DE4423979C2 - Druckentlastungsarmatur sowie Verfahren zur Druckentlastung eines Druckbehälters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckentlastungsarmatur zur Druckentlastung eines Druckbehälters, welche eine Einlaßöff­ nung, eine Auslaßöffnung, einen Strömungsdurchgang zwischen der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung, der durch ein Verschlußelement verschlossen ist, und eine aktivierbare Wär­ mequelle zum Aufschmelzen des Verschlußelements oder dessen Arretierung aufweist.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Druckentlastung eines mit einem Medium befüllten Druckbehälters, wobei eine Wärmequelle zum Aufschmelzen eines Verschlußelements oder dessen Arretierung aktiviert wird.

Druckbehälter, wie sie beispielsweise in der chemischen Indu­ strie oder bei der Energieerzeugung verwendet werden, weisen zum Schutz gegen Überdruck in der Regel Druckentlastungsarma­ turen zum Abbau eines eventuellen Überdrucks auf.

In der WO 93/18521 A1 ist eine Sicherheitseinrichtung gegen Überdruckversagen eines Reaktordruckbehälters beschrieben. Diese Sicherheitseinrichtung weist eine Druckentlastungsarma­ tur auf, welche in Form eines Rohres mit einer Ausbuchtung ausgeführt ist. In der Ausbuchtung ist ein Kolben angeordnet, der mit einem Lot mit der Wand der Druckentlastungsarmatur festverlötet ist und damit den Querschnitt der Druckentla­ stungsarmatur fest versperrt. Bei Erreichen einer Grenztempe­ ratur schmilzt das Lot auf, und der Kolben gibt den Quer­ schnitt der Sicherheitseinrichtung frei. Die Druckentla­ stungsarmatur ist mit einem Ende mit der Hauptkühlmittellei­ tung des Kernreaktors bzw. direkt mit der Wand des Reaktor­ druckbehälters verbunden, mit dem anderen Ende öffnet die Druckentlastungsarmatur in einen Abblasetank. Bei Überhitzung des Reaktordruckbehälters findet ein erhöhter Wärmefluß über die Hauptkühlmittelleitung bzw. die Wand des Reaktordruckbe­ hälters zu der Druckentlastungsarmatur statt. Wird hinrei­ chend viel Wärmeenergie an die Druckentlastungsarmatur über­ tragen, so schmilzt das Lot auf, und das in dem Reaktordruck­ behälter befindliche Medium kann in den Abblasetank ausströ­ men. Diese vollständig passiv wirkende Sicherheitseinrichtung erfordert zwar keinerlei großflächige Durchführungen durch einen Deckel des Reaktorbehälters, reagiert aber aufgrund ih­ rer relativ großen Entfernung zu dem Zentrum des Reaktor­ druckbehälters relativ träge und mit nicht allzu hoher Emp­ findlichkeit auf Änderungen im Inneren des Reaktordruckbehäl­ ters.

In der DE 42 06 660 A1 ist eine Sicherheitseinrichtung gegen Überdruckversagens eines Kernreaktor-Druckbehälters bei un­ genügender Kernkühlung beschrieben. Die Einrichtung weist ein Druckentlastungsventil auf, welches in eine Wand des Druckbe­ hältes druckdicht eingesetzt ist und mit einem Verschlußstück den Durchfluß vom Innenraum des Druckbehälters zu einer Druckentlastungsleitung normalerweise absperrt. Das Ver­ schlußstück ist in seiner Schließstellung mittels einer grenztemperaturabhängiglösbaren Arretierung gehalten. Durch ein kraftschlüssig an dem Verschlußstück angreifendes Kraft­ übertragungssystem wird das Verschlußstück in seiner Schließ­ stellung gegen seinen Sitz gehalten. Das Kraftübertragungs­ glied erstreckt sich von dem Kraftangriffspunkt an dem Ver­ schlußstück in das Innere des Druckbehälters bis zu einem Einbauteil. An diesem Einbauteil ist es mittels der tempera­ turabhängigen Arretierung fixiert, welche bei einer Grenz­ temperatur von ca. 700°C das Kraftübertragungsglied freigibt und somit ein differenzdruckbedingtes Abheben des Verschluß­ stückes von seinem Sitz auslöst.

