DE2509836A1 - Sicherheitskuehl-vorrichtung fuer kernreaktor - Google Patents

Description

Sicherheitskühl-Vorrichtung für Kernreaktor

Die Erfindung betrifft eine Hilfs- oder Sicherheitskühl-Vorrichtung für Kernreaktoren, deren Reaktorkern aus N unabhängigen Modulen besteht, deren jeder von einem Wärmeträger gekühlt ist mittels einer jedem Modul zugeordneten Pumpe.

Die Primär(kühl)kreise der Kernreaktor-Blöcke haben stets die gleiche Hydraulikanordnung: ein wärmeabführendes Fluid oder Wärmeträger strömt ständig zwischen dem Reaktorkern, in dem sich der Wärmeträger erwärmt, und einem Wärmetauscher, in dem er Wärme abgibt. Diese Umwälzung wird durch eine Pumpe oder ein Gebläse erreicht, abhängig vom verwendeten Wärmeträger. Die Wirkung der Umwälzung wird erreicht mittels zu-

410-(B 5245.4)-Me-r (8)

509839/0284

sätzlicher Sicherheits-Vorrichtungen, um stets eine Kühlung des Reaktors zu gewährleisten. Die Nachwärmeleistung oder Nachleistung des Reaktors erzwingt nämlich die ständige Abkühlung selbst bei stillstehendem oder abgeschaltetem Reaktor und wenn die Sicherheitsstäbe vollständig abgesenkt oder eingetaucht sind. Während dessen geht der notwendige Wärmeträger-Durchsatz zum Abführen des Rest- oder NachwärmeStroms nur in der Größenordnung Prozent des Nenndurchsatzes, da etwa 1 min nach Abschalten des Reaktors die Nachwärmeleistung etwa 1 % der Nennleistung beträgt.

Zahlreiche Reaktorkerne bestehen aus einer bestimmten Anzahl von Modulen, die parallel von einem Wärmeträger versorgt sind. Ein derartiger Reaktorkern kann darüber hinaus einen Wärmetauscher besitzen, der mit jedem Modul verbunden ist (vgl. DT-OS 2 137 012, Anmeldetag 23. 7. 71, Anwaltsaktenzeichen 410-17.323).

Bei Stillstand oder Ausfall der Hauptpumpen, die den Wärmeträger umwälzen, ist es unerläßlich, eine gewisse Umwälzung im Reaktorkern beim Stillstand aufrecht zu erhalten, um zu große Erwärmungen infolge der Nachwärmeleistung des Reaktors zu vermeiden. Herkömmliche Systeme und Vorrichtungen zu diesem Zweck enthalten alle aktive Systeme, einschließlich mechanischer Pumpglieder, wie Hilfspumpen, die ihrerseits selbst einer Panne unterliegen oder ausfallen können, was die Zuverlässigkeit und die Sicherheit des Reaktors verringert.

Bei einer Sicherheitskühl-Vorrichtung für Kernreaktor, dessen Kern aus N unabhängigen Modulen besteht, ist es Aufgabe der Erfindung, eine Sicherheitskühl-Vorrichtung mit hoher Zuverlässigkeit und automatischer Wirkung bei einem Stillstand oder Ausfall einer mit einem Modul des Reaktorkerns verbundenen Pumpe ohne Eingriff eines mechanischen Glieds, wie Hilfspumpe oder Hilfsgebläse, zu schaffen, durch Umwälzen einer

5 09839/0284

ausreichenden Wärmeträgermenge zum Abführen der Nachwärmeleistung des Reaktor-Moduls.

Die Aufgabe wird bei einem Reaktor, bei dem jeder Modul M., mit i = 1, 2 ... N, des Reaktorkerns von einem Wärmeträger mittels einer Pumpe P. durchströmt ist, erfindungsgemäß gelöst durch einen Sammler und N Rohrleitungen, deren jede zwischen dem Sammler und einer die Pumpe mit dem Modul verbindenden Hauptrohrleitung angeschlossen ist.

Bei einem Reaktor-Block in Modulbauweise, der aus N identischen, parallel wirkenden Hydraulik-Kreisen besteht, kann die Kühlwirkung des Reaktors mit großer Zuverlässigkeit.gewährleistet werden, wegen der Redundanz der Mittel, die durch die Kreise in Modulbauweise gegeben ist und die Sicherheits-Automatik.

