DE4339904A1 - Vorrichtung zum Rückhalten einer heißen Schmelze, insbesondere einer Kernschmelze innerhalb der Ausbreitungskammer einer Kernreaktoranlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rückhaltevorrichtung mit einer mehrlagigen Schutzauskleidung zum Schutz der Trag- und Begrenzungsstruktur eines Ausbreitungsraumes, zum Zwecke der kontrollierten Ausbreitung und Kühlung einer heißen Schmelze, insbesondere einer Kernschmelze, die nach Austritt aus dem Kernreaktordruckbehälter einer nach dem Ausbreitungskonzept aufgebauten Kernreaktoranlage in eine Ausbreitungskammer leitbar und darin abkühlbar ist.

Eine solche Rückhaltevorrichtung ist beschrieben in dem Kon­ ferenz-Sonderdruck "Emerging Nuclear Energy Systems" 1989, ICENES′89, Karlsruhe, 03. bis 06. Juli, Proceedings of the 5th International Conference on Emerging Nuclear Systems, Seiten 19 bis 24, siehe insbesondere Fig. 1 auf Seite 23 in Verbindung mit dem Text auf Seite 21. Bei dieser bekannten Rückhaltevorrichtung ist innerhalb des Reaktorsicherheitsbe­ halters (Containments) direkt unterhalb des Reaktordruckbe­ hälters eine gekühlte Auffangwanne angeordnet, in welcher sich die Schmelze großflächig ausbreiten und in direktem Kon­ takt mit Wasser abkühlen kann. Der durch die Nachzerfalls­ wärme der Schmelze erzeugte Dampf kondensiert im oberen Teil der Stahlhülle des Reaktorsicherheitsbehälters und fließt von dort zurück zur Rückhaltevorrichtung. Im einzelnen ist der Boden der Auffangwanne mit einer Tragstruktur aus Doppel-T- Trägern bedeckt, und auf diese ist eine perforierte Stahl platte aufgelegt. Auf der Stahlplatte befindet sich ein "sacrificial concrete layer", diese Opferschicht ist im Flä­ chenbereich der Schildgrube, also unterhalb des Reaktordruck­ behälters, verstärkt. Das Kühlwasser ist innerhalb der Auf­ fangwanne und des von den Doppel-T-Trägern belegten Wannen­ raumes permanent vorhanden. Das Kühlwasser kann sich auch an der Oberseite der Opferschicht ausbreiten, d. h. auf der dem Reaktordruckbehälter zugewandten Oberfläche der Opferschicht. Es sollte aber möglichst ein sofortiger Kontakt einer aus der Bodenkalotte eines Reaktordruckbehälters austretenden Kern­ schmelze mit Wasser vermieden werden. Ferner ist bei der be­ kannten Rückhaltevorrichtung die Wasserschicht im Bodenbe­ reich der Auffangwanne die einzige Schutzschicht für den dar­ unter befindlichen Konstruktionsbeton. Die Erfindung geht von der Überlegung aus, den Schutz für die Trag- und Begrenzungs­ struktur, also die Boden- und ggf. Wandbereiche, der Auffang­ kammer zu verbessern. Außerdem soll die Rückhaltevorrichtung so aufgebaut sein, daß ein sofortiger Direktkontakt von her­ abfallenden Kernschmelzmassen mit dem Kühlwasser nicht ein­ treten kann, so daß eine Wasserkühlung vorgesehen sein kann, die verzögert und dosiert beginnt.

Allgemeiner gesprochen soll sich die vorstehende Aufgabe auch auf eine Rückhaltevorrichtung für eine heiße Schmelze bezie­ hen. Zusammengefaßt läßt sich die der Erfindung zugrunde lie­ gende spezielle Aufgabe wie folgt definieren: Bei einer nach dem Ausbreitungskonzept arbeitenden Rückhaltevorrichtung für eine Kernschmelze, bei der nach Ausbreitung der Kernschmelze diese an ihrer Außenoberfläche insbesondere mit Wasser ge­ kühlt wird, sollen die folgenden Probleme gelöst sein:

• - Verhinderung des Kontaktes der Kernschmelze mit der Trag- und Begrenzungsstruktur im allgemeinen und mit dem Gebäu­ destrukturbeton bzw. Konstruktionsbeton im besonderen und Verhinderung der Erosion dieses Betons;
• - Stabilisierung der Kernschmelze im Bereich der Schutzaus­ kleidung, insbesondere oberhalb der Schutz- und Isolier­ schicht;
• - Beeinflussung von Eigenschaften und Konsistenz der Kern­ schmelze, wie z. B. Viskosität, Schmelzpunkt, Fragmenta­ tion;
• - Reduzierung der durch die Kernschmelze entstehenden ther­ mischen Belastung auf die Trag- und Begrenzungsstruktur der Ausbreitungskammer.

Gegenstand der Erfindung ist die eingangs definierte Rückhal­ tevorrichtung, welche zur Lösung der gestellten Aufgabe aus­ gerüstet ist:
mit einer Schutzauskleidung, die wenigstens zweilagig und hierzu zusammengesetzt ist aus:

• - einer äußeren Opferschicht als Thermoschock-Barriere und als Aufschmelzsubstanz und
• - einer an die Innenseite der Opferschicht angrenzenden Schutz- und Isolierschicht für die darunter befindliche Trag- und Begrenzungsstruktur, die als thermischer Schutz und als Halteschicht für die heiße Schmelze besteht:
  • - aus einer an die Trag- und Begrenzungsstruktur angrenzen­ den ersten Teilschicht aus feuerfestem Beton, und
  • - aus einer an die Opferschicht angrenzenden zweiten Teil­ schicht aus temperaturbeständigen Keramiksteinen.

Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Rückhaltevorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 18 angegeben.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß die neue Rückhaltevorrichtung aufgrund ihres besonderen Schichtenaufbaus in der Lage ist, der chemi­ schen, der Druck- und der Temperaturbeanspruchung einer sich ausbreitenden Kernschmelze zu widerstehen, ohne daß die Trag- und Begrenzungsstruktur der Ausbreitungskammer in Mitleiden­ schaft gezogen würde, und zwar auch dann, wenn die Kern­ schmelze auf ihrer Unterseite nicht gekühlt wird. Eine Küh­ lung der Kernschmelze auf ihrer Oberseite ist zur schnellen Abführung der Nachzerfallswärme und aus Abschirmgründen vor­ teilhaft und liegt im Rahmen der bevorzugten Ausführung der Erfindung bei der Rückhaltung und Kühlung einer Kernschmelze. Bei einer heißen Schmelze, die keine Kernschmelze ist, kann u. U. auf eine Wasserkühlung der Oberfläche verzichtet werden.

Für die zweite Teilschicht der Schutz- und Isolierschicht ha­ ben sich ZrO₂-Steine als Keramiksteine besonders zweckmäßig erwiesen. Zur Lagensicherung der Keramiksteine ist die Schutz- und Isolierschicht bevorzugt an der Trag- und Begren­ zungsstruktur verankert. Ein günstiges Verankerungssystem be­ steht darin, daß an oder zwischen den Zirkonoxidsteinen mit feuerfestem Beton verfüllbare Hohlräume vorgesehen sind, wel­ che die Köpfe oder Muttern von Zugankern aufnehmen, und daß die Zuganker in der Trag- und Begrenzungsstruktur verankert sind und die erste Teilschicht aus feuerfestem Beton durch­ dringen.

Herstellungs- und montagetechnisch empfiehlt es sich, quader­ förmige Zirkonoxidsteine und zwischen diesen in horizontaler Richtung gesehen zueinander benachbarten Zirkonoxidsteinen Dehnfugen vorzusehen. Die Dehnfugen tragen dem Wärmeausdeh­ nungskoeffizienten der Zirkonoxidsteine Rechnung, welcher größer ist als derjenige von feuerfestem Beton.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Schutz- und Isolierschicht bzw. die Keramiksteine von einer Metall-, insbesondere einer Stahlplatte, abgedeckt. Man ge­ winnt dadurch eine weitere Barriere gegen Eindringen der Kernschmelze und einen wasserdichten Abschluß. Die Metall­ platte ist auf ihrer Außenseite bevorzugt von einer Opferbe­ tonschicht bedeckt. Ein solcher Opferbeton wird durch Auf­ schmelzen allmählich verbraucht; er verzögert das Aufheizen der Kernschmelze, kann diese dünnflüssiger machen und trägt dadurch zur Fragmentation bei. Unter Fragmentation versteht man die Ausbildung einer porösen, zerklüfteten Struktur der Kernschmelze, welche das Kühlwasser bis zu der noch flüssigen Restschmelze besser durchläßt als letztere. Die Opferschicht im allgemeinen bzw. der Opferbeton im besonderen dienen be­ vorzugt auch dazu, den Schmelzpunkt des Gemischs aus Kern­ schmelze und Opfermaterial zu erniedrigen. Die letzterwähnten Erkenntnisse sind bereits in der DE-OS 40 41 295 erwähnt, die allerdings eine Kernrückhaltevorrichtung betrifft, die nach dem Tiegelkonzept arbeitet. Das heißt, die Kernschmelze kann sich nicht großflächig ausbreiten, sondern wird in einem Stahltiegel, der unterhalb des Reaktordruckbehälters gelagert ist, aufgefangen.

Für die Oberfläche der Rückhaltevorrichtung, die als erste in Kontakt mit der Kernschmelze kommt, hat sich als besonders günstig eine Verkleidung mit einer Zirkonfaserschicht (Zirkonfilz bzw. Zirkonvlies) und mit einem die Zirkonfaser­ schicht abdeckenden auf diese aufgelegten Metallgitterrost erwiesen. Diese Doppelschicht aus Zirkonfasern und einem Me­ tallgitterrost kann unmittelbar unterhalb eines Liners oder einer Stahlplatte in einem Zwischenraum zwischen letzterer und einer Lage Keramiksteinen vorgesehen sein; sie kann aber auch als äußere Doppelschicht auf den Keramik-, insbesondere Zirkonoxidsteinen, aufgelegt sein. Zirkonfilz wie auch die Zirkonoxidsteine haben den Vorteil, daß sie durch Neutronen­ strahlung keine große Aufwärmung erfahren; Zirkon bzw. die Legierung Zirkaloy ist aus diesem Grunde wesentlicher Be­ standteil der Brennelement-Hüllrohre. Von Vorteil ist die ho­ he Temperaturbeständigkeit von Zirkon bzw. Zirkonoxidkeramik. Der Zirkonfilz mindert aufgrund ihrer Faserstruktur den Ther­ moschock, dem die Keramiksteine (zweite Teilschicht) ausge­ setzt sind. Der im Verbund auf den Zirkonfilz aufgelegte Git­ terrost hält den Zirkonfilz beim Ausfließen der Kernschmelze in seiner Lage, gleichzeitig führt die Gitterform soviel Energie ab, daß die Kernschmelze in den Gittermaschen nach kurzer Zeit erstarrt.

