DE19602213A1 - Kernreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit einem Kühlkreis.

In einem Kernreaktor ist üblicherweise ein Primärkühlkreislauf zur Kühlung des Reaktorkerns vorgesehen. Das im Primärkühl­ kreislauf vorgesehene Kühlmedium hängt dabei vom Reaktortyp ab und kann insbesondere bei einem Druckwasserreaktor Wasser sein.

Um einer radiolytischen Zersetzung des im Kühlkreis strömenden Kühlmediums entgegenzuwirken, ist üblicherweise eine Begasung des Kühlmediums mit Wasserstoff vorgesehen. Zu diesem Zweck ist beispielsweise aus dem Buch "VGB-Kernkraftwerks-Seminar 1970", insbesondere Seite 41, für einen Druckwasserreaktor ein Volu­ menregelsystem bekannt, das zum Einspeisen von Chemikalien, insbesondere von Wasserstoff, in den Kühlkreis des Kernreaktors geeignet ist.

Bei dem bekannten System wird der Wasserstoff in einen zum Vo­ lumenregelsystem gehörenden Volumenausgleichsbehälter eingege­ ben. Im Volumenausgleichsbehälter liegt der eingegebene Wasser­ stoff als Bestandteil eines Gaspolsters über dem Flüssig­ keitspegel des Kühlmediums vor. Der Wasserstoffpartialdruck im Gaspolster wird dabei entsprechend der gewünschten Wasser­ stoffkonzentration im Kühlmedium eingestellt.

Insbesondere hinsichtlich der Steuerung der Wasserstoffkonzen­ tration im Kühlmedium ist ein derartiges System jedoch unflexi­ bel. Die Wasserstoffkonzentration im Kühlmedium ist nur be­ grenzt und auch nur nach Verzögerungszeiten steuerbar, da Ab­ weichungen der Wasserstoffkonzentration im Kühlmedium gegenüber dem im Gaspolster herrschenden Wasserstoffpartialdruck sich nur langsam aus regeln.

Eine Weiterentwicklung des beschriebenen Systems ist aus der Patentschrift DE 28 28 153 bekannt. Die Wasserstoffbegasung des Kühlmediums erfolgt bei dem in dieser Druckschrift beschriebe­ nen Einspeisesystem zusätzlich mittels einer parallel zu dem Volumenausgleichsbehälter geschalteten Umgehungsleitung. Eine Weiterbildung dieses Einspeisesystems ist zudem aus dem zum Pa­ tent 28 28 153 erteilten Zusatzpatent 29 48 297 bekannt, wobei der Wasserstoff in einem Flüssigkeitsstrahlverdichter gefördert wird, der mit dem Primärkühlmittel als Flüssigkeit arbeitet.

Diese Systeme weisen jedoch ein aufwendiges und somit anfälli­ ges Einspeisesystem für den Wasserstoff auf. Insbesondere auf­ grund einer möglichen Bildung explosiver Gasgemische bei aus dem Einspeisesystem austretendem Wasserstoff muß das Einspeise­ system kontinuierlich auf Leckagen geprüft werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kernreak­ tor mit einem Kühlkreis anzugeben, bei dem eine schnelle und exakte Einstellung des Wasserstoffgehaltes des im Kühlkreis vorgesehenen Kühlmediums mit einem besonders einfachen und zu­ verlässigen Einspeisesystem gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem am Kühlkreis ein Wasserstoffgenerator zum Erzeugen von Wasserstoff für das Kühlmedium angeordnet ist.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, die Übertra­ gungswege für den Wasserstoff besonders kurz auszulegen. Eine geeignete Verkürzung der Übertragungswege ist erreichbar, indem auf eine zentrale Wasserstofflagerung verzichtet und der Was­ serstoff in der Nähe des Ortes erzeugt wird, an dem seine Ein­ speisung in den Kühlkreis vorgesehen ist.

Um die Menge des generierten Wasserstoffs besonders flexibel an die Erfordernisse im Kühlkreis anpassen zu können und somit ei­ ne besonders zuverlässige Einstellung des Wasserstoffgehalts im Kühlmedium zu gewährleisten, ist vorteilhafterweise eine Anzahl von Wasserstoffgeneratoren dezentral derart angeordnet, daß ih­ re räumliche Verteilung an die räumliche Verteilung des Wasser­ stoffbedarfs im Kühlkreis angepaßt ist. Die räumliche Vertei­ lung des Wasserstoffbedarfs ist dabei zweckmäßigerweise auf­ grund von zeitlichen Mittelwerten des Wasserstoffbedarfs an ausgewählten Positionen des Kühlkreises ermittelt.

Um mit besonders einfachen Mitteln eine Beeinflussung des Was­ serstoffgehaltes des Kühlmediums zu ermöglichen, ist in vor­ teilhafter Ausgestaltung die Erzeugungsrate des oder jedes Was­ serstoffgenerators steuerbar, wobei eine Steuerung in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung anhand elektrischer Signale er­ folgt.