Die Querschnittsfläche der Rohrleitungen S. beträgt vorteilhaft zwischen 1/100 und 1/10 der Querschnittsfläche der Haupt-Rohrleitungen K..

Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende: Ein Sammler C verbindet alle Hydraulik-Kreise in Modulbauweise mit Hilfe eines Abzweigs oder einer Rohrleitung S., die an jedem Modul vorgesehen ist; wenn bei einem Modul M. die zugehörige Pumpe P. ausfällt, erfolgt ein Absenken der Steuerstäbe, deshalb ein "Abschalten" des Reaktors und ein Druckabsenken an der Stelle zwischen der Pumpe P. und dem Reaktor, weil die Pumpe P. nicht mehr arbeitet. Da die verschiedenen Abzweige oder Rohrleitungen vom Sammler an Stellen abzweigen, an denen die anderen Pumpen, außer der Pumpe P., in Betrieb sind, ist der Wärmeträgerdruck im Sammler groß, und Wärmeträger wird zum Modul M₁ geführt, in dem die Druckabsenkung durch Stillstand, Abschalten oder Ausfall der Pumpe P. erfolgt ist. Deshalb wird z. B. Natrium bei einem schnellen Kernreaktor oder

509839/0284

Schnellneutronenreaktor im Sammler entnommen und durch den abgeschalteten Modul des Reaktors rückgeführt, um die Nachwärmeleistung abzuführen.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung wird vorzugsweise auf die Kühlung von Schnellneutronenreaktoren angewendet, bei denen der Reaktorkern N flüssignatriumgekühlte Module aufweist, deren jeder von Natrium gekühlt wird, das im Normalbetrieb von Pumpen P^ in die Module M. gepumpt wird, und bei Stillstand, Anhalten oder Ausfall einer Pumpe P. von Natrium gekühlt wird, das vom Sammler C zum Modul M. mittels der Abzweige oder Rohrleitungen S. gepumpt wird.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die öffnung der Rohrleitung S., die in die Hauptrohrleitung K. mündet, so angeordnet, daß die (gerichtete) Normale auf die Ebene der öffnung parallel zur Strömungsrichtung des Wärmeträgers ist und in Vorwärtsrichtung der Strömung oder stromab gerichtet ist, die durch die Pumpe P. in der Hauptrohrleitung K^ bewirkt ist. Diese Anordnung ist deswegen vorteilhaft, weil dann, wenn alle Pumpen P^ in Betrieb sind, kein Wärmeträger vom Sammler C entnommen wird und die Wärmeträgerströmung wenig gestört ist, während dann, wenn die Pumpe P. stillsteht, der vom Sammler C bis zur Hauptrohrleitung K. durch die Rohrleitung S₁ strömende Wärmeträger vorzugsweise in Richtung des Moduls M^ des Reaktorkerns geführt wird, das den in der Hauptrohrleitung K. enthaltenen Wärmeträger mitnimmt, während wenig Wärmeträger von den anderen Rohrleitungen S zur Versorgung des Sammlers C entnommen wird.

Um dieses Mitnehmen zu begünstigen, kann ein Hydroejektor oder eine hydraulische Strahldüse verwendet werden, der bzw. die durch eine Hauptrohrleitung K^ in Venturi-Ausführung gebildet ist, d. h. mit einem Aufbau, der konvergent-divergent

509839/0284

ist, wobei die öffnung der Rohrleitung S. in der Hauptrohrleitung K. im wesentlichen nahe der Einschnürung oder dem Hc des Venturi-Rohres oder -kanals angeordnet ist.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Hydraulikschema einer Anordnung mit N Modulen, Fig. 2 den Hydraulikaufbau des Sicherheitskühlkreises,

Fig. 3 schematisch den Einbau der Rohre oder Rohrleitungen S. in die Hauptrohrleitung K., die die Pumpe P^ mit den zugehörigen Modulen M. des Kernreaktors verbinden ,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Hauptrohrleitung K. als Venturi-Rohr ausgebildet ist.

