DE2840086A1 - Kernreaktoranlage mit einer auffangeinrichtung fuer einen abschmelzenden reaktorkern - Google Patents
Kernreaktoranlage mit einer auffangeinrichtung fuer einen abschmelzenden reaktorkernInfo
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Description
P 9 393 BRE
Kernreaktoranlage mit einer A\iffangeinrichtung für
einen abschmelzenden Reaktorkern ___
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kernreaktoranlage, bestehend aus dem in einem Druckgefäß einge-
schlossenen Reaktorkern, der aus einer Vielzahl von Brennelementen aufgebaut und innerhalb einer Betonkaverne gelagert ist, Dampferzeugern und sonstigen Hilfseinrichtungen innerhalb einer druckfesten Stahl/Beton-Sicherheitshülle sowie einer Auffangeinrichtung unter-
halb der Reaktorkaverne für den im Falle eines höchst unwahrscheinlich eintretenden Unfalles abschmelzenden
Reaktorkern.
Ein solcher Unfall ist denkbar, wenn sämtliche, mehrfach vorhandenen Kühleinrichtungen für den Reaktor
kern versagen sollten. Bei einer solchen hypothetischen Annahme schmilzt der Reaktorkern in Stundenfrist nieder. Dabei sind in der Schmelze zunächst der Kernbrennstoff und das Material der Hüllrohre der Brennstäbe
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also z.B. Zirkonium oder Stahl enthalten. Diese Kernschmelze wird dann zunächst vom Reaktordruckbehälter
aufgefangen. Die Barrierewirkung desselben gegenüber dieser Schmelze ist jedoch beschränkt, da sich dieser
Behälter in seiner typischen Einbauposition praktisch ungekühlt aufheizt und seine Wärmekapazität trotz der
hohen Versagenstemperatur von 1300 bis 14000C relativ
schnell erschöpft ist.
Nach der Zerstörung des Bodens des Reaktordruckbehälters
fällt die Schmelze auf das Betonfundament im Reaktorraum. Sie setzt sich zu diesem Zeitpunkt beispielsweise
aus ca. 75 t Stahl, 120 t UO2 und 28 t Zry zusammen.
Nunmehr findet eine erste Abkühlung der Schmelze durch Wärmeleitung im Beton statt, sowie durch Strahlung von
der Oberfläche des Schmelzsees aus. Da jedoch auch der Beton bei etwa 13000C zu schmelzen beginnt, vermischt
sich dieser mit der Metallschmelze durch Konvektion. Dies ist mit einer Auflösung der Betonstrukturen verbunden,
so daß die Möglichkeit besteht, daß das Wasser des Reaktorsumpfes direkt oder indirekt mit der Schmelze
in Berührung kommt, verdampft und einen erhöhten Druckaufbau im Reaktorsicherheitsbehälter zur Folge
hat. Da aber auch der stählerne Reaktorsicherheitsbehälter
im Bereich des unteren Pols durchschmolzen wird, wird dieser damit geschwächt, so daß die Druckfestigkeit
desselben verringert wird.
Zum Stand der Technik sei auf die DE-AS 26 25 357 hingewiesen,
wonach Schlitze im Betonfundament vorgesehen sind, die eine vielfach größere Wandfläche als die
Querschnittsfläche des Reaktorkerns besitzen und damit die Kühlmöglichkeit der Kernschmelze über eine Wasserkühlung
oder auch Wärmerohre verbessern. Eine sichere
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Trennung des Wassers im Reaktorsumpf von der Kernschmelze wird jedoch durch diese Vorschläge nicht
gewährleistet.
Es stellte sich daher die Aufgabe, ein Auffangsystem zu finden, das die sichere Trennung von Reaktorsumpfwasser
und Kernschmelze gestattet bei gleichzeitiger Erhaltung der Festigkeit der Sicherheitshülle der
Reaktoranlage und Beherrschung der Wärmeabfuhr aus der Kernschmelze.
Die Lösung dieser Aufgabe liegt erfindungsgemäß darin, daß die Auffangeinrichtung aus einem die Sicherheitshülle durchsetzenden, mit wasserfreien, feuerfesten
Keramikelementen ausgekleideten, vertikalen Abflußkanal und einer darunter angeordneten Schmelzgrube
besteht. Die dazu von vornherein für den Abflußkanal mit einer öffnung am unteren Pol versehene Sicherheitshülle ist mit einem Ringzuganker zur Gewährleistung
der geforderten notwendigen Festigkeit versehen. Die unter der Reaktor-SicherheitshUlle angeordnete Schmelzgrube
ist mit einer wassergekühlten Stahlwand ausgekleidet und besitzt innere Einbauten, die von der
Kernschmelze relativ langsam aufgeschmolzen werden und durch die der Schmelze entnommene Schmelzwärme zur
Stabilisierung und Verringerung der Schmelztemperatur beitragen.
