[B] (ii) utlegningsskrift Nr. 140725 NORGE [NO] STYRET FOR DET INDUSTRIELLE RETTSVERN (51) Int. d2 F 16 K 15/03, G 21 C 19/04 (21) Palenlsøknad nr. 763252 (22) Inngitt 22.09.76 (23) Løpedag 22.09.76 (41) Ålment tilgjengelig fra 27.09.77 (44) Søknaden utlagt, utlegningsskrift utgitt 16.07.79 (30) Prioritet begjær! 25.03.76, USA nr. 670314 (54) Oppfinnelsens benevnelse Energiabsorberende trykkavlastningsventil. (71)(73) Søker/Patenthaver THE BABCOCK & WILCOX CO., 161 East 42nd Street, New York, NY 10017, USA. (72) Oppfinner JOHN H. NOLAN. DONALD L. GODDARD, BARRETT J. SHORT, alle: Lynchburg, VA., USA. (74) Fullmektig (56) Anførte publikasjoner Bryns Patentkontor A/S, Oslo. Britisk (GB) patent nr. 1427866 Svensk (SE) patent nr. 74295 USA (US) oatent nr. 2078375, 2578590
Foreliggende oppfinnelse angår en energiabsorberende trykkavlastningsvent.il for en sylinder til en kjerne i en kjernereaktor. Den konvensjonelle trykkbeholder for kjernereaktorer omfatter i det vesentlige en i lengderetningen anordnet, symmetrisk konstruksjon, som i sine ender er lukket med en konveks bunn og en hvelvet topp og har en innløpsstuss for reaktorkjølemedium, samt en utløpsstuss anbrakt vinkelforskjøvet i et plan perpendikulært på beholderens lengdeakse og stikkende gjennom beholderen. I trykkbeholderen finnes blant annet reaktorens kjerne, vanligvis støttet av en kjernestøttesylinder som er opphengt i en ringforrnet flens på beholderens innside. Kjernestøttesylinderen har en fordelingsring hvorfra det primære kjølemiddel strømmer gjennom utløpsstussene, og en varmeskjold-skjørtenhet som avstøtter brenselelementene i reaktorkjernen og som sammen med fordelingsringen og innerveggen av reaktorens trykkbeholder, virker som en ringforrnet hydraulisk føring for det primære kjølemiddel. Under drift vil det væskeformede kjølemiddel med tvungen sirkulasjon komme inn i trykkbeholderen gjennom innløpsstussene, strømme gjennom den ringformede, hydrauliske føring som dannes mellom trykkbeholderens innerflate og kjerne sylinderen og stige gjennom reaktorkjernen, hvorpå kjølemidlet strømmer fra beholderen gjennom utløpssstussene. Av sikkerhetsgrunner er kjernereaktorer som regel innesluttet i tette betong- eller stålkonstruksjoner slik at radioaktive stoffer som gassformede, dampformede, faste eller oppløste fisjonsprodukter ikke skal kunne unnslippe fra sikker hetsbeholderen ved et eventuelt reaktoruhell. En slik svikt i reaktorsystemet, tap av kjølemedium eller LOCA som det van-
K 0 7 2 5 2 ligvis kalles, i atomkraftindustrien resulterer i oversvømmelse av den primære høytrykksvæske, noe som setter sikkerhetsbeholderen under trykk og i hurtig fordampning slik at den gjenstående primærvæske i reaktorbeholderen settes under trykk på tidspunktet for LOCA. Det er foreslått forskjellige sikkerhetssystemer for å hindre damptrykkoppbygning i sikkerhetsbeholderen og for å få til reservekjerneavkjøling eller oversvømmelse av selve kjernen. Både ved en uvesentlig svikt eller et katastrofeartet uhell i reaktorsystemet kan imidlertid en trykkoppbygning i reaktorbeholderen, i en størrelses- 2 orden på ca. 35 kp/cm i trykkforskjell mellom fordelingsringområdet og ringen finne sted i løpet av ca. et hundredels sekund og trykkdannelse kan hindre reservekjølemediet for kjernen eller oversvømmelsessystemet i å oversvømme den hete kjerne med kjølemedium på en riktig måte. Under en LOCA som omfatter innløpsledningen for primærkjølemediet vil tilstrømningen f.eks. hindres slik at primærkjølemediet ikke kommer til kjernen. Den hete atomreaktorkjernen fortsetter imidlertid å produsere energi i form av varme. Kjølemediets trykk i reaktorbeholderen avtar hurtig til metningstrykket. På dette tidspunkt samles kjølemediumdamp og øker trykket i fordelingsområdet. En typisk atomreaktorbeholder vil videre under normal drift kreve flere hundre tusen liter kjølemedium i minuttet for tilstrekkelig kjøling av reaktorkjernen. En avbrytelse av den primære kjølevæske vil således føre til en overveldende varmeansamling i kjernen og føre til overføring av overskytende varme til det gjenværende kjølemedium i beholderen. Overføringen av overskytende varme til det resterende kjølemedium kan resultere i så stor overtrykkdannelse i kjølemediet i skallet at systemene for fjernelse av desintegrasjonsvarme eller sikkerhetskjølesystemene for kjernen hindres i å virke og i å avkjøle kjernen tilstrekkelig som følge av overtrykket i det oppvarmede gjenværende kjølemedium. Virkningen av reservesystemet for avkjøling eller oversvømmelsen av kjernen blir dermed lik null eller i det minste vesentlig redusert, noe som fører til en mulig oppbygning av reaktorens desintegrasjonsvarme og mulig nedsmeltning av kjernen. En enkel "tung" klaffventil som reagerer på trykk-
