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Dokumentenidentifikation DE19611703C2 09.04.1998
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Absicherung der Nachwärmeabfuhr aus einem Reaktor eines Kernkraftwerkes
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Hartmann, Heinz-Werner, Dipl.-Ing., 91054 Buckenhof, DE;
Mackert, Pius, Dipl.-Ing., 91058 Erlangen, DE
DE-Anmeldedatum 25.03.1996
DE-Aktenzeichen 19611703
Offenlegungstag 02.10.1997
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 09.04.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.04.1998
IPC-Hauptklasse G21C 15/18

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Absicherung der Nachwärmeabfuhr aus einem Reaktor eines Kernkraftwerkes bei gesenktem Füllstand im Primärkreislauf des Reaktorkühlsystems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere soll das Verfahren bei Reinigungs- und Wartungsvorgängen in Kernkraftwerken mit Druckwasserreaktor eingesetzt werden. Außerdem betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zur Absicherung der Nachwärmeabfuhr aus einem Reaktor eines Kernkraftwerkes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.

Aus dem Lexikon der Kern- und Reaktortechnik, Franckh&min;sche Verlagshandlung, W. Keller & Co., Stuttgart, 1959, ist unter den Stichworten "Notkühlkreislauf, Notkühlanlage und Notkühlung" bekannt, daß der Primärkreislauf durch einen Notkühlkreislauf ersetzt oder ergänzt werden kann. Dieser Notkühlkreislauf geht von einem Kühlmittelreservoir aus und umfaßt mindestens eine Pumpe zur Einspeisung von Kühlwasser in den Reaktordruckbehälter.

Bei Kernkraftwerken, insbesondere solchen mit Druckwasserreaktoren westlicher Bauart und Betriebsweise, erfolgt die sogenannte Nachwärmeabfuhr unterhalb bestimmter Druck- und Temperaturzustände im Reaktorkühlsystem über die Primärseite des Kühlsystems. Werden Wartungs- und Reinigungsvorgänge im Reaktor eingeleitet, dann werden bei Verfahren nach dem Stand der Technik folgende Verfahrensschritte durchgeführt:

  • - Zunächst wird der Reaktor abgeschaltet und zugewartet, bis sich die Kühlflüssigkeit im Primärkreislauf abgekühlt hat. Außerdem wird der Druck im Kühlsystem reduziert.
  • - Sodann wird der Füllstand des Primärkreislaufes auf etwa ein mittleres Niveau der HKM-Leitung (Hauptkühlmittel- Leitung) abgesenkt, wobei ein Nachkühlsystem eingeschaltet wird, das die Wärmeabfuhr aus dem Primärkreislauf übernimmt, die in diesem geöffneten und abgesenkten Zustand nicht mehr durch die Dampferzeugeranlage gegeben ist, die ansonsten beim Betrieb des Kernkraftwerkes an den Primärkreislauf angeschlossen ist.
  • - Sodann wird bei Kernkraftwerken der in Frage stehenden Art in der Regel ein Kühlmittelreservoir zur bedarfsweisen Nachfüllung des Primärkreislaufes des abgeschalteten Reaktors und/oder des Nachkühlsystems vorgesehen. Dabei kann es sich um einen Borwasserlagertank handeln, der innerhalb des Reaktorcontainments vorgesehen ist und die Bezeichnung "IRWST" (Incontainment Refulling Water Storage Tank) hat. Ein solches Kühlmittelreservoir dient in der Regel dazu, die Räume über dem geöffneten Reaktor soweit auf das Niveau des Brennelementlagerbeckens zu fluten, daß unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche die Brennelemente gewechselt werden können. Bei europäischen Reaktoren neuerer Bauart (EPR- European Pressurized Reaktor) ist das Kühlmittelreservoir als "Incontainment-System" vorgesehen.


Während der gesamten Phase der Wartungsarbeiten, bei denen der Füllstand im Reaktorkühlsystem abgesenkt ist, kann die für die Sicherheit eines Kernkraftwerkes sehr wichtige Nachwärmeabfuhr durch Systemfehler empfindlich gestört werden. Eine der diesbezüglich möglichen Störungen ist eine unbeabsichtigte übermäßige Absenkung des Füllstandes, was zu einem Totalausfall der Nachkühlung bei relativ hoher Nachzerfallsleistung des Reaktors führen kann. In einem solchen Fall ziehen die Nachkühlpumpen des eingeschalteten Kühlsystems Luft, so daß es zu einer Blasenbildung im Kühlsystem kommen kann, wodurch die Kühlleistung rapide abfällt.

