DE2104356B2

DE2104356B2 - Verfahren und einrichtung zur thermischen entgasung des primaerkuehlmittels von kernreaktoren

Info

Publication number: DE2104356B2
Application number: DE19712104356
Authority: DE
Inventors: Gottfried Dr. 8510 Fürth; Korn Roland Dr. 8500 Nürnberg Grämer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-01-30
Filing date: 1971-01-30
Publication date: 1976-02-12
Also published as: IT946936B; FR2123287B1; AT329695B; SE367086B; CH537074A; NL7117884A; DE2104356A1; FR2123287A1; US3789577A; ES399316A1; ATA1111871A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur thermischen Entgasung des Primärkühlmittels während des normalen Betriebs von mit Druckhaltern ausgerüsteten Kernreaktoren. Eine derartige Entgasung ist notwendig, da sich im Laufe der Betriebszeit eines Kernreaktors, insbesondere durch defektwerdende Brennelemente, radioaktive Gase im Kühlmittel lösen, die unter Umständen zu einer unzulässig hohen Kontamination des Primärkreislaufes führen können. Diese würde sich besonders störend bei Reparaturarbeiten an Bauelementen dieser Kreisläufe, wie z. B. Wärmetauschern, bemerkbar machen.

Selbstverständlich ist bei Kernreaktoranlagen auch einstellbare Heizleistung des Druckhalters der benötig ten Verdampfungswärme sowie der Aufheizwärme des durchströmenden Primärkühlmittels bis zur Siedetemperatur desselben beim eingestellten Betriebsdruck

hochkonzentrierter 30 entspricht. Zur thermischen Entgasung wird also der Druckhalter verwendet, der bei Druckwasserkernkraftwerken zur Einstellung und Einregulierung des Be triebsdruckes sowieso vorhanden ist. Bei solchen Kraftwerken ist weiterhin ein sogenannter Druckhalterab-

blasetank vorhanden, der teilweise mit Wasser gefüllt ist und zur Kondensation des im Falle eines Überdrukkes im Primärsystem über ein Druckminderventil entweichenden überschüssigen Dampfes dient. Der Druckhalter des Kernkraftwerkes besteht dabei aus einem Druckkessel, der zum Teil mit Wasser gefüllt ist und eine elektrische Heizeinrichtung enthält. Er ist mit dem Primärkreislauf verbunden und überträgt den durch Sieden des Wassers im Druckhalter erzeugten Druck auf das Primärsystem. Zur Regulierung des Druckes dient dabei neben der einstellbaren Heizleistung eine Sprüheinrichtung zur Kondensation des erzeugten Wasserdampfes — wenn der Druck herabgesetzt werden soll. Das Kühlmittel durchströmt also im normalen Betrieb den Druckhalter nicht.

Zur Durchführung des Verfahrens nach dieser Erfindung ist außer diesen bereits genannten Einrichtungen. die bei jeder Druckwasseranlage ohnehin vorhanden sind, nur noch eine Einrichtung zum Auffangen der im Reaktorkühlmittel gelösten Gase notwendig. Spülgase, wie sie aus dem Stande der Technik bekannt sind, werden hier nicht benötigt. An ihrer Stelle tritt sozusagen der Kühlmitteldampf. Da dieser wiederum zu Wasser kondensiert wird, enthält der verbleibende Gasstrom die abzuziehenden Gase, wie z. B. Xenon und Krypton, praktisch in unverdünnter Form.

Zur näheren Veranschaulichung dieses Verfahrens ist in den F i g. 1 bis 3 in schematischer Weise jeweils eine Möglichkeit zur Entgasung des Primärkühlmittels unter Verwendung von Druckhalterabblasetank sowie dem

dazwischenliegenden Überdruckventil dargestellt.

