DE4306864A1 - Anordnung für die Sicherung eines Kernreaktors im Falle einer Kernschmelze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für die Sicherung eines Kernreaktors im Falle einer Kernschmelze, - mit einer unterhalb des Reaktordruckgefäßes angeordneten Auffangein­ richtung für das im Falle der Kernschmelze auslaufende Corium und einem Kühlsystem für das aufgefangene Corium. - Der Begriff Corium bezeichnet das bei einer Kernschmelze ablaufende geschmolzene Material, d. h. eine Mischung aus Uran, Zirkalloy-Stahl und anderen Elementen.

Bei der bekannten Anordnung, von der die Erfindung ausgeht (DE-PS 20 35 089), ist die Auffangeinrichtung ein offenes Sammmelbecken mit ebenem Beckenboden, Bordwänden und einge­ betteten Kühlrohren, die zu dem Kühlsystem gehören. Das Sammelbecken besteht z. B. aus Stahl, es kann jedoch auch schmelzendes Blei aufweisen, um das Corium zu verdünnen. Die Ausbildung und Anordnung sind so getroffen, daß, sobald das Corium auf den Boden des Sammelbeckens auftritt, die Wärme auf das Kühlwasser der Kühlrohre übertragen wird. Das Kühlwasser verdampft und der Dampf strömt ab. Insofern wird kein Thermosiphon-Effekt angewendet. Es handelt sich viel­ mehr um eine Verdampfungskühlung mit Dampfausblasung. Zum Kühlsystem gehören folglich einerseits ein Kühlwasser­ speicher mit Anschluß an die Kühlrohre und andererseits ein Dampfabscheider, wobei zwischen Dampfabscheider und Kühl­ wasserspeicher eine Verbindungsleitung vorgesehen ist. Die Oberfläche des Sammelbeckens soll so groß sein, daß aus sich darin ausbreitende Corium nur eine dünne Schicht bildet, die sich bei Kontakt mit dem gekühlten Boden des Sammelbeckens schnell verfestigt. Das Sammelbecken ist so groß, daß auf diese Weise das gesamte ausfließende Corium verfestigt werden kann. Wird die beschriebene Dünnschicht­ technologie verwirklicht, so sind die bekannten Maßnahmen aufwendig, und zwar auch in räumlicher Hinsicht. Das gilt auch dann, wenn an den Kühlrohren Elemente angebracht sind, welche die für den Wärmeübergang wirksame Fläche ver­ größern. Es ist nicht vorgesehen, das System aus vorge­ fertigten Bausteinen aufzubauen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung des eingangs beschriebenen Aufbaus und der eingangs be­ schriebenen Zweckbestimmung zu schaffen, die aus Bausteinen aufgebaut ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist Gegenstand der Erfindung eine Anordnung für die Sicherung eines Kernreaktors im Falle einer Kernschmelze, - mit einer unterhalb des Reaktordruck­ gefäßes angeordneten Auffangeinrichtung für das im Falle der Kernschmelze auslaufende Corium und einem Kühlsystem für das aufgefangene Corium, wobei die Kombination der folgenden Merkmale verwirklicht ist:

• a) Die Auffangeinrichtung ist ein Bauwerk aus Kokil­ lenelementen aus Gußeisen und/oder Gußstahl, die ein Ablaufsystem und ein Sammelsystem für das aus­ laufende Corium bilden,
• b) die Kokillenelemente weisen Kühlkanäle auf, die an ein Thermosiphon-Kühlsystem angeschlossen sind,
• c) das Thermosiphon-Kühlsystem bildet einen Kreislauf,