Je nach Leistung der Kernreaktoranlage und demzufolge je nach Menge der anfallenden Kernschmelze kann auf eine die Keramik­ steine abdeckende Stahlplatte (Liner) als Außenschicht noch eine Opferbetonschicht vorgesehen sein. Eine solche Opferbe­ tonschicht eignet sich besonders gut dazu, in diese ein Kühl­ system mit temperaturabhängig öffnenden Einspeisekanälen zu integrieren, so daß bei Kontakt mit der Kernschmelze dieser ein Kühlmittel zuführbar ist. Insbesondere ist die Opfer­ schicht oder Opferbetonschicht von einem Rohrleitungssystem durchzogen, dessen Rohre nach oben ragende, normalerweise verschlossene Einspeisstutzen aufweisen, welche bei Kontakt mit der Kernschmelze aufschmelzen.

Wenn die Oberflächenkühlung der Kernschmelze durch einen Kühlwasserfilm groß genug ist, dann kann es zur Kühlung der Kernschmelze von ihrer Unterseite genügen, eine Vielzahl von Kühlmitteldepots in Gestalt von aufschmelzbaren Behältern über die Grundfläche der Opferschicht verteilt in diese ein­ zubetten.

Bevorzugtes Kühlmittel ist normales (sogenanntes leichtes) Wasser, das nach seiner Verdampfung und Kondensation inner­ halb des Containments der Auffangkammer wieder vom innenlie­ genden Flutbehälter (sogenannter IRWST = In-Containment Refueling Water Storage Tank) zugeführt werden kann.

Die Trag- und Begrenzungsstruktur umfaßt insbesondere eine Bodenstruktur und - soweit Kontakt mit der sich ausbreitenden Kernschmelze besteht - auch eine Wandstruktur.

Mehrere Ausführungsbeispiele nach der Erfindung sowie weitere Merkmale und Vorteile werden im folgenden anhand der Zeich­ nung erläutert. In dieser zeigen in zum Teil vereinfachter Darstellung:

Fig. 1 Eine Rückhaltevorrichtung nach der Erfindung mit einer ersten mehrlagigen Schutzauskleidung in einem Quer­ schnitt des Bodenbereiches der Ausbreitungskammer;

Fig. 2 die Draufsicht II gemäß Fig. 1 auf den Ausschnitt eines äußeren Gitterrostes;

Fig. 3 die Gitterrost-Maschen der Einzelheit III aus Fig. 2 vergrößert dargestellt;

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Rückhalte­ vorrichtung nach der Erfindung mit einer zweiten mehrlagigen Schutzauskleidung, wobei ein Querschnitt durch einen Boden- und Wandbereich gezeigt ist;

Fig. 5 eine dritte Version einer Rückhaltevorrichtung mit einer dritten Ausführung einer mehrlagigen Schutzauskleidung in einem Querschnitt durch den Bodenbereich;

Fig. 6 eine Abwandlung der Rückhaltevorrichtung nach Fig. 1 mit einem zusätzlichen äußeren Liner und diesem zugeordne­ ten Kühlwasserzufuhr- und Dampfabströmstutzen (vierte Ver­ sion) in entsprechender Darstellung zu Fig. 1;

Fig. 7 eine fünfte Version der Rückhaltevorrichtung, bei der die äußere Opferschicht aus Opferbeton und darin inte­ griertem Kühlrohrsystem besteht;

Fig. 8 in einem Querschnitt durch den Bodenbereich eine sechste Version der Rückhaltevorrichtung in einer Abwandlung des Beispiels nach Fig. 7, wobei das Kühlrohrsystem durch wassergefüllte Stopfen ersetzt ist;

Fig. 9 eine Abwandlung der Ausführung nach Fig. 8 (siebte Version), bei der die äußere Opferschicht an ihrer Unterseite eine Stahlplatte aufweist, in entsprechender Darstellung zu Fig. 8;

Fig. 10 eine Abwandlung der fünften Version nach Fig. 7, bei welcher die Stutzen des in der Opferschicht eingebetteten Kühlsystems bei Kontakt mit der Kernschmelze einen Kühlwas­ serstrahl abgeben, der zumindest zu einer partiellen Fragmen­ tierung der auf diese Weise gekühlten Kernschmelzpartien führt, in entsprechender Darstellung zu Fig. 7 (achte Ver­ sion), und

Fig. 11 im Querschnitt und im Ausschnitt eine Kernreaktor­ anlage mit Reaktorgrube, darin befindlichem Kernreaktordruck­ behälter und einer über einen geneigten Kanal mit der Reak­ torgrube in Verbindung bringbaren Ausbreitungskammer, die mit einer Rückhaltevorrichtung nach der Erfindung ausgerüstet ist. Wegen der Gesamtdarstellung ist die Rückhaltevorrichtung in kleinem Maßstab gezeigt.

Zu der im Ausschnitt eines Bodenbereiches dargestellten Trag- und Begrenzungsstruktur A (im folgenden "Struktur") einer er­ sten Rückhaltevorrichtung RV1 nach Fig. 1 gehört eine Aus­ breitungskammer 5 einer Kernreaktoranlage. Die Struktur A bzw. Bodenstruktur A1 besteht im allgemeinen aus sogenanntem Konstruktionsbeton; vorhandene Armierungen wie Spannkabel oder Stahlträger sind der Einfachheit halber nicht darge­ stellt. Auf die Struktur A folgt die als Ganzes mit B be­ zeichnete Schutz- und Isolierschicht. Diese besteht aus einer an die Bodenstruktur A1 angrenzenden ersten Teilschicht B1 aus feuerfestem Beton und aus einer zwischen einer äußeren Opferschicht C und der ersten Teilschicht B1 angeordneten zweiten Teilschicht B2 aus temperaturbeständigen Keramikstei­ nen 1. Diese vorzugsweise quaderförmigen Keramiksteine 1 sind insbesondere Zirkonoxidsteine (ZrO₂-Steine). Zwischen einigen oder allen der einander benachbarten ZrO₂-Steine werden Fugen 2 und zweckmäßigerweise auch Dehnfugen 2′ vorgesehen. Dies gilt für alle im folgenden dargestellten Ausführungsbeispiele auch dann, wenn Dehnfugen 2′ nicht besonders dargestellt sind.

