regelung mit Steuerstäben eine chemische Trimmung durch Borsäure vorzunehmen. Dabei wird entsprechend den jeweiligen Anforderungen dem Kühlmittel in einem Hilfskreislauf, in den ein Teil des Kühlmittels abgeleitet wird, Borsäure zudosiert oder wieder entzogen.

Der Borsäureentzug erfolgt dabei im allgemeinen in einem Verdampfer, in dem das borsäurehaltige Kühlmittel soweit verdampft wird, daß Borsäure einer gewünschten Konzentration zurückbleibt. Diese kann dann gegebenenfalls dem Kühlwasser wieder zugeführt werden. Diese Verdampfer haben dabei im wesentlichen die Aufgabe, dem Kühlwasser die Borsäure entsprechend der geringeren Vergiftung bei zunehmendem Abbrand der Brennelemente zu entziehen. Wenn Jedoch plötzlich größere Mengen Borsäure entzogen werden müssen, wie beispielsweise bei einem Lastzyklusbetrieb des Kernkraftwerkes, müßten diese Verdampfer unwirtschaftlich groß ausgeführt werden, um diese Aufgabe bewältigen zu können.

Auf der anderen Seite ist es bekannt, Ionenaustauscher zur schnellen Regelung des Borsäuregehaltes zu verwenden. Bei be-

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stimmter Wahl der verwendeten Kunstharze ist es dabei möglich, daß - abhängig von der Temperatur des zugeführten Kühlmittels diese Ionentauscher sowohl Borsäure aufnehmen als auch wieder abgeben. Der Nachteil dieser Ionentauscher besteht jedoch darin, daß ihre Aufnahmekapazität sehr gering ist, so daß sie sehr groß ausgeführt oder in großer Zahl vorgesehen werden müßten, um alle anfallenden Aufgaben bewältigen .zu können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung zu schaffen, die es gestattet, unter erheblich vermindertem Aufwand den Borsäuregehalt im Kühlwasser bei Lastzyklusbetrieb und entsprechend dem normalen Abbrand schnell und optimal zu regeln.

Die Erfindung besteht dabei darin, daß zur Regelung des Borsäuregehaltes gleichzeitig mindestens ein Ionentauscher mit temperaturabhängiger Austauschfähigkeit für Änderungen der Borsäurekonzentration bei Lastzyklen und mindestens ein Verdampfer zum Borsäureentzug vorgesehen sind, die von einem Teilstrom des den Kernreaktor durchsetzenden Kühlmittels durchströmt sind. Durch die Kombination läßt sich eine optimale Regelung erreichen und besonders die Baugröße des erforderlichen Verdampfers erheblich verringern.

Pur die ordnungsgemäße Arbeitsweise des Ionentauschers ist es ferner erforderlich, daß vor dem Ionentauscher mindestens ein regelbarer Wärmetauscher zur Einstellung der Kühlmitteltemperatur entsprechend der erforderlichen Abgabe oder Aufnahme von Borsäure im Ionentauscher angeordnet ist.

Zur Optimierung der Anlage ist es dabei zweckmäßig, wenn der Ionentauscher aus mehreren parallelgeschalteten Einzelelementen aufgebaut und mit einer Meßeinrichtung ziim automatischen Umschalten auf das jeweils funktionsfähige Element versehen ist.

Dadurch wird zunächst das erste Ionentauscherelement bie zur Sätti-

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gung oder Erschöpfung durchströmt und anschließend erfolgt eine Umschaltung auf jeweils das nächste Element.

An Hand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild des Hilfskreislaufes mit den Ionentauschern

und
Fig. 2 ein Gesamtschaltbild mit Ionentauscher und Verdampfer.

Nach Fig. 1 wird zur Verdünnung des Borsäuregehaltes im Kühlwasser des Reaktors 10 nach Schließen der Ventile 12 und 16 dem Reaktor 10 ein Teilstrom des Kühlmittels über die Leitung 18 entnommen. Nach Durchfluß durch den Wärmetauscher 20 und Reinigung im Entsalzer 22 sowie dem Kationenfilter 24 wird das Wasser über das geöffnete Ventil 26 und den Wärmetauscher 28 geführt und in einem an den Kühler 66 angeschlossenen Wärmetauscher 30 auf etwa 1O⁰C abgekühlt. Auf Grund der geringen Temperatur wird dem Kühlmittel dann in dem ersten Element 32 A des Ionentauscher 32 die Borsäure entzogen. Die Ionentauscher enthalten dabei ein temperaturabhängig wirksames Kunstharz, wie beispielsweise Styrol-Divenyl-Benzol-Polymerisat, dessen Aufnahmekapazität mit abnehmender Temperatur zunimmt. Das Kühlmittel mit einem geringen Restgehalt an Borsäure" wird anschließend über den Wärmetauscher 28 in den Volumenausgleichsbehälter 34 geleitet, von wo es dann dem Reaktor 10 wieder zugeführt werden kann.

Der Restgehalt an Borsäure wird dabei durch das Meßgerät 42 überwacht, durch das auch die erforderliche Umschaltung auf die noch aufnahmefähigen Ionentauscher 32 B, C oder D durch öffnen der entsprechenden Ventile 36, 38 oder 40 erfolgt.

Da bei zunehmendem Abbrand des Kernbrennstoffes der Gehalt an Borsäure im Kühlmittel abnimmt, braucht bei einem Lastwechselfall im Ionentauscher auch nur eine geringe Menge an Borsäure entzogen zu werden. Aus diesem Grunde ist noch das Drossel-

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ventil 44 vorgesehen, über das dann ein Teil des Kühlmittels direkt in den Behälter 34 unter Umgehung der Ionentauscher 32 geleitet wird.

