DE2528120A1 - Tragkonstruktion fuer einen kernreaktorkern - Google Patents

Description

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Dr. Hans Ulrich May Z O Z ö I Z U

8 München 22 Thierechstr. 27 - Tel. 225051

CP 517/1384 München, den 24. Juni 1975

B 529Ö.3 PG Dr.M./cs

Commissariat ä 1»Energie Atomique in Paris/Frankreich

Tragkonstruktion für einen Kernreaktorkern

Die Erfindung betrifft eine Tragkonstruktion für den Kern eines mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktors, die besonders einen Kernfänger und Einrichtungen zum Kühlen des Kernfängers aufweist, welche die Restleistung des Kernbrennstoffs abführen, falls der Kern teilweise oder vollständig schmilzt und im Kernfänger aufgefangen wird.

Bekanntlich besteht der Kernfänger (im angelsächsischen Sprachgebrauch "core catcher") eines mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktors gewöhnlich aus einer mechanisch verbundenen und verschweißten Konstruktion, die unter dem waagrechten Gitterrost angeordnet ist, der in senkrechter Richtung die den Kern bildenden Brennelementanordnungen abstützt und selbst von einem Unterbau aus Metall getragen ist. Der Kernfänger wird gebildet von einem unter dem Gitterrost befestigten seitlichen, zylindrischen Reifen, der einen Boden von im ganzen kegelförmigem Profil aufweist, im Inneren dieses Reifens ist ein Zwischenboden angeordnet, der beispielsweise aus einer Reihe von offenen kreisrunden Schalen mit kegelförmigem Querschnitt besteht, die miteinander von einer zur nächsten Schale aufeinanderfolgende Ablaufrinnen bilden.

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In ebenfalls üblicher V/eise ist der Kern des Kernreaktors im Inneren eines ersten Behälters, des sogenannten Innenbehälters, angeordnet, der sich oberhalb des Gitterrostes erstreckt und selbst von einem zweiten, dem sogenannten Hauptbehälter, umgeben ist, der das zum Kühlen des Kerns dienende flüssige Metall, im allgemeinen Natrium, enthält. Dieses flüssige Metall durchströmt den Kern senkrecht aufsteigend, so daß das heiße Natrium sich am Ausgang des Kerns im Primär behälter sammelt, von wo es in die Wärmeaustauscher geleitet wird, wo es die aufgenommene Wärme abgibt. Diese Wärmeaus tauscher reichen in den Innenbehälter und durchstoßen dabei eine schräge Schikane desselben, so daß das abgekühlte Natrium am Ausgang der Wärmeaustauscher in den Raum zwischen den beiden Behältern gelangt, sich dort verteilt und von Primärförderpumpen angesaugt und unter Druck in das Innere des Gitterrostes gepumpt wird, von wo es erneut durch den Kern strömt. Der Kreislauf des als Kühlmittel dienenden flüssigen Metalls weist also drei HauptSammelleitungen auf, die miteinander durch die Wärmeaustauscher, die Primärpumpen und den Kern verbunden sind. Der Ausgang des Kerns und Eingang der Wärmeaustauscher bilden die vom Innenbehälter begrenzte heiße Sammelleitung. Der Ausgang der Wärmeaustauscher und Ansaugraum der Pumpen bilden die auch als Zwischenbehälter bezeichnete kalte Sajrnielleitung, die vom innenbehälter und Hauptbehälter begrenzt ist, und schließlich bildet der Ausgang der Pumpen und Eingang in den Kern die Hochdrucksammelleitung, die vom Gitterrost und den von den Pumpen zu diesem führenden Zuleitungen begrenzt ist. Gewöhnlich ist zwischen der Hochdrucksammelleitung und der kalten Sammelleitung ein Nebenkreis eingeschaltet, besonders um Leckagen von flüssigem Metall im Gitterrost aufzufangen, die in der Höhe der die Füße der Brennelementan-Ordnungen aufnehmenden Löcher desselben auftreten, wobei dieser Ne-

