DE69611621T2 - System zur passiven notbeseitigung von wasserstoff für wassergekühlte kernreaktoren - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes System zum passiven Beseitigen von Wasserstoff innerhalb des Containments in einem Kernreaktor im Falle eines Kühlmittelverlustunfalls durch eine katalytische Wasserstoffrekombination.
Hintergrund der Erfindung
• Herkömmliche wassergekühlte Kernreaktoren sind derart konstruiert, daß die Gefahr einer Beschädigung der Intaktheit des Containments bzw. der Sicherheitshülle aufgrund eines Kühlmittelverlustunfalls ("LOCA" = loss of coolant accident) minimiert ist. Ein LOCA kann zu zwei unterschiedlichen Problemen führen. Erstens führt ein Bruch in einer Reaktorkühlmittelleitung zur Freisetzung von heißem Wasser und Dampf in die Containmentatmosphäre. Wenn keine Systeme zur Abfuhr von Wärme aus dem Containment bzw. der Sicherheitshülle verwendet werden, können der Druck und die Temperatur innerhalb des Containments über die Auslegungsgrenzen des Containmentbehälters ansteigen. Zweitens führt bei einem schweren LOCA, der nicht nur mit einem Verlust von Kühlmittel verbunden ist, sondern bei dem auch das Einleiten von Notkühlmittel in das Kühlsystem ausfällt, der entstehende Anstieg der Brennstofftemperatur zu einer Hochtemperaturreaktion zwischen dem Restdampf in dem Primärsystem und dem Zirkon in der Brennstoffhülle. In schweren Fällen kann eine vollständige Oxidation der Brennstoffhülle auftreten. Die Reaktion ist exotherm und erzeugt Wasserstoff. Der durch die Reaktion erzeugte Wasserstoff wird mit dem Dampf aus der Bruchstelle im Primärsystem in die Containmentatmosphäre freigesetzt. Bei einem schweren Unfall kann die Massenfreisetzungsrate von Wasserstoff in der Größenordnung von einem Kilogramm je Sekunde liegen. Wenn keine Systeme vorhanden sind, um die Wasserstoffkonzentrationen unterhalb der Selbstentzündungsgrenzen zu halten, kann in dem Reaktor- Containment ein potentiell explosives Gasgemisch entstehen.
• Neue Konstruktionen bzw. Auslegungen von wassergekühlten Kernreaktoren vermeiden das Verlassen auf elektrische Versorgungssysteme, Service-Wasser und Tätigkeiten der Bedienmannschaft beim Mindern der Auswirkungen eines LOCA. Solche Konstruktionen verwenden passive Einrichtungen, um Hitze aus der Containmentatmosphäre durch die Containmentwände zu übertragen, um den Containmentdruck innerhalb der Auslegungsgrenzen zu halten. Beispielsweise werden Stahlcontainmentwände und externe Wasserkühlung aus erhöhten Tanks verwendet, um die Wärmeübertragung zu begünstigen. Hitze aus der Containmentatmosphäre wird zu den Containmentwänden durch natürliche Konvektion übertragen. Heißer Dampf aus der Bruchstelle vermischt sich mit Luft und steigt an die Spitze des Containments und wird durch Berührung mit der kalten Containmentwand gekühlt. Das kühlere, dichtere Gemisch fällt und es setzt eine natürliche Zirkulation ein, bei der die Strömung nahe der Wände - abwärts gerichtet ist und die Strömung im zentralen Bereich aufwärts gerichtet ist. Nach der anfänglichen Abblasperiode nehmen Druck und Temperatur innerhalb des Containments zu bis die Kondensationsrate des Dampfes an der kalten Containmentwand und jedwelchen anderen kühlen Oberflächen sich der Rate der Dampffreisetzung aus der Bruchstelle angleicht.
• Herkömmliche Reaktorkonstruktionen verwenden eine Vielzahl von Einrichtungen zur Verminderung der Wasserstoffanreicherung. Ein vorheriges Unwirksammachen ist ein Mittel und besteht in der Erzeugung einer sauerstoffverarmten Atmosphäre in dem Containment vor oder während des Anlaufens des normalen Kraftwerkbetriebs. Ein Inertgas (normalerweise Stickstoff) wird in das Containment eingeleitet, um Luft zu ersetzen, die gleichzeitig zur Umgebung ausgeleitet wird, und um die Sauerstoffkonzentration unter den Wert abzusenken, der für eine Wasserstoffverbrennung benötigt wird. Die vorherige Beaufschlagung mit dem Inertgas wird im Hinblick auf praktische Schwierigkeiten bei großen Konstruktionen normalerweise nur bei kleinen Containments angewandt.