In der US-PS 2,998,018 ist ein schnellöffnendes Ventil be­ schrieben, welches einen elektrothermisch wirkenden Öffnungs­ mechanismus aufweist. Das Ventil wird an einem unter Druck stehenden Feuerlösch-Behälter angeschlossen und ist durch ein schmelzbares Material verschlossen, so daß aus dem Feuerlö­ scher kein Fluid entweichen kann. Das schmelzbare Material ist eine niedrigere schmelzende metallische Legierung, die bei normalen Temperaturen dem Innendruck des Feuerlöschers standhält. In dem schmelzbaren Material oder um dieses herum sind elektrische Heizleitungen angeordnet, die an einer Span­ nungsquelle angeschlossen sind. Ein Öffnen des Ventils er­ folgt dadurch, daß bei einem Einleiten von elektrischem Strom in die Heizleitungen thermische Energie in dem schmelzbaren Material erzeugt wird, so daß dieses aufschmelzend unter der Belastung des Innendruckes nachgibt und einen Strömungsdurch­ gang zum Austritt von in dem Feuerlöscher enthaltenem Fluid frei gibt. Bei sehr hoher Umgebungstemperatur, beispielsweise infolge eines Brandes, schmilzt das schmelzbare Material auch ohne zusätzliche elektrische Heizung auf und führt somit zu einem Öffnen des Ventils. Ein Auslösen des Ventils erfolgt auf aktive Art und Weise durch Zuführung eines elektrischen Stroms oder aufgrund reiner Wärmeleitung bei einer hohen Umgebungstemperatur. Als einziges Einsatzgebiet beschreibt die US-PS 2,998,018 die Verwendung in einem Feuerlöscher.

In der US-PS 4,158,322 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Gas und zur Trennung eines Bauteils in zwei unabhängige Ele­ mente beschrieben. Die Vorrichtung ist als langgestreckter Bolzen dargestellt, der eine hohlzylindrische Partie mit dünner Wandung aufweist. In dieser ist eine pyrotechnische Mischung aus einem exotherm reagierendem Material und einer gasproduzierenden chemischen Substanz angeordnet. Die Vor­ richtung findet Anwendung in einem Flutventil, beispielsweise für den Bergbau. Das Flutventil befindet sich in einem ge­ schlossenen Zustand und geht bei einer Zündung der pyrotech­ nischen Mischung in einen offenen Zustand über. In diesem offenen Zustand kann Fluid, vorzugsweise Wasser, in einen an das Flutventil angeschlossenen Behälter einströmen. Die pyro­ technische Mischung wird über eine elektrische Zündleitung ferngesteuert gezündet. Bei einer Zündung der pyrotechnischen Mischung wird sowohl Wärme als auch Gas freigesetzt. Durch die entstehende Wärme schmilzt die die pyrotechnische Mi­ schung umgebende Wandung der Vorrichtung auf. Durch die ent­ stehenden Gase wird ein hoher Druck erzeugt. Durch die auf­ schmelzende Wandung wird die Vorrichtung in zwei Teile ge­ teilt und durch den Druck entlang einer Achse so verschoben, daß das Ventil öffnet.

Aus der DE-AS 25 49 060 ist eine Vorrichtung zur Betätigung eines Verschlußelementes bekannt, bei der ein aufschmelzbarer Stopfen die Vorrichtung im Normalfall verschließt. Zur Druck­ entlastung wird der Stopfen aufgeschmolzen, indem ein elek­ trisches Widerstandselement, das sich im Stopfen befindet, beheizt wird. Das Aufschmelzen nimmt dabei einen relativ langen Zeitraum in Anspruch.

Aus der GB 1 336 303 ist ein Druckentlastungsventil bekannt, das in Abhängigkeit vom Druck im Behälter öffnet. Dazu steht ein Drucksensor im Behälter mit dem Ventil einer Gasflasche in Verbindung. Wenn die Gasflasche geöffnet ist, werden durch das ausströmende Gas Berstscheiben zerstört, die eine Öffnung des Behälters freimachen. Der Behälter wird also indirekt geöffnet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Druckentlastungsarmatur zur Entlastung eines Druckbehälters anzugeben, welche passiv wirkt, keine großflächige, den Druckbehälter schwächende Durchführungen durch die Wand des Druckbehälters bedingt so­ wie schnell und präzise auf kritische Änderungen im Inneren des Druckbehälters ansteuerbar ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Druckentlastung eines Druckbehälters anzugeben, welches passiv wirkend durch­ geführt wird und schnell und präzise auf kritische Zustände innerhalb des Druckbehälters reagiert.

Die auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe wird nach einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung durch eine Wärme­ quelle gelöst, die eine entzündbare Substanz, insbesondere Thermit, ist. Durch diese Wärmequelle, die aktivierbar ist, wird das Verschlußelement oder dessen Arretierung aufge­ schmolzen und dadurch die Auslaßöffnung mit der Einlaßöffnung der Armatur verbunden.

Die auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe wird nach einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung durch eine Wärme­ quelle gelöst, die über eine Signalleitung passiv aufgrund der in dem Druckbehälter herrschenden physikalischen Bedin­ gungen, insbesondere Druck und/oder Temperatur, aktivierbar ist. Auch durch diese Wärmequelle wird das Verschlußelement oder dessen Arretierung aufgeschmolzen, wodurch eine Ver­ bindung zwischen der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung der Armatur freigemacht wird.