In Fig. 1 ist das Hydraulikschema einer Anordnung mit N Modulen dargestellt, die in einem Druckgefäß 1 eines mit einer Flüssigkeit 3 gefüllten Reaktors angeordnet sind, wobei insbesondere Wärmetauscher E. integriert sind und über jedem Kernelement des Kernreaktors angeordnet sind. Die Wärmetauscher E. sind über jedem Element des Reaktorkerns angeordnet. Die Wärmetauscher E. sind über Modul-Reaktoren R. angeordnet, die von einem Wärmeträger über Pumpen P. versorgt werden; ein Sammler C ist mit Hauptrohrleitungen K. zwischen den Pumpen P. und den Reaktoren R. durch Abzweige oder Rohrleitungen S. verbunden. Bei einem Stillstand, Abschalten oder Ausfall z. B. der Pumpe P^^ verringert das Absenken der Steuerstäbe die Nennleistung des Reaktors R. stark. Es ergibt sich auch ein Druckabfall an der Stelle 2, weshalb folglich der im Sammler C enthaltene Wäs-meträger durch die Rohrleitung S. über den Reaktor R. ein-

509839/0284

geführt wird. Ein geringer Teil des Wärmeträgers tritt auch noch durch die Pumpe P., aber dieser parasitäre Durchsatz ist kleiner gehalten als der in den Reaktorkern.

Der durch die Rohrleitung S. eingeführte notwendige Durchsatz vom Sammler C ist höchstens gleich 2 % des Nenndurchsatzes. Wenn der Reaktor-Block aus mehr als 3 Modulen besteht., ist der Abfall bei den in Betrieb bleibenden Modulen kleiner als 1 % ihres Nenndurchsatzes. Wenn die Modulzahl mindestens 6 beträgt, ist der Abfall minimal.

In Fig. 2 ist der Hydraulikaufbau gemäß der Erfindung mit dem Sammler C und der dem Reaktor R. und dem Wärmetauscher E. zugeordneten Pumpe P. dargestellt. Der Wärmetauscher E. kann allen Reaktoren R. gemeinsam sein. Es kann auch jeder Reaktor R. mit einem besonderen Wärmetauscher E. verbunden sein. Der Hauptdurchsatz des Wärmeträgers folgt der durch die Pfeile 4, 6, 8, 10 wiedergegebenen Richtung. Der Sammler C führt das Hilfs- oder Sicherheitskühlmittel oder die Hilfs- oder Sicherheitskühlflüssigkeit gemäß den Pfeilen 12 und 14 zu, wenn die Pumpe P. stillsteht. Der Pfeil 16 zeigt die Umwälzrichtung des Wärmeträgers bei einer Entnahme oder Anzapfung zur Versorgung des Sicherheitskreises an, der mit einer anderen abgeschalteten Pumpe verbunden ist.

In Fig. 3 sind schematisch zwei parallele Anordnungen dargestellt, mit dem Index i bzw. dem Index i + 1, die Pumpen P. bzw. Ρ·₊₁ enthalten, die den Wärmeträger in die Reaktor-Module M. bzw. M. . führen. Wenn die Pumpe P. in Betrieb ist, wird der Wärmeträger, z. B. Natrium, zum Reaktor-Modul M. gemäß den Pfeilen 22 gerichtet. Die öffnung 26 der Rohrleitung S., die in die Hauptrohrleitung K. eindringt, ist so mit dem Sammler C verbunden, daß die Normale 24 auf der Ebene der öffnung 26 parallel zur Strömungsrichtung 22 des Wärmeträgers, z. B. Natrium/ ist und stromab gerichtet ist.

509839/0284

Die geometrischen Parameter der Vorrichtung sind so, daß der Unterschied zwischen dem statischen Druck und dem dynamischen Druck im Wärmeträger positiv ist, wobei der Druck an der Öffnung 26 gleich der Differenz P = P₁₃ - P-, ist, wodurch er-

S CL

reicht wird, daß im Betrieb der Druck im Sammler C kleiner ist als der beim Ansaugen der Pumpen, wobei P und P^ die Werte des Effektivdrucks gegenüber dem Ansaugdruck sind. Wenn eine Pumpe stillsteht, z. B. die Pumpe Ρ·₊-ι/ wird der Wärmeträger vom Sammler C zur Hauptrohrleitung K. . über die Rohrleitung S.,<j zum Reaktor-Modul M. ,. geführt, während wenig Wärmeträger zur Pumpe P-₊₁ zurückgeführt wird, selbst wenn die Hydraulikimpedanz des Aufbaus der Pumpe P. geringer ist als die des Moduls M. .., weshalb auf die Verwendung e-ner Rückschlagklappe oder einer anderen Absperreinrichtung verzichtet werden kann.