Die zweite Teilschicht B2 ist auf ihrer Außenseite abgedeckt durch eine Zirkonfaserschicht C1, die z. B. 20 mm stark ist und aus Zirkonfilz oder -vlies bestehen kann. Auf ihrer Außenseite ist die Zirkonfaserschicht C1 abgedeckt durch ei­ nen aufgelegten Metallgitterrost C2, dessen Dicke z. B. 30 mm beträgt und dessen Gitterstruktur in Fig. 2 und 3 in Drauf­ sicht und in vergrößerter Draufsicht dargestellt ist. Für die Schutz- und Isolierschicht B hat sich eine Dicke von ca. 500 mm und für ihre Teilschichten B1, B2 von je etwa 250 mm als vorteilhaft erwiesen. Gitterrost C2 und Zirkonfaserschicht C1 schützen die Keramiksteine 1 bei einer sich ausbreitenden Kernschmelze gegen mechanische Beanspruchung und bilden auch eine Wärmesenke. Zirkon und insbesondere ZrO₂-Steine oder -Keramik hat einen besonders hohen Korrosionswiderstand gegen­ über flüssigen Metallen oder Metallegierungen. Eine an ihrer Oberseite durch einen Wasserfilm gekühlte Kernschmelze, die sich auf der als Ganzes mit C bezeichneten Opferschicht aus­ breitet, kann also diese Opferschicht C nicht sogleich auflö­ sen, und die Bemessung dieser Schicht wird vorzugsweise so getroffen, daß die Kernschmelze zu erstarren beginnt, bevor die Schicht C "geopfert" ist. Die Weite w der Gittermaschen 3 beträgt z. B. 30 mm, die Breite b der Gitterstege 4 z. B. 10 mm.

Beim Ausführungsbeispiel einer zweiten Rückhaltevorrichtung RV2 nach Fig. 4 ist die Struktur A nicht nur mit ihrer Bo­ denstruktur A1, sondern auch mit ihrer Wandstruktur A2 im Ausschnitt dargestellt. Die Opferschicht C ist im Vergleich z. B. nach Fig. 1 derart abgewandelt, daß diese aus einer Stahlplatte C31 für den Bodenbereich und einer daran angren­ zenden Stahlplatte C32 für den Wandbereich besteht und ferner aus einer äußeren Schicht C41 aus Opferbeton für den Bodenbe­ reich und einer Schicht C42 aus Opferbeton für den Wandbe­ reich, wobei diese beiden Schichten C41 und C42 ebenso wie die Stahlplatten C31, C32 eine geschlossene Abdeckung bilden. In der Ausbreitungskammer 5 befindet sich, schematisch ange­ deutet, die Kernschmelze (oder allgemein: heiße Schmelze) 6. Auch hier ist die Bemessung der mehrlagigen Schutzauskleidung so getroffen, daß die generell mit C bezeichnete Opferschicht von der Schmelze 6 aufgeschmolzen oder aufgebraucht (geopfert) ist, wenn die Schmelze 6 in Erstarrung übergeht oder erstarrt ist.

Zur Vermeidung einer Verformung der Schutz- und Isolier­ schicht B und mit ihr der Opferschicht C unter der thermi­ schen, mechanischen und chemischen Beanspruchung durch die Schmelze 6 ist die Schutz- und Isolierschicht B an der Trag- und Begrenzungsstruktur A verankert. Hierzu sind an den Kera­ miksteinen 1, insbesondere den ZrO₂-Steinen, mit feuerfestem Beton 7 oder geeigneten Keramikstopfen ausfüllbare Hohlräume 8 vorgesehen, welche die Köpfe oder Muttern 9 von Zugankern 10 aufnehmen. Diese Zuganker 10 sind in der Struktur A veran­ kert und durchdringen die erste Teilschicht B1 aus feuerfe­ stem Beton sowie entsprechende Verankerungskanäle 11 in den Keramiksteinen 1, Zusätzlich zu den Verankerungsstellen 12 in der Struktur A können weitere Verankerungsstellen 13 im feu­ erfesten Beton B1 vorgesehen sein. Entsprechende Verankerun­ gen können in der Teilschicht B22 zwischen dieser und der Wandstruktur A2 vorgesehen sein. Die Verankerungen 9 bis 13 verhindern ein Aufschwimmen der zweiten Teilschicht B21 bzw. der Keramiksteine. Da die thermische Belastung bei der dar­ gestellten niedrigen Höhe der Kernschmelze 6 für die Wand­ struktur A2 nicht so hoch ist wie diejenige für die Boden­ struktur, so kann im Wandbereich, wie dargestellt, von einer Zwischenlage B1 aus feuerfestem Beton abgesehen werden. Die Dehnfugen zwischen den Keramiksteinen 1 sind wieder mit 2′ bezeichnet.