Die entzündbare Substanz, insbesondere Thermit, nach der ersten Ausführungsform ist auf einfache und passive Art und Weise über einen elektrischen bzw. mechanischen Zünder oder über eine Zündschnur entzündbar. Die entzündbare Sub­ stanz ist dabei in unmittelbarer Umgebung um das Verschluß­ element anordenbar und über eine Isolierung gegenüber der Um­ gebung so isolierbar, daß bei ihrer Entzündung Wärme fast ausschließlich auf das Verschlußelement übertragen wird. Da­ durch kann die Menge der entzündbaren Substanz äußerst gering gehalten werden, so daß eine Gefährdung des Druckbehälters, sowie insbesondere eine Beschädigung der Druckentlastungsar­ matur ausgeschlossen ist. Darüber hinaus ist beispielsweise Thermit erst bei einer hohen Temperatur von ca. 1000°C ent­ zündbar, so daß eine vorzeitige ungewollte Druckentlastung, beispielsweise bei einer Betriebsstörung mit niedrigeren Tem­ peraturen, die über andere Sicherheitsvorrichtungen sicher beherrscht wird, ausgeschlossen ist. Je nach kritischer Tem­ peratur kann eine entzündbare Substanz mit einer niedrigeren oder höheren Zündtemperatur Anwendung finden.

Durch die über eine Signalleitung passiv aufgrund der im Druckbehälter herrschenden physikalischen Bedingungen aktivierbaren Wärmequelle ist eine Auslösung der Druckent­ lastungsarmatur unabhängig von einem unpräzisen und langsam reagierenden Wärmefluß zum Aufschmelzen des Verschlußelemen­ tes gegeben. Es ist gewährleistet, daß die aktivierbare Wärmequelle unmittelbar auf kritische Änderungen im Inneren eines Druckbehälters reagiert. Es kann sich dabei z. B. um Änderungen des Druckes und/oder der Temperatur handeln. Eine kritische Änderung kann dabei ein extremer Temperaturanstieg auf über 1000°C sein, wie es beispielsweise bei einem Ab­ schmelzen von Kernbrennstoff in einem Kernreaktor der Fall sein könnte. Dadurch ist eine frühzeitige und daher unkri­ tische Druckentlastung eines Druckbehälters gewährleistet. Darüber hinaus kann auf großflächige Durchführungen durch die Wand des Druckbehälters verzichtet werden, wodurch die mecha­ nische Stabilität des Druckbehälters erhöht wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Druckentlastungsarmaturen sind in den Unteransprüchen 3 bis 14 beschrieben.

Vorzugsweise weist das Verschlußelement eine Schmelzlot-Arre­ tierung auf, an der die aktivierbare Wärmequelle angeordnet ist. Das Verschlußelement wird durch die Schmelzlot-Arretie­ rung in einer Position gehalten, so daß der Strömungsdurch­ gang verschlossen ist. Durch ein Aufschmelzen der Schmelzlot- Arretierung infolge einer Wärmeerzeugung durch die Wärme­ quelle öffnet das Verschlußelement den Strömungsdurchgang, und eine wirksame Druckentlastung findet statt. Ein Öffnen des Verschlußelementes kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß zwei durch die Schmelzlot-Arretierung verbundene Teile des Verschlußelementes bei Aufschmelzen der Schmelzlot-Arre­ tierung gegeneinander bewegt werden. Ein solches Teil, bei­ spielsweise eine bewegliche Klappe, ein beweglicher Kolben oder ähnliches, kann bei normalen Betriebsbedingungen durch die Schmelzlot-Arretierung fest mit einer Wand des Verschluß­ elementes verbunden sein.

Das Verschlußelement kann ein schmelzbares Metallbauteil, insbesondere eine Stahlplatte, aufweisen, an dem die akti­ vierbare Wärmequelle angeordnet ist. Das schmelzbare Metall­ bauteil hat vorzugsweise eine Schmelztemperatur von etwa 1000°C bis etwa 2000°C, insbesondere etwa 1300°C bis 1700°C, beispielsweise ca. 1500°C. Eine Wärmequelle mit einer ent­ zündbaren Substanz, beispielsweise Thermit, kann eine Tempe­ ratur von bis über 2000°C erzeugen, so daß ein Aufschmelzen des Metallbauteils, insbesondere einer Stahlplatte oder eines Stahlzylinders, sicher gewährleistet ist.

Bevorzugtermaßen ist der Druckbehälter ein Reaktor-Druckbe­ hälters eines Kernreaktors. Für einen solchen Reaktor-Druck­ behälter eignet sich die Druckentlastungsarmatur besonders, da schon durch eine kleine Öffnung des Reaktor-Druckbehälters eine Signalleitung in dessen Inneres einführbar ist und mit der Druckentlastungsarmatur ein sicherer und frühzeitiger Schutz des Reaktor-Druckbehälter gegen Überdruckversagen ge­ währleistet ist.

Vorzugsweise ist die Druckentlastungsarmatur an einer Haupt­ kühlmittelleitung des Kernreaktors oder direkt an dem Reak­ tor-Druckbehälter angeordnet. Eine Anordnung der Druckentla­ stungsarmatur an der Hauptkühlmittelleitung hat darüber hin­ aus den Vorteil, daß eine Herabsetzung der mechanischen Sta­ bilität des Reaktor-Druckbehälters aufgrund großflächiger Durchführungen vermieden wird.