Bei der Durchführung von Wartungsarbeiten wird neben einem drucklosen Zustand das Kühlsystem außerdem zur Kühlmittelentgasung bei abgesenktem Füllstand evakuiert. Dadurch sind bei abgesenktem Füllstand im Reaktorkühlsystem und an den daran angeschlossenen Kühlsystemen zwei unterschiedliche Druckzustände zu betrachten, die die Eindämmung und Behebung von Störungen weiter verkomplizieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Absicherung der Nachwärmeabfuhr aus einem Reaktor eines Kernkraftwerkes anzugeben, das bzw. die im Falle von unzulässigen Füllstandsabsenkungen im Nachkühlkreislauf bei unterschiedlichen Druckzuständen ein Trockengehen des Nachkühlkreislaufes verhindert. Diese Aufgabe wird durch die Kombination der Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, soweit es sich um das Verfahren handelt bzw. durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 9 gelöst, soweit die erfindungsgemäße Vorrichtung angesprochen ist.

Als Kern der Erfindung wird es angesehen, das Kühlmittelreservoir über eine mit einer Absperrarmatur und einer über eine Vorsteuerarmatur gesteuerte Rückschlagarmatur versehene Sicherheitsflutleitung mit der saugseitigen Anschlußleitung des Nachkühlsystems zu verbinden, die Absperrarmatur in der Sicherheitsflutleitung im Zuge der Füllstandsabsenkung zu öffnen und bei drucklosem Reaktorkühlsystem abhängig von den geodätischen Höhenverhältnissen, d. h. von den Füllständen im Kühlmittelreservoir einerseits und dem Füllstand in der Saugleitung andererseits bzw. auch abhängig von der Schließkraft der Rückschlagarmatur beim Absenken des Füllstandes in der Saugleitung unter einem vorgebbaren Schwellenwert unter Öffnung der Rückschlagarmatur Kühlmittel vom Kühlmittelreservoir in die Saugleitung einfließen zu lassen sowie bei zur Kühlmittelentgasung evakuiertem Reaktorkühlsystem die Schließkraft der Rückschlagarmatur durch Betätigung der Vorsteuerarmatur zu erhöhen und dadurch an die modifizierten Druckverhältnisse im evakuiertem Reaktorkühlsystem anzupassen.

Das erfindungsgemäß eingesetzte Rückschlagventil erfüllt mithin eine Dreifachfunktion. Es verhindert zum einen das Überfließen von Kühlmittel aus dem Reaktorkühlsystem in das Kühlmittelreservoir dann, wenn der Füllstand im Reaktorkühlsystem höher ist als der Füllstand des Kühlmittelreservoirs. Zum zweiten erlaubt es einen Übertritt von Kühlmittel aus dem Kühlmittelreservoir in das Reaktorkühlsystem, wenn der Flüssigkeitsdruck auf seiten des Kühlmittelreservoirs höher als auf seiten des Reaktorkühlsystems ist oder die Höhendifferenz einen vorgebbaren Schwellenwert unterschreitet, der die "normale" Schließkraft der Rückschlagarmatur überwindet. Zum dritten wird eine Erhöhung der Schließkraft der Rückschlagarmatur dann herbeigeführt, wenn das Reaktorkühlsystem zur Kühlmittelentgasung mit Vakuum beaufschlagt wird, da ansonsten eine Aufrechterhaltung des Vakuum bei unbeabsichtigt einfließendem Kühlmittel in das Reaktorkühlsystem nicht möglich wäre.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn - wie beim EPR vorgesehen - das Flüssigkeitsreservoir als Borwasserlagertank innerhalb des Reaktorcontainments vorgesehen wird, da sich dann sämtliche Sicherheitsflutvorgänge innerhalb des Reaktorcontainments abspielen.

Wenn gemäß Anspruch 3 die Rückschlagarmatur als Kolbenrückschlagarmatur ausgebildet ist und die Erhöhung der Schließkraft der Rückschlagarmatur durch den auf den Steuerkolben der Rückschlagarmatur wirkenden Flüssigkeitsdruck des im Flüssigkeitsreservoir befindlichen Kühlmittels erfolgt, wird das Verfahren weiter vereinfacht, da auf komplizierte und anfällige Steuervorrichtungen verzichtet werden kann.

Die "normale" Schließkraft der Rückschlagarmatur wird im wesentlichen durch die Gewichtskraft des in ihr in Vertikalrichtung verschiebbaren Steuerkolbens und durch damit zusammenwirkende Gewichts- oder Federelemente bestimmt. Dies sind rein mechanisch wirkende und damit leicht zu beherrschende und zu dimensionierende und somit unempfindliche Bauteile.

