Reaktorpumpe
Die Reaktorpumpe in der Funktion als Reaktorkühlmittelpumpe ist eine Kreiselpumpe, die das zum Transport der nuklearen Zerfallswärme erforderliche Kühlmittel umwälzt. siehe Abb. 1 Reaktorpumpe
Abb. 1 Reaktorpumpe: Reaktorkühlmittelpumpe für Druckwasserreaktoren
Je nach Art der Reaktoranlagen wird zwischen Druck-, Siede- und Schwerwasser- sowie Flüssigmetallreaktorpumpe unterschieden. Dabei existieren für die einzelnen Reaktorbauarten verschiedene Konstruktionsausführungen.
Druck- und Schwerwasserreaktor
Bei den Druck- und Schwerwasserreaktoren werden bspw. aufgrund des großen Leistungsbedarfs wellengedichtete Reaktorpumpen mit Eigenlagerung (Axial-, Radial- und Wälzlager) und integrierter Ölversorgung siehe Abb. 1 Reaktorpumpe oder Reaktorblockpumpen mit herkömmlichen Elektromotoren als Antriebe eingesetzt. siehe Abb. 2 Reaktorpumpe
Abb. 2 Reaktorpumpe: Reaktorkühlmittelpumpe in Blockbauweise für Druckwasserreaktoren
Die Wellendichtung besteht entweder aus mehreren hintereinandergeschalteten mechanischen oder aus hydrostatisch und mechanisch kombinierten Gleitringdichtungen.
Je nach Abstützung und Aufhängungsart sind vom Pumpengehäuse Kräfte und Momente aufzunehmen. Dies führt zu unterschiedlichen Gehäuseformen und Wanddicken. Das Reaktorpumpengehäuse ist bspw. kugel- oder topfförmig ausgeführt. Der Auslegedruck liegt dabei bei 175 bar und die entsprechende Temperatur bei 350 °C. siehe Abb. 3 Reaktorpumpe
Abb. 3 Reaktorpumpe: Reaktorkühlmittelpumpe mit Schwerlastgehäuse für Druckwasserreaktoren
Siedewasserreaktor
Bei dem Siedewasserreaktor kommen zwei verschiedene Reaktorpumpenkonzepte zum Einsatz. Beim ersten Konzept sind für die Reaktordruckgefäße mit eingebauten Strahlpumpen die in den äußeren Rohrleitungen eingeschweißten Reaktorpumpen als Treibwasserpumpen ausgebildet, meist mit Doppelspiralgehäuse (siehe Spiralgehäusepumpe). siehe Abb. 4 Reaktorpumpe
Abb. 4 Reaktorpumpe: Reaktorkühlmittelpumpe (Treibwasserpumpe) für Siedewasserreaktoren
Von den zwei in den Rohrleitungsschleifen eingesetzten Treibwasserpumpen wird nur ca. ein Drittel des gesamten Kühlmittelstromes gefördert. Stattdessen werden darüber die Strahlpumpen angetrieben, die den restlichen Kühlmittelstrom innerhalb des Druckgefäßes umwälzen. Die Treibwasserpumpen sind mit Wellendichtungen und einem herkömmlichen Elektroantrieb ausgerüstet.
Bei dem zweiten Konzept sind mehrere Reaktorpumpen als Einsteckpumpen im Reaktordruckgefäß untergebracht. Sie ermöglichen die Umwälzung des Kühlmittels ohne externe Rohrleitungen. Während die Treibwasserpumpen mit Wellendichtungen und herkömmlichem Elektroantrieb ausgerüstet sind, werden die Einsteckpumpen auch mit Nassläufermotor gebaut. siehe Abb. 5 Reaktorpumpe
Abb. 5 Reaktorpumpe: Einsteckpumpe für Siedewasserreaktoren mit Wellendichtung bzw. wellendichtungslosem Nassläufermotor
Diese Elektromotoren sind drehzahlverstellbar, wodurch der Pumpenförderstrom geregelt werden kann und somit eine Leistungsregelung im Reaktor ermöglicht wird. Der Systemdruck (Auslegedruck) beträgt z. B. 90 bar und die Auslegetemperatur 300 °C.
Flüssigmetallgekühlter Reaktor
Für den flüssigmetallgekühlten Reaktor, bei dem als Kühlmittel Natrium verwendet wird, werden die Reaktorpumpen mit freier Flüssigkeitsoberfläche im Gehäuserohr zwischen der Wellendichtung und dem Pumpenlaufrad eingesetzt.
Der freie Raum ist mit Edelgas zur Verhinderung von Natriumreaktionen gefüllt, sodass die Wellendichtung nicht gegen das Flüssigmetall, sondern gegen das Schutzgas abzudichten hat. Die Pumpenwelle ist unmittelbar neben dem Laufrad durch ein flüssigmetallgeschmiertes hydrostatisches Lager (siehe Gleitlager) geführt.
Der Auslegedruck (Systemdruck) liegt hier bspw. bei 10 bar und die entsprechende Temperatur bei 580 °C. siehe Abb. 6 Reaktorpumpe
Abb. 6 Reaktorpumpe: Reaktorkühlmittelpumpe für flüssigmetallgekühlte Reaktoren
Außer der Reaktorpumpe werden für die einzelnen Reaktorbauarten noch Kreiselpumpen in den Hilfs- und Sicherheitskreisläufen benötigt. Zu diesen gehören z. B. das Volumenregelsystem, das nukleare Nachwärmeabfuhrsystem mit Hochdruck- und Niederdrucksicherheitseinspeisung, die Brenn-Elemente-Lagerbeckenkühlung, der nukleare Zwischenkühlkreislauf oder die Wasseraufbereitung.
siehe Abb. 7 und 8 Reaktorpumpe
siehe Abb. 7 und 8 Reaktorpumpe
Abb. 7 Reaktorpumpe: Nachkühlpumpe für Hilfs- und Sicherheitskreisläufe zur Einspeisung von kaltem, boriertem Wasser, um die Nachzerfallwärme nach Abschaltung des Reaktors abführen zu können
Abb. 8 Reaktorpumpe: Hochdrucksicherheitseinspeisepumpe für Hilfs- und Sicherheitskreisläufe zur Ergänzung von Kühlmittelverlusten durch kaltes, boriertes Wasser
Die Pumpen in diesen Kreisläufen müssen spezielle Anforderungen erfüllen, die sonst im Kreiselpumpenbau nicht berücksichtigt werden müssen.
Anforderungen an Kreiselpumpen in Hilfs- und Sicherheitskreisläufen
- extrem hohe Stutzenkräfte und -momente müssen auf das Fundament übertragbar sein (siehe Stutzenbelastung)
- die Druckhülle muss 100%ig volumetrisch prüf- und exakt berechenbar sein
- sehr steile QH-Kennlinien (Förderstrom, Förderhöhe), um extrem große Betriebsbereiche zu realisieren
- niedrige NPSHR-Werte
- aufgrund der Radioaktivität des Fördermediums darf (auch bei Temperaturschocks) kein Leckverlust in die Atmosphäre gelangen
- zur Minimierung der Strahlenbelastung bei Revisionsarbeiten muss die Reaktorpumpe servicefreundlich sein
- die sichere Funktion in Notfällen wie bei Erdbeben oder Flugzeugabsturz auf das Gebäude, um Folgen wie Überflutung der Pumpenräume, Ausfall der Kühlwasserversorgung für Gleitringdichtungen und Lager sowie eine Raumtemperatur von mehr als 65 °C bei 100 % Luftfeuchtigkeit zu verhindern
