DE2035089A1

DE2035089A1 - Sicherheitssystem für den Fall des Ein schmelzens des Kerns eines Kernreaktors

Info

Publication number: DE2035089A1
Application number: DE19702035089
Authority: DE
Inventors: John Merle West Hartford Conn Fletcher III William Duley Arlington Va West, (VStA) P
Original assignee: Combustion Engineering Inc
Current assignee: Combustion Engineering Inc
Priority date: 1965-04-13
Filing date: 1970-07-15
Publication date: 1971-03-25
Also published as: GB1275227A; DE1501340A1; DE2035089B2; US3453176A; DE2035089C3; GB1135826A; DE1501340B2; CH510316A; US3607630A

Description

BW 613/CE 3018

10.7.1970 kö/ko

Anmelder: Combustion Engineering« Inc» Windsor« Connecticut« U.S.A.

Sicherheitssystem für den Fall des Sin-

Bei der heute Üblichen Konstruktion von Kernreaktoren, insbesondere bei der Verwendung in. elektrischen Kraftwerk«», ist der Reaktorkern von eines Druckgefäs« umgeben« das eine w§me-Ie itende Flüssigkeit enthält« Das Druokgtfass let in eto«» luftdichten Containment untergebracht« üb den Austritt radio· Aktiver.MAteriAlien bei einem Reaktorunfmll zn verhindern.

NAoh längeren Laufzeiten des Reaktors tiAt dA8 Uran« das da». Aktive Material des Reaktors bildet« während seiner Spaltungs* Prozesse wesentliche Mengen verschiedener r*di©AktivtP Isotope erzeugt. Die Haibwärtsseiteii dieser Ißotop® häEgen von ihrer speziellen Art Ab und der Z«rfAllpfozess der leotopo <§r· zeugt Wäroe« die Abgeführt und verteilt warden 'muta, - ämrnlt die TemperAtur des ReAktorskerne nicht über den Bohatlspuiilct Aif. MAteriAlien des ReAktorkern»steigt«

Während des nori&Alen B#trieb8ji wenn <d»v Ktmi teistiiiig dureb SpAltung von Uran erzeugt» ist ΰ»ν Kern in WmiietP Uni;·? liotae Druck geflutet« %· B. -unt«r 160 ftta» ma dieetii ΙΙιιαβορ wird

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durch den Kern und durch Wärmeaustauscher zirkuliert₈ so dase die vom Kern erzeugt© Wxm zur Produktion v®a Oaiqpf und elektrischer leistung verweadefe werden kann# Die Wasser= zirkulation let aueserdeii notwendig^ w& die bsi der -Spaltungdas Urans entstehenden leutp©»«a auf die für die Spaltung günstigen Energien abzubremsen® Mem der' Reaktorkern abgeschaltet wird und kein© Leistimg Swell Spaltung von Iren erzeugt« a» Β*,, wenn er neu geladen w©rdOEi soJLlj, ist es auch notwendig« dass der Kern geflutet ist« uü die durcb <d@n Zerfall des radioaktiven Materials entätetende Manie a^zuftlveia» Das Wasser ist als© notwendig, um di© MäFne worn lfera ateuftihre» un«l elÄea WSrmesta« su verfeiaieriiß sowohl wenn ü®r lern aktiv 1st und Leistung durett Spaltimg
iaakti,¥ ist. Ei» Wasseriaii
Urans veifelndern» well ©b
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Miter ftlr «uns durch uou I@ra gi5?tal!ffl?enie Wasser- dl@afc. Bei •Intm nonaalmi grossoa ©iektJPieetiea Irnftwerk enthttlt u&r Kern ungtftfhr 100 t ü?»sio »©psmlerwoise ia de? For» voa Uran-

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hindurch brennen und auf den Boden des Containments tropfe»· Das Containment besteht normalerweise aus Stahl und Beton und ist 1,5 m oder mehr dick und wird luftdicht gehalten. Ohne Vorrichtungen« um die Wärme in ausreichendem Hasse von dem Boden des Containments abzuführen« bleibt das geschmolzen® Urandioxyd« das die wärmeerzeugenden radioaktiven Materialien enthält* weiterhin flüssig und könnte durch den Containment-Boden hindurch schmelzen und so in die Umgebung entweichen und ein Gesundheitsrisiko für die Öffentlichkeit darstellen«

