DE3205836A1

DE3205836A1 - Notkuehlvorrichtung fuer einen wassergekuehlten kernreaktor

Info

Publication number: DE3205836A1
Application number: DE19823205836
Authority: DE
Inventors: Sylvain 84120 Pertuis Croxatto; Maurice Fajeau
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1981-02-24
Filing date: 1982-02-18
Publication date: 1982-09-16
Also published as: US4587079A; CA1183614A; FR2500676B1; JPS57184995A; JPH0410037B2; FR2500676A1

Description

Notkühlvorrichtung für einen wassergekühlten Kernreaktor

Die Erfindung bezieht sich auf eine Notkühlvorrichtung für den Kern eines Druckwasserreaktors.

Es ist bekannt, daß bei dieser Art Reaktor der Kern in (etwa 300⁰C) heißes Leichtwasser unter hohem Druck (von etwa 155 bar) eingetaucht ist und daß es von höchster . Wichtigkeit ist, daß unter allen Umständen, während des Betriebs oder nach Anhalten des Reaktors, der Kern ständig in dieses Wasser eingetaucht bleibt. Außerdem muß dieses Wasser immer gekühlt werden können, um jedes anormale Erhitzen des Brennstoffs zu vermeiden, dessen Temperatur im Grenzfall, wenn der ganze Kern oder ein Teil ausgetrocknet ist, steigen und der zumindest teilweise schmelzen kann, was zu unannehmbaren, gefährlichen und irreversiblen Schaden führen könnte.

Bei derzeit bekannten Reaktoren gibt es im allgemeinen ein Noteinspritzsystem, das den den Kern umschließenden Behälter daran hindern soll sich zu leeren, oder das den Kern im Fall eines Lecks im Primärkreislauf wieder fluten soll, und ein Notkühl- und Abschaltesystem, das eine Abfuhr der Restleistung und eine Abkühlung des Primärkreislaufs bis zur Endtemperatur ermöglicht.

Das Noteinspritzsystem enthält im allgemeinen Hochdruckpumpen, Mitteldruckakkumulatoren und Niederdruckpumpen.

Das Notkühl- und Abschaltesystcm verwendet bis zum mittleren Druck ein Wasserzufuhr- und Dampfentzugssystem der Dampferzeuger und ein System zur direkten Abkühlung des Primärkreislaufs über einen speziellen Wärmetauscher für die endgültige Abkühlung.

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Die mit unter Druck stehendem Wasser gefüllten Akkumulatoren, die mit dem primären Kühlkreislauf des Reaktors über Isolierventile, die auf einen niedrigeren vorbestimmten Wert des in diesem Primärkreislauf herrschenden Drucks reagieren verbunden sind. Das die Akkumulatoren füllende Wasser wird durch Stickstoff unter Druck gesetzt.

Diese bekannte Vorrichtung weist verschiedene Nachteile auf. So erfolgt das Einspritzen des von den Notkühlakkumulatoren des Kerns kommenden Wassers nicht unbedingt im günstigsten Moment. So kann, wenn ein Abfallen des Drucks im Primärkreislauf durch einen Rohrbruch entsteht, der verhältnismäßig wenig bedeutend ist oder die Tendenz hat, sich spontan wieder zu schließen, eine beträchtliche Entleerung des Primärkreislaufs entstehen, ohne daß der Pr imärdruck genügend absinkt, um ein Entleeren der Akkumulatoren oder die Einschaltung der Niederdruck-Noteinspritzung auszulösen. Der Primärkreislauf kann dann durch Hochdruck-Sicherheitspumpen aufgefüllt werden, die zu diesem Zweck vorgesehen sind; aber diese schöpfen aus Behältern begrenzter Kapazität und stellen in keinem Fall die letzten Kühlquellen dar. Andererseits hängt die Entleerung der Akkumulatoren mit einem bestimmten Druckwert des Primärkreislaufs zusammen und nicht mit einem kritischen Wert des Wasserpegels im Reaktorbehälter, der die aussagekräftigste physikalische Größe für ein Wiederauffüllen mit Wasser des Primärkreislaufs ist.

Außerdem endet das Einspritzen von Wasser in den Primärkreislauf meist mit einer Einspritzung des Stickstoffs, der zum Unterdrucksetzen des Wassers in den Akkumulatoren verwendet wurde. Dieses Gas kann dann entweder in den umgekehrt U-förmigen Rohren der Dampferzeuger oder in den oberen Teilen der heißen Zweige des Primärkreislaufs zurückgehalten werden, wenn die Dampferzeuger vom Typ "Einfachdurchlauf" sind, demgemäß die Primärflüssigkeit am

oberen Ende des Dampferzeugers eindringt und an seinem unteren Ende wieder austritt. Es entsteht in beiden Fällen ein Wirksamkeitsverlust der kalten Quellen, die die Dampferzeuger darstellen.

