S1cherhe1tse1nspeise- und Borlersystem für einen Druckwasserreaktor und Verfahren zum Betrieb eines solchen Systems.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Sicherheitseinspeise- und Boriersystem für einen Druckwasserreaktor sowie auf ein Verfahren zum Betrieb des Systems.

Bei einem Störfall eines Druckwasserreaktors muß wegen der notwendigen Wärmeabfuhr ausreichend Primärkühlwasser im Pri¬ märkreislauf vorhanden sein oder dorthin nachgespeist werden können. Darüber hinaus muß aus kernphysikalischen Gründen der Reaktor mit Borzusatz unterkritisch gemacht und gehalten wer¬ den können.

Bisher wurden nach der DE-C3-22 07 870 wurden für diese in bezug auf die Einspeisung von Kühlwasser an sich gemeinsame Aufgabe zwei getrennte Systeme eingesetzt, und zwar einer¬ seits ein Sicherheitseinspeisesystem zur Ergänzung des Pri¬ märkühlwassers bei Kühlmittelverluststörfall oder Undichtig¬ keit von Dampferzeugerheizrohren und andererseits ein Zusatz- boriersystem für das Abschalten des Reaktors (z.B. nach Ein- Wirkung von außen oder Ausfall von Steuerstäben) und zum nor¬ malen Abfahren des Reaktors. Beide Systeme zusammen erfordern gegenüber einem einzigen System etwa den doppelten Aufwand in bezug auf Rohrleitungen, Armaturen, Leit- und Meßtechnik und Durchdringungen durch den Sicherheitsbehälter.

In der WO 90/09025 ist ein an den Primärkreislauf einer Kern¬ kraftanlage anschließbarer Hilfskreislauf beschrieben. Der Hilfskreislauf dient der Mengenregelung sowie der Beeinflus¬ sung der chemischen Zusammensetzung des Primärkühlmittels, insbesondere des Borgehaltes. Der Hilfskreislauf weist hierzu Mittel zur Entnahme von Primärkühlmittel sowie zur Rückspei-

sung von Primärkühlmittel in den Primärkühlkreislauf auf. In dem Hilfskreislauf ist ein großes Wasserdampf-Wasser-Reser¬ voir, welches verschiedene Funktionen erfüllt, angeordnet. In einem unteren Bereich des Reservoirs wird boriertes Wasser vorgehalten, welches zum Zwecke einer Sicherheitseinspeisung über eine separate und hinreichend dimensionierte Leitung unmittelbar in den Primärkühlkreislauf stromab der Hauptkühl¬ mittelpumpe einspeisbar ist. Das zur Mengenregelung in dem Reservoir vorgehaltene Primärkühlmittel wird über eine Rück- führpumpe durch eine Rückführ-Leitung unmittelbar der Haupt¬ kühlmittelpumpe zugeführt. Eine Sicherheitseinspeisung er¬ folgt ungeregelt infolge des in dem Reservoir herrschenden Druckes, wohingegen eine Mengenregulierung und eine chemische Beeinflussung des Primärkühlmittels hiervon völlig separat dem Reservoir vor- oder nachgeschaltet erfolgt. Sicherheits¬ einspeisung und Regulierung der Menge und der Zusammensetzung des Primärkühlmittels sind somit - außer in bezug auf eine gemeinsame Benutzung eines Reservoirs - verfahrenstechnisch völlig voneinander getrennt.

In der Europäischen Patentanmeldung 0 405 720 A2 wird ein passives Sicherheitseinspeisesystem beschrieben, das auf Dichteunterschieden im Wasser beruht und durch Naturumlauf die gewünschte Borkonzentration aufrechterhalten soll.