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benkreis besonders dazu dient, die Seitenfläche des Hauptbehälters zu kühlen und der Ablauf des Nebenkreises durch den Unterbau hindurch erfolgt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Tragkonstruktion dieser Art zu schaffen, die so ausgebildet ist, daß eine direkte Kühlung des Kernfängers bei einem Unfall mit Schmelzen des Kerns erreicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Tragkonstruktion dieser Art dadurch gelöst, daß der Reifen des Kernfängers mindestens eine oberhalb des Zwischenbodens angeordnete Trennwand aus Metall aufweist, welche den vom Reifen begrenzten Raum in zwei Bereiche unterteilt, von denen der eine zwischen der Trennwand und dem Gitterrost liegt und dauernd die vom Gitterrost im Bereich der Füße der Brennstoffelementanordnungen austretenden Leckmengen von flüssigem Metall aufnimmt, die unter der Unterseite des Unterbaus zur Seitenfläche des Hauptbehälters geleitet werden, und von denen der andere, zwischen der Trennwand und dem Boden des Kernfängers liegende Bereich mit der Umgebung des Reifens durch Abzugskanäle in Verbindung steht, welche durch den Unterbau in den zwischen dem Hauptbehälter und Innenbehälter liegenden Bereich führen.

Bei normalem Betrieb des Kernreaktors werden die Leckströme, die aus dem das flüssige Metall unter hohem Druck enthaltenden Gitterrost in der Höhe der Füße der Brennelementanordnungen in dem im Kernfänger zwischen der Trennwand und dem Gitterrost liegenden Bereich aufgefangen werden, durch Querkanäle in den Hauptbehälter geleitet und kühlen· dort dauernd dessen Innenfläche, besonders im Bereich zwischen dieser innenfläche und einer parallelen Leitwand. Wenn dagegen bei einem schweren Unfall die Brennelementanordnungen

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des Kerns schmelzen und der Kern nach Zerstörung der metallischen Trennwand vom Zwischenboden des Kernfängers aufgefangen vird, ermöglichen die in dem den Gitterrost stützenden Unterbau ausgebildeten Abzugskanäle das Entstehen von Kreisströmen des metallischen Kühlmittels durch natürliche Konvektion zwischen dem Zwischenboden des Kernfängers, der sich wegen der auf ihm ruhenden geschmolzenen Kernbrennelementanordnungen bei hoher Temperatur befindet, und dem zwischen dem Hauptbehälter und Innenbehälter liegenden Bereich, wo das flüssige Metall eine tiefere Temperatur hat. Diese Kreisläufe ermöglichen so eine Abführung der durch das Schmelzen des Kerns entstehenden Restwärme in den zwischen den beiden Behältern liegenden Bereich und damit eine Begrenzung der Unfallfolgen auf den Innenraum des Hauptbehälters und gewährleisten so einen wirksamen Schutz der außerhalb dieses Behälters liegenden Teile des Kernreaktors.

Die erfindungsgemäße Tragkonstruktion wird mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert anhand eines Ausführungsbeispiels. Bs zeigen:

- Fig. 1 einen schematischen axialen Schnitt eines mit schnellen

Neutronen arbeitenden Kernreaktors, der mit einer erfindungsgemäßen Kerntragkonstruktion ausgerüstet ist;

- Fig. 2 einen Ausschnitt in größerem Maßstab, der die besondere

Ausgestaltung der betrachteten Konstruktion, besonders des Unterbaus und des Kernfängers zeigt, und

- Fig. 3 eine Teilansicht im Schnitt längs der Linie III-III der

Fig. 2.

Fig. 1 zeigt einen mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktor, der in an sich üblicher Weise einen dickwandigen äußeren Schutzbehälter T, besonders aus Beton, aufweist, der einen Innenraum 2 be-

