DE3815850C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Druckentlastung eines Kernkraftwerks gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Kernkraftwerk mit allen konstruktiven Bestandteilen zur Durchführung des Verfahrens.

Kernkraftwerke der eingangs genannten Art sind z. B. Gegen­ stand der deutschen Patentanmeldungen P 36 37 795.3, P 37 29 501.2 und P 38 12 893.4. Zur Filterung sind dabei unter anderem Kiesbettfilter oder Sandfilter zur Rückhaltung von Jod und Aerosolen sowie Metallfaserfilter mit nachgeschalteten Jodsorptionsfiltern oder Venturiwäscher eingesetzt.

Die Verwendung von Metallfaserfiltern zum Filtern des Entlastungsstroms bei einem Verfahren zur Druckentlastung eines Kernkraftwerks gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist auch aus der DE-OS 36 35 342 bekannt. Bei dem dort beschriebenen Druckabbausystem sind die Metallfasern in Form von Faserpaketen an seitlichen Öffnungen von Modulen eines Kanals angebracht, der in einer in die Außenatmosphäre führenden Entlastungsleitung liegt. Nachteilig bei diesem Druckabbausystem ist neben einer nur begrenzten Filterwirkung der hohe bauliche Aufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine neuartige Verfahrensweise und entsprechende Einrichtungen dazu mit geringerem Aufwand auszukommen. Insbesondere sollen die baulichen Abmessungen verringert werden, die ganz wesentlich den Preis solcher Filter bestimmen, weil die Druckentlastung ohnehin nur bei einem äußerst unwahrscheinlichen Störfall von Nutzen sein kann.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das Filter ein an sich bekanntes Molekularsieb, insbesondere mit Silbernitratauflage zur Jodsorptionsfilterung, umfaßt, das über Wärmetauscherflächen mit dem Entlastungsstrom beheizt wird, und daß der getrocknete Entlastungsstrom in direkten Kontakt mit dem Molekularsieb gebracht wird.

Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 angegeben. Die Ansprüche 7 bis 13 beschreiben Einrichtungen, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders gut geeignet sind.

Es wurde gefunden, daß ein eigenmedienbeheiztes Molekularsieb, z. B. mit Silbernitratbelegung, kombiniert mit einer vorgeschalteten Metallfaserfilterung und zwischengeschalteter Drosselung - ohne weitere aktive Beheizungseinrichtung - zur Jodsorptionsfilterung bei der Entlastung der Reaktorsicherheitshülle vorteilhaft eingesetzt werden kann, womit neben der Abscheidung des elementaren Jodes auch passiv die Organojodfilterung erreicht werden kann.

Mit Molekularsieben in Form von nicht brennbaren Sorptionsfiltern kann die Jodrückhaltung auch bei Gasbestandteilen, wie z. B. CO, die die Jodrückhaltung in Waschflüssigkeiten beeinflussen können, im Langzeitbetrieb durchgeführt werden.

Die Unterbringung bzw. Beheizung des Molekularsiebes erfolgt hierbei in einer geschlossenen Kammer im Zuströmbereich des Gashochdruckbereiches, so daß ein direkter Wärmeübergang von dem Entlastungsstrom auf das Molekularsieb erreicht wird. Hierbei wird entweder die Molekularsiebkammer umströmt oder/und durch im Molekularsieb angebrachter Wärmeübertragungsrohre direkt beheizt. An den Beheizungsflächen anfallendes Kondensat kann in einen Kondensatsammelraum zurückfallen. Verbleibende Feinsttropfen werden im Metallfaserfilterteil mitsamt Aerosolen abgeschieden und in den Kondensatsammelraum überführt. Nach der Aerosolfilterung erfolgt über festeingestellte oder regelbare Drosseln eine Druckabsenkung (Expansion) und somit Trocknung des Entlastungsstroms.

Das durch Drosselung getrocknete Gas des Entlastungsstroms vermeidet in Kombination mit der ständigen Temperierung des Sorptionsfilters die störende Kondensation am Molekularsieb und stellt somit bei dem Entlastungsstrom den Jodsorptionsmechanis­ mus sicher. Der Taupunktabstand beträgt vorteilhaft 5°C; das erforderliche Temperaturniveau stellt sich jeweils selbst­ regelnd ein. Durch Einbau einer weiteren Drosselstelle kann ein Drucksorptionsbetrieb (0,5-3 bar) eingestellt werden, so daß durch die Gasvolumenstromverkleinerung eine Reduzierung der er­ forderlichen Molekularsiebmengen um bis zu 50% erfolgen kann. Bei Volumenänderungen des Entlastungsstromes kann durch eine gleitende Betriebsdruckregelung in den einzelnen Stufen die ge­ wünschte Molekularsiebüberhitzung ständig sichergestellt werden.