Die vorliegende Erfindung hat eine Notkühlvorrichtung zum Ziel, die gewisse Nachteile des oben genannten Stands der Technik beseitigt und den Verzicht auf die Hochdruck-Noteinspritzakkumulatoren und sogar die Hochdruck-Sicherheitseinspritzpumpen dadurch ermöglicht, daß schnell der Druck des Primärkreislaufs unter die Auslöseschwelle für das Sicherheitseinspritzen unter niedrigem Druck abgesenkt wird, sobald dieser Druck im Primärkreislauf sich aufgrund fehlender Kühlung erhöht.

Diese Notkühlvorrichtung für einen wassergekühlten Kernreaktor, der eine Noteinspritzvorrichtung für Wasser unter niederem Druck in den Reaktorbehälter aufweist, ausgehend von einem Kaltwasserbehälter, der mit dem oberen Teil des Reaktorbehälters über eine Leitung verbunden ist, in der sich in Reihe mindestens eine Niederdruckpumpe und mindestens ein stromaufwärts liegendes Ventil befinden, das normalerweise geschlossen·ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens einen Wärmetauscher aufweist, der in den Reaktorbehälter integriert, normalerweise in das Reaktorwasser eingetaucht und mit einem seiner Anschlüsse über ein Drei-Wege-Klappenventil mit dem stromaufwärts liegenden Ventil verbunden ist, während er mit seinem anderen Anschluß über ein stromabwärts liegendes Ventil und einen zweiten Wärmetauscher, der mit Normalwasser gekühlt wird, mit dem Kaltwasserbehälter verbunden ist.

Die erfindungsgemäße Einrichtung eines geschlossenen Kreislaufs zwischen dem Kaltwasserbehälter zur Noteinspritzung von Wasser unter niedrigem Druck und einem Wärmetauscher im Wasser des Reaktorbehälters ermöglicht so in Verbindung

mit einem kühlenden Wärmetauscher außerhalb des Reaktors in Serie im gleichen Kreislauf die jederzeitige Bereitstellung der notwendigen Kälteeinheiten für den Behälter, um das Primärwasser abzukühlen und die Kondensierung des nach einem mehr oder weniger großen Primärleck entstandenen Dampfs zu erhalten.

Da die Kondensation und die dann anschließende Druckentlastung immer auftreten, ganz gleich, wie sich das Leck entwickelt, sinkt der Druck im Behälter, bis er die Schwelle ΙΟ erreicht, von der ab die Niederdruck-Notwassereinspritzung spontan wirksam wird.

Gemäß einer interessanten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Notkühlvorrichtung sind zwei Ventile, von denen das eine, das normalerweise geschlossen ist, einen weit größeren Durchlaß hat als das andere, das normalerweise geöffnet ist, in der Verbindungsleitung des Endes des integrierten Wärmetauschers mit dem Drei-Wege-Klappenventil angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht vor allem, wahlweise einen mehr oder weniger großen Durchfluß durch den integrierten Warmetauscher zu erreichen, je nach der Menge der Kälteeinheiten, die man dem Behälter bei normalem Kühlbetrieb zuführen will. Das normalerweise geöffnete Ventil arbeitet normalerweise am.Anfang einer Kühlphase, während das zweite, normalerweise geschlossene Ventil mit entschieden größerem Durchfluß nur dann 'geöffnet ist, wenn das Ende der Kühlphase erreicht ist.

Gemäß der Erfindung befindet sich ein Leckdetektor, den. wenn nötig, als Entleerungsventil für den Kreislauf des integrierten Wärmetauschers dient . zwischen diesem Wärmetauscher und dem normalerweise geschlossenen stromabwärts liegenden Isolierventil..

Schließlich wird die erfindungsgemäße Notkühlvorrichtung vorteilhafterweise durch ein zwischen dem stromabwärts liegenden, normalerweise geschlossenen Isolierventil und dem zweiten kühlenden Wärmetauscher eingefügtes Rückschlagdämpfungsventil vervollständigt, das bei Inbetriebnahme während des Füllens des Systems einen hydraulischen Schlag im Hochdruckteil des Kreislaufs verhindert.