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grenzt, in dem ein Behälter 3 gehalten ist, der die Gesamtheit der Bestandteile des Kernreaktors aufnimmt. Dieser Behälter 3, der sogenannte Hauptbehälter, ist oben offen und an einem Verschlußdeckel 4 aufgehängt, der mit seitlichen Auflageflächen auf dem Schutzbehälter 1 aufliegt. Der Hauptbehälter 3 ist außen innerhalb des Hohlraums 2 von einem Behälter 5, dem Sicherheitsbehälter, umgeben und enthält ein entsprechendes Volumen eines flüssigen Metalls als Kühlmittel, im allgemeinen Natrium, das besonders in Berührung mit dem Kern 6 des Kernreaktors strömt, der im Inneren dieses Hauptbehälters angeordnet und in diesem durch einen Gitterrost 7 getragen ist. Der Gitterrost erstreckt sich waagrecht unter dem Kern und ist selbst von einem Unterbau 8 getragen, der von einer durchbrochenen Metallkonstruktion gebildet ist, die sich mit ihrem Umfang am Hauptbehälter 3 abstützt. Unter dem Gitterrost 7 ist ein Kernfänger 9 befestigt, der den Kern im Fall des teilweisen oder vollständigen Schmelzens desselben auffängt und einen Reifen 10 aufweist, der seitlich bei 10a durchbrochen und durch einen konischen Boden 11 mit Löchern 11a abgeschlossen ist und im inneren des Reifens einen Zwischen- oder Auffangboden 12 enthält. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird dieser Zwischenboden von einer Reihe aufeinanderfolgender Schalen mit konischem Querschnittsprofil gebildet, die von der einen zur anderen eine Reihe von kaskadenartig angeordneten Abflußrinnen bilden. Diese Schalen weisen an ihrem Boden Löcher 12a auf (Fig. 2), welche den freien Durchfluß des flüssigen Natriums durch den Zwischenboden 12 ermöglichen, während die Ränder der Schalen so angeordnet sind, daß jedes Loch am Boden einer Schale vom Rand der darüberllegenden Schale vor dem Überlauf des von dieser Schale kaskadenartig herabfließenden Natriums geschützt ist. Der Innenbereich des Kernfängers 9 ist durch eine verhältnismäßig dünne

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waagrechte Metallwand 13 in zwei Zonen 14 und 15 unterteilt, von denen die erste zwischen der Wand 13 und dem Boden des Gitterrostes 7 und die zweite zwischen der Trennwand 13 und dem konischen Boden 11 des Kernfangers liegt.

Der Kern 6 besteht in bekannter Weise aus einer Gruppe nebeneinander stehender Brennelementanordnungen 16, die jede einen unteren Fuß 17 aufweisen, der in entsprechend verteilte Bohrungen des Gitterrostes 7 einsetzbar ist, um das Brennelement senkrecht zu halten. Das kühlende Natrium durchströmt den Kern 6 von unten nach oben in Berührung mit den Brennelementen 16 und wird am Ausgang des Kerns in einer ersten Sammelleitung 18 aufgefangen, die im inneren des Hauptbehälters 3 durch einen Innenbehälter 19 abgegrenzt ist. Das heiße Natrium wird dann den Einlaßöffnungen 20 von Wärmeaustauschern 21 zugeleitet, die vom Verschlußdeckel 4 getragen sind und deren Gehäuse sich nach unten durch eine schräg verlaufende Ablenkwand 22 des Innenbehälters 19 erstreckt, so daß sich die Auslaßöffnungen 23 dieser Wärmeaustauscher in einer zweiten Sammelleitung 24 befinden. In dieser, vom Hauptbehälter 3 und Innenbehälter 19 begrenzten Sammelleitung 24 wird das kalte Natrium von den Einlaßöffnungen 25 der Primärkreispumpen 26 aufgenommen und durch Leitungen 27 von großem Querschnitt in den Gitterrost 7 zurückgepumpt, dessen Innenbereich 28 damit eine Hochdrucksammelleitung bildet.

Fig. 2 zeigt mit weiteren Einzelheiten die besondere erfindungsgemäße Ausführung des Kernfängers und der Tragkonstruktion. Wie aus dieser Figur ersichtlich ermöglicht die im Inneren des Reifens 10 des Kernfängers 9 befestigte und in diesem die beiden Zonen 14 und 15 trennende Trennwand 13 aus Metall eine zweckmäßige und dauernde Trennung des kalten Natriums im Inneren des Kernfängers. Der Bereich

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14 nimmt die von der Hochdrucksammelleitung 28 im Bereich der zum Einsetzen der Füße 17 der Brennelemente dienenden Löcher austretenden Leckmengen an Natrium auf und führt dieses kalte -unter Druck stehende Natrium durch Leitungen 29 (siehe linker Teil der Fig. 2), die unter dem unterbau 8 liegen, zu einem Ringraum 30, der von der Innenfläche des Hauptbehälters 3 und einer dazu parallelen Abschirmwand 31 begrenzt ist* Im Bereich 15 dient das bei geringerem Druck befindliche kalte Natrium bei normalem Betrieb des Reaktors zum Kühlen des Zwischenbodens 12 und des Unterbaus 8.