• Für mittlere und größere Containmentkonstruktionen werden üblicherweise Wasserstoffzünder für die Wasserstoffbeseitigung in Betracht gezogen. Wasserstoffzünder werden üblicherweise im Containment verteilt, insbesondere in Bereichen, in denen eine hohe Wasserstoffkonzentration erwartet wird. Wasserstoffzünder lösen eine Verbrennung aus, sobald die Konzentration den Zündschwellwert übersteigt, wodurch Wasserstoff mittels einer langsamen Deflagration entfernt wird, wobei die Energiefreisetzung räumlich und zeitlich verteilt wird. Bei der Verwendung von Wasserstoffzündern besteht jedoch ein Risiko, daß die an einer Stelle ausgelöste Deflagration in einen empfindlicheren, nahen Bereich (d. h. näher der Freisetzungsstelle des Wasserstoffs) fortschreitet oder zu entflammbaren benachbarten Volumina entweicht (sog. Jet-Zündung) und rascher fortschreitet als erwartet. Dies kann zu einem Übergang von der Deflagration zu einer Detonation (TDD) führen, wodurch die Containmentstruktur und die Ausrüstung sehr hoch belastet werden kann. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens der beabsichtigten Entzündung liegt in der Unvorhersagbarkeit des Mischungsverhaltens und der Art der Verbrennung, die aus der beabsichtigten Entzündung des Gemisches resultiert. Diese Unsicherheit hat die Suche nach einem Verfahren zum Entfernen von Wasserstoff ohne Deflagration verstärkt. Des weiteren können Zünder, die sich auf eine Netzstromversorgung verlassen, bei einem Ausfall der elektrischen Versorgung nicht verfügbar sein, sind batteriebetriebene Zünder im Hinblick auf die begrenzte verfügbare Energie auf intermittierenden Betrieb beschränkt und haben katalytische Zünder Grenzen, die in dem Bereich der zündbaren Mischungen, ihrem Ansprechverhalten und der Möglichkeit ihrer Vergiftung, ihrer Verschmutzung oder mechanischen Beschädigung liegen. Im Ergebnis ist es übliche Praxis, einige weitere Mittel vorzusehen, um die Wasserstoffkonzentrationen unter den Deflagrationsgrenzen zu halten, und sich auf die absichtliche Zündung nur zu verlassen, wenn solche anderen Mittel unwirksam sind.
• Ein solch anderes Mittel liegt in der Verwendung von Wasserstoffrekombinatoren. Wasserstoftrekombinatoren verbinden Wasserstoff und Sauerstoff, um Wasser zu erzeugen, wodurch die Wasserstoffkonzentration im Containment vermindert wird. Katalytische Rekombinatoren sind im Gegensatz zu thermischen Rekombinatoren selbst anlaufend und erfordern keine externe Energie bzw. Leistung und können entsprechend als Teil eines passiven Systems verwendet werden. Obwohl katalytische Wasserstoffrekombinatoren zur Verwendung im Containment vorgeschlagen wurden, sind sie in der Praxis aufgrund einer Anzahl von Faktoren nicht weit verbreitet. Bei größeren Reaktorkonstruktionen ist es übliche Praxis, ein Vermischen der Containmentatmosphäre zu verwenden, um an einer Bruchstelle erzeugten Wasserstoff im ganzen Containment zu verdünnen. Dies wird als wirksam betrachtet, da ein großes Containmentvolumen in der Lage ist, sehr große Mengen an Wasserstoff zu verdünnen, bevor die Werte Deflagrationsgrenzen erreichen. Dies erfordert eine vernünftige Zeitdauer, innerhalb der Notaktionen ablaufen, um den LOCA zu bearbeiten.
• Um wirksam zu arbeiten, erfordern Wasserstoffrekombinatoren eine relativ hohe Luftströmungsrate. Die herkömmliche Verwendung natürlicher Zirkulation der Containmentatmosphäre für die Containmentkühlung erzeugt typischerweise nicht ausreichend hohe Strömungsraten, um passive Hydrogenrekombinatoren bei der Bearbeitung großer Containmentvolumina wirksam zu machen. Aufgrund des Vorhandenseins von Maschinenausrüstungen und Zwischenräumen innerhalb des Containment sind natürliche Konventionsströmungsmuster, die von einem LOCA induziert werden, des weiteren außerordentlich schwierig vorherzusagen oder zu modellieren mit dem Ergebnis, daß die Auswahl optimaler Orte für die passiven Wasserstoffrekombinatoren bestenfalls eine recht ungenaue Wissenschaft ist. Folglich werden Wasserstoffrekombinatoren üblicherweise in Ventilationskanälen angeordnet, durch die ein Teil der Containmentatmosphäre mittels Ventilatoren hindurchgeleitet wird. Dies ist jedoch kein passives System und bei einem Ausfall der Energieversorgung zum Antrieb der Zirkulationsventilatoren unwirksam. Es wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen, um die Luftströmung zu Rekombinatoren zu verbessern. In der DE 30 35 103 ist die Verwendung von senkrechten Wellen und Heizvorrichtungen in den Wellen beschrieben, um die Strömung zu Rekombinatoren durch Kamineffekte zu verbessern. Die Wellen sind zwar wirksam, um die Strömung zu den Rekombinatoren zu kanalisieren; die elektrischen Heizvorrichtungen zum Erzeugen der Aufwärtsströmung der Luft hängen jedoch von externer Energieversorgung ab. Zusätzlich bereiten die großen Wellen offensichtliche physikalische Schwierigkeiten bezüglich ihrer Integration in die Ausrüstung des Gontainments.