Gegenwärtig betrachtet man die Eiz&planung eines Einschmelzens

des Reaktorkerns nicht als notwendig« und zwar wegen der ä

grossen Anzahl überreichem Ausmass vorhandener Sieheriieits-Anlagen. Das Einschmelzen des Kerns« das dem gröesten hypo«* the tischen Keaktorunf all folgt« wird durch Sichern« itsftnlagon vermieden« die Kühlwasser für den Kern liefern. Sogar wenn diese Anlagen ausfallen« zeigt die Systemanalyse« dass ein geschmolzener Kern den Boden des Beaktordruokgeflssea nioht durchdringen kann« vorausgesetzt« dass er an seiner Äussem<seite von Wasser gekühlt ist. Jedoch wurde noch nie bewiesen, dass solche Vorrichtungen um den Austritt von Spaltprodukt?·»· aus dem Containment aus wirksam einet«,

Wenn man dagegen noch ernstere hypothetische Reaktorunfalle in Betracht zieht oder das gleichseitige Versagen Mehrerer | Sicherheitsanlagen annimmt« kann es eich als notwendig erweisen* bei der Planung von Kernkraftwerken die Auslegung auf das Einschmelzen des Kerns und die Durchdringung des Heakfeordruckgefässes zu rlohten·

Es sind schon Verfahren vorgeschlagen worden« um den geschmolzenen Kern nach Durchdringung des Reaktordruokgefäesee aufzufangen und aufzuhalten. Einige dieser Verfahren halten den Kern in geschmolzenem Zustand und beruhen auf der Wärmeab-

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fuhr ύ&Β siedend©» Tells Zusätzlich sollte der Wasser befinden·

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seite der Rohre kann auch verwendet -werden. Bum» dient die Wärme, die zum Schmelzen und ¥erdaapfen dieses zweiten Materials verbraucht wird, sur .Verfestigung. des gesetotolzeaen Xenunateriftle.

Der Einlass der Bohre ist an einen erhöhten Speiöhertank »»geschlossen und die Auslassleitung der Hehre beeitet ein©» ge· ringeren StOrmungsiflderstand*. so"-dass durch Änpfbildung to den Rohren durch einen Teaqperftturanstleg in Becken automatlseh eine Kühlraittelströaiutig vom Speiohertank durch die Rohre und zu ihrem Auslass -einsetzt· Auseerdein kann ei der Blalasselte des-Beckens ein© Kühlfalle verwendet werden« die ©ietiert, iass" diese Strömung in der richtigen Richtung einsetzt· Ia luslass kann auafflerdem. ein GAiipfabsclieidei'* vorgesehen sei» über don von Becken abgeführtes Was@er wieder den Speiehertank und den Beeteen- f einlass zugeführt wird«-Die Kapazität des Speiohertiuza&3 geloht »us, Uta die Strtaamg für aehrere Stundleji aufrooht au e?h&3Lten/ während weicher Seit der 'Tank- auch wieder aufgefüllt werden-.

kann» Die Flieh· des-Beckens ist ausreichend« um die-Dick© äee gesohmolzeaen Xsrninaterlale eo feleia su-hftXton»' daee'eioh, mneb seine obersten" Schichten unterhalb iÄree Sohaslzpunkts 'befia#en# Palls erf order IIoh„ kann die benötigte Flieh» daduroh verflagept;' werden* dass 'Pioeeen -oder Zapfen auf der Oberfläche dee Beekeiis vorgesehen werden_# Moduroh Kernimterial ia grueeere? Soliieiit« - dicke i» dta festen. Zustund Uberftihrt werdea kaan*' oder dft» ■ durch,ν dmss van der Qlcmviliehe - StrmhliagewSPBO zn dea seals« rechten lindeil <!@s.Beekeite abgefCllirt.ifircl^ - - . - Λ

Die Erfindung wird Jetzt anhand der beigefügten Zeichnungen ■beschrieben» In den Zeichnung«» steilen 4m %