Einander entsprechende Bauteile sind in allen drei Figuren gleich bezeichnet. In F i g. 1 ist zunächst ein Primärkreislauf des Kernreaktors 1 dargestellt, der ver-

einfacht aus dem Dampferzeuger 2 und der Pumpe 3 bei^nt. An diesen ist angeschlossen über die Leitung 43 der Druckhalter 4, dieser besteht aus einem Druckgefäß mit einer elektrischen Heizung 41 und einer Sprüheinrichtung 42. Letztere ist über dub Ventil 53 und die Leitung 44 mit dem Primärkreislauf verbunden. Durch Einschaltung der elektrischen Heizung 41 wird mehr Wasser verdampft und damit der Druck im Druckhalter sowie üi>er die Leitung 43: auch im Primärkreislauf erhöht Soll der Druck abgesenkt werden, wird das Ventil 53 mehr oder weniger weit geöffnet, so daß die Sprüheinrichtung 42 anspricht. Dadurch wird ein Teil des Dampfvolumens im Druckhalter 4 kondensiert und damit der Druck im ganzen System reduziert.

Der Druckhalter 4 ist über das Überdruckventil 5 mit dem Druckhalterabblaseiank 6 verbunden. Dieser Tank ist ebenfalls, wie der Druckhalter, zum Teil mit Wasser gefüllt. Im Falle eines Überdruckes im Druckhalter 4, der nicht rechtzeitig durch die Sprüheinrichtung 42 kompensiert wird, gelangt Dampf über das Ventil 5 in den Druckhalterabblasetank und kondensiert dort durch Hochströmen im Wasservorrat. Die bisher beschriebenen Anlagenteile gehören aber normalerweise zu jeder Druckwasserreaktoranlage. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nun an den Druckhalterabblasetank 6 über die Pumpe 8 eine Adsorptionseinrichtung 7 angeschlossen. Darin werden die aus dem Kreislauf entfernten radioaktiven und nichtradioaktiven Gase festgehalten. Nichtradioaktive Gase, wie z. B. Wasserstoff oder Helium, werden über das Ventil 9 entweder in den Druckhalterabblasetank 6 zurückbefördert oder über die Leitung 10 ins Freie entlassen.

Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nun folgender: Zunächst wird das Ventil 53 in der Leitung 44 geöffnet und damit über die Brause 42 und die Leitung 43 eine Durchströmung des Druckbehälters 4 mit dem zu entgasenden Kühlmittel erzwungen. Gleichzeitig wird die Heizleistung heraufgesetzt, damit ein Sieden der durchströmenden Flussigkeitsmenge erreicht wird. Wenn die normale Kühlmitteltemperatur auf der Ausgangsseite des Kernreaktors beispielsweise 314°C und der Druck HOatü beträgt, so beträgt die Siedetemperatur innerhalb des Druckhalter etwa 354°C. Die durchströmende Wassermenge beträgt beispielsweise 11 t/Std. Über das Überdruckventil 5 werden etwa 200 bis 400 kg Dampf pro Stunde abgezogen und hinter diesem Ventil auf 1 atü entspannt. Durch diesen Dampfentzug wird der normale Betriebsdruck innerhalb des Primärsystems des Kernreaktors konslant gehalten. In dem abgezogenen Dampf befinden sich vermischt jene Gase, die vorher im flüssigen Kühlmittel in gelöster Form enthalten waren. Wie bereits erwähnt, kondensiert der das Überdruckventil verlassende Dampf im Druckhalierabblasetank; im Raum oberhalb des Wasserspiegels desselben sammeln sich · die mitgeführten Gase. Dieser Raum war vorher bereits mit Wasserstoff- oder Heliumgas gefüllt. Der sich im Druckhalterabblasetank kondensierende Dampf kann über die strichpunktierte Leitung und das Ventil »o 52 sowie die Pumpe 31 in den Primärkreislauf zurückgespeist werden, so daß damit der Wasserkreislauf ohne jede Verluste geschlossen ist. Selbstverständlich kann der kondensierte Dampf auch in den bei jedem Reaktor befindlichen und hier nicht dargestellten VoIumenausgleichstank zurückgeführt werden. Dieser ist ein Teil der Kühlwasserreinigungsanlage und steht in nirht dargestellter Weise ebenfalls mit dem Primärkreislauf des Kernreaktors in Verbindung. Die sich im Druckhalterabblasetank sammelnden Kühlmittelgase werden über die Pumpe 8 einer Gasadsorptionsanlage 7 zugeführt, die in an sich bekannter Wejse auf seur niedrigen Temperaturen von z. B. -80 bis -190° C gehalten ist. In dieser werden die ehemals gelösten Gase gewonnen und entweder zusammen mit den Adsorptionsbehältern nach Sättigung derselben in Räumen zum Abklingen der Radioaktivität gelagert oder aus diesen in Druckflaschen in hochkonzentrierter Form abgefüllt. Die nicht adsorbierten Gase sind beispielsweise Wasserstoff oder Helium — für diese wären noch wesentlich tiefere Adsorptionstemperaturen notwendig —, sie können, da sie nicht radioaktiv sind, entweder über die Leitung JO ins Freie abgelassen oder nach einer entsprechenden Umstellung des Ventils 9 als Schutzgas in den Behälter 6 zurückgeführt werden.