Für eine besonders zuverlässige und flexible Einstellung eines vorgebbaren Wasserstoffgehaltes im Kühlmedium ist in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der oder jeder Wasserstoffgenerator an eine Reglereinheit angeschlossen, die zum Empfang von Was­ serstoff-Istwerten mit einem Wasserstoffsensor verbunden ist. Dazu kann für jeden Wasserstoffgenerator eine separate Reg­ lereinheit oder auch eine allen Wasserstoffgeneratoren gemein­ same Reglereinheit vorgesehen sein.

Zweckmäßigerweise ist der oder jeder Wasserstoffgenerator eine Elektrolysevorrichtung (Elektrolyseur) zur Zersetzung von Was­ ser in Wasserstoff und Sauerstoff. Durch Variation eines durch das Wasser geleiteten Stromes ist die Produktion des Wasser­ stoffes in besonders einfacher Weise steuerbar. Der zusätzlich zum Wasserstoff entstehende Sauerstoff kann einer weiteren Ver­ wendung, beispielsweise für eine Rekombination von überschüssi­ gem Wasserstoff in einem Abgassystem, zugeführt werden.

In weiterer vorteilhafter Weiterbildung umfaßt der Kühlkreis einen Volumenausgleichsbehälter und eine diesem zugeordnete Um­ wälzschleife, in die eine mit einem Wasserstoffgenerator ver­ bundene Wasserstoffeinspeisestelle und ein mit diesem regel­ technisch verbundener Wasserstoffsensor geschaltet sind.

Um den Volumenausgleichsbehälter und somit auch dessen Gasvolu­ men besonders klein auslegen zu können, ist zudem vorteilhaf­ terweise eine Bypassleitung für den Volumenausgleichsbehälter vorgesehen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch den am Kühlkreis angeordneten Wasserstoffgene­ rator der dem Kühlmedium zuzuführende Wasserstoff in unmittel­ barer Nähe seiner Einspeisung in den Kühlkreis herstellbar ist. Somit sind eine aufwendige Lagerung und ein störanfälliger Transport des Wasserstoffes über lange Strecken nicht erforder­ lich, so daß dadurch bedingte Wartungsarbeiten minimiert sind. Insbesondere durch eine dezentrale Anordnung einer Anzahl von Wasserstoffgeneratoren am Kühlkreis ist zudem eine besonders flexible und an aktuelle Erfordernisse anpaßbare Wasserstoff­ produktion möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeich­ nung näher erläutert. Darin zeigt die Figur schematisch eine Begasungsvorrichtung für das Primärkühlmittel eines Kernreak­ tors.

Die Begasungsvorrichtung 1 gemäß der Figur ist über einen er­ sten Leitungsstrang 2 und einen zweiten Leitungsstrang 4 in ei­ nen nicht näher dargestellten Kühlkreis eines Kernreaktors ge­ schaltet. Der mit einem Ventil 6 absperrbare Leitungsstrang 2 mündet in einen Volumenausgleichsbehälter 8, der bis zu einem Pegel 10 mit im Kühlkreis geführtem Wasser als Kühlmedium K ge­ füllt ist. Ein Gasraum 12 oberhalb des Pegels 10 im Volumenaus­ gleichsbehälter 8 ist über eine Stickstoffleitung 14 mit einer Stickstoffversorgung und über eine Abgasleitung 16 mit einem Abgassystem verbunden.

Der Volumenausgleichsbehälter 8 ist über eine Kühlmittelleitung 18, in die eine Hochdruckpumpe 20 geschaltet ist, mit dem zwei­ ten Leitungsstrang 4 verbunden. Zur Verbindung des ersten Lei­ tungsstranges 2 mit dem zweiten Leitungsstrang 4 unter Umgehung des Volumenausgleichbehälters 8 ist parallel zu diesem eine Bypassleitung 22 angeordnet, die mit einem Ventil 24 absperrbar ist und an einer Einmündung 26 an die Kühlmittelleitung 18 an­ geschlossen ist.

Stromabwärts der Einmündung 26 ist in der Kühlmittelleitung 18 eine Einspeisestelle 28 vorgesehen, in der eine an einen Was­ serstoffgenerator 30 angeschlossene und mit einem Ventil 31 ab­ sperrbare Wasserstoffleitung 32 in die Kühlmittelleitung 18 einmündet.

Auf der Hochdruckseite der Hochdruckpumpe 20 zweigt von der Kühlmittelleitung 18 ein Leitungszweig 34 ab, der über einen Wasserstoffsensor 36 in der Art einer Umwälzschleife an den Vo­ lumenausgleichsbehälter 8 angeschlossen ist.