• Im Hinblick auf ihre zahlreichen Beschränkungen werden Wasserstoffrekombinatoren bisher nur für die routinemäßige Entfernung von Wasserstoff akzeptiert, der durch Radiolyse und Korrosion entsteht. Für Unfallkontrollanwendungen verlassen sich kommerzielle Reaktoren bisher nicht ausschließlich auf Wässerstoffrekombinatoren alleine, sondern sind zusätzlich mit Zündern und/oder Mitteln zur in lnertgasversorgung ausgerüstet. Es besteht daher eine Notwendigkeit, die Bedingungen zu verbessern, unter denen Wasserstoff durch katalytische Rekombinatoren entfernt werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
• Entsprechend einem Aspekt der Erfindung wird in einem wassergekühlten Kernreaktor mit einem Reaktorkern und damit zusammenwirkenden Kühlmittelleitungen innerhalb seines Containments ein System zum Entfernen von Wasserstoff aus der Containmentatmosphäre geschaffen, der bei einem durch einen Bruch in den Kühlmittelleitungen auftretenden Kühlmittelverlustunfall erzeugt wird, welches Systems enthält:
• Mittel zum Einrichten eines Luftaufwärtsströmungspfades und eines Luftabwärtsströmungspfades in konvektiven Austausch, welcher Luftaufwärtsströmungspfad in dem Bereich der Kühlmittelleitungen angeordnet ist, und für eine Mitnahme von Wasserstoff von der Bruchstelle wirksam ist, und welcher Luftabwärtsströmungspfad in dem Bereich neben der Containmentwand angeordnet ist;
• Mittel zum Führen des Luftabwärtsströmungspfades stromabwärts der Kühlmittelleitungen, welche Mittel wirksam sind, um den mitgeführten Wasserstoff auf den geführten Luftaufwärtsströmungspfad zu beschränken; und einen katalytischen Wasserstoffrekombinator, der in dem geführten Luftaufwärtsströmungspfad angeordnet ist, um den mitgenommenen Wasserstoff mit Sauerstoff in der geführten Luftaufwärtsströmung zu rekombinieren.
• Entsprechend einem anderen Aspekt der Erfindung enthalten die Mittel zum Einrichten eines Luftaufwärtsströmungspfades und des Luftabwärtsströmungspfades eine Leitwand, die zwischen dem Bereich der Kühlmittelleitungen und der äußeren Containmentwand angeordnet ist und eine untere und eine obere Öffnung aufweist, welche Leitwand einen Luftaufwärtsströmungspfad von der unteren Öffnung zu der oberen Öffnung durch den Bereich der Kühlmittelleitungen hindurch definiert und einen Luftabwärtsströmungspfad von der oberen Öffnung zu der unteren Öffnung in dem Bereich zwischen der Leitwand und der äußeren Containmentwand.
• Entsprechend einem weiteren Aspekt der Erfindung führt der geführte Luftaufwärtsströmungspfad durch ein Dampfgeneratorgehäuse.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Die vorliegende Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wasserstoffbeseitigungssystems und
• Fig. 2 eine Querschnittansicht eines CANDU-Reaktors mit der Prallwand und Wasserstoffrekombinatoren entsprechend der Erfindung ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
• Bezugnehmend auf Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des Grundkonzeptes der Erfindung gezeigt. Ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Reaktorgebäude enthält eine Sicherheitshüllen- bzw. Containmentwand 12. Eine AußenWand 14 umgibt die Containmentwand 12 und ist an der Spitze 16 und am Boden 18 offen und schafft einen externen Ringbereich 20, durch den externe Kühlluft durch natürliche Konventionskräfte strömen kann. Die Containmentwand 20 kann aus Stahl oder anderem wärmeleitenden Metall bestehen, während die Außenwand 14 typischerweise aus Beton hergestellt ist. In Fig. 1 ist ein Stahl- und Betonaufbau dargestellt; die Erfindung kann jedoch auch in Verbindung mit anderen Reaktorkonstruktionen verwendet werden.