Die erhöhte Schließkraft der Rückschlagarmatur wird durch Druckbeaufschlagung eines oberhalb des Steuerkolbens angeordneten, in Schließrichtung wirkenden Steuerraumes mit Kühlmittel bewirkt. Dazu muß lediglich die als fernsteuerbares Ventil ausgebildete Vorsteuerarmatur geöffnet werden, der Flüssigkeitsdruck des Kühlmittelreservoirs besorgt dann automatisch die Schließkrafterhöhung.

In beiden Druckzuständen, nämlich im drucklosen und im evakuierten Zustand ist die jeweils wirkende Schließkraft der Rückschlagarmatur derart bemessen, daß eine Öffnung der Rückschlagarmatur und ein Überströmen von Kühlmittel aus dem Kühlmittelreservoir über die Rückschlagarmatur in den Kühlmittelkreislauf erfolgt, bevor der Füllstand bis zum gemeinsamen Verbindungspunkt der saugseitigen Anschlußleitung und der Sicherheitsflutleitung abgesunken ist. Wäre dies nicht der Fall, würde es zur unerwünschten Blasenbildung im Bereich der Nachkühlpumpen kommen, wodurch eine sicherheitsnotwendige Nachkühlung des Reaktorkühlsystems nicht mehr gegeben wäre.

Vorteilhafterweise werden die Absperrarmatur und die Vorsteuerarmatur bei Einleitung der jeweiligen Zustände des Reaktorkühlsystems automatisch geöffnet und dadurch die Sicherheitsfunktion der Sicherheitsflutleitung aktiviert.

Die Vorrichtung zur Absicherung der Nachwärmeabfuhr sieht neben der herkömmlichen Flutleitung, durch die das Kühlmittelreservoir mit dem primärseitigen Nachkühlsystem verbunden ist, eine weitere Flutleitung, nämlich die Sicherheitsflutleitung vor, in der die fernbetätigbare Absperrarmatur und die oben bereits erwähnte Rückschlagahnatur vorgesehen sind. Die Rückschlagarmatur ist bezüglich ihrer Öffnung zum Kühlmitteldurchsatz vom Kühlmittelreservoir zur Anschlußleitung in zwei unterschiedlichen Schließkrafteinstellungen aktivierbar. Weitere vorteilhafte Merkmale betreffend die Vorrichtung ergeben sich aus den Ansprüchen 10-13.

Die Erfindung ist anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels in der Zeichnungsfigur näher erläutert. Diese zeigt:

eine schematische Darstellung der wesentlichen Elemente, die bei dem Verfahren und der Vorrichtung zur Absicherung der Nachwärmeabfuhr aus einem Reaktor eines Kernkraftwerkes eingesetzt werden.

Die in der Zeichnungsfigur dargestellte Vorrichtung 1 knüpft an die HKM-Leitung 2 des Primärkreislaufes des Reaktorkühlsystems 3 an und zeigt einen Strang 4 eines primärseitigen Nachkühlsystems, das eine Nachkühlpumpe/ND- Einspeisepumpe 5 aufweist, welche über saugseitige Anschlußleitung 6 an das Reaktorkühlsystem 3 angeschlossen ist. Mit Bezugsziffer 7 ist ein Kühlmittelreservoir bezeichnet, in dem Kühlmittel 8 mit einem Füllstand 9 bereitgehalten wird. Der abgesenkte Füllstand in der HKM-Leitung 2 ist mit Bezugsziffer 10 bezeichnet.

In der saugseitigen Anschlußleitung 6 ist eine Mehrzahl von motorischen Absperrventilen 11 vorgesehen, die im Zuge der Inbetriebnahme des primärseitigen Nachkühlsystems geöffnet werden.

An einem ersten Verbindungspunkt 12 mündet eine mit dem Kühlmittelreservoir 7 verbundene Flutleitung 13 in die saugseitige Anschlußleitung 6. Diese Flutleitung 13 ist durch ein weiteres Absperrventil 14 absperrbar, das zum Zwecke der Zuführung von Kühlmittel 8 aus dem Kühlmittelreservoir 7 in das Nachkühlsystem geöffnet werden kann.