Bei der Rückhaltevorrichtung RV3 nach Fig. 5 entspricht die Schutzauskleidung mit den Schichten B1, B2 und C3 weitgehend derjenigen bei der Rückhaltevorrichtung RV2 nach Fig. 4; es ist lediglich die äußere Opferbetonschicht C41 (in Fig. 5 ist nur der Bodenbereich dargestellt) weggelassen, statt des­ sen ist die Stahlplatte C3 in ihrer Dicke vergrößert, z. B. auf eine Dicke von 80 mm. Zur Vermeidung von Verwerfungen der Stahlplatte C3 ist diese mit Stoßfugen 14 versehen, in deren Bereich die Teilplatten der Stahlplatte C3 formschlüssig in­ einander greifen. Vorhandene Dehnfugen zwischen den Keramik­ steinen 1 und den Stahlteilplatten 15 sind nicht besonders dargestellt.

Die Rückhaltevorrichtung RV4 nach Fig. 6 (die ebenfalls nur für den Bodenbereich dargestellt ist) unterscheidet sich von der Rückhaltevorrichtung RV1 nach Fig. 1 bis 3 dadurch, daß auf den Gitterrost C2 der Opferschicht C eine Stahlplatte C3 aufgelegt ist, die aus einzelnen Teilplatten 15 mit Stoß­ fugen 14 zwischen ihnen besteht. Diese auch als Liner zu be­ zeichnende Stahlplatte C3 ist mit Dampfabströmöffnungen 16 versehen, die zugleich Kühlwasser-Einströmöffnungen sind. An diese Öffnungen 16 sind in die Ausbreitungskammer 5 bzw. ei­ nen Ausbreitungsraum ragende Ein- und Abströmstutzen 17 ange­ schlossen. Diese Ein- und Abströmstutzen 17 dienen zum Ein­ strömen des Kühlwassers, wenn dessen Pegelstand oberhalb der Oberkante der Stutzen 17 gestiegen ist, so daß das Kühlwasser in den Zwischenraum zwischen Stahlplatte 3 und Zirkonfilz C1 in die Kammern des Gitterrostes C2 eindringen kann und so die Kernschmelze auch von unten gekühlt wird. Die Stutzen 17 die­ nen auch dem Ausströmen von eventuellem Dampf.

Die Rückhaltevorrichtung RV5 nach Fig. 7, die ebenfalls nur im Ausschnitt eines Bodenbereichs dargestellt ist, entspricht im Prinzip der Rückhaltevorrichtung RV2 nach Fig. 4, mit dem Unterschied, daß anstelle einer Stahlplatte ein Kühlsystem 18 in die Opferschicht C integriert und von einer Opferbeton­ schicht C4 abgedeckt ist. Bei dem Kühlsystem 18 handelt es sich insbesondere um über die Grundfläche der Rückhaltevor­ richtung RV5 verteilte Rohrleitungen 20. Es kann sich auch um einen flachen Kasten handeln, der durch Zwischenwände ver­ steift ist. In regelmäßigen Abständen befinden sich an dem Kasten bzw. den Rohrleitungen verschlossene Stutzen 19. Bei einer sich ausbreitenden Kernschmelze wird zunächst der Op­ ferbeton angeschmolzen, und die kleinen Kühlwasser-Austritts­ stutzen 19 werden in ihrem Deckbereich 19.1 ebenfalls ange­ schmolzen und öffnen sich deshalb. Diese Öffnung wird von dem vorhandenen Innendruck im Kühlsystem 18 unterstützt. Die Kernschmelze wird damit nicht nur von einem oberen Kühlwas­ serfilm (nicht dargestellt) gekühlt, sondern auch an ihrer Unterseite. Es tritt deshalb relativ rasch eine Fragmentie­ rung und Erstarrung der Kernschmelze ein, so daß deren weite­ res Eindringen über die Oberseite der Keramiksteine 1 in die Schutz- und Isolierschicht B verhindert ist.

Die Rückhaltevorrichtung RV6 nach Fig. 8 unterscheidet sich von derjenigen (RV5) nach Fig. 7 dadurch, daß eine Vielzahl von - in möglichst gleichmäßigem Raster über die Ausbrei­ tungsfläche verteilt - Kühlmitteldepots in Gestalt von auf­ schmelzbaren kleinen Behältern 21 über die Grundfläche der Opferschicht C vorgesehen und in diese eingebettet sind. Der Haupteffekt der Behälter 21 ist es, kleine lokale Eruptionen im Aufschmelzfalle herbeizuführen und damit eine Framentie­ rung der Kernschmelze, welche dadurch durchlässiger wird. Der Nebeneffekt ist eine geringfügige Kühlung. Der Opferbeton, in welchen die Behälter 21 eingebettet sind, ist wieder mit C4 bezeichnet.

Die Rückhaltevorrichtung RV7 nach Fig. 9 entspricht grund­ sätzlich derjenigen nach Fig. 8, bis auf das Merkmal, daß zwischen der zweiten Teilschicht B2 aus Keramiksteinen und der Außenschicht C4 aus Opferbeton und darin eingelassenen Kühlwasserbehältern 21 eine Stahlplatte C3 als Zwischenlage eingefügt ist. Diese Stahlplatte, die wieder aus Teilplatten 15 mit Stoßstellen 14 besteht, ist verhältnismäßig dick, z. B. hat sie eine Dicke von 80 mm. Die gesamte Opferschicht hat z. B. eine Dicke von 200 mm, die Opferbetonschicht C4 eine Dicke von z. B. 120 mm und die darin eingebetteten Kühlwasser­ behälter 21 haben eine Höhe von z. B. 100 mm. Der gewählte ge­ genseitige Abstand der Behälter 21 von 300 mm kann zur Inten­ sivierung der Fragmentierung der Kernschmelze noch verringert werden.