• Ein LOCA bedeutet einen Bruch in einer Kühlmittelleitung. Der Reaktorkern ist typischerweise zentral am Boden des Containments angeordnet und um und über dem Kern ist eine Konzentration von Kühlmittelleitungen. Zum Zweck der Darstellung ist der Bereich der Kühlmittelleitungen insgesamt mit 22 in Fig. 1 bezeichnet. Dampf aus einer Bruchstelle im Bereich des Bezugszeichens 22 hat die Tendenz, in dem Zentralbereich 23 innerhalb des Containments aufzusteigen und wird vom Dom 24 abgekühlt und wird dann längs der Innenoberfläche der kühlen Containmentwand 12 absinken. Dies setzt eine natürliche konvektive Umlaufströmung in Gang, die Wärme von dem Bereich des Bruches weg und aus dem Containment heraus durch die Containmentwand 12 hindurchtransportiert. Obwohl in Fig. 1 der Einfachheit halber weggelassen, weiß der Fachmann, daß der Bereich innerhalb der Containmentwand 12 typischerweise eine große Anzahl von Maschinenräumen aufnimmt, einschließlich den Reaktorraum, Brennstoffnachfüllfächer, Dampfgeneratorgehäuse, Pumpenräume und ähnliches. Als Ergebnis erfährt die vorstehend beschriebene natürliche konvektive Umlaufströmung viele Hindernisse mit dem Ergebnis, daß die Strömungsgeschwindigkeit relativ klein ist und der genaue Strömungsweg bzw. Strömungspfad schwer vorhersagbar ist.
• Erfindungsgemäß wird das Containmentvolumen in einen Luftaufwärtsströmungspfad und einen Luftabwärtsströmungspfad unterteilt. In räumlicher Beziehung innerhalb der Containmentwand 12 ist eine Leitwand 26 angeordnet, so daß zwischen der Leitwand 26 und der Containmentwand 12 ein Ringraum 28 geschaffen ist, der einen Luftabwärtsströmungspfad definiert und ein Zentralraum 23, der einen Luftaufwärtsströmungspfad definiert. Die Abwärts- und Aufwärtsströmungspfade, die durch die senkrecht angeordnete Leitwand 26 getrennt sind, sind nahe ihren oberen Begrenzungen durch Öffnungen 30 durch die Leitwand 26 in einer Höhe über der Wasserstoffquelle 22 verbunden und nahe ihren unteren Begrenzungen durch Öffnungen 32 durch die Leitwand 26 in einer Höhe unterhalb der Wasserstoffquelle 22. Die Luftaufwärtsströmung im Zentralraum 23 kann mit der Luftabwärtsströmung im Ringraum 28 durch die oberen Öffnungen 30 und die Luftabwärtsströmung im Ringraum 28 kann mit der Luftaufwärtsströmung im Zentralraum 23 durch die unteren Öffnungen 32 kommunizieren. In der Praxis bedingt das Einbringen von Ausrüstung und Maschinenräumen, daß der Raum 28, der den Luftabwärtsströmungspfad definiert, nicht ein wirklicher Ringbereich ist, sondern mehr eine Anzahl von unregelmäßig konfigurierten Räumen umfaßt, die um den Umfang innerhalb der Containmentwand 12 angeordnet sind. Im Ergebnis ist der Luftabwärtsströmungspfad merklich weniger unbehindert als in Fig. 1 dargestellt. In der Praxis können, während die unteren Öffnungen 32 tatsächliche durch die Leitwand 26 hindurchführende Öffnungen sein können, die oberen Öffnungen 30 in einfacher Weise durch den offenen Raum zwischen der oberen Begrenzung der Leitwand 26 und dem Dom 24 geschaffen sein.
• Durch die Verwendung der Leitwand 26 wird die natürliche Konvektionsströmung der Containmentatmosphäre unterstützt und kanalisiert, indem definierte und vorhersagbare Luftaufwärtsströmungspfade und Luftabwärtsströmungspfade erzeugt werden. Durch Anordnen der Öffnungen 30 und 32 über und unter dem Bereich 22 der Wasserstoffquelle wird der Wasserstoff in einem starken Luftaufwärtsströmungspfad mitgenommen.
