Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich auf Kernspaltungs-Reaktoranlagen zur
Energieerzeugung und die Ausrüstung dafür. Die Erfindung betrifft insbesondere die
Verbesserung der Einrichtungen, die innerhalb des nuklearen Dampferzeugers einer
energieerzeugenden Anlage zur Dampfdruckentlastung benutzt werden.
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Wassergekühlte Kernspaltungsreaktoren, die für die Erzeugung elektrischer
Energie benutzt werden, erfordern eine Einrichtung, um hohe Dampfdrucke innerhalb
des Systems durch Entlüftung rasch zu verringern, um es dem Hilfssystem geringen
Druckes zu gestatten, für den Fall, daß Hochdrucksysteme nicht länger verfügbar sind,
eine kontinuierliche Zusatzströmung zu schaffen. Fortgeschrittene Kernreaktoranlagen,
die derzeit entworfen werden, umfassen den Einsatz von "Druckentlastungsventilen",
um den Druck innerhalb des Reaktorkessels rasch zu verringern. Nachdem sie einmal
geöffnet sind, haben solche Ventile die einzigartige Eigenschaft, bis zum Druck null
offen zu bleiben, ohne daß irgendeine weitere Operatoraktion stattfindet und ohne
Notwendigkeit, Energie zum Halten des Ventils in seiner offenen Position bereitzustellen.
Typischerweise bestimmt die Natur der dampferzeugenden Einheit die
Designanforderungen für solche Druckentlastungsventile. Dies ist wegen der bestimmten
Bedingungen, die bei der Kernspaltung angetroffen werden und wegen der strengen
Sicherheitsanforderungen,
die in dieser Industrie gelten, neben anderen Gründen insbesondere auf
dem Gebiet der Kernreaktoren der Fall.
Hintergrund der Erfindung
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Ein einzigartiger Aspekt von Kernreaktoren und eine hervorragende
Sicherheitserwägung ist die inhärente Anwesenheit von Strahlung und radioaktiven Materialien.
Dieser sehr wichtige Zustand erfordert das genaueste Design und die strengsten
Sicherheitsanforderungen hinsichtlich vieler Komponenten und Funktionen einer
Kernreaktoranlage und stellt zahlreiche Anforderungen an den Betrieb und die Wartung von
Nuklearanlagen. So müssen, z.B., Reaktorkomponenten und damit in Beziehung
stehende Ausrüstung, die beim Einsatz deutlich radioaktiv werden, in der Lage sein,
langzeitig und ohne Schwierigkeiten positiv zu funktionieren sowie dem Betrieb und der
Wartung durch Personal an entfernten Orten zugänglich sein.
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Dampfdruckentlastungs- und/oder Druckentlastungs- und/oder Wasserinjektions-
Ventile sind besonders kritische Geräte bei jeder Art von heißes Wasser hohen Druckes
und/oder Dampf erzeugenden Einheiten, und wenn sie in einer Kernreaktoranlage
eingesetzt werden, müssen auf das Design und die Herstellung solcher Ventile die höchsten
Standards und Anforderungen gelegt werden.
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Verschiedene Ventildesigns und Betriebsarten wurden vorgeschlagen und in
Betracht gezogen, um die strengen Anforderungen für solche Dampfdruckentlastungs- und
Wasserinjektions-Ventile zu erfüllen. Die Druckentlastungsventile für die
fortgeschrittenen Reaktordesigns haben eine größere Zuverlässigkeit und verbesserte
Wartungs/Leistungs-Eigenschaften, verglichen mit existierenden Ventildesigns.
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Die FR-A-2 075 957 offenbart eine Einrichtung zur Dampfunterdrückung für
einen Kernreaktor, um den Aufbau von Dampfdruck innerhalb eines
Kernreaktor-Sicherheitsbehälters zu unterdrücken, einschließend einen Lagertank mit einer darin
gelagerten Strömungsmittelmenge und Versehen mit einer Bruchscheibe und einer
dazugehörigen Vorrichtung, um ein Scheiben-Bruchelement explosionsartig zu betätigen, um
aufgrund eines Aufbaus beim Dampfdruck im Sicherheitsbehälter das Strömungsmittel aus
dem Tank und in den Sicherheitsbehälter freizusetzen.