Zu den wichtigen Vorteilen der vorliegenden Erfindung gehört folglich die Möglichkeit, die Not- und Abschaltkühlung und die Notwassereinspritzung für einen wassergekühlten Kernreaktor bei einem wie auch immer gearteten Fehler des Primärkreislaufs, der zu gravierenden Mängeln in der Kühlung führt, durchzuführen, indem man einen einzigen Kaltwasserbehälter verwendet, der bisher für das Einspritzen unter Niederdruck genutzt wurde. Insbesondere ermöglicht diese Kühlvorrichtung das Weglassen der Hochdruck-Noteinsp.ritzakkumulatoren, deren Nachteile oben genannt wurden, und sogar der Hochdruck-Sicherheitseinspritzpumpen, die bisher in klassischer Weise bei allen Kernreaktoren dieser Art im Primärkreislauf vorgesehen wurden. Natürlich ermöglicht diese Vorrichtung auch, wenn erwünscht, die Abkühlung des Wassers des Primärkreislaufs nach einem normalen Abschalten des Reaktors, d.h. sie erfüllt die klassische Funktion des Abkühlens des Reaktors beim Abschalten, wenn, nachdem die Steuerstäbe abgesenkt und die Kettenreaktion angehalten wurde, unter Einwirkung der induzierten Radioaktivität, die weiterhin im Kern vorhanden ist, noch eine große Menge von Kalorien frei wird.

In jedem Fall wird die Erfindung beim Lesen der folgenden 0 Beschreibung besser verstanden werden, die ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Notkühlvorrichtung erläutert.

Diese Vorrichtung wird in Bezug auf die einzige beiliegende Figur beschrieben, die schematisch den Behälter eines wassergekühlten Kernreaktors mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt.

Die nachfolgende Beschreibung, die sich auf diese Figur bezieht, betrifft einen druckwassergekühlten Kernreaktor vom PWR-Typ, weil die vorliegende Erfindung in diesem Fall ihre direkteste Anwendung findet, aber es versteht sich von selbst, daß auch andere Arten von wassergekühlten Kernreaktoren,, und insbesondere Siedewasserreaktoren, mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ausgerüstet sein können.

In der Figur sieht man den Behälter 1 eines PWR-Reaktors, der bis zu einem Pegel 2 mit gewöhnlichem Wasser angefüllt ist, was einer Notlage entspricht, in der als Folge eines Lecks schon ein Teil des Primärwassers verlorengegangen ist In diesem Behälter 1 befindet sich der Kern 3 eines Nuklear reaktors, der in das Primärwasser 4 dieses Reaktors eingetaucht ist. Der primäre Wärmetauscherkreislauf des Reaktors 3 ist nicht dargestellt, da er für das Verständnis der vorliegenden Beschreibung nicht erforderlich ist, aber es ist selbstverständlich, daß ein solcher Reaktor auf bekannte Weise einen Primärkreislauf mit mindestens einer Hochdruckpumpe besitzt, um dieses Primärwasser permanent in Richtung der Dampferzeuger zirkulieren zu lassen. Ein Drucksystem, das ebenfalls nicht dargestellt ist, sichert im Behälter 1 die Aufrechterhaltung eines hohen Drucks von etwa 160 bar, um das Sieden des Wassers 4 zu verhindern.

In bekannter Weise enthält die Einrichtung einen Kaltwasserbehälter 5, der durch eine Leitung 6a über eine Niederdruck-

vund

pumpe 7Λ em normalerweise geschlossenes, stromaufwärts liegendes Ventil 8 mit einer Notwassereinspritzdüse 9 verbunden ist, die das Einspritzen des Niederdruck-Notwassers in den Behälter 1 des Reaktors ermöglicht.

Gemäß der Erfindung wird die oben beschriebene bekannte Einrichtung durch eine Notkühlvorrichtung ergänzt, die einen zweiten Kreislauf 6b aufweist, der den Ausgang des stromaufwärts liegenden Ventils 8 mit dem Kaltwasserbehälter 5 über

zwei in Serie liegende Wärmetauscher verbindet, von denea:·. der erste, der Wärmetauscher 10, in den Behälter 1 des Reaktors 3 integriert und in das Kühlwasser 4 dieses Reaktors
eingetaucht ist, und der zweite Wärmetauscher 11 die Rolle eines Kühlers spielt, der über eine Doppelleitung 12 mit
kaltem Normalwasser versorgt wird. Zwischen dem ersten Wärmetauscher 10 und dem zweiten Wärmetauscher 11 befindet sich ein stromabwärts liegendes Ventil 13, das normalerweise geschlossen ist; der dem Wärmetauscher 11 abgewandte Ausgang des Wärmetauschers 10 ist über ein Drei-Wege-Klappenventil 14 und ein System aus zwei parallelen Ventilen 15 und 16 mit dem stromaufwärts liegenden Ventil 8 verbunden. Das normalerweise geöffnete Ventil 15 bietet einen im Verhältnis zum Durchfluß des normalerweise geschlossenen Ventils 16 relativ geringen Durchfluß.