wobei die Gußeisen- und/oder Gußstahlmasse so bemessen sind, daß sie die Schmelzwärme des auslaufenden Coriums zumindest für den Zeitraum aufzunehmen in der Lage sind, der erforderlich ist, damit das Thermosiphon-Kühlsystem über seinen Thermosiphon-Effekt ausreichend Wärme abführt. - Der Begriff Kokille wird im Rahmen der Erfindung im gießereitechnischen Sinne verwandt. Im gießereitechnischen Sinne ist eine Kokille eine aus Metall, zumindest einer besonderen Kokillenlegierung, bestehende Form zum Gießen schmelzflüssiger metallischer Werkstoffe, Kokillenguß be­ zeichnet ein entsprechendes Gießverfahren. Wesentlich ist, daß beim Eingießen der Schmelze der Kokillenwerkstoff nicht schmilzt. Er ist so ausgewählt und die Dicke der Kokil­ lenwand ist so eingerichtet, daß die Schmelzwärme aufge­ nommen wird, ohne daß die Kokille durch Schmelzer­ scheinungen zerstört wird. Erfindungsgemäß ist das Corium das schmelzflüssige Metall. Die vorgefertigten Kokillen­ bausteine sind in die Auffangeinrichtung eingepaßt und zu Kokillen zusammengesetzt oder sind ihrerseits bereits fertige Kokillen, die zu einem Kokillensystem zusammen­ gesetzt sind. Der Ausdruck Kokille umfaßt auch Gießkübel. Durch die Anordnung wird sichergestellt, daß der Kokillen­ inhalt, d. h. das Corium bzw. das verfestigte Corium, entsprechend große Abstände in der gesamtvolumetrischen Anordnung haben, so daß Überkritikalität nicht eintreten kann. Die Kokillenelemente bestehen aus entsprechenden Werkstoffen, wie sie bei Gießereikokillen üblich sind. Die Auffangeinrichtung kann einem System von Gießereikokillen entsprechen. Die Erfindung nutzt die Tatsache, daß die heute in der Gießereitechnik üblichen Kokillen ohne weite­ res beispielsweise Brennschlacken mit einer Temperatur von 1600 bis 1800°C bzw. Produkte der chemischen Industrie mit einer Temperatur von ca. 2200°C aufnehmen können, ohne daß die Struktur der Kokillen zerstört wird, weil beispielsweise unkontrollierte Schmelzvorgänge auftreten. Das Volumen oder die Masse des Kokillenwerkstoffes sind hinreichend groß. Wesentlich ist für die Erfindung, aus­ gehend von diesen Voraussetzungen, daß die Guß­ eisen- und/oder Gußstahlmasse so bemessen ist, daß sie die Schmelzwärme des auslaufenden Coriums zumindest für den Zeitraum aufzunehmen in der Lage ist, der erforderlich ist, bis das Thermosiphon-Kühlsystem über einen Thermo­ siphon-Effekt ausreichend Wärme abführt. Man erreicht auf diese Weise, daß die aufgrund der vorhandenen Radionuklide erzeugte Nachwärme in der Größenordnung von ca. 0,1% der thermischen Leistung des Atomkraftwerkes über einen langen Zeitraum abgeführt werden kann, bis entweder mit einer Beseitigung des Kernkraftwerkes begonnen wird oder aufgrund der Wärmeleitfähigkeit der Anordnung die zu einem späteren Zeitpunkt produzierte Nachwärme in die Umgebung abgeleitet werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung sind im Regelfall die Kühlkanäle mit Wasser gefüllt und das gesamte System ruht gleichsam im Moment des Störfalls. Wenn das heiße Corium das Kokillensystem erreicht, wird das Kühlmedium erwärmt und aufgrund der dadurch entstehenden unterschiedlichen Dichte, anders ausgedrückt, des daraus resultierenden Auftriebes, steigt das Kühlmedium in die höher gelegenen Aggregate des Thermosiphon-Kühlsystems auf. Die anfallende Energie wird beispielsweise über Wärmetau­ scher an die Umgebung abgegeben. Man kann das Thermo­ siphon-Kühlsystem mit Wasser oder mit Luft betreiben. - System bezeichnet im Rahmen der Erfindung ein zur Erfül­ lung des Systemzwecks geordnetes Ganzes. Thermosiphon-Ef­ fekt bedeutet, daß aus Thermosiphon-Kühlsystem über thermisch bedingte Auftriebskräft funktioniert. Die Tat­ sache, daß erfindungsgemäß das Thermosiphon-Kühlsystem einen geschlossenen Kreislauf bildet, schließt nicht aus, daß Kühlwasser nachgespeist werden kann, wenn Undichtig­ keiten unvermeidbar sind. Es versteht sich, daß die Auf­ fangeinrichtung für die Aufnahme des gesamten auslaufenden Coriums eingerichtet ist.