Ein weiteres auf dem Prinzip der Ausbildung eines Naturum¬ laufs basierendes Not- und Nachwärmesystem ist in der DE 25 21 269 AI angegeben. Das darin beschriebene Sicherheitsein¬ speisesystem weist einen Not- und Nachwärmekühlkreislauf für einen Druckwasserreaktor auf. In dem Kreislauf ist ein Nach- wärmekühler mit einem hierzu parallel geschalteten Borsäure- behälter angeordnet, denen eine Parallelschaltung aus einer Pumpe und einer mit einer Klappe verschließbaren Leitung vor¬ geschaltet ist. Über die Pumpe wird bei intaktem Primärkühl- kreislauf Wasser durch den Nachwärmekühler gepumpt. Im Not¬ fall öffnet die Klappe, und es bildet sich ein Naturumlauf

durch den Nachwärmekühler aus. Zu einer Senkung der Reaktivi¬ tät des Primärkühlmittels kann die Pumpe durch Öffnung ent¬ sprechender Ventile dem Borsäurebehälter vorgeschaltet wer¬ den, wodurch eine Einspeisung von Borsäure in den Primärkühl- kreis ermöglicht wird. Dem Borsäurebehälter und dem Nachwär¬ mekühler ist eine einzige gemeinsame Drossel mit einstell¬ barem Durchlaßquerschnitt nachgeschaltet. Solche Naturumlauf- Systeme sind kompliziert und lassen sich den unterschied¬ lichen Schadensfällen kaum anpassen.

Ausgehend von den bekannten Systemen zur Schadensbegrenzung bei einem Störfall an einem Druckwasserreaktor liegt der Er¬ findung die Aufgabe zugrunde, unter Beachtung der im Reaktor¬ bau üblichen Redundanz ein Sicherheitseinspeise- und Boriersystem so auszubilden, daß mit verringertem Aufwand zusätzliche Sicherheit erreicht wird und die Einspeisemenge an Kühlwasser dem Störfallablauf angepaßt werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, durch ein Sicher- heitseinspeise- und Boriersystem für einen Druckwasserreaktor mit einer Sicherheitseinspeisepumpe und einer Zusatz¬ borierpumpe, wobei der Zusatzborierpumpe eine Bypassleitung mit einem Rückschlagventil parallel geschaltet und diese Parallelschaltung aus Zusatzborierpumpe und Rückschlagventil mit der Sicherheitseinspeisepumpe in Reihe geschaltet ist.

Über die Sicherheitseinspeisepumpe, welche eine Hochdruckein¬ speisung ermöglicht, kann unmittelbar in das Reaktorkühlsy¬ stem, insbesondere in das Primärsystem des Reaktordruckbehäl¬ ters eingespeist werden. Durch die mögliche Reihenschaltung aus Zusatzborierpumpe und Sicherheitseinspeisepumpe ist die Einspeisemenge sowie der Borgehalt des eingespeisten Kühlwas¬ sers für die Beherrschung einer Vielzahl anomaler Betriebs¬ zustände einstellbar. Insbesondere kann die Förderhöhe der Pumpen gezielt eingestellt werden.

Vorzugsweise ist die Parallelschaltung aus Zusatzborierpumpe und Rückschlagventil der Sicherheitseinspeisepumpe in Strö¬ mungsrichtung nachgeschaltet. Je nach betrieblichen Anforde¬ rungen und Gegebenheiten kann auch die Sicherheitseinspeise- pumpe nachgeschaltet sein.

Den Pumpen ist in Strömungsrichtung ein Einspeisestrang nach- geεchaltet, von dem eine Mindestmengenleitung zur Regulierung und Einstellung der Förderhöhe der Pumpen abzweigt. Die Min- destmengenleitung ist hierzu in Reihe mit einer von minde¬ stens zwei Mindestmengenzweigleitungen schaltbar. Eine der Zweigleitungen hat eine erste Drosselstelle für eine große Mindestmenge, d.h. zur Erzielung einer möglichst geringen Förderhöhe, und die andere Zweigleitung hat eine zweite Dros- selstelle für kleine Mindestmenge, zur Einstellung großer Förderhöhen der Pumpen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, als Zusatzbo¬ rierpumpe eine Kreiselpumpe zu verwenden. Gegenüber den bis- her als Zusatzborierpumpen verwendeten Kolbenpumpen lassen sich Kreiselpumpen mittels einer Mindestmengenleitung besser beeinflussen. Insbesondere wird keine druckbegrenzende Über¬ strömeinrichtung benötigt.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß man Förderhöhe und Durchsatz des gemein¬ samen Systems optimal an die jeweiligen Anforderungen anpas¬ sen und auf ein getrenntes Hochdruck-Boriersystem mit seinem zusätzlichen Aufwand verzichten kann.