• Der Zentralraum 23 in dem Bereich über dem Reaktorkern ist typischerweise mit Ausrüstung und Maschinenräumen gefüllt. Als Folge sind normalerweise eine Anzahl von diskreten Luftaufwärtsströmungspfaden vorhanden. Erfindungsgemäß werden alle Luftaufwärtsströmungspfade, die nicht solche sind, in denen Wasserstoffrekombinatoren freiliegen, blockiert und der Luftaufwärtsströmungspfad stromabwärts der Kühlmittelleitungen wird so geleitet, daß er den mitgenommenen Wasserstoff auf den geführten Luftaufwärtsströmungspfad beschränkt. Dies kann erreicht werden, indem die die Ausrüstungsmaschinenräume definierenden Trennwände entsprechend ausgebildet oder modifiziert werden, so daß sie die über die Kühlmittelleitungen streichende Luft in einen einzigen oder eine begrenzte Anzahl von Aufwärtsströmungspfaden kanalisieren oder leiten, in dem bzw. denen die Wasserstoffrekombinatoren angeordnet sind. Bezugnehmend auf Fig. 1 ist eine vereinfachte Darstellung von Trennwänden 36 dargestellt, die einen einzigen, geführten Luftaufwärtsströmungspfad 34 unmittelbar stromabwärts der Wasserstoffquelle 22 definieren, in der vorteilhafterweise Rekombinatoren freiliegen. Dies beschränkt den aus der Bruchstelle mitgenommenen Wasserstoff auf die geführte Luftströmung, wodurch sichergestellt wird, daß der Wasserstoff durch die Rekombinatoren hindurchtritt, bevor er mit der Containmentatmosphäre vermischt und verdünnt wird. Die starke durch Verwendung der Leitwand 26 hervorgerufene Luftaufwärtsströmung schafft überschüssigen Sauerstoff für eine wirksame Rekombination mit dem mitgenommenen Wasserstoff. Im Ergebnis finden die Rekombinatoren in dem Luftaufwärtsströmungspfad 34 die Betriebsbedingungen vor, die notwendig sind, um die Wasserstoffpegel innerhalb des Containments auf Nicht-Deflagrationspegeln zu halten. Zusätzlich unterstützt die durch die exotherme katalytische Rekombinationsreaktion des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff erzeugte Wärme die Aufwärtsströmung der Containmentatmosphäre nach der Bruchstelle und unterstützt somit die natürliche konvektive Zirkulation der Containmentatmosphäre und die Wärmeübertragung.
• Bezugnehmend auf Fig. 2 ist die Anwendung der Erfindung auf einen CANDU- Reaktor dargestellt. Der Reaktor enthält insgesamt eine Sicherheits- bzw. Containmenthülle 40, die einen Reaktorkern 42 und Dampferzeuger bzw. -generatoren 44 aufnimmt. Im Primärsystem zirkuliert Kühlmittel aus dem Kern 42 zu Dampfgeneratoren 44 und zurück zum Kern 42 mittels Pumpen 46 durch Kühlmittelleitungen hindurch, welche Kühlmittelleitungen insgesamt mit dem Bezugszeichen 48 versehene Sammler und Zufuhreinrichtungen enthalten können, die mit den einzelnen Brennstoffkanälen im Kern 42 über Zufuhrschränke 49 verbunden sind. Aus dem Kühlmittel abgeführte Wärme erzeugt in den Dampfgeneratoren 44 Hochdruckdampf, der über die Hauptdampfleitung 50 Dampfturbinen (nicht dargestellt) zugeführt wird.
• Das Containmentvolumen enthält einen nicht zugänglichen Bereich, einen zugänglichen Bereich und einen Dombereich. Die Leitwand 62 trennt den nicht zugänglichen Bereich von dem zugänglichen Bereich. Der zentralangeordnete nicht zugängliche Bereich enthält im allgemeinen Dampfgeneratorbehältnisse 52, Brennstoffversorgungsmaschinenräume 56, die Bereiche neben dem Sammlern 48 und den Zufuhrschränken 49. Der ringförmige oder teilweise ringförmige, zugängliche Bereich ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 58 bezeichnet und enthält verschiedene Maschinenräume. Der Dombereich ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 60 bezeichnet.
• Erfindungsgemäß ist die Leitwand 62 mit unteren Öffnungen 64 in geringer Höhe versehen, damit die Atmosphäre zwischen dem zugänglichen Bereich 58 und den Brennstoffversorgungsbehältnissen 56 verbunden ist. Ähnlich hat die Leitwand 56 obere Öffnungen 66, damit die Atmosphäre zwischen dem zentralen, nicht zugänglichen Bereich mit dem zugänglichen Bereich 58 über das obere Ende des Dampfgeneratorbehältnisses 52 und den Dombereich 60 verbunden ist, wie weiter unten genauer erläutert. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Leitwand 62 tatsächlich eine modifizierte strukturelle Wand innerhalb des Containments und ist nicht notwendigerweise durchgehend um den Umfang innerhalb des Containments. Folglich ist der "ringförmige" zugängliche Bereich 58 zwischen der Leitwand 62 und der Containmentwand 40 in seiner Form unregelmäßig und kann als eine Reihe diskreter Räume ausgebildet sein, die um den Umfang innerhalb des Containments angeordnet sind. Alternativ kann die Leitwand 62 als eine Kranwand oder eine andere, senkrecht angeordnete Teilwand ausgebildet sein. Aus Fig. 2 ist ebenfalls klar, daß die oberen Öffnungen 66 tatsächlich der Raum über der oberen Begrenzung der Leitwand 62 sind, der mit dem nicht zugänglichen Bereich verbunden ist.
• In der Anfangsphase eines Abblasens nach einem LOCA wird der Brennstoff ausreichend kühl gehalten. Innerhalb einiger Minuten jedoch und mit dem Verlust an Notkühlmittel hat die Brennstofftemperatur ausreichend zugenommen, damit die Wasserstoffproduktion einsetzt und Wasserstoff in die Containmentatmosphäre entweicht. Diese Verzögerung ist wichtig, da sie einen ausreichenden Zeitraum ermöglicht, damit die natürliche konvektive Zirkulation von Luft und Dampf vor der Freisetzung von Wasserstoff einsetzt. Wenn der Wasserstoff freigesetzt wird, beginnt er, mit der Luft und dem Dampf in dem Strömungspfad zu zirkulieren, der durch die natürliche Konvektion eingerichtet ist.