Vorzugsweise steht die Druckentlastungsarmatur mit einer Si­ gnalleitung in Wirkverbindung. Die Signalleitung ist mit ei­ nem ersten Ende druckdicht in das Innere des Druckbehälters hineingeführt und mit einem zweiten Ende außerhalb des Druck­ behälters mit der Druckentlastungsarmatur verbunden, wobei bei von den normalen Betriebsbedingungen abweichenden Bedin­ gungen im Inneren des Druckbehälters ein Signal in der Si­ gnalleitung erzeugbar ist, mit dem die Wärmequelle aktiviert wird. Dadurch ist gewährleistet, daß kritische Änderungen, die von den normalen Betriebsbedingungen des Druckbehälters abweichen, direkt im Inneren, d. h. an ihrem Entstehungsort, festgestellt und unmittelbar über die Signalleitung an die Druckentlastungsarmatur so weitergegeben werden, daß die Wär­ mequelle aktiviert wird und eine Druckentlastung stattfindet. Vorzugsweise weist die Signalleitung an ihrem ersten Ende ei­ nen Temperaturfühler auf, der eine Änderung der Temperatur innerhalb des Druckbehälters erfaßt und bei Überschreiten ei­ ner kritischen Temperatur das Signal erzeugt.

Die Signalleitung ist vorzugsweise eine Zündleitung, insbe­ sondere mit einer brennbaren Zündschnur, die insbesondere im Inneren des Druckbehälters aufgrund einer Temperaturerhöhung entzündbar ist und eine schnelle Signalübertragung zu der Druckentlastungsarmatur gewährleistet. Eine abbrennende Zünd­ schnur ist insbesondere zur Aktivierung einer Wärmequelle aus einer zündbaren Substanz besonders geeignet. Andere zur Über­ tragung hoher Temperaturen geeignete Materialien können eben­ falls Anwendung finden. Darüber hinaus ist durch eine brenn­ bare Zündschnur die Integrität der Signalleitung auf jeden Fall gewährleistet, so daß die Signalleitung im Inneren des Druckbehälters intakt bleibt, wodurch eine Leckströmung durch die Signalleitung aus dem Druckbehälter hinaus ausgeschlossen ist.

Weitere, die Integrität der Signalleitung gewährleistende Si­ gnale sind elektrische Signale sowie mechanische Signale. Die elektrischen Signale können beispielsweise über piezoelek­ trische Kristalle im Inneren der Signalleitung erzeugt wer­ den. Als mechanische Signale eignen sich ein Druck, insbeson­ dere der Druck innerhalb des Druckbehälters, sowie eine Kraft, die beispielsweise durch den Druck bzw. die Temperatur im Inneren des Druckbehälters erzeugt wird.

Vorzugsweise wird das Signal in der Signalleitung infolge des Überschreitens einer kritischen Temperatur im Inneren des Druckbehälters ausgelöst. Die Temperatur steht unmittelbar mit dem im Inneren des Druckbehälters herrschenden Druckes in Beziehung, so daß hiermit eine Erzeugung des Signals in Ab­ hängigkeit des Druckes erfolgt. Die kritische Temperatur kann dabei etwa 1000°C betragen, wodurch eine Druckentlastung bei einer extremen Abweichung von den normalen Betriebsbedingun­ gen erzielt wird; auf weniger extreme Abweichungen kann somit mit anderen Sicherheitsmaßnahmen, die speziell auf diese we­ niger extremen Abweichungen ausgerichtet sind, reagiert wer­ den. Beispielsweise kann auf diese Weise eine sichere Druck­ entlastung erzielt werden, die ausschließlich im Falle einer Kernschmelze eines Reaktorkerns wirksam ist.

Das Signal entsteht bevorzugtermaßen durch Zündung einer ent­ zündbaren Substanz, insbesondere Thermit. Die Zündung der entzündbaren Substanz kann ohne Gefährdung und unter Beibe­ haltung der Integrität der Signalleitung im Inneren dieser Signalleitung erfolgen. Dadurch ist gewährleistet, daß ein unkontrolliertes Entweichen eines Mediums im Inneren des Druckbehälters über die Signalleitung aus dem Druckbehälter heraus vermieden ist. Eine Zündung der entzündbaren Substanz erfolgt mit Sicherheit bei der kritischen Temperatur, so daß Fehlauslösungen vermieden sind und eine ungewollte Druckent­ lastung ausgeschlossen ist.

Vorteilhafterweise ist die Signalleitung durch ein in das In­ nere des Druckbehälters hineinragendes Drucksteuerrohr ge­ führt. Drucksteuerrohre sind in der Regel planmäßig an dem Deckel eines Reaktor-Druckbehälters angebracht und dienen beispielsweise der Einführung von Meßsonden. Durch eine Füh­ rung der Signalleitung in einem Drucksteuerrohr wird eine Ab­ nahme des Deckels des Druckbehälters im Falle einer Revision, beispielsweise eines Kernreaktors, allenfalls geringfügig be­ einträchtigt, wodurch zusätzlich Sicherheit erreicht wird oh­ ne erhöhte Zeitbelastung im Falle einer Revision.

