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Dokumentenidentifikation DE19602213C2 18.12.1997
Titel Kernreaktor mit einem Kühlkreis
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Puthawala, Anwer, 91054 Buckenhof, DE
DE-Anmeldedatum 23.01.1996
DE-Aktenzeichen 19602213
Offenlegungstag 24.07.1997
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 18.12.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.12.1997
IPC-Hauptklasse G21C 19/307
IPC-Nebenklasse C25B 1/02   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit einem Kühlkreis.

In einem Kernreaktor ist üblicherweise ein Primärkühlkreislauf zur Kühlung des Reaktorkerns vorgesehen. Das im Primärkühlkreislauf 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 Volumenregelsystem 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 Volumenregelsystem gehörenden Volumenausgleichsbehälter eingegeben. Im Volumenausgleichsbehälter liegt der eingegebene Wasserstoff als Bestandteil eines Gaspolsters über dem Flüssigkeitspegel des Kühlmediums vor. Der Wasserstoffpartialdruck im Gaspolster wird dabei entsprechend der gewünschten Wasserstoffkonzentration im Kühlmedium eingestellt.

Insbesondere hinsichtlich der Steuerung der Wasserstoffkonzentration im Kühlmedium ist ein derartiges System jedoch unflexibel. Die Wasserstoffkonzentration im Kühlmedium ist nur begrenzt und auch nur nach Verzögerungszeiten steuerbar, da Abweichungen 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 beschriebenen Einspeisesystem zusätzlich mittels einer parallel zu dem Volumenausgleichsbehälter geschalteten Umgehungsleitung. Eine Weiterbildung dieses Einspeisesystems ist zudem aus dem zum Patent 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 anfälliges Einspeisesystem für den Wasserstoff auf. Insbesondere aufgrund einer möglichen Bildung explosiver Gasgemische bei aus dem Einspeisesystem austretendem Wasserstoff muß das Einspeisesystem kontinuierlich auf Leckagen geprüft werden.

Aus der Offenlegungsschrift DE 31 05 168 A1 ist eine Kernreaktoranlage bekannt, bei der eine Versorgungsleitung des Kühlkreises unmittelbar an eine Elektrolysevorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff angeschlossen ist.

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

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

Ein Membranelektrolyseur ist beispielsweise aus der DE 31 23 665 A1 bekannt.

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

Bei dem als Membranelektrolyseur ausgebildeten Wasserstoffgenerator ist durch Variation eines durch das Wasser geleiteten Stromes die Produktion des Wasserstoffes in besonders einfacher Weise steuerbar. Der zusätzlich zum Wasserstoff entstehende Sauerstoff kann einer weiteren Verwendung, beispielsweise für eine Rekombination von überschüssigem Wasserstoff in einem Abgassystem, zugeführt werden.

Um die Menge des generierten Wasserstoffs besonders flexibel an die Erfordernisse im Kühlkreis anpassen zu können und somit eine besonders zuverlässige Einstellung des Wasserstoffgehalts im Kühlmedium zu gewährleisten, ist vorteilhafterweise eine Anzahl von Wasserstoffgeneratoren dezentral derart angeordnet, daß ihre räumliche Verteilung an die räumliche Verteilung des Wasserstoffbedarfs im Kühlkreis angepaßt ist. Die räumliche Verteilung des Wasserstoffbedarfs ist dabei zweckmäßigerweise aufgrund von zeitlichen Mittelwerten des Wasserstoffbedarfs an ausgewählten Positionen des Kühlkreises ermittelt.

Um mit besonders einfachen Mitteln eine Beeinflussung des Wasserstoffgehaltes des Kühlmediums zu ermöglichen, ist in vorteilhafter Ausgestaltung die Erzeugungsrate des oder jedes Wasserstoffgenerators steuerbar, wobei eine Steuerung in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung anhand elektrischer Signale erfolgt.

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 Wasserstoff-Istwerten mit einem Wasserstoffsensor verbunden ist.

Dazu kann für jeden Wasserstoffgenerator eine separate Reglereinheit oder auch eine allen Wasserstoffgeneratoren gemeinsame Reglereinheit vorgesehen sein.

In weiterer vorteilhafter Weiterbildung umfaßt der Kühlkreis einen Volumenausgleichsbehälter und eine diesem zugeordnete Umwälzschleife, in die eine mit einem Wasserstoffgenerator verbundene Wasserstoffeinspeisestelle und ein mit diesem regeltechnisch verbundener Wasserstoffsensor geschaltet sind.