■ ■ - Figur Ii lim· eelteneiuilebt tellweio® im fcInQiti· Cor

und

Figur Zt ■ teilweise im 8olmit*t eine im $όΓ geöretote . sieht der Figur Ii

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Das Auffangbttoken 26 ist auf dem Boden 24 des Containments direkt unter dem Druckgefäß 10 angeordnet· Es kann rund oder reohteckig sein. Das Becken besifcst ein® ebene Oberfläche 28 und nach oben stehende Ränder 30* -<*le es völlig ungetoen.. Das Becken besteht aus einer .Vielzahl won Bohren 32, die horizontal und parallel angeordnet sind und deren naofa oben gebogene Teile an den finden sich der -Kontur des Beckens anpassen· Die Enden auf einer Seite der Bohre sind an ein® Elnlaeslcopf-. leitung j}4 angeschweisst und die anderen Enden sind mn den Aue las sammler ~$S angeschwelsst. Die Iota®, sind alle zusammen«» gesohweisst und durch eine ausreichende ftetallraeiage wird ein flüssigkeitsdichter Boden und die aufstehenden Bündel* des Beckens hergestellt« UIe in Figur 3 dargestellt» bestehe .das Becken also, aus einer flttssigteltsdlehten Metalleintieit^ in die Kühlrohre 22 eingebettet sind und die eine festeebene Metallfläche 28 besitzt» Die so b®eohrleben© Anlüge besteht aus einer grossen Anssahl dicht benachbarter horissoattiler Rohre, die zn einer ^unterbrochen« Lage auf den Boden des Containments susanseiigeschtfeiset sind. Die Bohre und die Verbindungen zwischen ihnen bilden ein so dickes Beeten, d&@ den Auf prall des herunterfallende» g®ß@hn»ls8enen ■ Κ®κ&© οβ>- . ■ hilt. 'Das Becken ist auf dem.Beden des. Cbntainente

Die Einlasskopf leitung ^k iet ober eine Pftlleitung zugsweise über ein© KühlfAlle 39 wn den Speictertii&k 40 «α-geschlossen« Der Speichert·»!!: 40 ffllirt den in das gebetteten Rohren Ilihlwaseer 'zu· Seine Kapazität relent ame, um die Kühlwasserssufuhr für einige Stunden zu sichern t Diese. Wasserzufuhr ist immer verfügbar und beginnt autonatisoli^ wenn das. Wasser in den Kühlrohr©n due Beckens erhitzt wird® Falls notwendig« kann die Falleitung. ^S mit einem Httclcsclilag* ventil 32 anstelle der oder ssueätzlich zn der Kühlfmlla versehen sein.

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Eine Auslassleitung 44 ist an den Auslmssammler 3& angeschlossen und führt nach oben bis zu einer Höhe die wenigstens so gross ist wie die des Wasserspiegels im Speichert«* 40» Der Ausfluss dieser Ableitung kann in AtB Containment führen oder zu einemnicht dargestellten Bampfküliler oder einen Dampfabscheider 51 der Figur 8. Elia© Leitung 58 verbindet den Dampf abscheider 51 dem Speicherteiik 40 und söfeliesei dem Strömuingeweg you dem Auslassammler 36 und den Rohrenden au dar Einlaseköpfleitung 34« Der im Containment oder im SMqpfkUhler kondensiert© Dampf kann gesammelt und dem Speichert«* 40 zu erneuter Umwälzung zug®« führt werden.

Bei der in Figur 3

des Backens @© gross«
schmolzen® Kern nur ©ine dünne Schicht bildet«. Bsftei wird sich das geschmolzen© Kesniiiaterial -teim Kontskt mit deii Bdcken verfestigen. Die Tdiqpormtur dee StAhIe des Beokens Mira ©ich sehr schnell erhöhen* wenn Wta» v©m geeclnielaeiien'Kern auf den Stahl übertragen wird«» Ein© »«speiche»«!· SfeÄliesiige ©der aber ein um das geschmolzene K®n»&terial eoteeli zu kUhlen und zu verfestigen« ©toe Äse der Sc&sielapimlct <äee Stahls iberschritfeen wird und ohne dass der Mii»üto©F@Htg von Stahl a«ff da® Kühlwasser dabei ein© Holle spielt« Wenn ei» ateites MBteriml 53 mit relativ niedrigen Sohmelspuiskt (Wlgm?) a3. Blei,, ©Is Schicht oberhalb der wmssergeflllt©» lotee verwendet wird* vepdtiMit ©s in geachmolzenera Zustenä di&s Kenwateriai und veebe@s@rt so den Wärmeübergang v©n Ihm auf die tiassergefHilfe©® Hein?® 32» Dadurch kann'ein® grössere H®iige IemiiateFial bei gegebener Oberfläche des Beckens gekühlt werden <>

Sobald das geschmolzene EernnaterlAl &uf ums -Becken wird Wärme von dem heisnen Stahl auf das Kühlwasser in den Rohren 32 übertrugen. Das Kühlwasser wird verdampft «ad strömt