Besonders günstig kann man mit Festdrosseln im gesamten Be­ triebsbereich von 2-10 bar weiterhin eine Volumenstrombegren­ zung bei Erreichen des kritischen Druckgefälles mit entsprechen­ der Betriebsdruck- und Überhitzungsstufung des Metallfaserfil­ ters und des Molekularsiebbereiches erreichen.

Die neue Filtereinrichtung kann auch mit einem vorgeschalteten frei ausblasenden Venturiwäscher kombiniert werden, so daß zu­ sätzlich noch eine Aerosol- und Jodvorabscheidung erfolgt.

Die Apparate der Filtereinrichtung können wegen ihrer kleinen Abmessungen auch in der Sicherheitshülle aufgestellt werden.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Kernkraftwerk nach der Erfindung mit den zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehenen Einrichtungen,

Fig. 2 einen Behälter, in dem Molekularsieb und Metallfaser­ filter gemeinsam angeordnet sind,

Fig. 3 eine andere Ausführungsform eines Behälters mit Molekularsieb und Metallfaserfilter,

Fig. 4 ein Behälter mit Molekularsieb und Filter, in dem zusätzlich ein Venturiwäscher vorgesehen ist und

Fig. 5 ein Kernkraftwerk, in dessen Sicherheitshülle die Behälter mit den für die Verwirklichung der Erfindung wichtigen Einrichtungen eingebaut sind.

Der Einfachheit halber ist in Fig. 1 das Kernkraftwerk nur durch seine Sicherheitshülle 1 angedeutet, die vorzugsweise in Form einer Stahlkugel ausgeführt ist. Die Sicherheitshülle 1 hat die Aktivitätsträger aufzufangen, die bei einem Störfall im Inneren der Sicherheitshülle 1 freigesetzt werden können. Der Reaktor kann beliebiger Bauart sein, insbesondere handelt es sich um einen wassergekühlten Kernreaktor, dessen Kühlwasser bei einem Störfall zu einem erhöhten Druck im Inneren der Sicherheitshülle 1 führt.

Obwohl die Sicherheitshülle 1 an sich für den Überdruck im Störfall, also auch bei Verdampfung des gesamten Kühlwassers ausgelegt ist, wird neuerdings gefordert, daß weitere Druckausstiege durch eine Druckentlastung der Sicherheitshülle 1 aufgefangen werden. Zu diesem Zweck ist ein Auslaß 2 vorgesehen, an den eine Auslaßleitung 3 mit zwei in Reihe geschalteten Absperrventilen 4 und 5 angeschlossen ist. Mit der Auslaßleitung 3 wird der durch einen Pfeil 6 dargestellte Entlastungsstrom in einen zylindrischen Behälter 10 geführt, der einen Durchmesser von z. B. 2 m und eine ebenfalls 2 m betragende Höhe aufweist.

In dem Behälter 10 sind Molekularsiebe mit Silbernitratauflage 11 im mittleren Bereich angeordnet, die mit einer Kapselung 12 versehen sind. Die Kapselung 12 bildet Wärmetauscherflächen, über die das in den Behälter 10 einströmende Gas-Dampfgemisch des Entlastungsstroms eine Aufheizung der Molekularsiebe 11 vornimmt, bevor es durch eine an den Boden des Behälters 10 angeschlossene Leitung 15 entweicht.

Die Leitung 15 führt in einen zweiten zylindrischen Behälter 16, der bei einem Durchmesser von 3 m eine Höhe von 5 m hat. Wie man sieht, ist der horizontale Eintrittsstutzen 15′ in der Behälterachse vertikal nach oben abgewinkelt. Dort ist ein Prallblech 17 zur Tropfenabscheidung vorgesehen. Darüber sitzt ein als Tropfenabscheider wirkendes Metallfaserfilter 18, dem ein Feinstaerosolfilter 19 nachgeschaltet ist. Durch einen in den unteren Bereich des Behälters 16 weisenden Führungseinsatz 20 wird Kondensat nach unten geführt. Es ergibt sich ein Kondensatspiegel 21, unter den der Führungsmantel 20 reicht.

Das mit dem Metallfaserfilter 18 getrocknete und mit dem Feinstfaserfilter 19 aerosolgefilterte Luft-Dampfgemisch entweicht aus dem Behälter 16 über eine Leitung 25. Sie führt über eine Drossel 26, der ein Regelventil 27 parallel geschaltet ist, in die Kapselungen 12 der Molekularsiebe 11 im Behälter 10. Dort gelangt der Entlastungsstrom, der durch die Expansion hinter der Drosselung 26 auf eine Feuchtigkeit von z. B. 80% getrocknet wurde, in direkten Kontakt mit den Molekularsieben 11. Da diese durch die Kapselung 12 auf eine Temperatur aufgeheizt sind, die z. B. 5°C über der jeweiligen Sattdampftemperatur liegt, erfolgt dort eine praktisch vollständige Sorption von Jod, das als Aktivitätsträger zurückgehalten werden soll. Bei geringeren Anforderungen an die Aerosolrückhaltung können die Filter 18 und 19 auch zusammengefaßt werden.

