Was ist ein Druckhalter?
Ein Druckhalter ist ein großer zylindrischer Behälter, der im Kühlsystem eines Druckwasserreaktors integriert ist. Sein Hauptzweck ist die Regulierung des Drucks im Primärkreislauf, obwohl er auch zur Füllstandserkennung und als Druckentlastungseinrichtung dient.
Komponenten des nuklearen Druckhalters
Wie funktioniert ein Druckhalter?
Das Primärkühlmittel kann durch den Reaktor oder durch elektrische Heizungen am Boden des Druckhalters erhitzt werden. Wenn die Temperatur des Primärkühlmittels steigt, nimmt sein Volumen zu. Diese Volumenzunahme tritt auch im Druckhalter auf, da er über eine Verbindungsleitung mit dem Primärkühlsystem verbunden ist. Die thermische Ausdehnung des Primärkühlmittels führt dazu, dass der Dampf im oberen Bereich des Druckhalters komprimiert wird und der Druck im System steigt.
Der Druck im System kann durch das Sprühen von relativ kühlem Wasser in den Druckhalter über eine Sprühdüse reduziert werden. Dies führt dazu, dass der Dampf im Druckhalter kondensiert, wodurch sein Volumen reduziert wird und der Druck im Primärkühlsystem sinkt.
Druckhalter sind sicherheitskritische Komponenten in einem PWR-Kraftwerk, da sie das Primärkühlmittel in einem flüssigen Zustand halten und somit die Wahrscheinlichkeit einer Überhitzung des Reaktorkerns verringern.
Dynamische und statische Druckhalter
Der Druck im Primärkreislauf eines Druckwasserreaktors (PWR) wird durch einen Druckhalter aufrechterhalten. Druckhalter können entweder statisch oder dynamisch sein; dieses 3D-Modell stellt einen dynamischen Druckhalter dar. Ein dynamischer Druckhalter erfüllt folgende Funktionen.
- Hält den Druck eines Systems über seinem Sättigungspunkt.
- Bietet eine Möglichkeit zur Kontrolle der Ausdehnung und Kontraktion von Systemflüssigkeiten.
- Bietet eine Möglichkeit zur Kontrolle des Systemdrucks.
- Bietet eine Möglichkeit zur Entfernung gelöster Gase aus dem System durch Entlüftung des Dampfraums des Druckhalters.
Was sind die Hauptteile eines nuklearen Druckhalters?
Behälter
Der Druckhalter bietet einen Punkt im Reaktorsystem, an dem Flüssigkeit und Dampf unter Sättigungsbedingungen im Gleichgewicht gehalten werden können, um Kontrollzwecke zu erfüllen. Obwohl sich die Designs von Anlage zu Anlage unterscheiden, ist ein typischer Druckhalter für maximal etwa 2.500 psi (≈172 bar) und 680°F (≈360°C) ausgelegt. Die halbkugelförmigen oberen und unteren Druckhalterköpfe bestehen normalerweise aus Kohlenstoffstahl mit austenitischem Edelstahlbelag auf allen Oberflächen, die dem Reaktorwassersystem ausgesetzt sind.
Entlüftung
Eine Entlüftung wird verwendet, um gelöste Gase aus dem System zu entfernen; ein Entgaser erfüllt eine ähnliche Funktion in einem Kesselspeisewasserkreislauf. Obwohl viele gelöste Gase aus dem Druckhalter entlüftet werden, ist die Entfernung von Sauerstoff und Kohlendioxid von größter Bedeutung. Sauerstoff macht das Wasser korrosiv, während Kohlendioxid den pH-Wert des Wassers senkt, wodurch das Wasser saurer und somit korrosiver wird.
Sprühdüse
Der Druck im Druckhalter wird durch eine Sprühdüse reduziert. Eine Sprühdüse ist ein Gerät, das sich oben im Druckhalter befindet; sie wird verwendet, um eintretendes Wasser aus dem Kaltzweig zu zerstäuben. Das Sprühen von kaltem Wasser in den Druckhalter reduziert die Wassertemperatur im Druckhalter und führt dazu, dass ein Teil des Dampfes kondensiert, was zu einer Druckreduzierung im System führt.
Überlaufverteiler
Ein Überlaufverteiler ist am Boden des Druckhalters installiert. Wasser, das aus dem Druckhalter abgelassen wird, fließt durch die Überlaufleitung in den Primärkreislauf.
Elektrisches Heizbündel
Elektrische Heizungen werden verwendet, um das Wasser im Druckhalter zu erhitzen. Wenn das Wasser seine Sättigungstemperatur erreicht, beginnt es zu sieden. Siedendes Wasser füllt den Hohlraum über dem normalen Betriebswasserstand und schafft eine gesättigte Umgebung aus Wasser und Dampf. Die Wassertemperatur bestimmt die Menge des im Dampfraum entwickelten Drucks, je länger die Heizungen eingeschaltet sind, desto heißer wird die Umgebung. Je heißer die Umgebung, desto größer der Druck.
Füllstandsmessdüse
Füllstandssensoren sind an verschiedenen Stellen am Druckhalterbehälter angebracht. Die Echtzeitüberwachung des Druckhalterwasserstands stellt sicher, dass das Personal sofort gewarnt wird, sollte der Druckhalterwasserstand sinken. In diesem 3D-Modell wäre der Füllstandssensor an dieser Stelle und an derselben Stelle weiter unten an der Druckhalterschale montiert.
Entlastungsventil
Ein Druckhalter kontrolliert den Druck des Kühlwassersystems und fungiert als Druckentlastungseinrichtung für das System. Ein pilotgesteuertes Entlastungsventil (PORV) ist oben im Druckhalter installiert. Wenn der Systemdruck über einen bestimmten Sollwert steigt, öffnet sich das PORV und Dampf wird in einen Entlastungstank abgelassen. Eine sekundäre Entlastungseinrichtung (oft eine Berstscheibe) wird als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme bereitgestellt.
Normaler Betriebswasserstand (NOWL)
Der Druckhalter befindet sich höher als andere Druckbehälter des Reaktorkühlwassers. Es ist das einzige Gefäß, das nicht vollständig mit Kühlwasser gefüllt ist. Da der Druckhalter einen normalen Betriebswasserstand hat, kann er gemessen werden, um eine frühzeitige Warnung zu geben, sollte der Reaktorkühlmittelstand sinken.
Zusätzliche Ressourcen
https://en.wikipedia.org/wiki/Pressurizer
https://www.nuclear-power.net/pressurizer
https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/pressuriser