Erfindungsgemäß ist nun eine Sicherheitsflutleitung 15 vorgesehen, die oberhalb der Flutleitung 13 an einem zweiten Verbindungspunkt 12&min; in das Kühlmittelreservoir 7 einbindet, und in der eine Absperrarmatur 16 angebracht ist, die bei Einleitung der Absenkmaßnahmen des Füllstandes im Primärkreislauf 2 geöffnet wird. Die Absperrarmatur 16 ist fernbedienbar.

Desweiteren befindet sich in der Sicherheitsflutleitung 15 eine Rückschlagarmatur 17, die aufgrund ihrer Rückschlageigenschaft einen Kühlmittelfluß in Pfeilrichtung 18 unterbindet, hingegen in Pfeilrichtung 19 unter Berücksichtigung unterschiedlicher Druckzustände zuläßt. Ein erster der Druckzustände sieht eine Öffnung und einen Kühlmittelfluß in Pfeilrichtung 19 dann vor, wenn bei drucklosem, Kühlsystem der Füllstand 10 auf einen unzulässigen Pegel abgesunken ist. Dann reicht der Flüssigkeitsdruck des Kühlmittels 8 aus, um die wirkende "normale" Schließkraft der Rückschlagarmatur 17 zu überwinden und Kühlmittel 8 in das Nachkühlsystem einzubringen.

Wenn zur Kühlmittelentgasung allerdings der Primärkreislauf 2 des Reaktorkühlsystems 3 evakuiert ist, würde das Vakuum bei vorzeitiger Öffnung der Rückschlagarmatur 17 gebrochen werden, da der Druck auf der links in der Zeichnung dargestellten Leitungsseite weit geringer ist als auf der rechts dargestellten Leitungsseite. Deswegen ist eine entsprechende Schließkrafterhöhung erforderlich, die dadurch erzielt wird, daß eine Vorsteuerarmatur 20 geöffnet wird, so daß Kühlmittel 8 in den Steuerraum 21 eines Steuerkolbens 22 der Rückschlagärmatur 17 einfließt und diese in Schließrichtung belastet. Dies bedeutet, daß die Schließkraft der Rückschlagarmatur 17 vergrößert wird, so daß auch bei evakuiertem Primärkreislauf kein Kühlmittel 8 in den Primärkreislauf und das Nachkühlsystem gelangt, es sei denn, daß der Füllstand 10 auf einen vorgebbaren Wert abgesunken ist. Dann überwindet der Flüssigkeitsdruck des Kühlmittels 8 die verstärkte Schließkraft der Rückschlagarmatur 17, die Rückschlagarmatur 17 öffnet und sorgt für eine selbsttätige Flutung des Reaktorkühlsystems. In einem solchen Fall wird allerdings der Vakuumzustand nicht aufrechterhalten; dies ist ein zusätzlicher sicherheitsgerichteter Effekt, da der Siedeabstand in der saugseitigen Anschlußleitung dabei zunimmt.