Der Wasserstoffgenerator 30 ist eine Elektrolysevorrichtung, wie sie z. B. aus "Hütte:" "Die Grundlagen der Ingenieurwissen­ schaften", Springer (1996), Seite B 167 f, bekannt ist. Dazu sind im Inneren des Wasserstoffgenerators 30 zwei über Kabel 37 an eine Stromversorgung 38 angeschlossene Elektroden in nicht näher dargestellter Weise in eine wäßrige leitfähige Lösung als Elektrolyten getaucht. Ein den Elektroden zugeleiteter über die wäßrige Lösung geführter elektrischer Strom bewirkt dabei eine Zersetzung von in der wäßrigen Lösung enthaltenem Wasser in Wasserstoff H₂ und Sauerstoff O₂. Der dabei generierte Sauer­ stoff O₂ ist über eine an den Wasserstoffgenerator 30 ange­ schlossene Sauerstoffleitung 39 einer Verwendung, beispielswei­ se für eine Rekombination von überschüssigem Wasserstoff im Ab­ gassystem, zuführbar. Der generierte Wasserstoff H₂ ist im Be­ darfsfall über die Wasserstoffleitung 32 in den Kühlkreis ein­ speisbar. Er kann aber auch über eine an die Wasserstoffleitung 32 angeschlossene, mit einem Ventil 40 absperrbare Wasserstoff­ zweigleitung 42 einer alternativen Verwendung zugeführt werden.

Alternativ kann die Elektrolysevorrichtung auch ein Membran­ elektrolyseur sein, bei dem eine zwischen zwei Elektroden ange­ ordnete Membran als fester Elektrolyt wirkt. Die Wasserstoff­ produktion eines derartigen Elektrolyseurs ist durch Variation des zugeführten elektrischen Stromes besonders einfach kontrol­ lierbar.

Der Wasserstoffsensor 36 steht über eine Signalleitung 44, in die eine Reglereinheit 46 geschaltet ist, mit der Stromversor­ gung 38 des Wasserstoffgenerators 30 in regeltechnischer Ver­ bindung.

Beim Betrieb der Begasungsvorrichtung 1 wird die Konzentration des Wasserstoffs H₂ im Kühlmedium K kontinuierlich überwacht, indem der Wasserstoffgehalt eines über den Leitungszweig 34 ge­ führten Teilstromes des Kühlmediums K mittels des Wasser­ stoffsensors 36 gemessen wird. Die Meßwerte werden der Reg­ lereinheit 46 als Wasserstoff-Istwerte zugeführt und mit dort hinterlegten oder vorgebbaren Sollwerten verglichen. Bei einer Abweichung des Istwertes vom Sollwert sendet die Reglereinheit 46 ein Steuersignal an die Stromversorgung 38 des Wasserstoff­ generators 30. Auf der Grundlage des Steuersignals wird von der Stromversorgung 38 ein elektrischer Strom generiert und dem Wasserstoffgenerator 30 zugeführt. Dieser produziert daraufhin diejenige Menge an Wasserstoff, bei deren Einspeisung in das Kühlmittel K dessen Wasserstoffgehalt innerhalb vorgebbarer To­ leranzen den Sollwert erreicht.

Zusätzlich zum Wasserstoffgenerator 30 können weitere Wasser­ stoffgeneratoren vorgesehen sein, die derart dezentral angeord­ net sind, daß ihre räumliche Verteilung an die räumliche Ver­ teilung des Wasserstoffbedarfs im Kühlkreis angepaßt ist. Somit ist jeder Wasserstoffgenerator 30 direkt am Ort des Wasser­ stoffverbrauchs angeordnet. Eine Notwendigkeit zur Lagerung von Wasserstoff H₂ oder zu dessen Transport über lange Strecken be­ steht somit nicht.

Claims (7)

1. Kernreaktor mit einem Kühlkreis, an dem ein Wasserstoffge­ nerator (30) zur Erzeugung von Wasserstoff für ein im Kühl­ kreis vorgesehenes Kühlmedium (K) angeordnet ist.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Wasserstoffgeneratoren (30) dezentral derart angeordnet sind, daß ihre räumliche Verteilung an die räumliche Vertei­ lung des Wasserstoffbedarfs im Kühlkreis angepaßt ist.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeu­ gungsrate eines oder jedes Wasserstoffgenerators (30) elek­ trisch steuerbar ist.

4. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Was­ serstoffgenerator (30) an eine Reglereinheit (46) angeschlos­ sen ist, die zum Empfang von Wasserstoff-Istwerten mit einem Wasserstoffsensor (36) verbunden ist.

5. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder je­ der Wasserstoffgenerator (30) eine Elektrolysevorrichtung ist.

6. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühl­ kreis einen Volumenausgleichsbehälter (8) und eine diesem zu­ geordnete Umwälzschleife umfaßt, in die ein Wasserstoffgene­ rator (30) und ein mit diesem regeltechnisch verbundener Was­ serstoffsensor (36) geschaltet sind.

7. Begasungsvorrichtung (1) für einen Kühlkreis eines Kernre­ aktors mit einem Wasserstoffgenerator (30) zur Erzeugung von Wasserstoff für ein im Kühlkreis vorgesehenes Kühlmedium (K).