3 140725 forskjellen gjennom ventilen og automatisk vil åpne når trykket Øker i kjernestøttesylinderen, er foreslått som en mulig ventilanordning for kjernesylinderen. Ettersom trykket i kjernestøttesylinderen under f.eks. LOCA imidlertid øker så å si momentant til meget store verdier, vil ventilen åpne "eksplosivt" akselerende utad mot beholderens innervegg med hastigheter som nærmer seg dampens lydhastighet. Ettersom dimensjonen av ringen mellom kjernestøttesylinderen og innerveggen for reaktorens trykkbeholder vanligvis er begrenset, vil en "eksplosivt" åpnet ventil med tilstrekkelig ventilklaffstørrelse for tilfredsstillende trykkavlastning ramme reaktorbeholderens innervegg med tilstrekkelig kraft til å forårsake sterk deformering av ventilen. For forenkling av den analytiske analyse av ventilklaffdeformeringen er det videre blitt foreslått å la ventilsystemet omfatte en "tung" flens som stikker ut fra klaffen og inn i ringen. Siden den "tunge" flens også vil treffe beholderen eksplosivt er det imidlertid mulig at den "tunge" flens og ventilklaff vil overbelaste veggen lokalt i nærheten av treffpunktet. Til dette kommer "at kontakten mellom ventil og vegg kan føre til betydelig deformasjon av ventilens hengseltapp slik at ventilen hvis den lukkes av innstrømmende reservekjølemedium, ikke mer åpner som reaksjon på en etterfølgende forholdsvis liten oppbygning av trykkforskjellen over kjernestøttesylinderen. Det er følgelig et behov for å komme frem til en trykkavlastningsventil for fordelingsringen i kjernestøttesylinderen for en reaktortrykkbeholder som ved et uhell eller ved svikt i reaktoren vil avlaste trykkoppbygningen i kjernestøttesylinderen som ikke utsetter reaktorbeholderens vegg for for sterk belastning og som dessuten etter den innledene reaksjon på trykkoppbygning i kjernestøttesylinderen, f.eks. ved LOCA, forblir funksjonsdyktig overfor etterfølgende oppbygninger av forholdsvis lave trykkforskjeller. Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjengitte trekk og den vil i det følgende bli forklart nærmere og under henvisning til tegningene der: Fig. 1 viser, delvis i snitt, en trykkbeholder for en kjernereaktor,
'140725 4 i fig. 2 viser et snitt gjennom en energiabsorberende trykkavlastningsventil og kjernestøttesylinderen, fig. 3 viser et snitt tatt etter linjen 3-3 gjennom ventilen på fig. 2 og fig. 4 viser et snitt gjennom ventilen på fig. 2 tatt etter linjen 4-4. Som vist på fig. 1 omfatter trykkbeholderen 10 for en kjernereaktor en sylindrisk mantel eller vegg 11 som er lukket i endene med en hvelvet bunn 12 og en hvelvet topp 13. Trykkbeholderen har videre en innløpsstuss 14 og en utløpsstuss 15 for kjølemedium. Innløpsstussen 14 og utløpsstussen 15 stikker ut av beholderveggen nær den hvelvede topp 13. Stussene 14 og 15 er stort sett anbrakt i samme plan på tvers av beholderens lengdeakse og står i vinkel på hverandre. I beholderen 10 finnes en ringforrnet flens 16 på innsiden av veggen 11 til støtte for en kjernestøttesylinder 18 som har en vertikalt anordnet fordelingsring 19 utformet med en åpning 20 i flukt med utløpsstussen 15 for reaktorens kjølemedium. Kjernestøttesylinderen 18 eller spesielt fordelingsringen 19 er forlenget med et skjørt 22 og et varmeskjold 24 som sammen med beholderveggen 11, danner en ringforrnet kanal eller passasje 26 for føring av den innkommende primærvæske som trer inn i passasjen 26 i den retning som er antydet med pilene 28. Dessuten avstøtter skjørtet 22 brenselelementene i reaktorkjernen (ikke vist). Under drift vil det primære kjølemedium strømme inn i trykkbeholderen 10 gjennom innløpsstussen 14, strømme ned gjennom den ringformede passasje 26, stige i kjernestøttesylinderen 18 gjennom den heté, ikke viste reaktorkjerne til fordelingsområdet 19A, hvorpå det opphetede kjølemedium forlater beholderen 10 gjennom åpningen 20 i fordelingsringen 19 og gjennom utløpsstussen 15. Fordelingsringen 19 er forsynt med en rekke trykkavlastningsventiler 30, hvorav bare en er vist på fig. 1. Hver ventil er i tettende anlegg med en tilhørende ventilpassasje 32 gjennom fordelingsringene 19. Fortrinnsvis er ventilene 30 anbrakt i et plan som ligger høyere enn innløps- og utløpsstussene og nær toppen av fordelingsringen 19.