Um Lastverluste zu vermeiden, wird soweit möglich die mechanische Impedanz der Rohrleitungen S. begrenzt, und zwar damit der Wärmeträgerdruck im Sammler C etwa gleich dem Druck in Höhe der Öffnung 26 ist, nämlich P - P^.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem die Hauptrohrleitung K. die Form eines Venturi-Rohres oder -kanals besitzt und die Öffnung 26 der Rohrleitung S. in die Hauptrohrleitung K. in Höhe der Einschnürung 28 des Venturirohres eindringt. Der Venturi-Rohr-Abschnitt der Hauptrohrleitung K_± und die Rohrleitung S₁ bilden einen Hydroejektor oder eine hydraulische Strahldüse, der bzw. die in die richtige Richtung oder vorteilhaft wirkt, um den in der Hauptrohrleitung K. enthaltenen Wärmeträger mitzureißen, wenn die Pumpe P. stillsteht, unter Einfluß des durch die Rohrleitung S^ in die Hauptrohrleitung K. gemäß dem Pfeil 30 eingeblasenen Flüssigkeits- oder Wärmeträgerstrahls, wobei der Wärmeträger vom Sammler C stammt,- der von den anderen Rohrleitungen S versorgt ist. Der Hydroejektor wirkt in Gegenrichtung beim Ent-

509839/0284

nehmen des Wärmeträgers, wenn die Pumpe P. in Betrieb ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel, in dem der Aufbau der Hauptrohrleitung K. als Venturi-Rohr die Hydroejektor-Wirkung durch Mitreißen infolge eines Fluid- oder Stromfadens begünstigt, der von der Einschnürung herausgeschleudert wird, wird auch so vorgegangen, daß der statische Druck P des Wärmeträgers während des Betriebs höher ist als der dynamische Druck P, durch die kinetische Energie, die von den Molekülen des Wärmeträgers geführt ist. Der Hydroejektor wirkt also offensichtlich in vorteilhafter Weise, wenn die Pumpe P. stillsteht.

Das Einführen des vom Sammler C stammenden Wärmeträgers mittels der Rohrleitungen S. ist in einer Richtung dargestellt, die exakt parallel zum durch die Pumpe P. erzeugten Wärmeträgerstrom ist. Selbstverständlich können geringe Änderungen dieser Anordnung möglich sein, bei denen der durch die Rohrleitung S. eingeblasene Wärmeträger einen geringen Winkel zum durch die Pumpe P. erzeugten Durchsatz des Wärmeträgers einschließt, wenn letzterer vorhanden ist.

509839/0284

Claims (5)

Patentansprüche G)

1.) Sicherheitskühl-Vorrichtung für Kernreaktor, dessen Kern aus N unabhängigen Modulen besteht, deren jeder von einem Wärmeträger mittels einer Pumpe durchströmt ist,

gekennzeichnet durch einen Sammler (C) und

N Rohrleitungen (S.; i = 1, 2 ... N), deren jede zwischen dem Sammler (C) und einer die Pumpe (P.) mit dem Modul (M.) verbindenden Hauptrohrleitung (K.) angeschlossen ist.

2. Sicherheitskühl-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Normale auf der Ebene der öffnung (26) jeder Rohrleitung (S.) in die Hataptrohrleitung (K.) im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des Wärmeträgers in der Hauptrohrleitung (K.) mittels der Pumpe (P^) und stromab gerichtet ist.

3. Sicherheitskühl-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2₇ dadurch gekennzeichnet,

daß die Hauptrohrleitung (K.) einen Venturi-Rohr-Abschnitt aufweist, der konvergent-divergent ist, und

daß die öffnung (26) der Rohrleitung (S^) im wesentlichen in Höhe der Einschnürung des Venturi-Rohr-Abschnitts ist und stromab gerichtet ist.

509839/0284

4. Sicherheitskühl-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeiphnet, daß die Querschnittsfläche der Rohrleitung (S^) 1/100 bis 1/10 der Querschnittsfläche der Hauptrohrleitung (K^) beträgt, die die Pumpe (P^) mit dem Modul (M.) verbindet.

5. Sicherheitskühl-Vorrichtung nach einem der Ansprüche

1 bis 4 für Schnellneutronen-Reaktoren, dadurch ge kennzeichnet , daß der Reaktorkern N Module aufweist, die durch Flüssignatrium gekühlt sind, das im Normalbetrieb durch Pumpen (P.) zu den Modulen (M.) und bei Stillstand einer Pumpe (P.) vom Sammler (C) zum zugehörigen Modul (M.) über die zugehörige Rohrleitung (S.) gepumpt ist.

509839/0284