Vorzugsweise dient das Sicherheitseinspeise- und Boriersystem in einem Druckwasserreaktor der Beherrschung von anomalen Betriebszuständen, wie a) Verlust von Kühlmittel, insbesondere aus dem Primärsystem des Druckwasserreaktors, sowie Verlust von Kühlwasser in¬ folge eines Lecks in einem Heizrohrs eines Dampferzeugers,

b) kleines Leck im Primärsystem mit ungenügender sekundärsei- tiger Wärmeabfuhr, c) Füllstandshaltung im Reaktordruckbehälter bei Nullast heiß und nicht verfügbarem Volumenregelsystem, jedoch intaktem Primärsystem, d) Borieren des Primärsystems.

Unter Nullast heiß wird hierbei der Zustand des Druckwasser¬ reaktors verstanden, der dadurch gegeben ist, daß keine thermische Leistung an die Turbinen abgegeben wird, Nachzer¬ fallswärme auftritt und das Primärsystem noch unter hohem Druck und hoher Temperatur steht. Das Volumenregelsystem hat im Normalbetrieb und bei leichten Betriebsstörungen die Auf¬ gabe den Wasserstand im Druckhalter zu regeln, der sich durch Temperaturänderungen, durch die Wasserentnahme für die Kühl- mittelreinigung und durch eventuelle Lackagen ändert. Es kann auch so ausgeführt sein, daß es keine Sicherheitsfunktionen ausübt, sondern diese Sicherheitsfunktionen von dem Boriersystem übernommen werden.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betrieb eines Druckwasserreaktors mit einem Sicherheitseinspeise- und einem Boriersystem und mit einem Reaktorkühlsystem umfassend ein Primärsystem und ein Sekundärsystem zur Beherrschung der oben aufgeführten anomalen Betriebsfälle. Im Fall (a) wird die Zweigleitung mit der Drosselstelle für große Mindestmengen geöffnet und die Sicherheitseinspeisepumpe in Betrieb gesetzt. Hierdurch wird über die Sicherheitseinspei¬ sepumpe mit einer verringerten Förderhöhe Kühlmittel unmit- telbar in das Primärsystem nachgespeist. Im Fall (b) wird die Zweigleitung mit der Drosselstelle für kleine Mindestmenge geöffnet und ebenfalls nur die Sicherheitseinspeisepumpe in Betrieb genommen. Im Fall (c) wird die Zweigleitung mit der Drosselstelle für kleine Mindestmenge geöffnet und beide Pum- pen in Betrieb gesetzt, wodurch eine große Förderhöhe, ent¬ sprechend beispielsweise einem Druck von 130 bar, erreicht

wird. Im Fall (d) wird die Mindestmengenleitung abgesperrt und die Sicherheitseinspeisepumpe sowie die Zusatzborierpumpe in Betrieb gesetzt. Hierdurch wird die größtmögliche Förder¬ höhe erreicht und eine Einspeisung von Kühlmittel erfolgt entweder unmittelbar in eine kalte Hauptkühlmittelleitung des Primärsystems oder in den Druckhalter, welcher an eine heiße Hauptkühlmittelleitung des Primärsystems angeschlossen ist.

Durch dieses neue Verfahren werden die Funktionen eines Si- cherheitseinspeisesystems und eines Boriersystems - ausgehend von der gemeinsamen Aufgabe, boriertes Wasser einzuspeisen, - derart zusammengefaßt, daß sie mit einem Einspeisestrang pro redundantes Sicherheitseinspeise- und Boriersystem ausgeführt werden können.

Hierzu werden die Sicherheitseinspeisepumpe und die Zusatzbo¬ rierpumpe in Reihe geschaltet, jedoch so, daß die Sicherheit¬ seinspeisepumpe durch einen Bypass an der Zusatzborierpumpe vorbei fördern kann. Die Förderhöhe des Sicherheitseinspeise- Systems wird also durch gezieltes Einschalten der Zusatzbo¬ rierpumpe und/oder Öffnen einer Mindestmengenleitung mit ver¬ schiedenen Drosselstellen dem gerade vorliegenden Störfallab¬ lauf angepaßt.