Dieser EntgasungsVorgang kann während des Reaktorbetriebes diskontinuierlich aber auch kontinuierlich durchgeführt werden. Außerdem ist es möglich, ihn bei abgeschaltetem oder unterkritischem Reaktor zu betreiben, d. h. auch im sogenannten Nachkühlbetrieb. Ein Anfall oder eine Speicherung von radioaktivem Wasser ist nicht notwendig, da die Rückspeisung des im Druckhalterabblasetank kondensierten Wassers in den Primärkreislauf möglich ist

In F i g. 2 und 3 sind beispielsweise weitere Möglichkeiter, der Entgasung des Primärkühlmittels unter Zuhilfenahme der vorhandenen Einrichtungen dargestellt. Der eigentliche Primärkreislauf ist hier aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen.

Nach F i g. 2 ist auf der Niederdruckseite des Überdruckventils 5 eine Gasauswaschsäule 61 sowie ein Niederdruckkondensator 62 vorgesehen. Anschließend an diesen Niederdruckkondensator 62 ist über die Pumpe 8 die Gasadsorptionseinrichtung 7 angeschlossen, die wiederum über das Ventil 9 mit dem Druckhalterabblasetank 6 verbunden werden kann. Im Unterschied zur Einrichtung nach F i g. 1 wird hier die Kondensation des entspannten Dampfes nicht im Druckhalterabblasetank, sondern in einer eigenen Einrichtung 61 vorgenommen.

Die Funktionsweise ist kurz folgende:

Deraus dem Überdruckventil 5 kommende Dampf wird im Niederdruckkondensator 6 kondensiert und läuft über die Gasauswaschsäule 61, die als eine Bodenkolonne aufgebaut sein kann, nach unten. Das entgaste Wasser gelangt in den Druckhalterabblasetank, während die ehemals gelösten Gase über die Pumpe 8, wie im Beispiel nach F i g. 1, in die Einrichtung 7 befördert und dort adsorbiert werden.

Diese Kombination von Kondensator und Gasauswaschsäule kann gemäß F i g. 3 auch auf der Hochdruckseite des Überdruckventils 5 angeordnet werden. Hier wird das in der Gasauswaschsäule 61 gewonnene Hochdruckkondensat über das Überdruckventil 5 dem Druckhalterabblasetank zugeführt. Nach der Adsorptionseinrichtung 7 ist hier ein Druckminderventil 51 eingesetzt, das das verbliebene Restgas — Helium oder Wasserstoffgas, unter Umständen auch Stickstoff entspannt.

Über die Gasadsorptionseinrichtungen 7 werden keine näheren Angaben gemacht. Diese gehören zum bekannten Stand der Technik, wobei selbstverständlich verschiedenartige Systeme Verwendung finden können. Auch sind weitere konstruktive Varianten der Entgasungsanlage unter Verwendung von Druckhalterüberdruckventil und Druckhalterabblasetank hiöglich, wie

auch unter Umständen Kombinationen der in den verschiedenen Figuren dargestellten Einrichtungen möglich sind. Selbstverständlich wäre daher auch eine Zuführung des zu entgasenden Primärkühlmittels in dem Druckhalter aus dem nicht dargestellten Volumenregelsyslem möglich.