Von der Reingasseite der Molekularsiebe 11 führt eine Auslaßleitung 30 über eine Drosselstelle 31 und eine Berstscheibe 32 in einen Kamin 33 und damit in die Atmsophäre. Die Drosselstelle 31 ergibt eine gestufte Entspannung der Entlastungsströmung. Sie sorgt dafür, daß die Molekularsiebe 11 mit Gleitdruck zwischen 5 bar und Atmosphärendruck betrieben werden.

Dabei kann durch eine kritische Drosselung der Durchsatz auf einem konstanten Wert gehalten werden, wie das für die Jodsorption günstig ist. Der Druck im Behälter 16 beträgt aber aufgrund der Drossel 26 mindestens das 1,2-fache des Druckes in den Kapseln 12. Vorzugsweise liegt der Druck im Behälter 16 um den Faktor 1,5 bis 2,5 höher.

Die Berstscheibe 32 sorgt dafür, daß die Behälter 10 und 16 mit ihren Einbauten im Normalbetrieb von der Außenluft abgeschlossen sind und erst bei einem Störfall wirksam werden, der eine Druckentlastung der Sicherheitshülle 1 erfordert. Anstelle der Berstscheibe 32 könnte auch ein Überdruckventil verwendet werden.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Behälter 40 betägt die Höhe mehr als das Doppelte des Durchmessers. In dem vergrößerten Raum sind das Molekularsieb 11 gemeinsam mit den Metallfaserfiltern 18 untergebracht. Beide Filter 11, 18 sind ringförmig ausgebildet und koaxial angeordnet. Der Behälter 40 ist in seinem unteren Teil mit einer Wärmeisolierung 41 versehen.

Das Molekularsieb 11 besitzt als Wärmetauscherflächen, die zusätzlich zu der Kapselung 12 vorgesehen sind, Heizrohre 43, die in vertikaler Richtung durch die Siebmasse verlaufen. Durch diese Heizrohre 43 strömt das Luftgasgemisch, dessen freier Weg nach oben zusätzlich durch einen Einbau 44 im Bereich des Molekularsiebs 11 behindert ist. Der aus den Tropfenabscheidern 19 austretende Entlastungsstrom wird den Kapseln 12 durch einen Überströmkanal 45 zugeführt, der in Form eines Ringkanals ausgebildet sein kann oder aus mehreren einzelnen Rohren besteht, die gegebenenfalls auch außerhalb des Behälters 40 geführt werden können. In jedem Falle ist vor dem Eintritt in die Kapselung 12 eine Drosselstelle 26′ vorgesehen, die eine Expansionstrocknung vor dem direkten Kontakt mit dem Molekularsieb 11 ermöglicht. Ferner sorgt die Drosselstelle 26′ für eine gleichmäßige Verteilung des Entlastungsstroms auf den Ringquerschnitt des Molekularsiebs 11. Der Anschluß der Leitung 30, durch die - wie durch die Pfeile 30′ angedeutet - der getrocknete Entlastungsstrom abströmt, erfolgt an Stutzen 46, die durch die Wärmeisolierung 41 hindurchführen.

Auch in dem Behälter 50 nach Fig. 3 sind die Molekularsiebe 11 und die Metallfaserfilter 18 und Tropfenabscheider 19 gemeinsam angeordnet. Hierbei sind die Kapseln 12 der Molekularsiebe 11 von der Behälterwand 51 getrennt angeordnet, so daß die Aufheizung der Molekularsiebe 11 schneller erfolgt. Die Heizrohre 43 führen mit einer Auslaßleitung 52 in einen zentralen Einsatz 53, der im oberen Teil des Behälters 50 dafür sorgt, daß die ringförmig ausgebildeten Metallfaserfilter 18 als Tropfenabscheider und der Feinstfilter 19 von außen in Richtung zur Behälterachse hin durchströmt werden. Bei dem Behälter nach Fig. 3 kann auf eine Wärmeisolierung verzichtet werden, weil die Kapseln 12, die über die Drosselstelle 26′ beaufschlagt werden, keinen wärmeleitenden Kontakt mit der Behälterwand 51 haben.

Bei dem Behälter 60 nach Fig. 4 ist im unteren Teil noch zu­ sätzlich ein Venturiwäscher 62 angeordnet, dessen Einlaß 63 unterhalb des Kondensatspiegels 21 liegt. Damit wird eine Vorreinigung des Entlastungsstroms erreicht, bevor die Hauptreinigung im Aerosolfilter 18 stattfindet.