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Die US-A-4,003,395 offenbart ein sich rasch öffnendes Ventil zum Einsatz beim
Öffnen einer Strömung durch einen Durchgang von einer Quelle eines unter Druck
stehenden Strömungsmittels, wie eines Feuerlösch-Strömungsmittels. Das Ventil umfaßt
einen Ventilkörper, in dem ein strömungsblockierendes Teil zur Bildung eines
Abschnittes des Durchganges montiert ist. In einer Ausführungsform ist ein keine Öffnung
aufweisender Stopfen innerhalb eines Rohres zur Bildung des strömungblockierenden Teiles
montiert, und es ist ein Paar geschwächter Zonen durch kreisförmige Rillen im Rohr an
den gegenüberliegenden axialen Enden des Stopfens gebildet. In einer anderen
Ausführungsform ist der Stopfen integral mit hohlen zylindrischen Wandungen ausgebildet, um
das strömungblockierende Teil zu bilden. Eine verpuffende Ladung ist in dem
Ventilkörper
montiert, um Explosionsgasdruck zu erzeugen, so daß die geschwächten Zonen
abgeschert werden. Ein Rohrstück, das den Stopfen einschließt, wird in einer Richtung im
rechten Winkel zum Durchgang heraus und in eine Aufnahmekammer für das
Rohrstück geworfen. Das herausgeworfene Rohrstück wird durch eine Rampe abgelenkt, um
überschüssige Energie zu absorbieren. Ein Einweg-Federraster hindert das Rohrstück
daran, in den Durchgang zurück zu springen und die Strömungsmittelströmung zu
hemmen.
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Die Patent Abstracts of Japan, Band 2, Nr.142 (M-41), 24. November 1978,
offenbaren eine Vorrichtung zum Gießen von Borsäure für einen Reaktor, deren Zweck
folgendermaßen erklärt ist:
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"Durch eine Einrichtung mit einem Druck einführenden Rohr und einem
Gießrohr, die mit einem Reaktordruckkessel und einem Lagertank für Borsäure über ein
durch eine Explosion öffnendes Ventil verbunden sind und mit einem Schalter zur
Fernbedienung, der das durch Explosion öffnende Ventil öffnet, dazu veranlaßt zu werden,
das Borsäurewasser aufgrund der Schwerkraft in einen Reaktor zu gießen."
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Die vorliegende Erfindung ist in den Ansprüchen beansprucht.
Zusammenfassung der Erfindung
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Diese Erfindung umfaßt eine neue Kombination eines Kernreaktors und eines
neuen Dampfdruckentlastungsventils und/oder Wasserinjektions-Ventils zum Einsatz in
energieerzeugenden, wassergekühlten Kernspaltungsreaktoranlagen, die Druck
haltende Umhüllungen aufweisen, die den Reaktorkessel und dazugehörige Leitungen
umfassen. Das Ventil dieser Erfindung, das die Anforderungen für den Einsatz in
Kernreaktoren erfüllt, wird während des Normalbetriebes in der geschlossenen Position gehalten,
und es kann von der Außenseite des Reaktor-Sicherheitsbehälters und somit von jenseits
einer Strahlungsquelle geregelt werden. Das Ventil öffnet sich, um eine
Druckentlastung und Wasser-Injektion zu gestatten, wenn ein Treibmittel durch ein elektrisches
Signal gezündet wird. In einem Aspekt schafft die Erfindung eine
Kernspaltungs-Reaktoranlage, umfassend:
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einen Kernreaktor-Druckkessel, der einen wärmeerzeugenden Kern aus
spaltbarem Kernbrennstoffmaterial und Kühlwasser zum Eintauchen des wärmeerzeugenden
Brennstoffkernes und zum Zirkulieren durch den Druckkessel zur Erzeugung von Dampf
und zum Übertragen von Wärmeenergie weg vom Brennstoffkern enthält, wobei der
Reaktordruckkessel eine Dampf/Kühlmittel-Schleife aufweist, die einen Dampfauslaß vom
Druckkessel, um erzeugten Dampf zur Leistung von Arbeit zu liefern und einen Einlaß
für kondensiertes Kühlwasser umfaßt, um Kühlwasser vom verbrauchten und
kondensierten Dampf in den Reaktordruckkessel zurückzuführen und
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ein Druckentlastungssystem für den Kernreaktor-Druckkessel, umfassend eine
Druckentlastungsleitung, die sich von einer Auslaßdüse im Reaktordruckkessel oder von
der Dampf/Kühlmittel-Schleife zu einem offenen Auslaßende erstreckt und eine durch
Treibmittel betätigte, rasch ansprechende Ventileinrichtung hat, die in der
Druckentlastungsleitung zwischen der Düse des Reaktordruckkessels und dem dazugehörgen
Auslaßende angeordnet ist, wobei die durch Treibmittel betätigte Ventileinrichtung eine
Diaphragmadichtung zum Blockieren einer Strömungsmittelströmung durch die
Ventileinrichtung und ein Treibmittel zum Aufbrechen der Diaphragmadichtung umfaßt und
dadurch die Strömungsmittelströmung vom Reaktordruckkessel durch die
Druckentlastungsleitung ermöglicht. Es ist ein weiteres Merkmal der Anlage, daß sie eine Wasser-
Injektionsleitung, die sich von einer Wasserzufuhr zum Reaktorkessel erstreckt und ein
durch Treibmittel betätigtes Ventil umfaßt, das zur Einführung von Kühlwasser in den
Kernreaktor-Druckkessel durch ein durch Treibmittel betätigtes Ventil nach der
Druckentlastung in der Leitung angeordnet ist.