Weitere Merkmale und Vorteile des Erfindungsgegenstands sowie seine Wirkungsweise werden im folgenden anhand eines Ausfüh¬ rungsbeispiels, das in fünf Figuren dargestellt ist, näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1 eine schematisierte Schaltung des Systems,

FIG 2 bis 5 diverse Kennlinien für System und/oder Pumpen. Dabei ist die dünne gestrichelte Linie KS die Kennlinie des Systems, die dünne ausgezogene Linie T2,ll, TU, T2 die theoretische Kennlinie der Pumpe(n) 2 bzw. 11 und die dicke ausgezogene Linie R2, R2,ll die tatsächliche Kennlinie der Pumpe 2 bzw. 11, die sich aus der theoretischen Kennlinie

abzüglich der jeweiligen Mindestmenge und/oder durch Addition zweier Kennlinien ergibt. Auf der waagerechten Achse ist die Einspeiserate E in kg/s und auf der senkrechten Achse die Förderhöhe F bzw. der Gegendruck in angegeben. In Figur 1 ist der Sicherheitsbehälter oder das Containment 1 eines Druckwasserreaktors als dicke strichpunktierte Linie angedeutet. Außerhalb dieses Containments 1 ist eine Sicher¬ heitseinspeisepumpe 2 angeordnet, die entweder aus einem Borierbehälter 3, und zwar über ein Motorventil 4 und ein Rückschlagventil 5, oder aus dem Sumpf 6 des Containments 1 über ein Motorventil 7 ansaugen kann. In beiden Fällen drückt sie über ein Rückschlagventil 8 und ein weiteres Motorventil 9 in einen Einspeisestrang 10, der in das Containment 1 führt. Parallel zum Rückschlagventil 8 ist eine Zusatzborier- pumpe 11, insbesondere eine Kreiselpumpe, geschaltet, die bei Bedarf eingeschaltet wird und dabei den Druck im Einspeise- sträng 10 erhöht. Der Einspeisestrang 10 führt über zwei Rückschlagventile 12 und 13 zu einem Zweiwegeventil 14 und von da aus entweder zu einem Druckhalter 15 oder zu einer nicht näher dargestellten kalten Hauptkühlmittelleitung 16 des Primärsystems.

Zwischen den beiden Rückschlagventilen 12 und 13 zweigt über ein Motorventil 17 eine Mindestmengenleitung 18 ab, die mit einem Zweiwegeventil 19 entweder über eine erste Mindestmen¬ gen-Zweigleitung 20m mit einer Drosselstelle 20 für eine kleine Mindestmenge oder über eine zweite Mindestmengen- Zweigleitung 21m mit einer Drosselstelle 21 für eine große Mindestmenge in den Sumpf 6 entlastet wird. Je nach Wahl des Wegs über die Drosselstelle 21 oder 20 kann der Druck im Ein¬ speisestrang 10 erniedrigt oder erhöht werden. Bei geschlos¬ senem Motorventil 17 wird der höchstmögliche Druck erreicht.

Der Druckhalter 15 ist verbunden mit einer heißen Hauptkühl- mittelleitung 22 des Primärsystems. Der Borierbehälter 3 hat

an seiner Oberseite ein Belüftungsventil 23, das bei einem durch Entnahme entstehenden Unterdruck aufmacht.

In diesem Beispiel ist nur ein Einspeisestrang 10 darge- stellt. Je nach geforderter Redundanz sind tatsächlich zwei oder mehrere solcher Stränge 10 vorhanden, die aber nicht alle mit einer Zusatzborierpumpe 11 ausgerüstet sein müssen.

Figur 2 zeigt die Kennlinien KS, TS, R2 für den Fall von Dampferzeuger-Heizrohrlecks und Kühlmittelverluststörfällen, d.h. die Zweigleitung 20m mit der Drosselstelle 20 für die kleine Mindestmenge ist abgesperrt, die Zweigleitung 21m mit der Drosselstelle 21 für die große Mindestmenge ist offen, die Sicherheitseinspeisepumpe 2 ist in Betrieb, und die Zu- satzborierpumpe 11 ist nicht in Betrieb (Betriebsfall a) . Kühlwasser aus dem Sumpf 6 wird über den Einspeisestrang 10 in die heiße Hauptkühlmittelleitung 16 eingespeist.