Im oberen Teil des Behälters 60 sind elektrische Heizkörper 65 angeordnet, die über einen Anschluß 66 gespeist werden können. Die Heizkörper 65 sind mit Rippen 67 versehen, die eine mäandrierende Gasströmung erzwingen, wie durch den Pfeil 68 dargestellt ist. Mit den Heizkörpern 65 kann eine zusätzliche Erwärmung für den Anfahrbetrieb aufgebracht werden. Außerdem kann damit die Abkühlung kompensiert werden, die gegebenenfalls beim Betrieb des Venturiwäschers 62 auftritt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 sind die Behälter 10′ und 16′ im Inneren der Sicherheitshülle 1 angeordnet. Hierbei erfolgt die Beheizung der Molekularsiebe 11 direkt aus dem Inneren 70 der Sicherheitshülle 1, wie durch die Pfeile 71 und 72 dargestellt ist. Zusätzlich dient dabei die gesamte Wand des Behälters 10′ als Wärmetauscherfläche zur Beheizung der Molekularsiebe 11.

Der Auslaß 2′, der in die Auslaßleitung 3′ führt, liegt hier am Boden 73 des Behälters 16′. Öffnet nämlich bei einem inneren Überdruck die Berstscheibe 74, so gelangt die Entlüftungsströ­ mung in den Behälter 16′ und über das Metallfaserfilter 18 und das Feinstfilter 19 durch die Leitung 76 mit der Drosselstelle 26′′ in die Kapseln 12 der Molekularsiebe 11 im Behälter 10′. Die Auslaßleitung 3′ mit der Drosselstelle 31′ kann über eine Leitung 77 mit einem Ventil 78 mit Stickstoff beaufschlagt werden, um eine Inertisierung zu erreichen, da die Druckentla­ stungseinrichtungen, wie eingangs gesagt, voraussichtlich nie betätigt werden, aber ständig bereit sein sollen. Ferner kann mit einem Stickstoffüberdruck auch die Berstscheibe 74 ge­ steuert geöffnet werden. Es ist aber auch möglich, die Berst­ scheibe 74 wegzulassen, um durch eine Verbindung mit dem Inne­ ren 70 der Sicherheitshülle 1 den auf die Behälter 10′, 16′ wirkenden äußeren Überdruck zu reduzieren.

Claims (13)

1. Verfahren zur Druckentlastung eines Kernkraftwerks mit einer Sicherheitshülle (1) zum Einschluß von Aktivitätsträgern und mit einem Auslaß (2) für einen Entlastungsstrom, der aus der Sicherheitshülle (1) über ein Filter in die Atmosphäre führt, wobei der Entlastungsstrom mit einem Metallfaserfilter (18) entfeuchtet und aerosolgefiltert wird, und wobei der Entlastungsstrom dann durch Expansion getrocknet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das Filter ein an sich bekanntes Molekularsieb (11), insbesondere mit Silbernitratauflage zur Jodsorptionsfilterung, umfaßt, das über Wärmetauscherflächen (12, 43) mit dem Entlastungsstrom beheizt wird, und
daß der getrocknete Entlastungsstrom in direkten Kontakt mit dem Molekularsieb (11) gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Molekularsieb (11) mit Gleitdruck zwischen 5 bar und Atmosphärendruck betrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallfaserfilter (18) mit mindestens dem 1,2-fachen des Molekularsiebdruckes be­ trieben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Entlastungsstrom durch eine hinter dem Molekularsieb (11) erfolgende kritische Dros­ selung (26′) auf einem konstanten Durchsatzwert gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansion des Entlastungsstroms zur Trocknung durch Drosselung (26) eingestellt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Entlastungsstrom zwi­ schen der Sicherheitshülle (1) und der Atmosphäre in mehreren Stufen (26, 31) expandiert.

7. Kernkraftwerk mit allen konstruktiven Bestandteilen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das Molekularsieb (11) und der Metallfaserfilter (18) in zylindrischen Behältern (10, 16) kreisförmig angeordnet sind.

8. Kernkraftwerk nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Behälter (10′, 16′) im Inneren der Sicherheitshülle (1) angeordnet sind.

9. Kernkraftwerk nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Molekularsieb (11) und das Metallfaserfilter (18) in einem gemeinsamen Behälter (40, 50, 60) angeordnet sind.

10. Kernkraftwerk nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Behälter (40, 50, 60) mit seinem Unterteil einen Kondensatsammelraum (21) bildet.

11. Kernkraftwerk nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Behälter (60) einen Ventu­ riwäscher (62) enthält.

12. Kernkraftwerk nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Mo­ lekularsieb (11) eine Querschnittsverengung (26′) zur gleich­ mäßigen Verteilung des Entlastungsstroms vorgeschaltet ist.

13. Kernkraftwerk nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (60) mit dem Molekularsieb (11) Heizelemente (65) mit Fremdenergie aufweist.