Vorzugsweise ist das erste Ende der Signalleitung zentrumsnah im Inneren des Druckbehälters angeordnet. Insbesondere in ei­ nem Reaktor-Druckbehälter werden auf diese Art Änderungen, die zu kritischen Zuständen im Inneren des Reaktor-Druckbe­ hälters führen, besonders schnell erkannt. Darüber hinaus ist das erste Ende auf diese Weise in der Nähe des Reaktorkerns angeordnet, wodurch beispielsweise die Temperatur des Reak­ torkerns schnell und genau zur Auslösung der Druckentla­ stungsarmatur erfaßbar ist.

Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird gemäß der Er­ findung dadurch gelöst, daß in Abhängigkeit von dem physika­ lischen Zustand des Mediums, das sich im Druckbehälter be­ findet, insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur oder vom Druck des Mediums, im Inneren des Druckbehälters ein Sig­ nal erzeugt wird. Dieses Signal wird von dort über eine Sig­ nalleitung aus dem Druckbehälter herausgeführt und einer, mit einem Verschlußelement verschlossenen Druckentlastungsarmatur zugeführt. Das Signal aktiviert dort eine Wärmequelle zum Aufschmelzen des Verschlußelements oder dessen Arretierung.

Dadurch ist eine schnelle und sichere Druckentlastung eines Druckbehälters gewährleistet, sobald das Medium in seinem Inneren kritische Werte, beispielsweise der Temperatur oder des Druckes, überschreitet. Das Verfahren ist passiv ausge­ staltet und dadurch gegen Fehlauslösungen aufgrund mensch­ lichen Versagens oder technischer Defekte geschützt. Zudem ist bei einer Überschreitung kritischer Werte des Mediums eine Druckentlastung sicher gewährleistet.

Das Verschlußelement weist beispielsweise eine Schmelzlot­ arretierung oder eine schmelzbare Stahlplatte auf. Beide können durch die Wärmequelle aufgeschmolzen werden.

Anhand der Zeichnung werden die Druckentlastungsarmatur sowie das Verfahren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der Druckentlastungsarmatur,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Druckentlastungsarmatur,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform der Druckentlastungsarmatur und

Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Reaktordruckbehälter mit einer Sicherheitseinrichtung einschließlich der Druck­ entlastungsarmatur.

In den Fig. 1 bis 4 sind nur die für das Verständnis der Er­ findung wesentlichen Komponenten dargestellt.

Innerhalb der Druckentlastungsarmatur 2 gemäß Fig. 1 ist ein Verschlußelement 5 mit einem Kolben 25 angeordnet, der über eine Schmelzlot-Arretierung 5a aus einem Hartlot mit einer Außenwand 28 der Druckentlastungsarmatur 2 fest verlötet ist. Die Schmelzlot-Arretierung 5a stellt bis zu einer Grenztempe­ ratur, die abhängig von dem verwendeten Hartlot ist, eine fe­ ste Verbindung zwischen dem Kolben 25 und der Außenwand 28 dar. Durch den Kolben 25 ist ein Strömungsdurchgang 34, bei­ spielsweise für Wasserdampf, zwischen einer Einlaßöffnung 20 und einer Auslaßöffnung 15 der Druckentlastungsarmatur 2 ver­ sperrt. Innerhalb des Kolbens 25 ist in der Nähe der Schmelz­ lot-Arretierung 5a eine entzündbare Wärmequelle 8 in Form ei­ ner Thermitpackung angebracht. An dieser Wärmequelle 8 befin­ det sich das zweite Ende 7 einer Signalleitung 4, die inner­ halb der Druckentlastungsarmatur 2 entlang der Hauptachse 26 der Druckentlastungsarmatur 2 geführt ist und in der Nähe der Auslaßöffnung 15 aus dieser herausführt. Zwischen der Auslaß­ öffnung 15 und der Wärmequelle 8 ist eine Isolierung 13 ange­ bracht, mit der eine Wärmeabfuhr weg von der Schmelzlot-Arre­ tierung 5a, vermieden wird. Eine weitere Isolierung 13, bei­ spielsweise ein Luftpolster, befindet sich entlang der Haupt­ achse 26 auf der anderen Seite der Wärmequelle 8. Dadurch ist gewährleistet, daß die in der Wärmequelle 8 erzeugte Wärme­ energie überwiegend an die Schmelzlot-Arretierung 5a abgege­ ben wird. Bei Aufschmelzen der Schmelzlot-Arretierung 5a ist der Kolben 25 entlang der Hauptachse 26 freibeweglich, so daß er einen Druckentlastungskanal 27 freigibt, wodurch ein Me­ dium 35, beispielsweise Wasserdampf oder ein Kühlmittel eines Kernreaktors, ungehindert von der Einlaßöffnung 20 zu der Auslaßöffnung 15 strömen kann. An der Einlaßöffnung 20 liegt dabei das unter Druck stehende Medium 35 des Druckbehälters, beispielsweise Wasserdampf, an. An der Auslaßöffnung 15 liegt ein geringerer Druck als an der Einlaßöffnung 20 an, so daß das Medium 35 bei geöffneter Druckentlastungsarmatur 2 durch diese hindurch strömt. Über einen Flansch 33 ist die Druck­ entlastungsarmatur 2 mit einer hier nicht dargestellten Hauptkühlmittelleitung eines Kernreaktors verbunden.

