Advanced Nuclear Power - AREVA

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Feature Optimierte Brennelemente mit bestem Betriebsverhalten dank KATHY Auch in Zukunft wird die Untersuchung des thermohydraulischen Verhaltens von Brennelementen unter simulierten Reaktorbedingungen ein wesentlicher Bestandteil der Brennelement-Entwicklung sein. Deshalb ist der Betrieb eines validierten und mit modernster Technik ausgerüsteten thermohydraulischen Versuchsstands für AREVA ein Muss. Hochdruckkühler Mischkondensator Wasser-Dampf- Seperator Umwälzpumpe Druckhalter Moderne Brennelemente sind hochkomplex. Ein optimales Betriebsverhalten im Reaktorkern ist nur dann gegeben, wenn alle Einzelkomponenten bestens aufeinander abgestimmt sind. Da auch heutzutage eine exakte rechnerische Simulation der thermohydraulischen Vorgänge bei der Durchströmung eines Brennelements nicht möglich ist, ist die Validierung der empirischen Rechenergebnisse von besonderer Bedeutung. P el. ≤ 9,5 MW SWR- Testbehälter p ≤ 110 bar DWR- Testbehälter p ≤ 185 bar Dampfgehalt- Messung P el. ≤ 15 MW Naturumlauf Regelventil Speisewasser Regelventil Fallleitung Thermohydraulik- Versuchsstand KATHY Seit 1986 wird am deutschen Standort Karlstein der multi-funktionale Thermohydraulik-Versuchskreislauf KATHY (KArlstein Thermal HYdraulics) betrieben. Er wird mit erheblichem finanziellem Aufwand stetig weiterentwickelt, während andere von unseren Wettbewerbern genutzte Versuchskreisläufe geschlossen werden (NUPEC in Japan, ATLAS und HTRF in den USA). In KATHY werden Messungen zur Bestimmung der kritischen Heizflächenbelastung und anderer thermohydraulischer Eigenschaften von Siedewasserreaktorund Druckwasserreaktor-Brennelementen unter stationären sowie transienten Bedingungen durchgeführt. Die gewonnenen Ergebnisse fließen in die Weiterentwicklung und Genehmigung unserer Brennelemente und dienen der Validierung von Auslegungsmethoden. Bis heute wurden mehr als 12000 Versuche an einer Vielzahl von Siedewasserreaktorund Druckwasserreaktor-Bündelgeometrien vorgenommen. Wesentliche Informationen für die Brennelement-Entwicklung Das mechanische und thermohydraulische Betriebsverhalten eines Brennelements wird wesentlich durch den Abstandhalter und dessen Fahnengeometrie und -winkel bestimmt. Mit den heutigen Computer Fluid Dynamics-(CFD-) Programmen kann der Einfluss von Fahnengeometrie und -winkel auf die Strömung innerhalb eines Brennelements untersucht werden; die Programme werden daher zur Voroptimierung von Abstandhalterkonzepten eingesetzt. Doch belastbare Aussagen liefern auch heute nur Versuche, die unter realen Reaktorbedingungen durchgeführt werden. Die dabei gewonnenen Informationen fließen in die weitere Entwicklung der Brennelemente ein, mit dem Ziel, durch eine Erhöhung der thermischen Grenzwerte die Betriebsflexibilität unserer Brennelemente weiter zu verbessern. Aussagen zum Stabilitätsverhalten von Siedewasserreaktor-Brennelementen In Siedewasserreaktoren können unter bestimmten Randbedingungen, wie hohe Leistung bei niedrigem Durchsatz und ungünstigen axialen und radialen Leistungsverteilungen, thermohydraulische Instabilitäten auftreten. Daher ist auch die Untersuchung des Brennelement-Stabilitätsverhaltens ein essentieller Bestandteil jeder Brennelement-Entwicklung. KATHY ist weltweit der einzige Versuchsstand, in dem das Stabilitätsverhaltenverhalten von Siedewasserreaktor-Brennelementen maßstabsgetreu unter realen Bedingungen im Naturumlauf simuliert werden kann. Auf der Basis dieser Messungen entwickeln wir die Stabilitätsmethoden weiter und reduzieren so die Unsicherheitsmarge der eingesetzten Programme. Die Folge: Eine Erhöhung der Betriebsflexibilität der Kernkraftwerke. ■ 22 Advanced Nuclear Power Nr. 10 Mai 2004