Die Einrichtung wird weiter ergänzt durch einen Leckdetektor 17 mit einem Ventil 18, wobei diese Einheit zwischen
dem stromabwärts liegenden Isolierventil 13 und dem ersten integrierten Wärmetauscher 10 angeordnet ist; ein Rückschlag-0 dämpfungsventil 19 ist vorteilhafterweise zwischen dem stromabwärts liegenden Isolierventil 13 und dem zweiten Wärmetauscher 11 angeordnet.

Die soeben beschriebene Nqtkühlvorrichtung arbeitet folgendermaßen : Wenn der Reaktor 3 normal arbeitet und der Primärkreislauf normal durch das Fließen des Primärwassers durch die Dampferzeuger gekühlt wird, sind alle in der Schemazeichnung gezeigten Ventile (8, 13, 18, 16) geschlossen. Es erfolgt keine Noteinspritzung durch die Düse 9 und keine Abkühlung durch den integrierten Wärmetauscher 10.

0 Wenn nach dem Bruch eines Primärkreislaufs zumindest ein

Teil des Wassers 4 im Behälter 1 fehlt, kommt die Notkühlung im Kreislauf 6a, 6b in Gang, indem die Ventile 8 und 13

geöffnet werden, sodaß Kühlwasser 12 in den zweiten Wärmetauscher 11 gelangt. Das so im integrierten Wärmetauscher 10 zirkulierende kalte Wasser senkt die Temperatur des Wassers 4 im Behälter 1, was eine Kondensation des entstandenen Dampfä und so eine Druckverringerung im Innern des Behälters 1 hervorruft.

Tatsächlich ermöglicht das System der drei Ventile 14, 15 und 16 eine Anpassung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung an die drei folgenden typischen Situationen :

- Beim Abschalten des Reaktors für eine Routinearbeit (wie z.B. ein Entladen von Brennstoff) ist es notwendig, das Wasser 4 des Reaktors 1 abzukühlen, um das Aufheizen zu kompensieren, das die Radioaktivität des Kerns 3 weiterhin produziert. Da man in einem solchen Fall unter keinerlei Zeitdruck steht, kann man sich mit einer relativ langsamen Abkühlung begnügen, die dadurch bewirkt wird, daß man das normalerweise geschlossene Ventil 16 öffnet, wodurch der Wärmetauscher 10 aufgrund des Förderungsdrucks der Pumpe 7 wirksam wird. In einem geläufigen Beispiel mit einem Druck von etwa 10 bar bleibt das Wasser im Wärmetauscher 10 flüssig und der Temperaturunterschied Λ t relativ mäßig zwischen dem Wasser, das durch diesen Wärmetauscher fließt,und dem Wasser 4 des Behälters, was es ermöglicht, den Wärmetauscher 10 mit minimalen mechanischen Belastungen arbeiten zu lassen.

5 - Bei einem Unfall im Reaktor, der zu einem Abschalten führt und eine schnelle Abkühlung notwendig macht, ist es erforderlich, eine stärkere Abkühlung des Wassers 4 des Behälters 1 zu erreichen. Zu diesem Zweck ist das Ventil 16 wieder geschlossen, und man läßt das normalerweise geöffnete und über eine geringe Durchflußmenge verfügende Ventil 15 als Strömungsverlusterzeuger in dem Kreislauf 6b wirken, wodurch der Druck des Kühlwassers im Wärmetauscher 10 tief genug absinken kann, um ein Sieden dieses Wassers zu ermöglichen, und

der Wärmetauscher 10 im Zweiphasensystem arbeitet. Daher übersteigt die Temperatur des Wasser-Dampf-Gemischs im Wärmetauscher 10 nicht 10O⁰C. Hieraus entsteht ein größerer Temperaturunterschied Λ t als im vorhergehenden Fall zwisehen dem Wasser, das den Wärmetauscher durchfließt,und dem Wasser 4 des Behälters 1, und da das Kühlwasser in diesem Wärmetauscher 10 siedet, eine größere Absorption der vom Wasser 4 des Behälters 1 gelieferten Kalorien, da diese zum großen Teil dazu verwendet werden, das vorhergehende Sieden zu bewirken.