In Fig. 2 ist eine Druckentlastungsarmatur 2 mit einem Ver­ schlußelement 5 dargestellt, welches einen Ventilstößel 19, einen Druckkolben 16 und eine Schmelzlot-Arretierung 5a auf­ weist. Die Druckentlastungsarmatur 2 hat eine Hauptachse 26, eine auf der Hauptachse 26 angeordnete Auslaßöffnung 15, eine Einlaßöffnung 20 sowie einen Strömungsdurchgang 34, der eben­ falls parallel zu der Hauptachse 26 ausgerichtet ist. Der Strömungsdurchgang 34 ist durch einen Ventilstößel 19 eines entlang der Hauptachse 26 gestreckten Druckkolbens 16 ver­ schlossen. Auf der der Auslaßöffnung 15 gegenüberliegenden Seite des Ventilstößels 19 liegt ein unter Druck stehendes Medium 35, beispielsweise Wasserdampf oder Kühlmittel eines Kernreaktors, an. Dieses unter Druck stehende Medium 35 liegt ebenfalls im Inneren einer Balgabdichtung 18 an. Die Balgab­ dichtung 18 ist entlang der Hauptachse 26 zwischen dem Ven­ tilstößel 19 und einer unteren Kolbenplatte 29 angeordnet und mit der unteren Kolbenplatte 29 dichtend verbunden. Auf die untere Kolbenplatte 29 wirkt somit über das Medium 35 eine Hebekraft, die bei einer freien Beweglichkeit des Druckkol­ bens 16 eine Bewegung des Ventilstößels 19 entlang der Haupt­ achse 26 und dadurch eine Freigabe des Strömungsdurchganges 34 bewirkt. Oberhalb der unteren Kolbenplatte 29 sind entlang der Hauptachse 26 der Reihe nach ein Hohlraum 31, eine oberen Kolbenplatte 36, die Schmelzlot-Arretierung 5a, eine Halte­ platte 37 sowie eine unter Spannung stehende Feder 17 ange­ ordnet. Die Feder 17 erzeugt während eines normalen Betrieb­ zustandes eine Kraft auf den Ventilstößel 19, so daß dieser den Strömungsdurchgang 34 dichtend verschließt. Die Schmelz­ lot-Arretierung 5a ist axial von einer Wärmequelle 8 in Form einer Thermitpackung umgeben. Die Wärmequelle wiederum ist ebenfalls axial von einer Isolierung 13 umgeben, so daß die in der Wärmequelle 8 erzeugte Wärme überwiegend radial nach innen auf die Schmelzlot-Arretierung 5a wirkt. Das zweite En­ de 7 der als Zündleitung ausgeführten Signalleitung 4 ist ra­ dial nach innen an die Wärmequelle 8 geführt. Entstehende Verbrennungsgase bei der Wärmeerzeugung durch die Wärmequelle 8, insbesondere bei Abbrennen des Thermits, sind durch Ab­ strömbohrungen 14 oberhalb der Wärmequelle 8 aus der Druckentlastungsarmatur 2 herausführbar.

Während eines normalen Betriebes verhindert die Schmelzlot- Arretierung 5 eine Bewegung des Druckkolbens 16 entlang der Hauptachse 26, die anderenfalls infolge der auf die untere Kolbenplatte 29 wirkenden Hebekraft verursacht würde. Bei ei­ nem Aufschmelzen der Schmelzlot-Arretierung 5a infolge einer durch die Wärmequelle 8 erzeugten Wärmeenergie gelangt das geschmolzene Schmelzlot beispielsweise in einen von der Wär­ mequelle 8 freigegebenen Raumbereich. Der Druckkolben 16 wird durch die Hebekraft entlang der Hauptachse 26 ungehindert nach oben bewegt, so daß der Strömungsdurchgang 34 zwischen der Einlaßöffnung 20 und der Auslaßöffnung 15 freigegeben wird.