Ein weiterer großer Vorteil dieses Verfahrens
darin zu sehen, daß es sich ohne Schwierigkeiten n;ic träglich bei jeder mit Druckwüsser betriebenen Kcr reaktoranlage anwenden läßt.

Für Siedewasserreaktoren ist eine sinngemäße A wandlung des Verfahrens ebenfalls möglich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!. Verfahren zur ihermischen Entgasung des Primärkühlmittels während des normalen Betriebs von mit Druckhaltern ausgerüsteten Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Primärkühlmittels durch den Druckhalter (4) hindurchgeleitet wird, daß aus diesem Gefäß Dampf, zur Entfernung der mitgeführten Gase aus dem Dampf und zur Gewinnung derselben nach an sich bekannten Methoden, entnommen wird und daß die einstellbare Heizleistung des Druckhalters der benötigten Verdampfungswärme sowie der Aufheizwärme des durchströmenden Primärkühlmittels bis zur Siedetemperatur desselben beim eingestellten Betriebsdruck entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf über die bei der Kraftwerksanlage aus Sicherheitsgründen bereits vorhandenen Bauteile, Überdruckventil (5) und Druckhalterabblasetank (6), geleitet wird und die sich oberhalb des Wasserspiegels dieses Tanks sammelnden ursprünglich gelösten Gase über Adsorp

eine normale Reinigung des Primarflüssigkeitskreisiaut'es von Substanzen, die nicht mit dem Flüssigkeitsdampf mitgeführt werden, vorgesehen, z. B. mit Hilfe des aus der DT-AS 12 33 506 bekanntgewordenen Dcstillationsverfahrens.

Das thermische Entgasen von Wasser ist an sich bekannt, die gelösten Gase werden durch Erhitzen ausgetrieben sowie mit Hilfe eines Trägergasstromes abgeführt und — falls notwendig — über Adsorpiionseinrichtungen dem Trägergasstrom wieder entnommen. Da in Kernreaktoranlagen jedoch außerordentlich große Mengen von Kühlwasser umlaufen, wurden derartige Einrichtungen sehr umfangreich und kostspielig werden.

Es stellte sich daher die Aufgabe, die thermische Entgasung von Reaktorkühlmitteln mit Hilfe möglichst vieler an sich bereits vorhandener Einrichtungen und ohne umfangreiche Zusätze, wie Druckkessel u. dgl., durchzuführen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, r!aß ein Teil des Primärkühlmittels durch den Druckhalter hindurchgeleitet wird, daß aus diesem Gefäß Dampf, zur Entfernung der mitgeführten Gase aus dem Dampf und zur Gewinnung derselben nach an sich

tionsstrecken (7) geleitet, aus ihnen die schwer kon- 25 bekannten Methoden, entnommen wird und daß die

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densierbaren und nicht radioaktiven sowie unter Umständen in den Behälter (6) zurückzuführenden Anteilen, wie Wasserstoff oder Helium, eventuell auch Stickstoff, abgetrennt werden und die verbleibenden radioaktiven Gase in
Form gesammelt werden.
3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Gewinnung der mitgeführten Gase eine Gasauswaschsäule (61) mit angeschlossener Gasadsorptionseinrichtung (7) auf der Hochdruckseite des zwischen Druckhalter (4) und Druckhalterabblasetank (6) angeordneten Überdruckventils (5) vorgesehen ist und das darin anfallende entgaste Kondensat über dieses Ventil in den Druckhalterabblasetank (6) gelangt.
4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Gewinnung der mitgeführten Gase eine Gasauswaschsäule (61) mit angeschlossener Gasadsorptionseinrichtung (7) auf der Niederdruckseite des zwischen Druckhalter (4) und Druckhalterabblasetank (6) angeordneten Überdruckventils (5) vorgesehen ist und das darin anfallende entgaste Kondensat direkt in den Druckhalterabblasetank (6) gelangt.