Die Betriebsverhältnisse sind selbstverständlich verschieden bei einem Unfall mit Schmelzen des Kerns 6 und Auffangen der Brennelemente 16 des Kerns auf dem Zwischenboden 12, nachdem die Trennwand 13 zerstört ist. in diesem Fall sorgt man gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung dafür, daß sich im Kernfänger 9 um diesen Zwischenboden 12 herum automatisch eine natürliche Konvektionsströmung von Natrium ausbildet, indem man den unter dem Zwischenboden liegenden Bereich 15 mit dem zwischen den Behältern 3 und 19 liegenden Sammelbereich 24 für kaltes Natrium durch eine Reihe von senkrechten Abzugskanälen 32 verbindet, welche durch den Unterbau 8 hindurchführen (siehe den rechten Teil der Fig. 2). Diese Abzugskanäle, die in Fig. 3 im Schnitt gezeigt sind, gestatten durch ihre Verteilung rings um die Achse des Kernreaktors einen dauernden Kreisstrom des Natriums, um die durch das Schmelzen des Kerns in der Höhe des Zwischenbodens 12 auftretende Restwärmeleistung abzuführen. Diese Abzugskanäle durch den Unterbau sind so verteilt, daß durch einige von ihnen das heiße Natrium zum kalten Sammelbereich fließt und durch andere das gleiche Natrium, nachdem es sich bei seinem Weg zum Sammelbereich und Mischung in diesem abgekühlt hat,

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zum Zwischenboden zurückgeleitet wird. Fig. 2 zeigt links das Abströmen des heißen und rechts das Zurückströmen des kalten Natriums. Selbstverständlich brauchen die Abzugskanäle nicht unbedingt alle senkrecht zu verlaufen, sondern es können mindestens einige von ihnen auch eine andere Richtung aufweisen, je nach der besonderen Gestaltung des Unterbaus, des Kernfängers und Gitterrostes·

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Claims (3)

^ 9 Patentansprüche 25281

1.) Tragkonstruktion für den Kern eines mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktors mit einem waagrechten Gitterrost, in den die Füße der den Kern bildenden Brennelementanordnungen eingesetzt sind und der eine Hochdrucksaramelleitung. für ein flüssiges Metall als Kühlmittel für diese Brennelementanordnungen bildet, das von unten nach oben durch den Kern strömt und sich in einem Innenbehälter sammelt, mit einem den Gitterrost tragenden durchbrochenen Unterbau aus Metall, der an seinem Umfang mit der Innenfläche eines den Innenbehälter umgebenden Hauptbehälters fest verbunden ist, und mit einem unter dem Gitterrost gehaltenen Kernfänger, der einen seitlichen zylindrischen Reifen und einen Boden aufweist und einen Bereich begrenzt,, der einen den Kern im Fall eines IMfalls mit Schmelzen auffangenden Zwischenboden enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Reifen (10) des Kernfängers (9) mindestens eine Trennwand (13) aus Metall aufweist, die oberhalb des Zwischenbodens (12) angeordnet ist und den vom Reifen begrenzten Raum in zwei Zonen (14,15) teilt, von denen die eine Zone (14) zwischen der Trennwand (13) und dem Gitterrost (7) liegt und dauernd die vom Gittern rost im Bereich der Füße (17) der Brennelementanordnungen (16) kommenden Leckmengen an flüssigem Metall aufnimmt und unter der Unterseite des Unterbaus (8) zur Oberfläche des Hauptbehälters (3) leitet, während die andere Zone (15) zwischen der Trennwand (13) und dem Boden (11) des Kernfängers (9) liegt und mit der Umgebung des Reifens durch Abzugskanäle (32) in Verbindung steht, die durch den Unterbau (8) hindurch ausgebildet sind und zu dem zwischen dem Hauptbehälter (3) und Innenbehälter (19) liegenden Bereich führen«

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-ίο. 252812Ü

2. Tragkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abzugskanäle (32) senkrecht durch den Unterbau (8) erstrecken.

3. Tragkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abzugskanäle (32) in einem Winkel von weniger als oder gleich 90° zur Senkrechten erstrecken.

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