Die Rückhaltevorrichtung RV8 nach Fig. 10 entspricht grund­ sätzlich derjenigen (RV5) nach Fig. 7, mit dem Unterschied, daß die Stutzen 22 des Kühlsystems 18, die an entsprechenden Rohrleitungen oder Kastenkörpern 20 angeordnet sind, speziell so aufgebaut sind, daß sie im Moment des Aufschmelzens unter innerem Überdruck einen Kühlwasserstrahl 23 abstrahlen, wel­ cher zu einer partiellen Fragmentierung der oberhalb der Op­ ferschicht 10 befindlichen Kernschmelze 6 führt, wie es sche­ matisch angedeutet ist. Hierzu ist es besonders günstig, über die Stutzen 22 eine Kunststoffkappe 24 dichtend zu stülpen und den Füllstand im Kühlsystem 18 so zu bemessen, daß sich ein Luftpolster 25 jeweils innerhalb der Stutzen 22 ausbilden kann. Dieses Luftpolster 25 in Verbindung mit der Kunststoff­ kappe 24 wirkt als thermische Isolierung, so daß wenn das Ge­ misch aus Kernschmelze und aufgeschmolzenem Opferbeton C4 mit der jeweiligen Kunststoffkappe 24 in Berührung kommt, diese schlagartig durchschmilzt.

Fig. 11 zeigt eine allgemein mit RV bezeichnete Rückhalte­ vorrichtung, eingebaut in die Ausbreitungskammer 5 (auch als Ausbreitungsraum bezeichnet) einer Kernreaktoranlage. Von dieser sind lediglich im Ausschnitt dargestellt der Kernreak­ tordruckbehälter 26, der der Hauptbeststandteil einer Druck­ wasser-Kernreaktoranlage ist und innerhalb einer Reaktorgrube (auch als Schildgrube bezeichnet) 27 angeordnet und mittels einer Tragringkonstruktion 28 an einem Tragschild 29 aufgela­ gert ist. Zu erkennen sind weiterhin in entsprechenden Con­ tainmenträumen innerhalb der Betonkonstruktion 30 einer der (bei einer Vier-Loop-Anlage vier) Dampferzeuger 31, verbunden mit dem Druckbehälter 26 über Hauptkühlmittelleitungen 32 über eine (nicht ersichtliche) Hauptkühlmittelpumpe. An den Primärkreis über einen nicht ersichtlichen Druckschalter an­ geschlossen ist weiterhin ein Druckhalter-Abblasebehälter 33. Die Reaktorgrube 27 ist durch eine Wärmedämmung 34 unterteilt in einen äußeren, der Belüftung dienenden Spaltraum 35 und in einen inneren Inspektionsspaltraum 36. Unterhalb der Bodenka­ lotte 37 des Druckbehälters 26 befindet sich ein Raum 38, der nach unten begrenzt wird durch einen Sockel 39 aus feuerfe­ stem Beton, der in Richtung auf die Ausbreitungskammer 5 eine geneigte Ebene 40 bildet.

Oberhalb der geneigten Ebene 40 befindet sich ein entspre­ chend geneigter Kanal 41, der die Wand der Tragstruktur bzw. des Tragschildes 29 durchdringt und im Kernschmelzfalle eine Verbindung zwischen dem Raum 38 und der Ausbreitungskammer 5 herstellt. Der Kanal 41 ist im Normalbetrieb zweifach abge­ schottet, und zwar eingangsseitig durch eine durch die Kern­ schmelze zerstörbare Trennwand 42 und ausgangsseitig durch eine Dichtplatte 43. Letztere verhindert ein Eindringen von Kühlwasser in den Kanal 38, falls in die Ausbreitungskammer 5 irregulär Wasser eindringen sollte. Der Raum 38 ist in seinem dem Kanal 38 zugewandten Bereich größtenteils mit einem Ver­ drängungskörper 44, der durch die Kernschmelze aufschmelzbar ist, ausgefüllt. Der Verdrängungskörper 44 ist z. B. als Stahlkastenkonstruktion ausgeführt. Er verhindert eine Samm­ lung von Wasser in diesem Bereich, wodurch das Dampfexplosi­ ons-Potential reduziert wird. Die geneigte Ebene 40 (die auch eine flache Rinne sein kann) ist durch eine temperaturresi­ stente Schicht 45, z. B. aus Keramiksteinen, verkleidet, und auf dieser zugleich wärmedämmenden Schicht 45 befindet sich eine Opferschicht 46 aus einem temperaturbeständigen Materi­ al, z. B. einer Stahllegierung, welche sich bis zum Ausgang des Kanals 38 fortsetzt.

Die Rückhaltevorrichtung RV kann so ausgebildet sein wie eine der beschriebenen Rückhaltevorrichtungen RV1 bis RV8 nach Fi­ guren 1 bis 10. Dargestellt ist eine Struktur A als Teil der Betonkonstruktion 30 des Containments 47, umfassend eine Bo­ denstruktur A1 und eine Wandstruktur A2, bestehend aus Kon­ struktionsbeton. Die Schutzauskleidung der Struktur A besteht aus der unteren Schutz- und Isolierschicht B1, B2 und der darüber befindlichen Opferschicht C3, C5. Es bedeuten:

B1 = erste Teilschicht aus feuerfestem Beton,
B2 = zweite, die erste Teilschicht B1 bedeckende Teilschicht aus Keramiksteinen, insbesondere ZrO₂-Steinen,
C3 = Stahlplatte, im Wandbereich hinterfüttert mit Keramik­ steinen, insbesondere ZrO₂-Steinen,
C5 = äußere Lage der Opferschicht, bestehend aus Opferbeton.