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Es ist ein Merkmal dieser Erfindung, eine neue Kombination eines
Dampfdruckentlastungsventils und/oder Wasserinjektions-Ventils und einer
Kernspaltungsreaktoranlage zu schaffen.
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Es ist auch ein Merkmal dieser Erfindung, ein mechanisch einfaches,
zuverlässiges und leckdichtes Ventil zur Dampfdruckentlastung und/oder zur Wasserinjektion zu
schaffen, das mit einer Kernspaltungsreaktoranlage kombiniert ist.
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Es ist ein weiteres Merkmal dieser Erfindung, ein Dampfdruckentlastungsventil
und/oder Wasserinjektions-Ventil in einer Kernreaktoranlage zu schaffen, das in seiner
normalerweise geschlossenen Position gehalten ist, derart, daß das Ventil einfach durch
Zünden eines Treibmittels in seine druckentlastende oder wasserinjizierende Position
geöffnet werden kann.
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Es ist ein weiteres Merkmal dieser Erfindung, eine Kernreaktoranlage zu
schaffen, die ein Dampfdruckentlastungsventil und/oder Wasserinjektions-Ventil aufweist,
wobei die Kontrolle der Betätigungseinrichtung zum Öffnen des Ventils außerhalb des
Sicherheitsbehälters der Reaktoranlage angeordnet werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Kernspaltungsreaktoranlage.
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Fig. 2 ist ein Aufriß, teilweise im Schnitt, der die Konstruktion und Betriebsart
eines durch Treibmittel betätigten Druckentlastungsventils dieser Erfindung für einen
Kernreaktor in der normalerweise geschlossenen Position zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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In der Zeichnung und insbesondere in Fig. 1 ist eine typische wassergekühlte,
dampferzeugende Kernspaltungsreaktoranlage 10 gezeigt, die eine
Sicherheitsbehälterstruktur 12 zum Einschließen und Abdichten von Strahlung und radioaktiven
Materialien vor der äußeren Umgebung umfaßt. Innerhalb des Sicherheitsbehälters 12 befindet
sich der Reaktordruckkessel 14, der den Kern wärmeerzeugenden spaltbaren
Brennstoffes und Kühlwaser 18 enthält, das die Dampfquelle für den Turbinenbetrieb umfaßt.
Eine Dampf/Kondensat-Kühlwasser-Schleife 20 ist aus einem Dampfauslaßrohr 22 zum
Leiten des erzeugten Dampfes zu seinem Nutzungsort, wie einer Turbine und einem
Kondensatwasser-Rückführungsrohr 24 zusammengesetzt, das kondensierten Dampf als
Kühlwasser zur erneuten Verwendung in den Reaktordruckkessel zurückführt. Der
Reaktordruckkessel und dazugehörige Tanks und Leitungen, einschließlich der
Dampf/Kondensat-Kühlwasser-Schleife, umfassen eine druckhaltende Umhüllung.
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Für die fortgeschrittenen Kernspaltungsreaktoranlagen, die derzeit entworfen
werden, ist ein Hilfs-Kühlwassersystem, wie die in Fig. 1 gezeigte
Schwerkraft-Zuführanordnung, vorgesehen. Zum Beispiel ist ein Hilfs-Kühlwassertank 26 an einem
erhöhten Niveau innerhalb der Sicherheitsbehälterstruktur 12 der Kernreaktoranlage 10
vorgesehen, um für eine Strömung oder Zufuhr von Hilfs-Kühlwasser durch eine
Schwerkraft-Zufuhrleitung 28 und durch ein durch Treibmittel betätigtes Ventil 38' in den
Reaktordruckkessel 14 zu sorgen.