Der Einsatz dieser Sicherheitseinrichtung erfolgt im Rahmen der Nachkühlprozedur, wobei die erforderlichen Maßnahmen entweder von Hand oder automatisch mit entsprechendem Sicherheitsniveau (leittechnische Überwachung und elektrische Verriegelungen) durchgeführt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Absicherung der Nachwärmeabfuhr aus einem Reaktor eines Kernkraftwerkes bei abgesenktem Füllstand im Primärkreislauf (2) des Reaktorkühlsystems (3), insbesondere bei Reinigungs- und Wartungsvorgängen, mit folgenden Verfahrensschritten
    1. a) Abschalten des Reaktors und Durchlaufen einer ersten Abkühlungs- und Druckreduktionsphase im Primärkreislauf (2) des Reaktorkühlsystems (3),
    2. b) Einschalten eines Nachkühlsystems zur Übernahme der in diesem Zustand nicht mehr durch die Dampferzeugeranlage geleisteten Wärmeabfuhr aus dem Primärkreislauf (2)
    3. c) komplette Druckentlastung und Absenken des Füllstands des Primärkreislaufes (2) auf etwa ein mittleres Niveau der Hauptkühlmittelleitung;
    4. d) Vorsehen eines Kühlmittelreservoires (7) zur bedarfsweisen Nachfüllung des Primärkreislaufes (2) des Reaktors und/oder des Nachkühlsystems, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
    5. e) Verbinden des Kühlmittelreservoires (7) über eine mit einer Absperrarmatur (16) und einer über eine Vorsteuerarmatur (20) gesteuerte Rückschlagarmatur (17) versehene Sicherheitsflutleitung (15) mit der saugseitigen Anschlußleitung (6) des Nachkühlsystems;
    6. f) Öffnen der Absperrarmatur (16) im Zuge der Füllstandsabsenkung gemäß Verfahrensschritt c), wobei
    7. f&sub1;) bei drucklosem Reaktorkühlsystem abhängig von den geodätischen Höhenverhältnissen (Füllstand im Kühlmittelreservoir (7)/Füllstand in der saugseitigen Anschlußleitung (6)) und der normalen Schließkraft der Rückschlagarmatur (17) beim Absenken des Füllstandes in der saugseitigen Anschlußleitung (6) unter einem vorgebbaren Schwellenwert unter Öffnung der Rückschlagarmatur (17) Kühlmittel vom Kühlmittelreservoir (7) in die saugseitige Anschlußleitung (6) fließt und
    8. f&sub2;) bei zur Kühlmittelentgasung evakuiertem Reaktorkühlsystem die Schließkraft der Rückschlagarmatur (17) durch Betätigung der Vorsteuerarmatur (20) erhöht und dadurch an die modifizierten Druckverhältnisse im evakuierten Reaktorkühlsystem angepaßt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel aus dem als Borwasserlagertank ausgebildeten Kühlmittelreservoir (7) innerhalb des Reaktorcontainments in den Primärkreislauf einfließt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei evakuiertem Reaktorkühlsystem die Erhöhung der Schließkraft der Rückschlagarmatur (17) durch den auf einen Steuerkolben (22) der Rückschlagarmatur (17) wirkenden Flüssigkeitsdruck des im Kühlmittelreservoir (7) befindlichen Kühlmittels erfolgt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schließkraft der Rückschlagarmatur (17) im wesentlichen durch die Gewichtskraft des in ihr in Vertikalrichtung verschiebbaren Steuerkolbens (22) oder durch damit zusammenwirkende Gewichtselemente oder Federelemente bestimmt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Öffnung der Vorsteuerarmatur (20) die Erhöhung der Schließkraft der Rückschlagarmatur (17) durch Druckbeaufschlagung eines Steuerraumes (21) mit Kühlmittel erfolgt.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schließkraft der Rückschlagarmatur (17) derart bemessen ist, daß eine Öffnung der Rückschlagarmatur (17) und ein Überströmen von Kühlmittel aus dem Kühlmittelreservoir (7) über die Rückschlagarmatur (17) in den Kühlmittelkreislauf erfolgt, bevor der Füllstand bis zum Verbindungspunkt (VP) der saugseitigen Anschlußleitung (6) und der Sicherheitsflutleitung (15) abgesunken ist.
  7. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrarmatur (16) bei manuell eingeleiteter Absenkung des Füllstandes automatisch oder manuell geöffnet wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Evakuierung des Reaktorkühlsystems die Vorsteuerarmatur (20) automatisch oder manuell zur Erhöhung der Schließkraft der Rückschlagarmatur (17) aktiviert wird.
  9. 9. Vorrichtung (1) zur Absicherung der Nachwärmeabfuhr aus einem Reaktor eines Kernkraftwerkes bei abgesenktem Füllstand im Primärkreislauf (2) des Reaktorkühlsystems (3), bei welchem mindestens ein Strang (4) eines primärseitigen Nachkühlsystems vorgesehen ist (Nachkühlpumpe/ND-Einspeisepumpe), das über eine saugseitige Anschlußleitung (6) an das Reaktorkühlsystem angeschlossen ist und über eine absperrbare Flutleitung (13) mit einem Kühlmittelreservoir (7) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittelreservoir (7) über eine Sicherheitsflutleitung (15), in der eine fernbetätigbare Absperrarmatur (16) und eine Rückschlagarmatur (17) vorgesehen sind, mit der saugseitigen Anschlußleitung (6) des Nachkühlsystems verbunden ist, und die Rückschlagarmatur bezüglich ihrer Öffnung zum Kühlmitteldurchsatz vom Kühlmittelreservoir (7) zur saugseitigen Anschlußleitung (6) in zwei unterschiedlichen Schließkraft-Einstellungen aktivierbar ist.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückschlagarmatur (17) als Kolben- Rückschlagarmatur ausgebildet ist und einen Steuerkolben (22) aufweist, dessen Wirkung das Öffnungs- und Schließverhalten der Rückschlagarmatur (17) bestimmt.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß am Steuerkolben (22) ein in Schließrichtung wirkender Steuerraum (21) vorgesehen ist, der durch Öffnung einer Vorsteuerarmatur (20) zur Schließkrafterhöhung der Rückschlagarmatur (17) mit Kühlmittel (8) beaufschlagbar ist.






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