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durch den AuelassAmaler. Die Strömung setzt in Richtung AuBlaasemraler und Auslassleitung 44 ein, weil der Dampf in der Auslassleitung 44 einen geringeren Strömungswiderstand erfährt als in der Einlassleitung 38. Aueserdem kondensiert die gespeicherte Wassermenge im Tante 40 den Dampf der in dieser Richtung strömt und würde auf diese Welse einen grösseren Druckabfall in der Einlassleitung 38 als in der Auslassleitung 44 bewirken« wegen der höheren mittleren Dichte des Mediums in der Einlassleitung 38. Ausserdem kann das Rückschlagventil 42 und/oder eine Kühlfalle 39 verwendet werden, um die Dampfströmung von der Einlasskopfleitung 34 i duroh das Einlassrohr 38 zu verhindern» Da der DruolAbfall duroh das im Tank 40 gespeicherte Wasser grosser ist ale der Dampfwassermischung in der Auslassleitung 44, strömt das Wasser vom Speichertank in das Becken und ersetzt dort «ton gebildeten Dampf. Der Ausfluss des Beckens kann atie einer Zweiphaeenmlschung von Wasser und Dampf bestehen« Deshalb kann ein Dampfabscheider 51 (Figur 8) zur Wiedergewinnung des Wassers verwendet werden. Dieses Wasser kann Über eine Schwerkraft etrönung wieder den Speiehertank und dem Beokeneinlmss zugeführt werden. Der Spelohortank epeichtrt eine ausreichende Menge Kühlwasser, um die WKrme von dem Kernmaterial su entfernen und es In einem festen Zustand zu halten» Die erforder- ■ : ■ lichen Abmessungen des Beokene und der Rohrwand Im Boden des " Beckens kann wesentlich reduziert werden* wenn v®rgFÖiieert· " Oberflächen, wie as. B· Zapfen 46 (Figur 4) <?4»i*wen<tet werden, dl· mit den Kühlrohrtn des Beckens wUrmleltomü verbunden sind. Solch· Zapfen vergrösaiira die mit dna geiehtaolzonon oder verfestigten Xernmateriiil in Kontakt ettlitnd· Oberfläche und leiten dl· WKrm® 8ohnel.l«F «b« Bei «lnor solahtii Konstruktion kann «ine. dicker· Schicht g«8aluiol^n§n gekühlt und in verfestigtem Zustand gehalten werden.

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Ein anderes Verfahren asur Vergrösserung der Oberfläche bei Erhaltung der QeeamtgrOBs® des Beckens besteht aus einer Anzahl sich kreuzender Teilwinde 48 (Figur 5). die wärmeleitend an der Oberfläche 28 der Rohrwand 26 befestigt sind. Bei dieser Konstruktion wird das Kernmaterial in eine Anzahl kleiner Teiche aufgeteilt und ist von besonderem Vorteil in dem Fall« daee die Oberfläche des Becken© nicht ganz eben war oder sich verwirft.

Ausserdem kann es vorteilhaft sein_t ein Teil der Hirne in Form von Strahlungswärme vöe der Oberfläche des verfestigten Kernmaterials abzuführen. Dies kann dadurch erreicht werden«, dass die Kopf leitungen '*A und 36 tectigesogn werden und über die Rohre 32 naeh oben ljerauaetehen, wie g_e ß® bei '50 (Figuren 6 und 8) und sich eo über die Sotolettt «fes geschmolzenen Kernmaterials erheben« 8© äass tee iwoli di@s@ Rohre strömende Wasser und der dadurch stottmendo Dasipf durch Strahlung des KernnaterJLale erhitat' wird wid b& zusätzliche Wärm« abführt. Durch geeignete Mall der.öeonetei© kenn <äi@ so übertragene Strahlungewln» -ftuf die nmcti oben gebogenen Teil® de» Beokene.» dl« von den am Si« Kopf leitungen uige« sohlossenen Rohrenden gebildet werden₉ die natürliche.Zirku« latlon verbessern« indem ein Teil d®s vom Becken wegführenden StrbOungswegee direkt erhitzt

Bit von d$r Brf indwig worgesohliigme Sioh«rh@itsimlage' ist. VQllatindig fsiffitiv. li'gondieelohe Betätigungsiiigiml« oder En«rgitqu9llen sind Hiebt %vi®r-a&vXiim^ Der ei°Mlite Speichertunk liefert eine «uereiotestde MaeswiMiigee um äio Zerfallü» für DMiiir«r· Stunden sm entfernen <> Bus gesotuiolgena Kern-

wird ao eolmeli ves»fe8tigt_# «le ββ nit den verh&lt« nieiilissig kiiitiin nueeiviia Beoknn In Kontiilct könnt ·