I 5 140725 Som vist på fig. 2, 3 og 4 omfatter trykkavlastningsventilen 30 en monteringsring 34 som er festet til fordelingsringen 19, og ringen har et gjennomløp 35 for væske eller damp. Monteringsringen 34 omfatter videre en innadrettet leppe 36, et par reguleringshull 40 gjennom ringen og en tapp 42 som er innført i og sveiset fast til hvert hull 40 for sentrering. En ende av tappene 42 stikker frem fra hullet 4 0 og inn mot ringområdet 19A i gjennomløpet 3 5 og har en avsmalnende ende 42A, som letter innstillingen. Ventilen 30 har videre et ventilhus 37 som er demonterbart forbundet med ringen 34 ved hjelp av festebolter 38, som er anordnet rundt ventilhusets omkrets og omfatter et par reguleringshull 41 med tilstrekkelig størrelse for lettere innstilling av ventilhuset 37 i forhold til de avsmalnende ender av tappene 42 i ringen 34. Ved monteringen blir huset 37 stående i flukt med passasjen 35 og boltet fast mot leppepartiet 36 i tett anlegg med ringen 34. Ventilhuset 37 begrenser videre trykkavlastningspassasjen 32A gjennom ringen 19 for trykkavlastning, f.eks. ved et uhell. En ventilklaff 43 er ved hjelp av en hengselbøyle 44 opphengt i passasjen 32A i tettende anlegg mot et seteparti 37A. Bøylen 44 er forbundet med en ventilhengseltapp 45 som sitter i ventilhuset 37 ved hjelp av elementet 45A, og tillater dreiebevegelse utad av ventilklaffen. Følgelig vil ventilklaffen 43 som reagerer på krefter som utøves mot den var.ligvis ligge tettende an mot ventilhusets seteparti 37A som følge av at den innstrømmende væske i passasjen 26 har høyt trykk, hvorved et radialt innadrettet trykkdifferensial påvirker ventilklaffen 43. Ved svikt eller uhell slik at trykkdif f erensialet over ventilen 30 rettes utad, det vil si at trykket inne i ringen 19 er større enn trykket i passsjen 26 for primærvæske, vil ventilklaffen 4 3 automatisk dreie om hengseltappen 45 inn i passasjen 26, og derved åpne området 19A mot passasjen 26 slik at trykket i kjernesylinderen 18 avlastes. På ventilklaffen 43 sitter det en energiabsorberende søyle 46 som stikker ut mot passasjen 26 og som vil komme i anlegg mot beholderveggen 11, som vist med stiplede linjer ved flaten 49 på fig. 2. Søylen er i stand til å absorbere
140725 e energi på grunn av sin ringformede konstruksjon. Når søylen 4 6 blir mekanisk trykket sammen og derved endrer sin lengde ved på forhånd bestemte belastninger, vil slagenergien som trykker sammen søylen og som blir absorbert av kjølemedium som fanges opp i det huie søyleparti og drives kraftig ut fra dette gjennom en åpning 47 som følge av slaget og den mekaniske deformering av søylen. I tillegg til dette kan den utadrettede endeflate 46A av søylen 46 stå i vinkel på søylens akse, som vist på fig. 2, slik at det dannes en stort sett væsketett kontakt mellom flaten 46A og veggflaten 49. På denne måte kan væske som er innesluttet i søylen i kontaktøyeblikket bare unnvike gjennom åpningen 47. Deler av flaten 46A kan videre være slipt slik at man unngår dannelse av en skarp,skjærende kant. Når reaktorsystemet er i vanlig drift, vil trykket av primærkjølemediet tettende lukke ventilklaffen 4 3 mot ventilhuset 37 som følge av en innadrettet trykkforskjell. Som nevnt ovenfor vil den meget' hurtige trykkstigning i sylinderen ved svikt eller ved et uhell, såsom LOCA, "eksplosivt" åpne ventilklaf fen 43 slik at trykkvassken kan unnvike gjennom passasjen 32 til det ringformede rom 26 for primærkjølevæske. Ventilklaffens slag med søylen 4 6 mot veggen 11 