• In einem LOCA ist die wahrscheinlichste Bruchstelle in den Sammlern 48 oder in den Zuführern in den Zufuhrschränken 49. Unmittelbar nach dem Auftreten eines Unfalls entweichen Dampf und heißes Wasser rasch aus der Bruchstelle. Der Dampf mischt sich mit der Luft und füllt rasch den Bereich des Brennstoff- versorgungsmaschinenraums 56 und steigt durch die Dampfgeneratorbehältnisse 52 und durch Tafeln bzw. Platten 68, die an der Oberseite der Dampfgeneratorbehältnisse 52 offen sind, in dem Dombereich 60. Das heiße Gemisch kommt in Berührung mit den kühlen inneren Oberflächen des Dombereiches 60 und den oberen Bereichen der Containmentwand 40 und beginnt abzukühlen und zu kondensieren. Das abgekühlte und dichtere Dampf- und Luftgemisch steigt in dem Ringbereich 58 über die innere Oberfläche der Containmentwand 40 ab und es beginnt ein Verfahren natürlicher Zirkulation, wodurch die Strömung des Dampf- und Luftgemisches in dem zugänglichen Bereich 58 abwärts gerichtet ist und in den nicht zugänglichen Bereich durch die unteren Öffnungen 64 eintritt, und die Luftströmung in dem zentralen, nicht zugänglichen Bereich ist aufwärtsgerichtet.
• Die Containmentwand 40 hat eine begrenzte thermische Kapazität und die natürliche Konvektionsumlaufströmung innerhalb des Containments läßt nach, wenn nicht andere Maßnahmen getroffen werden, um Wärme aus der Containmentatmosphäre in dem Ringbereich 58 abzuführen, der den Luftabwärtsströmungspfad der Erfindung bildet. Diese Abfuhr von Wärme kann auf eine Anzahl von Möglichkeiten erfolgen, die dem Fachmann bekannt sind. Beispielsweise ist es bei Reaktorkonstruktionen mit einem Stahlcontainmerit bekannt, die Außenoberfläche des Containments mit Kühlwasser aus einem erhöhten, externen Tank zu beaufschlagen, um die Wärmeabfuhr zu verbessern. Dies geschieht oft in Verbindung mit verstärkter Luftzirkulation über die äußere, befeuchtete Oberfläche des Containments über externe Wände, wie sie in Fig. 1 schematisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet sind. Alternativ können, wie in Fig. 2 dargestellt und in der US-Anmeldung Serial Number 081538,477 (US Patent Nr. 5,661,770, herausgegeben am 26. August 1997) angemeldet am 03. Oktober 1995, beschrieben, die Wärmeübertragung und die natürliche Konvektion innerhalb des Containments mittels eines Wärmetauschers in Form einer Rohrbank 72 unterstützt werden, die an einer erhöhten Stelle in dem Ringraum 58 angeordnet ist, und mit der Wärme aus der Containeratmosphäre zu einem externen erhöhten Wassertank 74 durch Leitungen 76 mittels einer konvektiven Strömung innerhalb der Wärmetauscherrohre übertragen werden kann.
• Die Leitwand 62 unterstützt die natürliche konvektive Umlaufströmung der Containmentatmosphäre und stellt einen gut entwickelten Luftaufwärtsströmungspfad hinter dem Bereich der Kühlmittelleitungen sicher. Der Luftaufwärtsströmungspfad unmittelbar stromabwärts des Bereiches des Zufuhrschranks 49 und der Sammler 48, wo die Wasserstoffquelle am wahrscheinlichsten ist, ist auf die Dampfgeneratorbehältnisse 52 beschränkt. Erfindungsgemäß sind Wasserstoffrekombinatoren 70 in dem Luftaufwärtsströmungspfad unmittelbar stromabwärts der Wasserstoffquelle angeordnet und können vorteilhafterweise innerhalb der Dampfgeneratorbehältnisse 52 angeordnet sein. Wie in Fig. 2 dargestellt, liegen die Rekombinatoren 70 über jeden Dampfgenerator frei, so daß der Luftaufwärtsströmungspfad darin durch die Rekombinatoren hindurchtreten muß, bevor sie durch die offene Wand 68 in den Dombereich 60 entweicht.