Um den Volumenausgleichsbehälter und somit auch dessen Gasvolumen besonders klein auslegen zu können, ist zudem vorteilhafterweise eine Bypassleitung für den Volumenausgleichsbehälter vorgesehen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch den am Kühlkreis angeordneten Wasserstoffgenerator der dem Kühlmedium zuzuführende Wasserstoff in unmittelbarer Nähe seiner Einspeisung in den Kühlkreis herstellbar ist. Somit sind eine aufwendige Lagerung und ein störanfälliger Transport des Wasserstoffes über lange Strecken nicht erforderlich, 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 Wasserstoffproduktion möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur schematisch eine Begasungsvorrichtung für das Primärkühlmittel eines Kernreaktors.

Die Begasungsvorrichtung 1 gemäß der Figur ist über einen ersten Leitungsstrang 2 und einen zweiten Leitungsstrang 4 in einen nicht näher dargestellten Kühlkreis eines Kernreaktors geschaltet. 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 gefüllt ist. Ein Gasraum 12 oberhalb des Pegels 10 im Volumenausgleichsbehälter 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 zweiten Leitungsstrang 4 verbunden. Zur Verbindung des ersten Leitungsstranges 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 angeschlossen ist.

Stromabwärts der Einmündung 26 ist in der Kühlmittelleitung 18 eine Einspeisestelle 28 vorgesehen, in der eine an einen Wasserstoffgenerator 30 angeschlossene und mit einem Ventil 31 absperrbare 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 Volumenausgleichsbehälter 8 angeschlossen ist.

Der Wasserstoffgenerator 30 ist eine Membranelektrolysevorrichtung, bei dem eine zwischen zwei Elektroden angeordnete Membran als fester Elektrolyt wirkt. Die Wasserstoffproduktion eines derartigen Elektrolyseurs ist durch Variation des von einer Stromversorgung 38 über die Kabel 37 zugeführten elektrischen Stromes besonders einfach kontrollierbar. Der dabei generierte Sauerstoff O&sub2; ist über eine an den Wasserstoffgenerator 30 angeschlossene Sauerstoffleitung 39 einer Verwendung, beispielsweise für eine Rekombination von überschüssigem Wasserstoff im Abgassystem, zuführbar. Der generierte Wasserstoff H&sub2; ist im Bedarfsfall über die Wasserstoffleitung 32 in den Kühlkreis einspeisbar. Er kann aber auch über eine an die Wasserstoffleitung 32 angeschlossene, mit einem Ventil 40 absperrbare Wasserstoffzweigleitung 42 einer alternativen Verwendung zugeführt werden.

Der Wasserstoffsensor 36 steht über eine Signalleitung 44, in die eine Reglereinheit 46 geschaltet ist, mit der Stromversorgung 38 des Wasserstoffgenerators 30 in regeltechnischer Verbindung.

Beim Betrieb der Begasungsvorrichtung 1 wird die Konzentration des Wasserstoffs H&sub2; im Kühlmedium K kontinuierlich überwacht, indem der Wasserstoffgehalt eines über den Leitungszweig 34 geführten Teilstromes des Kühlmediums K mittels des Wasserstoffsensors 36 gemessen wird. Die Meßwerte werden der Reglereinheit 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 Wasserstoffgenerators 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 Toleranzen den Sollwert erreicht.

Zusätzlich zum Wasserstoffgenerator 30 können weitere Wasserstoffgeneratoren vorgesehen sein, die derart dezentral angeordnet sind, daß ihre räumliche Verteilung an die räumliche Verteilung des Wasserstoffbedarfs im Kühlkreis angepaßt ist. Somit ist jeder Wasserstoffgenerator 30 direkt am Ort des Wasserstoffverbrauchs angeordnet. Eine Notwendigkeit zur Lagerung von Wasserstoff H&sub2; oder zu dessen Transport über lange Strecken besteht somit nicht.


Anspruch[de]
  1. 1. Kernreaktor mit einem Kühlkreis, an dem ein als Membranelektrolyseur ausgebildeter Wasserstoffgenerator (30) zur Erzeugung von Wasserstoff für ein im Kühlkreis vorgesehenes Kühlmedium (K) angeordnet ist.
  2. 2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Wasserstoffgeneratoren (30) dezentral derart angeordnet sind, daß ihre räumliche Verteilung an die räumliche Verteilung des Wasserstoffbedarfs im Kühlkreis angepaßt ist.
  3. 3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugungsrate eines oder jedes Wasserstoffgenerators (30) elektrisch steuerbar ist.
  4. 4. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wasserstoffgenerator (30) an eine Reglereinheit (46) angeschlossen ist, die zum Empfang von Wasserstoff-Istwerten mit einem Wasserstoffsensor (36) verbunden ist.
  5. 5. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkreis einen Volumenausgleichsbehälter (8) und eine diesem zugeordnete Umwälzschleife umfaßt, in die der Wasserstoffgenerator (30) und der mit diesem regeltechnisch verbundene Wasserstoffsensor (36) geschaltet sind.






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