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Ein solches Hilfs-Kühlwassersystem ist vorgesehen, um eine Zufuhr ergänzenden
Kühlwassers zum Ersatz irgendwelcher bedeutsamer Verluste von Kühlwasser aus dem
Reaktordruckkessel 14 und dem darin enthaltenen Brennstoffkern 16 zu schaffen, der
durch einen Hauptbruch von Kühlwasser führenden Leitungen, wie der
Dampf/Kühlmittel-Schleife 20, verursacht ist. Die Betriebstemperaturen und -drucke
des Reaktors schließen jedoch eine Schwerkraft-Zufuhr von Kühlwasser in den
Reaktordruckkessel 14 aus.
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Aufgrund der innerhalb von Kernreaktor-Druckkesseln vorhandenen hohen
Betriebsdrucke, einschließlich aller Drucke haltenden Umhüllungen, die damit verbunden
sind, sind Maßnahmen zur Druckentlastung des Reaktordruckkessels erforderlich, um
die Sicherheit fortgeschrittener Anlagen sicherzustellen.
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Gemäß dieser Erfindung sorgt eine einzigartige Kombination einer
wassergekühlten und -moderierten Siedewasser-Kernreaktoranlage und eines durch Treibmittel
betätigten Druckentlastungsventils für das Ablassen von Hochdruckdampf aus dem
Druckkessel und/oder die rasche Einleitung von Kühlwasser in den Druckkessel solcher
Anlagen. Das Druckentlastungssystem 30 der Kombination dieser Erfindung schließt
eine Druckentlastungsleitung 32 ein, die sich von einer Düse 34 im Druckkessel 14 oder
von einer bedeutsamen Leitung, wie der Dampf-Kühlmittel-Schleife 20 in
Strömungsmittel-Verbindung mit dem Druckkessel erstreckt.
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Die Strömung durch die Druckentlastungsleitung 32 zum Ablassen von Druck
aus dem Reaktordruckkessel 14 wird durch ein durch Treibmittel betätigtes
Druckentlastungsventil 38 kontrolliert. Das Druckentlastungs- oder Wasserinjektions-Ventil 38,
wie es in Fig. 2 gezeigt ist, hat ein Gehäuse 40, das ein Paar verbundener
Leitungsabschnitte umfassen kann, die einen durchgehenden potentiellen Strömungspfad für
Strömungsmittel schaffen, der durch ein Ventil kontrolliert ist, nämlich einen stromauf
gelegenen Abschnitt 42 und einen stromab gelegenen Abschnitt 44, die eine
Ventileinrichtung aufnehmen. Ein Diaphragmaventil-Teil 46 oder eine Strömungsmitteldichtung ist
innerhalb des Strömungspfades für das Strömungsmittel angeordnet, der durch die
benachbarten Abschnitte 42 und 44 des Gehäuses 40 gebildet wird und es blockiert
jegliche Strömungsmittelströmung. Das Diaphragmaventil-Teil 46 ist integral mit einem
Leitungsabschnitt, wie 42 oder einem Hülsenabschnitt, der eingeführt und mit dem
Strömungspfad verbunden ist, der durch Abschnitt 42 oder 44 gebildet wird, ausgebildet.
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Das die Strömungsmittelströmung blockierende Diaphragmaventil-Teil 46 kann
maschinell aus einem einzigen Metallkörper herausgearbeitet werden, der sowohl einen
Teil des Leitungsabschnittes, wie 42 oder eine darin befestigte Hülse bildet oder es kann
zusammengesetzt werden durch integrales Verbinden eines Diaphragmaventil-Teiles 46
mit einer solchen Komponente durch Schweißen. In jedem Falle ist ein Teil verringerter
Dicke oder verringerten Querschnittes, der sich um die Peripherie erstreckt, die das
Diaphragmaventil-Teil 46 bildet, vorgesehen, um einen Scherabschnitt 48 zu bilden, der,
wenn er einem plötzlichen Schlag, wie er aus einem durch Treibmittel angetriebenen
Kolben resultiert, bricht und das Diaphragmaventil-Teil 46 von dem anderen Abschnitt
trennt. Nach der Trennung wird das Diaphragmaventil-Teil 46 durch den
Hochdruckdampf aus dem Reaktordruckkessel 14 durch den stromauf liegenden Abschnitt 42 der
Druckentlastungsleitung 32 und/oder einfach aufgrund der Wirkungen der Schwerkraft
auf das nicht mehr gestützte Ventilteil 46 weiter entfernt. Es kann eine Dreheinrichtung
50, wie ein gelenkartiges Teil, vorgesehen werden, um das Öffnen des getrennten
Diaphragmaventil-Teiles 46 durch Drehbewegung zu ermöglichen, ohne daß es durch den
Aufprall des Strömungsmitteldruckes vom Reaktordruckkessel 14 nach dem Öffnen
durch Zerbrechen des Scherabschnittes 48 durch die Druckentlastungsleitung 32
weggetragen wird.