Fig. 3 zeigt eine Druckentlastungsarmatur 2 mit einer Haupt­ achse 26, einer Auslaßöffnung 15, einer Einlaßöffnung 20 und einem Verschlußelement 5, welches eine Stahlplatte 5b auf­ weist, die einen Strömungsdurchgang 34 dichtend verschließt. Auf der Stahlplatte 5b ist eine aktivierbare Wärmequelle 8, insbesondere in Form einer Thermitpackung, angeordnet. Unter­ halb der schmelzbaren Stahlplatte 5b sowie axial um die Stahlplatte 5b und den Strömungsdurchgang 34 herum ist eine Isolierung 13 angebracht. Eine Signalleitung 4 in Form einer Zündleitung ist axial nach innen an die Wärmequelle 8 ge­ führt. Bei einem Entzünden der Thermitpackung entsteht an der Stahlplatte 5b eine Temperatur von bis zu etwa 2000°C, die zu einem Schmelzen der Stahlplatte 5b führt, wodurch der Strömungsdurchgang 34 freigegeben wird. Ein unter Druck ste­ hendes Medium 35, welches entlang der Hauptachse 26 unterhalb der Stahlplatte 5b während eines normalen Betriebes anliegt, kann nach Aufschmelzen der Stahlplatte 5b ungehindert von der Einlaßöffnung 20 zur Auslaßöffnung 15 durch die Druckentla­ stungsarmatur 2 hindurchströmen. Eine sichere Druckentlastung eines Druckbehälters, insbesondere eines Reaktordruckbehäl­ ters im Falle eines Durchschmelzens des Kernbrennstoffes, ist somit sicher gewährleistet.

In Fig. 4 ist der Druckbehälter 1 eines Kernreaktors darge­ stellt. Der Druckbehälter 1 weist in seinem oberen Teil einen Deckel 23 mit druckdichten Durchführung 22 auf. Unterhalb des Deckels 23 mündet eine Hauptkühlmittelleitung 11 an einer Seite des Druckbehälters 1 in diesen ein. Im Inneren 3 des Druckbehälters 1 ist ein Reaktorkern 32 angeordnet. Zwischen Deckel 23 und Reaktorkern 32 befinden sich Steuerstäbe 21, die jeweils durch eine druckdichte Durchführung 22 hindurch gesteuert werden. An die Hauptkühlmittelleitung 11 ist eine Druckentlastungsarmatur 2 gemäß Fig. 1 über einen Flansch 33 angeflanscht. Von der Druckentlastungsarmatur 2 führt eine Signalleitung 4 durch eine druckdichte Durchführung 22 in das Innere 3 des Druckbehälters 1 hinein. Das erste Ende 6 der Signalleitung 4 endet zentrumnah innerhalb des Inneren 3 des Druckbehälters 1. Das zweite Ende 7 endet wie in Fig. 1 be­ schrieben innerhalb der Druckentlastungsarmatur 2.

In Abhängigkeit von dem physikalischen Zustand des Mediums, insbesondere der Temperatur oder des Drucks des Mediums, im Inneren 3 des Druckbehälters 1 wird in der Signalleitung 4 an derem ersten Ende 6 ein Signal erzeugt. Das Signal entsteht aufgrund einer einen kritischen Wert überschreitenden Tempe­ ratur durch Zündung einer Thermitpackung. Über die Signallei­ tung 4, die eine Zündleitung ist, wird das Signal zum zweiten Ende 7 der Signalleitung 4 in die Druckentlastungsarmatur 2 geführt. Dort findet eine Entzündung der Wärmequelle 8, die ebenfalls eine Thermitpackung ist, statt. Aufgrund der ent­ stehenden Wärmeenergie wird die Schmelzlot-Arretierung 5a ge­ schmolzen und der Kolben 25 wird infolge des in der Haupt­ kühlmittelleitung 11 herrschenden Druckes entlang der Haupt­ achse 26 bewegt, so daß das Medium im Inneren 3 des Druckbe­ hälters 1 durch die Druckentlastungsarmatur 2 in einen hier nicht dargestellten Abblasetank entweichen kann. Dadurch wird auf passive Art und Weise, d. h. ohne Eingriff des Bedienungs­ personals oder eines Steuergerätes, automatisch und sicher eine Druckentlastung des Druckbehälters 1 durchgeführt.

Die Erfindung zeichnet sich durch ihre passive Auslegung, so­ wie dadurch aus, daß sie es ermöglicht, bei einem vorgebbaren kritischen Zustand innerhalb eines Druckbehälters, beispiels­ weise einer Temperaturerhöhung auf über 1000°C infolge einer Kernschmelze eines Reaktorkerns, eine Entlastung dieses Druckbehälters sicher zu gewährleisten. Gegenüber einer Druckentlastungsarmatur mit einer Schmelzlot-Arretierung, die infolge eines Wärmeflusses ausgelöst wird, zeichnet sich die Erfindung durch einen wesentlich sensibleren und schnelleren Auslösemechanismus aus. Kritische Zustände werden unmittelbar bei ihrem Entstehen erfaßt und führen ohne wesentliche Zeit­ verzögerung zu einer Entlastung des Druckbehälters. Weiterhin kann ein Auslösen der Druckentlastungsvorrichtung bei Verwen­ dung einer Wärmequelle aus Thermit und einer Signalerzeugung am ersten Ende der Signalleitung ebenfalls durch Thermit auf außergewöhnliche Betriebsstörungen mit einer extremen Tempe­ raturerhöhung, beispielsweise bei einer Kernschmelze eines Kernreaktors, beschränkt werden. Fehlauslösungen bei weniger kritischen Betriebsstörungen sind dadurch sicher vermieden.