Wenn aber das Kühlmittel mit Borsäure angereichert werden soll, wird das Kühlmittel im Kühler 30 nicht abgekühlt, sondern in einem weiteren Wärmetauscher 46 bis auf die höchste verträgliche Temperatur der Ionentauscher 32 - etwa 75⁰C - aufgewärmt. Dabei wird durch den Temperaturregler 50 und das Drosselventil 48 der sekundärseitige Durchsatz durch den Wärmetauscher 46 geregelt, um die Temperatur des Kühlmittels in den vorgeschriebenen Grenzen fe zu halten. Das Kühlmittel nimmt nun Borsäure aus den lonentauschern 32 auf. Auch hierbei erfolgt bei Erschöpfung der einzelnen Elemente eine automatische Umschaltung durch die Meßeinrichtung 42. Anschließend wird das mit Borsäure angereicherte Kühlmittel über den Wärmetauscher 28 und den Behälter 34 in den Reaktor 10 zurückgeleitet.

Wenn die Borsäure im Kühlmittel nicht nur verdünnt, sondern ganz aus dem System entfernt werden soll, werden nach Sättigung der Ionentauscher 32 das Ventil 51 zum Volumenausgleichsbehälter 34 geschlossen und die Ventile 12 und 16 geöffnet. Anschließend wird - wie bereits beschrieben - das über die Leitung 18 nachströmende Kühlmittel mit Borsäure angereichert und über das ™ Ventil 16 in nicht näher dargestellte Lagerbehälter abgeführt. Das abströmende Kühlmittel im Reaktor wird dabei durch Frischwasser aus dem Vorratsbehälter 14 ersetzt.

In-Fig. 2 ist nunmehr die Gesamtanlage mit Ionentauscher und Verdampfer dargestellt. Das über das Ventil 16 nach Fig. 1 in die Lagerbehälter 52 abströmende und mit Borsäure angereicherte Kühlmittel verdrängt das in den Lagerbehältern 52 zunächst . enthaltene Stickstoff-Schutzgas und wird^ anschließend zum Verdampfer-Ionentauscher 54 gepumpt, in dem Stickstoff, Sauerstoff und Spaltgase entfernt werden. Das Kühlmittel gelangt . dann in den eigentlichen Verdampfer 56, in dem durch Verdampfen die Borsäure vom Primärwasser getrennt wird. Dabei handelt

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es sich um einen kontinuierlichen Prozeß, bei dem eine hohe Konzentration der Borsäurelösung erhalten bleibt. Das Destillat aus dem Verdampfer 56 strömt anschließend in die Zontrollbehälter 58, aus denen es dann nach Entnahme und Auswertung von Proben in den Primärwasser-Vorratsbehälter 14 gepumpt werden kann.

Auf dem Boden des Verdampfers sammelt sich das Borsäurekonzentrat und wird von dort in den Konzentrat-Sammelbehälter 60 abgeführt. Von hier gelangt es nach ausreichender Konzentrierung in die Borsäurebehälter 62. Wenn das Kühlmittel wieder mit Borsäure versetzt werden soll, erfolgt eine Zugabe von Frischwasser aus dem Behälter 14 und von Borsäure aus dem Borsäurebehälter 62 in den Mischbehälter 64, in dem eine Anreicherung auf einen vorgegebenen Wert durchgeführt und das Gemisch anschließend direkt in den Reaktor 10 geleitet wird.

Daraus ergibt sich, daß die Kombination eines Ionentauschersystems, das bei Lastwechseln in Punktion tritt, mit einem Verdampfersystem, das bei normalem Borsäureentzug arbeitet, eine Herabsetzung der Größe und der Kosten des gesamten chemischen Regelsastems bewirkt. Beispielsweise würde eine tägliche Lastabsenkung um 50 $> eine Austauschmenge von 50 Primärkreisvolumen pro Brennstoffzyklus bedeuten. Wenn man weiter annimmt, daß eine zusätzliche Austauschmenge von 10 Primärkreisvolumen für andere Maßnahmen, wie Anfahren, Schnellschluß und Kompensation der Reaktivitätsänderung durch Abbrand erforderlich sind, müßten nach herkömmlichem Verfahren 60 Primärkreisvolumen durch die Verdampfer bewältigt und diese entsprechend ausgelegt werden.

Nach der erfindungsgemäßen Kombination ist jedoch nur ein kleiner Verdampfer für den erforderlichen Borsäureentzug notwendig, während das Ionentauschersystem lediglich entsprechend den erforderlichen Änderungen des Borsäuregehaltes bei Lastwechseln ausgelegt werden muß.

3 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

'1.JEinrichtung zur Regelung von leichtwasser-Reaktoren durch chemische Trimmung mit Borsäure» dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung des Borsäuregehaltes gleichzeitig mindestens ein Ionentauscher (32) mit temperatura"bhängiger Austauschfähigkeit für Änderungen der Borsäurekonzentration "bei Lastzyklen und mindestens ein Verdampfer (54-) zum Borsäureentzug vorgesehen sind, die von einem Teilstrom des den Kernreaktor durchsetzenden Kühlmittels durchströmt sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Ionentauscher (32) mindestens ein regelbarer Wärmetauscher (30,46) zur Einstellung der Kühlmitteltemperatur entsprechend der erforderlichen Abgabe oder Aufnahme von Borsäure im Ionentauscher (32) angeordnet ist.

3· Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionentauscher (32) aus mehreren parallelgeschalteten Einzelelementen (32A ... 32D) aufgebaut und mit einer Meßeinrichtung (42) zum automatischen Umschalten auf das jeweils funktionsfähige Element versehen ist.

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