Die beiliegende Figur zeigt schematisch den Querschnitt
durch eine Kernreaktoranlage, aus der Lage und gegenseitige Zuordnung der Auffangeinrichtung
ersichtlich sind sowie die Funktion derselben erläutert wird. Diese Darstellung ist nicht maßstäblich,
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es sei bei dieser Gelegenheit auch darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Auffangeinrichtung nicht auf
leichtwassergekühlte Kernreaktoren beschränkt 1st, sondern sich auch bei anderen Kernreaktoranlagen in
entsprechender konstruktiv bedingter Abwandlung einsetzen läßt.
Der eigentliche Kernreaktor besteht aus dem Reaktorkern 11. Dieser ist vom Druckbehälter 1 umschlossen
und in der sogenannten Reaktorkaverne 12 eingebaut.
Diese ist Teil der Betoneinbauten 13t die auf der einen
Seite der Strahlungsabschirmung und auf der anderen Seite als Tragstrukturen für die übrigen Anlagenelemente,
wie Dampferzeuger und sonstige Hilfseinrichtungen
dienen, die hier der Übersichtlichkeit halber nicht näher dargestellt sind. Lediglich der Reaktorsumpf
ist dargestellt, dieser bildet einen Sammelraum für aus Primär- oder Sekundärleitungen austretendes Wasser,
das von dort wieder der Notkühlanlage des Kraftwerkes zugeführt werden kann.
Die bisher besprochenen Teile der Anlage befinden sich innerhalb einer kugelförmigen Sicherheitshülle aus
Stahl 2, die nochmals von einem Betonmantel 21 mit Abstand umgeben ist.
Im Unterschied zu bekannten Konstruktionen ist die Reaktorkaverne 12 nach unten nicht abgeschlossen, sondern
geht in einen Abflußkanal 3 über, der in die unterhalb der Sicherheitshülle 2 angeordnete Schmelzgrube
führt. Die dadurch notwendige Öffnung der Sicherheitshülle 2 ist mit einem Rdngzuganker 22 versehen, so
daß die Festigkeit dieses Bauteils von dieser Durchbrechung nicht beeinflußt wird.
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Der Abflußkanal 3 ist mit einer wasserfreien, feuerfesten Ausmauerung 23 aus Keramikelementen ausgekleidet,
damit beim Durchfließen der Reaktorschmelze kein Wasser frei werden und damit in der Sicherheitahülle
2 ein erhöhter Dampfdruck entstehen kann. Wie bereits erwähnt, mündet der Abflußkanal 3 in die eigentliche
Schmelzgrube 4, die mit einer wassergekühlten Stahlwand ausgekleidet ist. Innerhalb dieser Schmelzgrube
trifft die Kernschmelze zunächst auf einen Verteilkegel 42, ebenfalls aus wasserfreiem, feuerfesten
Material. Dieser Kegel 42 liegt auf einem wannenförmigen
mit wasserfreien Stoffen, wie Keramik, Basalt, Asbest o.a. gefüllten Schmelzabsorberbett 43,
dessen Außenwandung wieder aus Stahl besteht. Dieses Schmelzabsorberbett 43 ist auf einem keramischen Trag-■
sockel 44 gelagert, der auf dem Wannenboden 41 direkt aufsitzt und mit im wesentlichen radialen Ausbreitungsschlitzen für die eventuell durchdringende Kernschmelze
versehen ist.
Oberhalb des Schmelzabsorberbettes 43 ist dann noch ein kragenförmiges, wassergekühltes stählernes Strahlungsschild
45 angeordnet, das die Strahlungwärme von der umgebenden Betonstruktur abhält.
Die im Falle des höchst unwahrscheinlichen hypothetischen Unfalles entstehende, bereits eingangs erwähnte,
Schmelze fließt durch den Abflußkanal 3 aus dem Einflußbereich des Sumpfwassers 14 in die Schmelzgrube 4
ab· Zur Vermeidung eines Kontaktes der Kernschmelze mit normalem hydratisierten Beton werden die Ausflußstrukturen,
also insbesondere der Ausflußkanal 3 mit großtechnisch herstellbaren feuerfesten Keramiken ausgekleidet,
z.B. mit Feuerbeton, Asbest o.a. Unterhalb dieses Abflußkanals 3 gelangt die Kernschmelze auf
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einen ebenfalls aus wasserfreier Keramik aufgebauten Verteilkegel 42, der die ausfließende Schmelze auf ein
ebenfalls wasserfreies Schmelzabsorberbett 43 verteilt. Neben dieser Verteilereigenschaft wirkt dieser Kegel
zusätzlich als Strahlungsschirm zur Absenkung des Energietransportes aus der Schmelzgrube 4 in den
Sicherheitsbehälter 2.