Claims (16)

1. Druckentlastungsarmatur (2) zur Druckentlastung eines Druckbehälters (1), welche eine Einlaßöffnung (20), eine Aus­ laßöffnung (15), einen Strömungsdurchgang (34) zwischen der Einlaßöffnung (20) und der Auslaßöffnung (15), der durch ein Verschlußelement (5) verschlossen ist, und eine aktivierbare Wärmequelle (8) zum Aufschmelzen des Verschlußelements (5) oder dessen Arretierung aufweist, bei der die Wärmequelle (8) eine entzündbare Substanz, insbesondere Thermit, ist.

2. Druckentlastungsarmatur (2) zur Druckentlastung eines Druckbehälters (1), welche eine Einlaßöffnung (20), eine Auslaßöffnung (15), einen Strömungsdurchgang (34) zwischen der Einlaßöffnung (20) und der Auslaßöffnung (15), der durch ein Verschlußelement (5) verschlossen ist und eine aktivier­ bare Wärmequelle (8) zum Aufschmelzen des Verschlußelements (5) oder dessen Arretierung aufweist, wobei die Wärmequelle (8) über eine Signalleitung (4) passiv aufgrund der in dem Druckbehälter (1) herrschenden physikalischen Bedingungen, insbesondere Druck- und/oder Temperatur, aktivierbar ist.

3. Druckentlastungsarmatur (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Verschlußelement (5) ein schmelzbares Metallbauteil, insbesondere eine Stahlplatte (5b), aufweist, an dem die aktivierbare Wärmequelle (8) angeordnet ist.

4. Druckentlastungsarmatur (2) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der das Verschlußelement (5) eine Schmelzlot-Ar­ retierung (5a) aufweist, an der die aktivierbare Wärmequelle (8) angeordnet ist.

5. Druckentlastungsarmatur (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckbehälter (1) ein Reaktor-Druckbe­ hälter eines Kernreaktors ist.

6. Druckentlastungsarmatur (2) nach Anspruch 5, wobei die Druckentlastungsarmatur (2) an den Druckbehälter (1) oder an eine Hauptkühlmittelleitung (11) des Kernreaktors angeordnet ist.

7. Druckentlastungsarmatur (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Sicherheitsvorrichtung eines Druckbehäl­ ters (1), mit einer Signalleitung (4), die mit einem ersten Ende (6) druckdicht in das Innere (3) des Druckbehälters (1) hineinführbar ist und mit einem zweiten Ende (7) außerhalb des Druckbehälters (1) mit der Druckentlastungsarmatur (2) in Wirkverbindung steht, wobei bei von den normalen Betriebsbe­ dingungen abweichenden Bedingungen im Inneren (3) des Druck­ behälters (1) ein Signal in der Signalleitung (4) erzeugbar ist, mit dem die Wärmequelle (8) aktivierbar ist.

8. Druckentlastungsarmatur (2) nach Anspruch 7, bei der die Signalleitung (2) eine Zündleitung, insbesondere mit einer brennbaren Zündschnur (9), ist.

9. Druckentlastungsarmatur (2) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei das Signal elektrisch ist.

10. Druckentlastungsarmatur (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Signal mechanisch, insbesondere eine Kraft oder ein Druck, ist.

11. Druckentlastungsarmatur (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das Signal bei einer kritischen Temperatur im Inneren (3) des Druckbehälters (1) erzeugt wird.

12. Druckentlastungsarmatur (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei das Signal durch Zündung einer entzündbaren Substanz, insbesondere Thermit, entsteht.

13. Druckentlastungsarmatur (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei die Signalleitung (4) im Inneren (3) des Druck­ behälters (1) in einem in das Innere (3) hineinragenden Drucksteuerrohr (12) geführt ist.

14. Druckentlastungsarmatur (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei das erste Ende (7) zentrumsnah im Inneren (3) des Druckbehälters (1) angeordnet ist.

15. Verfahren zur Druckentlastung eines mit einem Medium be­ füllten Druckbehälters (1), bei dem in Abhängigkeit von dem physikalischen Zustand des Mediums, insbesondere der Tempera­ tur oder des Drucks des Mediums, ein Signal im Inneren (3) des Druckbehälters (1) erzeugt, von dort über eine Signallei­ tung (4) aus dem Druckbehälter (1) herausgeführt und einer, mit einem Verschlußelement (5) verschlossenen Druckentla­ stungsarmatur (2) zugeführt wird, wobei das Signal eine Wär­ mequelle (8) zum Aufschmelzen des Verschlußelementes (5) oder dessen Arretierung aktiviert.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Verschlußelement (5) eine Schmelzlot-Arretierung (5a) oder eine schmelzbare Stahlplatte (5b) aufweist.