• Um sicherzustellen, daß der Luftaufwärtsströmungspfad die Rekombinatoren 70 nicht umgeht, wird jedwelcher andere Aufwärtsströmungspfad, der anders als die Dampfgeneratorbehältnisse 52 ist, abgeschlossen. Bei einer herkömmlichen Reaktorkonstruktion trennen die über dem Kühlmittelleitungen angeordneten Trennwände und Deckwände normalerweise jedwelchen solchen alternativen Strömungspfad ab oder können entsprechend ausgebildet oder abgeändert werden. Wenn die Dampfgeneratorbehältnisse des Reaktors aus Gründen einer beschränkten Zugänglichkeit nicht geeignet sind, können ein oder mehrere alternative Strömungsaufwärtspfade geschaffen werden, um die Rekombinatoren speziell aufzunehmen.
• Untere Öffnungen 64 in der Leitwand 62 können während des normalen Betriebs mittels Platten (nicht dargestellt) abgedichet werden, um eine Luftzirkulation aus den unzugänglichen in die zugänglichen Bereiche zu verhindern. Bei einem LOCA-Signal können solche Platten zusammen mit Platten 68 an der Oberseite des Dampfgeneratorbehältnisses 52 mechanisch geöffnet werden oder es kann ein Abblasen durch den Druckanstieg ermöglicht werden, wodurch die Zirkulation der Containmentluft durch sie hindurch ermöglicht wird. Alternativ können solche Platten eliminiert werden und die untere Öffnung 64 kann gebildet werden, indem die Wandbereiche derart überlappen, daß jedwelche Sichtlinienöffnungen zwischen dem nicht zugänglichen Bereich in der Nähe der Brennstoffversorgungsräumen 56 und dem zugänglichen Bereich 58 eliminiert wird, durch die Strahlung aus dem Reaktor entweichen könnte. Mit dieser Anordnung dauert die natürliche Zirkulation der Containmentatmosphäre während des normalen Betriebs an und die Rohrbank 72 oder ähnlich positionierte Kühler können verwendet werden, um mit Tritium versehenen Dampf zu kondensieren und dadurch die Pegel von Tritium zu vermindern, das in den zugänglichen Bereich zirkulieren würde.
• LOCA Berechnungen für Reaktoren vom CANDU 6 Typ haben Wasserstoffproduktionsraten von bis zu 2,7 m³/s gezeigt. Durch Verwendung der Leitwand 62 und der erhöhten Rohrbänke 72 ist eine Luft und Dampfaufwärtsströmungsgeschwindigkeit von wenigstens 85 m³/s in jede der Brennstoffversorgungsmaschinenräume 56 während der Zeitdauer der Freisetzung von Wasserstoff erreichbar. Bei angenommen, daß sich der gesamte Wasserstoff aus der Bruchstelle mit der Luftaufwärtsströmung in einem Brennstoffversorgungsmaschinenraum 56 mischt, dann beträgt die Kondensation von Wasserstoff, der in die Rekombinatoren 70 eintritt, etwa 3,1%. Mit dieser Luftströmung würden Rekombinatoren mit einem Wirkungsgrad von etwa 80% die Wasserstoffkonzentration auf unterhalb etwa 0,6% am Ausgang der Rekombinatoren vermindern. Eventuell würden die rezirkulierende Luft und der rezirkulierende Dampf eine Wasserstoffkonzentration von 0,6% haben, was am Eingang der Rekombinatoren eine Gesamtwasserstoffkonzentration von bis zu etwa 4% bedeuten würde. Dies ist weniger als die Deflagrationsgrenze von etwa 5% und liegt deutlich unter der Explosionsgrenze.
• Bei einer gegebenen Luftströmungsgeschwindigkeit gilt, je kleiner die Rekombinator-Strömungsfläche je höher der Wirkungsgrad. Eine zu kleine Strömungsfläche würde jedoch zu einem großen Druckverlust führen und es würde keine ausreichende Luftströmung erreicht. Zusätzlich könnte ein kleiner Durchströmquerschnitt des Rekombinators zu einer unakzeptabel hohen, auf die Rekombinatoren während des Abblasens wirkenden Kraft führen. Die geeigneten Berechnungen für die Abmessungen der Rekombinator-Strömungsfläche für eine gegebene Luftaufwärtsströmungsgeschwindigkeit und Wasserstoffkonzentration sind im Stand der Technik wohl bekannt. Für Reaktoren vom CANDU-Typ ist ein Rekombinator Strömungsquerschnitt in der Größenordnung von 10 qm je Dampfgeneratorbehältnis angezeigt.
• Wie den Fachleuten geläufig, könnten Wasserstoffkonzentrationen stromoberhalb der Rekombinatoren nahe der Bruchstelle Deflagrationspegel übersteigen, aber eine Deflagration nahe der Bruchstelle würde durch die Menge von Wasserstoff in diesem begrenzten Volumen begrenzt sein. Zusätzlich könnte sich Wasserstoff, der aus den Rekombinatoren austritt, in dem Reaktordombereich 60 erneut konzentrieren und dies kann die Notwendigkeit für zusätzliche Rekombinatoren anzeigen, die in herkömmlicher Weise in diesem Bereich verteilt werden.