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wird der Kern in festem Zustand gehalten^, so dass die Gefahr« dass geschmolzenes Kernmaterial aus Sprüngen oder Löchern auslauf t, die sioh im Becken oder der Grundfläche des Containments gebildet haben können, vermieden wird« Die bisher noch bestehenden Unsicherheiten im Zusammenhang mit der Behandlung geschmolzenen Kernmaterlals sind durch die Verfestigung dieses Materials beseitigt. Ausserdem ist es nicht erforderlich* dass das geschmolzene Kernmaterial direkten Kontakt mit Masser hat, so dass auch die Risiken auf Grund der Unkenntnis der damit verbundenen Vorgänge nicht auftreten. Sohliesslich kann nach Verfestigung des Kernmaterials der verfestigte Kuchen zur weiteren Wärmeabfuhr geflutet werden.

Anlauten

IjJ Patentansprüche 3 Blatt Zeichnungen mit 8 Figuren

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Claims

1.) Sicherheitssystem für den Fall des EineohaelseiiB des Kerns eines Kernreaktors mit einem Draokgefäss»"das von einem
Containment umgeben lot, dadurch gekesmsselohnet« dass in dem Containment unterhalb des DruokgefBeaea ein Becken ange«
ordnet ist» in das Bohre eingebettet sind« die über Einlass- und Auslassvorrlchtusigen mit einer Quelle für eine Kühl»
flüssigkeit verbunden sind.

2.) Sicherheitssystem n&c.h Anspvuoh 1, dadurch gekennzeichnet» dass die Auslassvorrichtung so gebaut und angeordnet ist»
dass unter der Wirkung der Schwerkraft kein kalte® Wasser den Rohren entströmt» dagegen dies© Strttnung äuroh Schwerkraft und Konvektion bei Erhitzung des nilwassere in den Rohren automatisch einsetzt«

3«) Sicherheitssystem itaoh Anepruoli I₉ dftdureti gekeimzeiolmet_f dass die Quelle für di® Kühlflüssigkeit in einem erhöht
angeordneten Speiohertank besteht«

4·) Sicherheltseysteii! na®ii Anspruch 1 %mä >_y daäareb gekenn»

zeichnet» dass die Auslassvorrichtungen ein Steigrohr enthalten« dessen Auslass wenigstens so hmh ml® der Flüssig» keitsspiegel im Speiohertank ist»

5·) Sicherheitseystem nach Anspruch 1_# dadureh gekennzelehnet,

' dass der Strumingsvteg dar lühlflUseigkeit ven den Auslas®» ' vorrichtungen zu den Einlasevorriohtimgon verläuft und ©inen Sammler für di© aus den Rohren austretend® Flüssigkeit enthalt.

6·) Sicherheitssystem nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet* dass der Sammler einen Dampfabscheider enthält·

7·) Sloherheltsanlage nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet ₉

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dass die Rohre la Boden und den Seiten des Beckens parallel angeordnet sind.

8.) Sicherheitsanlage nach Anspruch 1« dadurch gekennzeichnet» dass auf dem Boden des Beckens wärmeabsorblerende und -leitende Erhebungen vorgesehen sind. .

9·) Sicherheitssystem nach Anspruch 8, daduroh gekennzeichnet« dass die Erhebungen aus einer Vielzahl von Zapfen bestehen'.

10·) Sicherheitssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet« -dass die Erhebungen aus einer Vielzahl von Trennwänden * bestehen« die die Fläche des Beckens in verschiedene Behälter unterteilen·

11·) Sicherheitssystem nach Anspruch 1« dadurch gekennzeichnet, dass das Becken ein weiteres wärroeabsorbierendes Material« z. B* Blei enthält« das Wärme absorbiert und sie au den wassergefUllten Kühlrahren ableitet«

12.) Sicherheitssystem nach Anspruch 1« daduroh gekennzeichnet« dass der Spelohertank« die Elnlasevorrlohtungen und die Auslaasvorrichtungen alt ihrem Ausfluss Innerhalb des Contaiments angeordnet sind. |

13·) Sicherheitssystem nach Anspruch 1« daduroh gekennzeichnet, dass Behälter in der Waagerechten wesentlich grosser« Abmessungen hat als in der Senkrechten und ausserdem soviel metallische Masse besteht« dass der geschmolzene Kern zur Erstarrung kommt und duroh Zuführung der Kühlflüssigkeit Im festen Zustande gehalten wird«

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