Im einzelnen bestehen im Rahmen der Erfindung mehrere Möglichkeiten der weiteren Ausbildung und Gestaltung. So kann ein Teil der Kokillenelemente zu einem kegelförmigen Ablaufdom zusammengesetzt sein, und zwar mit zur Achse des Reaktordruckgefäßes koaxialer Domachse. Der Dom kann auch als einteiliges Bauteil gegossen sein. Die Kokillenelemente können im übrigen auch als Gefäße ausgebildet und/oder zu Gefäßen zusammengesetzt sein und bilden den Sammelraum oder die Sammelräume des Sammelsystems. Nach bevorzugter Ausfüh­ rungsform sind im Rahmen der Erfindung, wo zweckmäßig, Kokillenelemente aus Gußeisen- und/oder Stahlplatten mit eingegossenen Kühlkanälen und/oder Kühlrohren ausgeführt und z. B. als Bodenplatten des Sammelsystems angeordnet. Von besonderem Vorteil ist die Tatsache, daß übliche Gießereikokillen und/oder Gießkübel als Kokillenelemente eingesetzt werden können.

Wie bereits erwähnt, kann das Thermosiphon-Kühlsystem mit Wasser oder mit Luft betrieben werden. Erfindungsgemäß bildet das Thermosiphon-Kühlsystem einen geschlossenen Kühlwasserkreislauf mit Außenluftkühlturm, der einen entsprechenden Wärmetauscher aufweist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 das Schema eines Kernreaktors mit Anordnung für die Sicherung im Falle einer Kernschmelze,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Gegenstand der Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt in Richtung A-A durch den Gegenstand nach Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt in Richtung B-B durch den Gegenstand nach Fig. 2 und

Fig. 5 entsprechend der Fig. 1 ein Schema eines anderen er­ findungsgemäßen Kernreaktors.

Aus einer vergleichenden Betrachtung der Fig. 1 bis 4 ent­ nimmt man die Einzelheiten einer erfindungsgemäßen Anord­ nung für die Sicherung eines Kernreaktors im Falle der Kernschmelze. In der Fig. 1 erkennt man den Kernreaktor 1 mit dem Reaktordruckgefäß 2. Unterhalb des Reaktordruck­ gefäßes 2 befindet sich eine Auffangeinrichtung 3 für das im Falle der Kernschmelze auslaufende Corium. Im übrigen ist ein Kühlsystem 4 für das aufgefangene Corium vorge­ sehen.

Aus einer vergleichenden Betrachtung der Fig. 2 bis 4 entnimmt man, daß die Auffangeinrichtung 3 ein Bauwerk aus Kokillenbausteinen darstellt, die ihrerseits aus Gußeisen und/oder Gußstahl bestehen. Sie bilden ein Ablaufsystem 5 und ein Sammelsystem 6 für das auslaufende Corium. Die Kokillenelemente weisen Kühlkanäle 7 auf, die an ein Thermosiphon-Kühlsystem 12, 13, 14 angeschlossen sind. Das Thermosiphon-Kühlsystem bildet einen Kreislauf.

Die Gußeisen- und/oder Gußstahlmasse der gesamten Anordnung ist so bemessen, daß sie die Schmelzwärme des auslaufenden Coriums zumindest für den Zeitraum aufzunehmen in der Lage ist, der erforderlich ist, bis das Thermosiphon-Kühlsystem 12, 13, 14 über seinen Thermosiphon-Effekt ausreichend Wärme abführt. Es versteht sich, daß außerdem ausreichend große Abstände in der gesamtvolumetrischen Anordnung ver­ wirklicht sind, so daß Überkritikalität des auslaufenden bzw. ausgelaufenen Coriums nicht auftreten kann.