• Um sicherzustellen, daß jede mögliche Wasserstoffquelle unmittelbar stromabwärts der Rekombinatoren ist, können kleine Änderungen bezüglich des Ortes einiger Leitungen, die bei einem LOCA brechen können, notwendig sein. Beispielsweise verläßt eine Druckentlastungsleitung, die mit einer Überdruckeinrichtung (nicht dargestellt) verbunden ist, die Überdruckeinrichtung normalerweise an der Spitze, eine Höhe, die höher als die erwünschte Höhe für die Rekombinatoren wäre. Wasserstoff aus einer Bruchstelle in dieser Leitung würde entweder die Rekombinatoren umgehen oder festgesetzt werden. Um dieses potentielle Problem zu lösen, kann die Druckentlastungsleitung durch das innere der Überdruckeinrichtung heruntergeführt werden und nach außen durch ihren Boden in einer Höhe unterhalb der der Rekombinatoren. Andere ähnliche Anpassungen können entsprechend der Erfordernissen abhängig von dem genauen Aufbau der Kernreaktoranlage, für die die Erfindung verwendet wird, durchgeführt werden.
• Die Erfindung wurde in Verbindung mit dem AECL CANDU-Druckschwerwasserreaktor beschrieben; sie kann mit geeigneter Modifizierung für herkömmliche Reaktorkonstruktionen einschließlich Druckleichtwasserreaktoren angewendet werden.

Claims (7)

1. System zur Verwendung in einem wassergekühlten Kernreaktor (10) mit innerhalb seiner Containmentwand (12, 40) einem Reaktorkern (42) und damit zusammenwirkenden Kühlmittelleitungen, welches System zum Beseitigen von Wasserstoff aus der Containmentatmosphäre dient, der im Falle eines durch einen Bruch in den Kühlmittelleitungen verursachten Kühlmittelverlustunfalls erzeugt wird, welches System enthält:

Mittel zum Einrichten innerhalb des Containments eines Luftaufwärtsströmungspfades und eines Luftabwärtsströmungspfades in konvektivem Austausch, welcher Luftaufwärtsströmungspfad in dem Bereich der Kühlmittelleitungen angeordnet ist und für eine Mitnahme von Wasserstoff aus der Bruchstelle wirksam ist und welcher Luftabwärtsströmungspfad in dem Bereich neben der Containmentwand (12) angeordnet ist;

Mittel zum Führen des Luftaufwärtsströmungspfades stromabwärts der Kühlmittelleitungen, welche Mittel wirksam sind, um den mitgenommenen Wasserstoff auf den geführten Luftaufwärtsströmungspfad zu begrenzen; und

einen katalytischen Wasserstoffrekombinator (70), der in dem geführten Luftaufwärtsströmungspfad angeordnet ist, um den mitgenommenen Wasserstoff mit Sauerstoff in der geführten Luftaufwärtsströmung zu rekombinieren.

2. System nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum Einrichten eines Luftaufwärtsströmungspfades und des Luftabwärtsströmungspfades eine Leitwand (62) umfassen, die zwischen dem Bereich der Kühlmittelleitungen und der äußeren Containmentwand (12, 40) angeordnet ist und eine untere (64) und eine obere Öffnung (66) hat, welche Leitwand (62) einen Luftaufwärtsströmungspfad von der unteren Öffnung (64) zu der oberen Öffnung (66) durch den Bereich der Kühlmittelleitungen hindurch definiert und einen Luftabwärtsströmungspfad von der oberen Öffnung (66) zu der unteren Öffnung (64) in dem Bereich zwischen der Leitwand (62) und der äußeren Containmentwand (12, 40) definiert.

3. System nach Anspruch 2, wobei innerhalb des Containments ein Dampfgeneratorbehältnis (52) vorhanden ist und der geführte Luftaufwärtsströmungspfad durch das Dampfgeneratorbehältnis (52) hindurchführt.

4. System nach Anspruch 3, wobei die untere Öffnung (64) und das Dampfgeneratorbehältnis (52) normalerweise für eine Luftströmung durch sie hindurch mittels Ausblasplatten geschlossen sind, die geeignet sind, im Falle eines Druckanstiegs zu öffnen, der durch einen Kühlmittelverlustunfall hervorgerufen ist.

5. System nach Anspruch 2, wobei die obere Öffnung (66) in einer Höhe oberhalb der Kühlmittelleitungen angeordnet ist und die untere Öffnung (64) in einer Höhe unterhalb der Kühlmittelleitungen angeordnet ist.

6. System nach Anspruch 3, weiter enthaltend Mittel zum Abführen von Wärme aus dem Luftabwärtsströmungspfad.

7. System nach Anspruch 6, wobei die Mitte zum Abführen von Wärme ein Wärmetauscher (72) sind, der in dem Luftabwärtsströmungspfad angeordnet ist und in konvektiver Wärmetauscherbeziehung mit einem erhöhten Wasserbecken (74) ist.