Man erkennt, daß die Schichtung der Rückhaltevorrichtung RV nach Fig. 11 weitgehend derjenigen nach Fig. 4 entspricht. Zuganker sind in Fig. 11 wegen der relativ kleinen Darstel­ lung nicht gezeigt. Die Schichten B2 und C3 sind an der der Mündung des geneigten Kanals 41 zugewandten Seite der Rück­ haltevorrichtung RV nicht hochgezogen, damit die eventuelle Kernschmelze einen direkten Weg zum Boden der Rückhaltevor­ richtung RV nehmen und sich darin ausbreiten kann. Die Aus­ breitungskammer 5 und die Rückhaltevorrichtung RV haben einen vieleckigen Grundriß. Im Bereich der Trennwand zwischen Aus­ breitungskammer 5 und IRWST 50 befindet sich ein Verschlußor­ gan 48 in Gestalt eines etwa S-förmig gebogenen Rohrkrümmers, der an eine strichpunktiert angedeutete, geneigt verlaufende Rohrleitung 49 angeschlossen ist. Diese ist durch die Beton­ konstruktion 30 bis zu einem Kühlwasserreservoir 50 hindurch­ geführt und über ein Rohrknie mit einem Steigrohr 51 verbun­ den. Im normalen Betriebszustand befindet sich der Kühlwas­ serstand 52 weit oberhalb des oberen Endes des Steigrohres 51 bzw. seines Rohrknies 51.1, so daß vom Rohrknie bis zu diesem Wasserstand 52 ein Kühlwasservolumen von z. B. 220 m³ zuzüg­ lich Primärkreisvolumen zur Verfügung steht. Das Kühlwasser­ reservoir 50 wird auch abgekürzt als IRWST bezeichnet (= In- Containment Refueling Water Storage Tank). Durch die Steig­ leitung 51 ist gewährleistet, daß im Kernschmelzfalle das kalte Wasser am IRWST-Boden für die Kühlung zur Verfügung steht, wobei eine (nicht dargestellte) Luftentlastungsbohrung im Bereich des Rohrknies 51.1 dazu dient, die Heber-Wirkung in der Steigleitung 51 zu beenden, wenn der Wasserspiegel un­ ter das Rohrknie abfällt.

Das äußere Ende 48.1 des Verschlußorgans 48 ist z. B. als ein Kunststoffrohr ausgeführt, welches bei Kontakt mit der Kern­ schmelze aufschmilzt, auch dann, wenn sich in ihm Kühlwasser befindet. Im sehr unwahrscheinlichen Fall einer Kernschmelze würde sich diese im Raum 38 zunächst sammeln und, z. B. nach einer Haltezeit von 30 Minuten, den Verdrängungskörper 44 und die Trennwand 42 aufgeschmolzen haben, so daß sie sich durch den geneigten Kanal 41 bis zur Dichtplatte 43 am Ende des Ka­ nals 41 ausbreitet. Die Dichtplatte 43 wird in relativ kurzer Zeit aufgeschmolzen, so daß sich nunmehr Kernschmelze auf der Opferschicht C5 der Rückhaltevorrichtung RV großflächig aus­ breiten kann und dabei auch das Verschlußorgan 48 erreicht und dessen Mundstück zum Aufschmelzen bringt. Es kann nun das Kühlwasser aus dem Kühlwasserreservoir 50 seinen Weg über das Steigrohr 51, die Rohrleitung 49 und das Verschlußorgan 48 zur Oberfläche der Kernschmelze nehmen, wo es verdampft. Der Wasserdampf breitet sich im Containment 47 aus und konden­ siert zum größten Teil an den relativ kühlen Innenflächen des z. B. aus Stahl bestehenden Sicherheitsbehälters 53, der, wie es im linken Teil der Fig. 11 gezeigt ist, noch von einer Betonummantelung 54 (als Sicherheit gegen Flugzeugabsturz oder dergleichen) umgeben ist. Durch die Rückhaltevorrichtung RV, d. h. ihre Schichten - von außen nach innen gesehen - C5, C3, B2, B1 wird die in Fig. 11 nicht dargestellte Kern­ schmelze, sei sie flüssig oder zum Teil teigig oder schon fest, vom Konstruktionsbeton A, A1, A2 ferngehalten. Die Phase der intensiven Kühlung der Kernschmelze dauert dabei so lange, bis sie erstarrt ist. Dieser Erstarrungsprozeß kann noch beschleunigt werden durch eine Wasserkühlung von der Un­ terseite der Kernschmelze her, wie es anhand der Fig. 7 bis 10 erläutert wurde (in Fig. 11 nicht dargestellt). Der Wasserstand 55 oberhalb der Decke des Ausbreitungsraums 5 deutet den Wasserstand des Kühlwassers an für den Fall, daß das vorgesehene Kühlwasservolumen aus dem IRWST in den Aus­ breitungsraum 5 übergetreten ist, so daß sich im kommunizie­ renden IRWST 50 der gleiche Wasserstand 55 einstellt. Das Verschlußorgan 48 ist in verschiedenen Ausführungsformen in der älteren deutschen Patentanmeldung P 43 19 092.8 beschrie­ ben, auf die zur Vermeidung von Wiederholungen ausdrücklich bezug genommen wird.