Im Ausführungsbeispiel und nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist ein Teil der Kokillenelemente zu einem kegelförmigen Ablaufdom 8 zusammengesetzt, und zwar mit zur Achse des Reaktordruckgefäßes 2 koaxialer Domachse. Im übrigen sind die Kokillenelemente als Gefäße ausgebildet und/oder zu Gefäßen zusammengesetzt, so daß sie Sammelräume 9 des Sammelsystems 6 bilden. Es sind im Ausführungs­ beispiel fernerhin Kokillenelemente als Gußeisen- und/oder Stahlplatten 15 mit eingegossenen Kühlkanälen 10 und/oder Kühlrohren ausgeführt und als Bodenplatten 11 des Sammel­ systems 6 angeordnet. Grundsätzlich könnte man auch mit üblichen Gießereikokillen und/oder Gießkübeln als Kokillen­ elemente arbeiten, die so aufgestellt und angeordnet werden, daß sie im Bereich der in den Figuren gezeichneten Sammelräume 9 von dem schmelzflüssigen Corium überflossen und gefüllt werden.

Im Ausführungsbeispiel bildet das Thermosiphon-Kühlsystem 12, 13, 14 einen geschlossenen Kühlwasserkreislauf mit Außenluftkühlturm 13, in dem der Wärmeübergang zwischen dem Kühlwasser und der Luft über einen Wärmetauscher erfolgt.

Die Ausführungsform nach Fig. 5 ist mit den eingetragenen und erläuterten Bezugszeichen ohne weiteres verständlich. Die Kokillenelemente sind hier Gießkübel 16, die nebenein­ andergestellt und mit Verteilerelementen 17 für das Corium versehen sind.

Claims (8)

1. Anordnung für die Sicherung eines Kernreaktors (1) im Falle einer Kernschmelze, - mit

• einer unterhalb des Reaktordruckgefäßes (2) ange­ ordneten Auffangeinrichtung (3) für das im Falle der Kernschmelze auslaufende Corium und
• einem Kühlsystem (4) für das aufgefangene Corium,

wobei die Kombination der folgenden Merkmale verwirklicht ist:

• a) die Auffangeinrichtung (3) ist ein Bauwerk aus Kokillenelemente aus Gußeisen und/oder Gußstahl, die ein Ablaufsystem (5) und ein Sammelsystem (6) für das auslaufende Corium bilden,
• b) die Kokillenelemente weisen Kühlkanäle (7) auf, die an ein Thermosiphon-Kühlsystem (12, 13, 14) angeschlossen sind,
• c) das Thermosiphon-Kühlsystem (12, 13, 14) bildet einen Kreislauf,

wobei die Gußeisen- und/oder Gußstahlmasse so bemessen sind, daß sie die Schmelzwärme des auslaufenden Coriums zumindest für den Zeitraum aufzunehmen in der Lage sind, der erforderlich ist, damit das Thermosiphon-Kühlsystem (12, 13, 14) über seinen Thermosiphon-Effekt ausreichend Wärme abführt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei Kokillenelemente zu einem kegelförmigen Ablaufdom (8) zusammengesetzt sind.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei Kokillenelemente als Gefäße ausgebildet und/oder zu Gefäßen zusammengesetzt sind und Sammelräume (9) des Sammelsystems bilden.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Kokillenelemente als Gußeisen- und/oder Stahlplatten mit eingegossenen Kühlkanälen (10) und/oder Kühlrohren ausgeführt und als Bodenplatten (11) des Sammelsystems angeordnet sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei übliche Gießereikokillen und/oder Gießkübel als Kokillenelemente eingesetzt sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Thermosiphon-Kühlsystem (12, 13, 14) einen geschlossenen Kühlwasserkreislauf mit Außenluftkühlturm bildet.