- Wenn der Druck im Behälter 1 unter den Förderungsdruck der Pumpe 7 sinkt, öffnet sich automatisch das Drei-Wege-Klappenventil 14, führt so das kalte Wasser zur Leitung 6a ab und stoppt damit die Abkühlung durch den .Wärmetauscher So bewirkt man automatisch das Einspritzen des Notwassers durch die Leitung 6a und die Düse 9 direkt ins Innere des Behälters 1.

Es ist schließlich zu bemerken, daß das normalerweise geöff nete Ventil 15 nur dann geschlossen ist, wenn im Wärmetauscher 10 ein Leck gefunden wird, so daß jede Verbindung zwischen dem Kühlkreislauf und dem Wasser 4 des Behälters 1 vermieden wird.

Es muß weiter bemerkt werden, daß die stromaufwärts und stromabwärts liegenden Isolierventile 8 und 13 den Hochdruckteil auf der Seite des Behälters 1 und den Niederdruckteil auf der Seite des Wärmetauschers 11 und des Behälters 5 voneinander ' trennen. Das heißt, daß der erhöhte Druck im Behälter 1, der durch die Leitung 6a und die Düse 9 in einen Teil der Leitung 6b eindringen könnte, automatisch durch diese beiden Ventile 8 und 13 angehalten wird. Dies stellt insbesondere einen interessanten Schutz des zweiten Wärmetauschers 11 dar aufgrund des in Höhe dieses Wärmetauschers 11 im Kühlkreislauf herrschenden niederen Drucks. Tatsächlich gäbe es

kein Leck des Kühlkreislaufs in Richtung des Normalwassers 12, sondern im Gegenteil ein Eindringen des Normalwassers 12 in den Kühlkreislauf, wenn die Rohre des Wärmetauschers lecken würden, was eine Garantie gegen den Austritt von Radioaktivität darstellt, den man in Höhe dieses Wärmetausschers 11 in Richtung des Normalwassers 12 befürchten könnte; das gleiche Druckverhältnis stellt ebenfalls eine Garantie gegen unzulässige Entleerungen des Kaltwasserbehälters 5 in das Normalwasser 12 dar, immer unter der Annahme eines Lecks in einem der Rohre des Wärmetauschers 11.

Claims

PATENTANWÄLTE DR. KADOR & DR. KIJJNKER

K 13 979/7we

320583a

Commissariat ä I¹Energie Atomique 31/33 Rue de la Federation F-75015 Paris /Frankreich

Notkühlvorrichtung für einen wassergekühlten Kernreaktor

P atentansprüche

(ΛΙ Notkühlvorrichtung für einen mit Wasser (4) gekühlten Kernreaktor (3), wobei dieser Reaktor (3) eine Noteinspritzvorrichtung (5, 6a) für Wasser unter niederem Druck in den Reaktorbehälter (1) aufweist, ausgehend von einem Kaltwasserbehälter (5), der mit dem oberen Teil des Reaktorbehälters über eine Leitung (6a, 9) verbunden ist, in der sich in Reihe mindestens eine Niederdruckpumpe (7) und mindestens ein stromaufwärts liegendes Ventil (8) befinden, das normalerweise geschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens einen VJärmetauscher (10) aufweist, der in den Reaktorbehälter (1) integriert, normalerweise in das Reaktorwasser (4) eingetaucht und mit einem seiner Anschlüsse über ein Drei-Wege-Klappenventil (14) mit dem stromaufwärts liegenden Ventil (8) verbunden

ist, während er mit seinem anderen Anschluß über ein stromabwärts liegendes Ventil (13) und einen zweiten Wärmetauscher (11), der mit Normalwasser gekühlt wird, mit dem Kaltwasserbehälter (5) verbunden ist.
2. Notkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß sich in der Verbindungsleitung (6b) zwischen dem Drei-Wege-Klappenventil (14) und dem integrierten Wärmetauscher (10) zwei parallelgeschaltete Ventile befinden, von denen das eine, das normalerweise geschlossen ΊΟ ist (16), einen wesentlich größeren Durchlaß aufweist als das andere (15), das normalerweise geöffnet ist.
3. Notkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennze ichnet, daß sich in der Verbindungsleitung zwischen dem integrierten Wärmetauscher

(10) und dem stromabwärts liegenden Ventil (13) ein Leckdetektor (17) befindet.
4. Notkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennze ichnet, daß ein Rückschlagdämpfungsventil (19) zwischen dem Wärmetauscher (11), der mit Normalwasser gekühlt wird, und dem stromabwärts liegenden Ventil (13) angeordnet ist.