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Das Öffnen des Druckentlastungs- oder Wasserinjektions-Ventiles 38, das unter
normalen Betriebsbedingungen für jegliche Strömung und jegliches Lecken geschlossen
ist, da das integrale Diaphragmaventil-Teil 46 die Druckentlastungsleitung 32
abdichtet, wird durch Ausüben eines plötzlichen Schlages hoher Geschwindigkeit, wie der
Schlagkraft, die durch einen durch Treibmittel getriebenen Kolben erzeugt wird, erzielt.
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Wie in Fig. 2 der Zeichnung gezeigt, kann eine ballistische Kammer 52
benachbart zu einer Komponente des Ventiles, wie dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt 42,
vorgesehen sein, wobei die Öffnung auf das Diaphragmaventil-Teil 46 gerichtet ist. Die
Ballistikkammer 52 ist mit einem geeigneten Treibmittel 54 gefüllt und mit einer
Haltevorrichtung 56, wie einem Kolben, darin abgedichtet. Die Detonation des Treibmittels
54 beschleunigt den Kolben abrupt und kräftig, der auf das integrale Diaphragmaventil-
Teil 46 aufschlägt, die einkreisende dünne Fläche des Scherabschnittes 48 zerbricht und
dadurch das Diaphragmaventil-Teil 46 von seiner benachbarten Komponente trennt,
wodurch das durch Treibmittel betätigte Druckentlastungsventil 38 geöffnet wird. Die
Strömungsmittelströmung, umfassend Hochdruckdampf, kann so rasch aus dem
Reaktordruckkessel 14 durch die Druckentlastungsleitung 32 entweichen.
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Eine geeignete elektrische Zündeinrichtung 58, wie eine Zündkerze oder eine
andere elektrische Entladungseinrichtung mit einem Detonator, kann benutzt werden, um
das Treibmittel zu betätigen, das eine Schlagvorrichtung mit hoher Geschwindigkeit
gegen das Diaphragmaventil-Teil 46 richtet, um dieses zum Öffnen des Ventiles 38 von
seinem Platz zu entfernen.
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Nach dem Betätigen des normalerweise geschlossenen, durch Treibmittel
betätigten Druckentlastungs- oder Wasserinjektions-Ventils 38 und als ein Ergebnis davon der
Druckentlastung des Reaktordruckkessels 14 kann zusätzliches Kühlwasser durch
Schwerkraft-Strömung von dem darüber angeordneten Hilfs-Kühlwasservorrat 26 durch
die Schwerkraft-Zufuhrleitung 28 und ein Wasserinjektions-Ventil 38' in den
Reaktordruckkessel 14 zugeführt werden, um einen Kühlwasserverlust aufgrund eines Bruches
des Systems oder in anderer Weise zu ergänzen.
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Das System dieser Erfindung, das die Kombination einer energieerzeugenden
Kernreaktoranlage mit einem durch Treibmittel betätigten Druckentlastungs- und/oder
Wasserinjektions-Ventil umfaßt, sorgt für einen hohen Grad der Zuverlässigkeit und
raschen Druckentlastung des Reaktordruckkessels, woraufhin eine durch Schwerkraft
angetriebene Kühlwasserzufuhr möglich, wirksam und praktisch ist, wobei jeglicher
Druck- oder Strömungsmittel-Verlust aus dem Druckkessel ausgeschlossen ist, bis das
Ventil betätigt ist, woraufhin das Ventil offen bleibt, um einen möglichen späteren
Druckaufbau zu verhindern. Diese Anordnung erfordert keine kontinuierliche
Energiequelle, sondern nur ein momentanes elektrisches Signal, um die Druckentlastung des
Reaktorsystems einzuleiten.