Die Erfindung läßt sich mit Vorteil nicht nur bei Kernreak­ toranlagen im Falle des sehr unwahrscheinlichen Kernschmelz- Störfalls verwenden, sondern überall dort, wo es darum geht, Gebäudekonstruktionen vor einer heißen, sich ausbreitenden Schmelze zu schützen, also z. B. in Gießereien, für den Fall, daß die Schmelze aus ihrem normalen Schmelzbett in benach­ barte Gebäudezonen übertreten sollte.

Claims (17)

1. Rückhaltevorrichtung (RV, RV1-RV8) mit einer mehrlagigen Schutzauskleidung (B, C) zum Schutz der Trag- und Begren­ zungsstruktur (A) eines Ausbreitungsraumes (5), zum Zwecke der kontrollierten Ausbreitung und Kühlung einer heißen Schmelze, insbesondere einer Kernschmelze (6), die nach Aus­ tritt aus dem Kernreaktordruckbehälter einer nach dem Aus­ breitungskonzept aufgebauten Kernreaktoranlage, in eine Aus­ breitungskammer (5) leitbar und darin abkühlbar ist, mit einer Schutzauskleidung (B, C), die wenigstens zweilagig und hierzu zusammengesetzt ist aus einer äußeren Opferschicht (C) als Thermoschock-Barriere und als Aufschmelzsubstanz und einer an die Innenseite der Opferschicht (C) angrenzenden Schutz- und Isolierschicht (B) für die darunter befindliche Trag- und Begrenzungsstruktur (A), die als thermischer Schutz und als Halteschicht für die heiße Schmelze (6) besteht:

• - aus einer an die Trag- und Begrenzungsstruktur (A) angren­ zenden ersten Teilschicht (B1) aus feuerfestem Beton
• - und aus einer an die Opferschicht (C) angrenzenden zweiten Teilschicht (B2) aus temperaturbeständigen Keramiksteinen.

2. Rückhaltevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei­ te Teilschicht (B1, B21, B22) ZrO₂-Steine (1) als Keramik­ steine (1) aufweist.

3. Rückhaltevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutz- und Isolierschicht (B) an der Trag- und Begrenzungs­ struktur (A) verankert ist.

4. Rückhaltevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an oder zwischen den Zirkonoxidsteinen (1) mit feuerfestem Beton (7) verfüllbare Hohlräume (8) vorgesehen sind, welche die Köpfe oder Muttern (9) von Zugankern (10) aufnehmen, und daß die Zuganker (10) in der Trag- und Begrenzungsstruktur (A) veran­ kert sind und die erste Teilschicht (B1) aus feuerfestem Be­ ton durchdringen.

5. Rückhaltevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zir­ konoxidsteine (1) quaderförmig und zwischen in horizontaler Richtung gesehen zueinander benachbarten Zirkonoxidsteinen Dehnfugen (2′) vorgesehen sind.

6. Rückhaltevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutz- und Isolierschicht (B) bzw. die Keramiksteine (1) von einer Metall-, insbesondere Stahlplatte (C3, C31) abgedeckt sind.

7. Rückhaltevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Me­ tallplatte (C31) auf ihrer Außenseite von einer Opferbeton­ schicht (C41) bedeckt ist.

8. Rückhaltevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Metallplatte (C3) und der Schutz- und Isolierschicht (B) eine letztere abdeckende Zirkonfaserschicht (C1) aus Zirkon­ filz bzw. Zirkonvlies und ein auf diese Zirkonfaserschicht (C1) aufgelegter Metallgitterrost (C2) angeordnet sind.

9. Rückhaltevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutz- und Isolierschicht (B), insbesondere eine Teilschicht (B2) aus Keramik- bzw. Zirkonoxidsteinen, auf ihrer Außen­ seite abgedeckt ist durch eine Zirkonfaserschicht (C1) und einen darauf aufgelegten Metallgitterrost (C2).

10. Rückhaltevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutz- und Isolierschicht (B) bzw. die Keramiksteine (1) von einer Opferbetonschicht (C4) abgedeckt sind.

11. Rückhaltevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in die Opferschicht (C4) ein Kühlsystem (18) mit temperaturabhängig öffnenden Einspeisekanälen (19; 22) integriert ist, so daß bei Kontakt mit der Kernschmelze (6) dieser ein Kühlmittel zuführbar ist.

12. Rückhaltevorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Op­ ferschicht (C4) von einem Rohrleitungssystem (20) durchzogen ist, dessen Rohre nach oben ragende, normalerweise verschlos­ sene Einspeisstutzen (19; 22) aufweisen, welche bei Kontakt mit der Kernschmelze (6) aufschmelzen.

13. Rückhaltevorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Kühlmitteldepots (21) in Gestalt von aufschmelz­ baren Behältern über die Grundfläche der Opferschicht (C4) verteilt in diese eingebettet ist.

14. Rückhaltevorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, gekennzeichnet durch Wasser als Kühlmit­ tel.

15. Rückhaltevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Trag- und Begrenzungsstruktur (A) eine Bodenstruktur (A1) umfaßt.

16. Rückhaltevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Trag- und Begrenzungsstruktur (A) eine Wandstruktur (A2) umfaßt.

17. Rückhaltevorrichtung nach einem der Ansprüche 6, 8 oder 10, mit einem die Opferschicht (C) verkleidenden Liner (C3) oder einer entsprechenden Metallplatte, dadurch gekennzeichnet, daß der Liner (C3) bzw. die Metallplatte Dampfabströmöffnungen (16) und daran angeschlossene, in den Ausbreitungsraum (5) ragende Ab­ strömstutzen (17) aufweisen.