Das Schmelzabsorberbett ist z.B. mit körnigem Basalt, Feuerbeton, Asbest o.a. gefüllt. Die Kernschmelze,
die eine wasserähnliche Viskosität aufweist, dringt in die Poren dieser Schüttung ein und wird zunächst
unter Verbrauch der Wärmekapazitäten des Schüttbettes abgekühlt. Anschließend wird auch das Schüttbett selbst
schmelzen und die dazu benötigte Schmelzwärme wird wiederum der Kernschmelze entzogen und kühlt diese
weiter ab.
Gleichzeitig wird auch die stählerne Wanne des Schmelzabsorberbettes
43 aufgelöst und die Schmelze gelangt über die in einem keramischen Tragsockel 44 eingearbeiteten
Ausbreitungsschlitze auf den Boden 41 der Schmelzgrube 4. Dieser Boden ist, wie auch die Seitenwände,
mit einer Wasserkühlung versehen, so daß in Anbetracht der inzwischen abgesenkten Temperaturen
der Kernschmelze keine weitere Temperaturerhöhung derselben mehr eintreten kann und diese vielmehr durch
ständige Kühlung schließlich erstarrt. Dieser Vorgang wird durch das bereits erwähnte kragenförmige Strahlungsschild
45, das ebenfalls wassergekühlt ist, unterstützt.
Zusammenfassend kann gesagt werden, daß durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Auffangeinrichtung die
Kernschmelze mit Sicherheit aus dem Bereich des Reaktor-
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sumpfes 14 entfernt wird. Weiterhin sind durch die Verwendung wasserfreier Keramiken Oxidation und Wasserstoffbildung
innerhalb der Kernschmelze praktisch ausgeschlossen. Der Wärmeeintrag in den Sicherheitsbehälter
2 aus der Kernschmelze durch Wärmeleitung ist relativ gering. Die Nachwärmeleistung der Kernschmelze, die
sich in der Schmelzgrube 4 befindet, kann ohne besondere Kühlung des Reaktorsicherheitsbehälters 2 abgeführt
werden, die Rückwirkung der Kernschmelze auf diesen Behälter ist gering. Der bereits erwähnte Schmelzabsorber
43 kann dabei so ausgelegt werden, daß sein Rückhaltevermögen
für die Kernschmelze mehrere Stunden beträgt, so daß die Kühlung der Wandung 41 der Schmelzgrube
mit Sicherheit in Gang gesetzt werden kann.
Die Kühlleitungen können dabei von außen über transportierbare Pumpen mit Flußwasser bzw. in der Nähe liegendem
Oberflächenwasser versorgt werden, unter Umständen kann auch hier ein Kühlkette aufgebaut werden, welche
die Nachwärmeleistung der Kernschmelze über Naturumlauf im Kühlturm des Reaktors abzugeben vermag. Selbstverständlich
wäre auch der Einsatz von Wärmeröhren möglich, wie er bereits eingang zum Stand der Technik
erwähnt wurde. Somit kann durch die vorstehend beschriebene Auffangeinrichtung die Umgebung einer Kernreaktoranlage
auch bei einem derart schweren Reaktorunfall unbeeinflußt gehalten werden.
1 Figur
4 Patentansprüche
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Claims (4)
- PatentansprücheKernreaktoranlage, bestehend aus dem in einem Druckgefäß eingeschlossenen Reaktorkern, der aus einer Vielzahl von Brennelementen aufgebaut und innerhalb einer Betonkaverne gelagert ist, Dampferzeugern und sonstigen Hilfseinrichtungen innerhalb einer druckfesten Stahl/ Beton-Sicherheitshülle sowie einer Auffangeinrichtung unterhalb der Reaktorkaverne für den im Falle eines höchst unwahrscheinlich eintretenden Unfalles abschmelzenden Reaktorkern, dadurch gekennzeichnet , daß diese Einrichtung aus einem die Sicherheitshülle (2) durchsetzenden, mit wasserfreien, feuerfesten Keramikelementen (23) ausgekleideten, vertikalen Abflußkanal (3) und einer darunter angeordneten Schmelzgrube (4) besteht«
- 2. Kernreaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Sicherheitshülle(2) für den Abflußkanal (3) durchbrochen und mit einem Ringzuganker (22) zur Gewährleistung der notwendigen Festigkeit versehen ist.
- 3. Kernreaktoranlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzgrube (4) eine wassergekühlte, stählerne Wandung (41) sowie ein darüber angeordnetes wassergekühltes, stählernes Strahlungsschild (45) besitzt.030012/0492
- 4. Kernreaktoranlage nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sohmelzgrube (4) folgende, innere Einbauten besitzt:a) direkt unterhalb des Abflußkanals einen feuerfesten Verteilkegel (42)b) darunter ein wannenförmiges, mit wasserfreien Stoffen, wie Keramik, Basalt, Asbest und ähnlichem, ge- fülltes Schmelzabsorberbett (43)c) darunter einen keramischen Tragsockel (44), der mit im wesentlichen radialen Ausbreitungsseklitzen für die eventuell durchdringende Kernschmelze versehen ist.030012/0492
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Non-Patent Citations (1)
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