Mehr Megawatt durch Eliminierung von Radiolysegas-Ansammlungen im Speisewasser-Dampf-Kreislauf In allen Kernkraftwerken mit Siedewasserreaktor tritt in den mit Frischdampf beaufschlagten Systemen Radiolysegas auf. Es kann sich z.B. in den Vorwärmern ansammeln und deren Wärmeübertragung beeinträchtigen. Framatome ANP hat deshalb zusammen mit einem deutschen Kernkraftwerk ein neues Konzept für die Vorwärmer-Entlüftung entwickelt. Pro optimiertem Vorwärmer wird die elektrische Leistung der Anlage um 2 MW gesteigert. Durch die Strahlung im Kern wird ein geringer Teil des Wassers, das als Kühlmittel und Moderator dient, mittels Radiolyse in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Die Gase werden mit dem Frischdampf aus dem Reaktordruckbehälter ausgetragen und gelangen so in alle Systembereiche der Anlage, die mit Frischdampf in Kontakt kommen. In den „großen“ Komponenten des Speisewasser-Dampf-Kreislaufs (Kondensator und Speisewasserbehälter) wurde diese Problematik schon bei der Anlagenplanung ausreichend beachtet. Andere Behälter jedoch, z.B. die Vorwärmer, wurden meist anhand von Erfahrungen aus dem konventionellen Kraftwerksbau ausgelegt. Vorwärmer-Heizflächen oftmals nur zu 50 Prozent genutzt Im Rahmen der Untersuchungen für eine geplante Leistungserhöhung wurde festgestellt, dass in einigen Vorwärmern nur etwa 50 Prozent der installierten Heizfläche genutzt werden. Betriebsmessungen des Anlagenbetreibers ergaben einen Inertgasanteil von bis zu 45 Prozent – ein Indiz, dass sich Blick auf die warme Rohrbündelhälfte mit drei der neuen Entgasungsleitungen. Radiolysegas ansammelt und einen großen Teil der eingebauten Heizfläche „blockiert“. Framatome ANP wurde deshalb vom Betreiber mit einer Studie zur Beseitigung dieser Gasansammlungen in den Vorwärmern beauftragt, zunächst exemplarisch für den Niederdruck-Vorwärmer A2. (In den Niederdruck-Vorwärmern war der Inertgasanteil am höchsten.) In Zusammenarbeit mit dem Betreiber und einem Hardwarelieferanten wurde ein Konzept für die optimierte Betriebsentlüftung entwickelt. Die Radiolysegase werden im Vorwärmer A2 nun direkt am Ort ihrer Ansammlung abgesaugt. An den berechneten Stellen für Druckminima wurden Heizrohre herausgeschnitten und durch Absauglanzen ersetzt. Bisher wurde über drei Standrohre an der Behälterinnenwand entlüftet. Steigerung der elektrischen Leistung um insgesamt 10 MW Das Ergebnis: Der Vorwärmer A2 „zieht“ nun rund 10 kg Dampf pro Sekunde mehr und am Vorwärmer A3 desselben Strangs verringerte sich der Massenstrom des Anzapfdampfs. Der Dampf verbleibt somit länger in der Turbine und tritt erst eine Stufe später aus. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad der Anlage und die elektrische Leistung steigt um etwa 2 MW. In der nächsten Revision wird auch in den beiden Niederdruck-Vorwärmern A3 sowie im zweiten Niederdruck-Vorwärmer A2 die Entlüftung optimiert – erwartet wird eine Steigerung der elektrischen Leistung um 10 MW. Die Amortisationszeit wird weniger als ein Jahr betragen. Inzwischen haben sechs weitere Siedewasserreaktor-Anlagen aus Deutschland, Spanien und der Schweiz ihr Interesse bekundet. Einer Anlage wurde kürzlich ein Angebot für die thermodynamischen Voruntersuchungen unterbreitet. ■ Neue Betriebswerte am Niederdruck- Vorwärmer A2 • Hauptkondensattemperatur stieg um rund 6,5 °C • Nebenkondensatablauftemperatur erhöhte sich um rund 7,0 °C • Inertgasanteil sank von 45 % auf den angestrebten Wert von kleiner 10 % • wirksame Wärmeübertragungsfläche stieg von 50 % auf 89 % • Wärmeübertragungsleistung steigert sich von 75 MW auf 93 MW Advanced Nuclear Power Nr. 10 Mai 2004 23
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