Figur 3 zeigt die Kennlinien KS, T2, R2 für den Fall von kleinen Lecks im Primärkühlsystem des Druckwasserreaktors mit gestörter Wärmeabfuhr in dem Sekundärkühlsystem des Druckwas¬ serreaktors, d.h. die Drosselstelle 20 für keine Mindestmenge in der Zweigleitung 20m ist offen, die Sicherheitseinspeise¬ pumpe 2 ist in Betrieb, und die Zusatzborierpumpe 11 ist nicht in Betrieb (Betriebsfall b) . Eine Einspeisung von Kühl¬ wasser aus dem Sumpf 6 erfolgt somit mit erhöhtem Druck in das Primärkühlsystem.

Figur 4 zeigt die Kennlinien KS, 12 , 11 , R2,ll für den Fall der Füllstandshaltung bei Nullast heiß und nicht verfügbarem Volumenregelsystem, jedoch intaktem Primärkühlsystem, d.h. die Drosselstelle 20 für die kleine Mindestmenge in der Zweigleitung 20m ist offen, die Sicherheitseinspeisepumpe 2 und Zusatzborierpumpe 11 sind in Betrieb. Ihre Förderhöhen addieren sich (Betriebsfall c) .

Figur 5 zeigt die Kennlinien für den Fall der Borierung des Primärsystems oder Sprühen von Kühlmittel in den Druckhalter 15, d.h. die Mindestmengenleitung 18 ist durch das Ventil 17 geschlossen, und die Sicherheitseinspeisepumpe 2 und die Zu- satzborierpumpe 11 sind in Betrieb. Ihre Förderhöhen addieren sich (Betriebsfall d) . Je nachdem ob eine Borierung des Pri¬ märsystems erfolgt - das Motorventil 4 ist hierbei geöffnet - oder ob in den Druckbehälter 15 eingesprüht wird, ergibt sich eine jeweils andere nicht dargestellte Kennlinie für das System.

Beispielsweise kann die Sicherheitseinspeisepumpe 2 eine Null-Förderhöhe, d.h. ihre maximale Förderhöhe bei geschlos¬ sener Mindestmengeleitung 18, entsprechend ca. 120 bar haben, während ihre tatsächliche Förderhöhe in Bereitschaftsstel¬ lung, d.h. bei geöffneter kleiner Mindestmengenleitung, je¬ doch nur 90 bar entspricht. Die gemeinsame Förderhöhe beider Pumpen 2,11 kann bei geöffneter Zweigleitung 20m, d.h. bei kleiner Mindestmenge, auf 150 bar begrenzt werden.

Aus den vorstehenden Erläuterungen der Figuren 2 bis 5 wird deutlich, daß mit der Erfindung ein Verfahren zum Betrieb ei¬ nes Druckwasserreaktors mit Sicherheitseinspeise- und Boriersystem sowie mit einem Reaktorkühlsystem für den Reak- tordruckbehälter zur Beherrschung der vier in den Figuren 2 bis 5 dargestellten Betriebsfälle verwirklicht ist, wobei die Betriebsfälle wie folgt definiert sind:

a) Dampferzeugerheizrohrleck und Kühlmittelverluststörfall, b) kleines Leck im Primärsystem mit ungenügender sekundärsei- tiger Wärmeabfuhr, c) Füllstandshaltung im Reaktordruckbehälter bei Nullast heiß und nicht verfügbarem Volumenregelsystem, jedoch intaktem Rückkühlsystem, d) Borieren des Primärsystems.

Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß im Fall (a) : die Zweigleitung 21m mit Drosselstelle 21 für große Mindest¬ menge geöffnet und die Sicherheitseinspeisepumpe 2 in Betrieb gesetzt wird, im Fall (b) : die Zweigleitung 20m mit Drosselstelle 20 für kleine Mindest¬ menge geöffnet und von den beiden Pumpen 2,11 die Sicher¬ heitseinspeisepumpe 2 in Betrieb genommen wird, im Fall (c) : die Zweigleitung 20m mit Drosselstelle 20 für kleine Mindest¬ menge geöffnet und die Sicherheitseinspeisepumpe 2 sowie die Zusatzborierpumpe 11 in Betrieb gesetzt werden und im Fall (d) : die Mindestmengenleitung 18 abgesperrt und die Sicherheits¬ einspeisepumpe 2 sowie die Zusatzborierpumpe 11 in Betrieb gesetzt werden.

Zur Beherrschung dieser Betriebsfälle dienen die vorstehend anhand der Figuren 2 bis 5 erläuterten Maßnahmen.