reduseres videre ved at ventilklaffen har lett vekt sammenliknet med de tidligere kjente "tyngre" systemer. En lettere ventilklaff har således mindre bevegelsesenergi enn en tung klaff med samme slaghastighet og hastighet på den unnvikende væske. Dessuten oppnås en energiabsorpsjon ifølge oppfinnelsen ved den mekaniske deformering eller sammentrykning åv søylen 46 når denne kommer i kontakt med veggen 11, og energiabsorpsjon ved at veggen 11 deformeres lokalt og dermed absorberer energi. Ventilklaffens 43 treghet vil dessuten ikke bare bøye eller deformere klaffen, men også forskyve den til siden i en retning tangensielt på den bueformede bevegelsesbane ved slaget. Ventilklaffens bevegelse vil derved føre til en deformering av bøylen 44 og dermed ytterligere energiabsorpsjon.
7 140725 Av denne grunn har bøylens bøye- eller deformeringsbelastnlng, som kan bestemmes med dens størrelse og det materiale som benyttes, den maksimale belastning som overføres til hengseltappen 4 5. I tillegg vil bøyning av den lette ventilklaff 43 ifølge oppfinnelsen også absorbere noe av slagenergien og derved ytterligere redusere belastningen på veggen 11. I den viste utførelsesform for oppfinnelsen er ventilklaffen 4 3 opphengt i en spiss vinkel på omtrent 5 i forhold til loddlinjen, slik at tyngdekraften som virker på klaffen normalt holder denne i anlegg mot setepartiet 37A. Ved dene utførelsesform er det dessuten benyttet to bøyler 44 som ekstra sikring. Ventilklaffen 43 har videre en knast 50 som stikker inn fra klaffen. Formålet med knasten 50 er å hindre at en løsnet ventilklaff faller ned gjennom det ringformede rom 26 for primært kjølemedium under normal reaktordrift og kommer i skadelig kontakt med kjernen. Knasten 50 er derfor tilstrekkelig lang til at ventilklaffens tykkelse fra enden av knasten 50 til enden av søylen 46 er større enn det ringformede rom mellom ventilen 30 og beholderveggen 11. I praksis vil ventilklaffens 4 3 reaksjon på en belastning bli prøvet ut slik at man med sikkerhet vet at ventilen virker eller åpnes i en nødssituasjon. En passasje 51, fig. 2, i fordelingsringen gir adgang til ventilen 30 med et redskap, f.eks. en stang med en krok. Dette redskap kan bringes i inngrep med en del av bøylen 44, f.eks. tappen 52 på fig. 2 og 4, og man kan løfte ventilklaffen 43 fra setet 37A ved en bestemt utøvet belastning som måles med en fjærvekt. Den minste utøvende belastning for å få ventilen til å reagere på en minimal trykkforskjell kan videre beregnes av fagfolk. Patentkrav. 1. Energiabsorberende trykkavlastningsventil for en sylinder til en kjerne i en kjernereaktor, omfattende et ventilhus for gjennomstrømning av fluidum med partier som danner en fluidumpassasje, og hengselanordninger festet til ventilhuset samt en ventilklaff som er opphengt i tettende anlegg mot ventilhuset ved hjelp av hengselanordningene,
140725 e k a r a k t e r i s e r t ved en energiabsorberende deformerbar del (46) anbrakt på ventilklaffen (43) og stikkende ut fra denne, hvilken deformerbare del (46) innbefatter en delvis ringforrnet søyle som er åpen i den utadragende ende (4 6A) og har en åpning (47) gjennom veggen av den ringformede del av søylen (46). 2. Energiabsorberende ventil som angitt i krav 1, k a r a k t e r i s e r t ved at hengselorganene omfatter en energiabsorberende bøyle (44) som bærer ventilklaffen (43), og som er valgt slik med hensyn til materiale og dimensjoner at denne også deformeres.
140725 e F10.1 12
FIG. 2 1407
14072 5 FIG 3 FIG. 4