DE102004033701A1

DE102004033701A1 - Device for limiting damage to atomic reactor comprises collecting surface arranged below reactor for receiving collecting containers

Info

Publication number: DE102004033701A1
Application number: DE102004033701A
Authority: DE
Inventors: Ulrich G. Dipl.-Ing. Keth
Original assignee: P M C PROJEKT MAN CONSULT GmbH; Pmc Projekt Management Consult GmbH
Current assignee: P M C PROJEKT MAN CONSULT GmbH; Pmc Projekt Management Consult GmbH
Priority date: 2004-07-13
Filing date: 2004-07-13
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2024-07-14
Also published as: DE102004033701B4

Abstract

A device for limiting the damage to an atomic reactor comprises a collecting surface (3) arranged below the reactor for receiving collecting containers (7). The volume of the each container is smaller than the volume of the critical mass of a core melt forming in the reactor. The collecting containers are arranged on the low points of the collecting surface which are separated by protrusions (6).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schadensbegrenzung bei einem Atomreaktor.The The invention relates to a device for damage limitation in a Nuclear reactor.

Atomreaktoren, die auch als Kernreaktoren bezeichnet werden können, dienen als Wärmequelle in elektrischen Kraftwerken. Sie haben den Vorteil, daß sie keine fossilen Brennstoffe verbrauchen, was im Hinblick auf die abnehmenden Ölreserven auf der Erde günstig ist. Darüber hinaus haben sie praktisch keine Abgasemissionen, so daß die Luft bei der Erzeugung von elektrischer Energie nicht verschmutzt wird.Nuclear reactors, which can also be referred to as nuclear reactors, serve as a heat source in electric power plants. They have the advantage that they have no fossil fuels consume, resulting in the diminishing oil reserves cheap on earth is. About that In addition, they have virtually no exhaust emissions, so that the air is not polluted in the generation of electrical energy.

Allerdings ist der Betrieb von Atomreaktoren mit Risiken behaftet. Aus diesem Grund werden an die Sicherheit von Atomreaktoren erhöhte Anforderungen gestellt. Damit möchte man von vornherein das Auftreten von Unfällen vermeiden.Indeed The operation of nuclear reactors is fraught with risks. For this Reason will be increased demands on the safety of nuclear reactors posed. With that would like you avoid the occurrence of accidents from the outset

Der größte anzunehmende Unfall (GAU) bei Atomkraftwerken wird beschrieben durch das Versagen aller Kühlsysteme und das unkontrollierte Abschmelzen der Brennelemente und Moderatoren. Dies führt letztendlich zu einem Durchschmelzen des Bodens des Reaktorgefäßes. Die sich dann bildende Masse der Kernschmelze, die aus Brennstäben, dem Material des Reaktorgefäßes und Moderatoren sowie sonstigen mitschmelzenden Materialien besteht, liegt dann über der sogenannten kritischen Masse. In dieser Situation werden während des Spaltungsprozesses mehr Neutronen freigesetzt als absorbiert. Aus diesem Grund erhitzt sich diese Kernschmelze ständig weiter. Letztendlich wird sie den Betonboden des Reaktorgebäudes durchschmelzen und nach einer theoretischen Annahme erst im Erdmittelpunkt zur Ruhe kommen.Of the biggest to be accepted Accident (GAU) at nuclear power plants is described by the failure all cooling systems and the uncontrolled melting of fuel assemblies and moderators. This ultimately leads to melt through the bottom of the reactor vessel. The then forming mass of meltdown, consisting of fuel rods, the material of the reactor vessel and Moderators and other mitschmelzenden materials, is then over the so-called critical mass. In this situation, during the Cleavage process releases more neutrons than absorbs them. For this Reason, this meltdown continues to heat up. Ultimately, will they melt the concrete floor of the reactor building and after a theoretical assumption only come to rest in the middle of the earth.

Eine Kühlung der Kernschmelze ist derzeit wohl nicht beherrschbar. Das Einspritzen von Wasser würde zur sofortigen Entstehung von Knallgas führen und das Reaktorkontaminent weiter gefährden. Eine Kühlung würde nur helfen, wenn sie rechtzeitig eingeleitet wird. Dies setzt aber voraus, daß die Kühlsysteme noch funktionsfähig sind, was bei der Definition des GAU ausgeschlossen worden ist. Wenn also ein derartiger GAU, der auch als "Chinasyndrom" bezeichnet wird, eingetreten ist, kann man nur noch auf einen glücklichen Ausgang hoffen. Aktive Maßnahmen, um den Schaden zu begrenzen, sind derzeit nicht vorstellbar.A cooling the meltdown is currently unmanageable. The injection of water would lead to the immediate formation of oxyhydrogen gas and the reactor contaminant continue to endanger. A cooling only would help if it is initiated on time. But this assumes that the cooling systems still functional are what has been excluded in the definition of the GAU. So if such a GAU, which is also called "China syndrome", has occurred, can you only have to be happy Hope for the exit. Active measures, to limit the damage, are currently unimaginable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Atomreaktor in einem Schadensfall das sogenannte Chinasyndrom zu vermeiden.Of the Invention is the object of a nuclear reactor in a Damage case to avoid the so-called China syndrome.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Schadensbegrenzung bei einem Atomreaktor gelöst mit einer unterhalb des Atomreaktors angeordneten Auffangfläche, in der eine Vielzahl von Auffangbehältern angeordnet ist, wobei das Volumen eines jeden Auffangbehälters kleiner ist als das Volumen der kritischen Masse einer sich im Atomreaktor bildenden Kernschmelze, wobei die Auffangbehälter an Tiefpunkten der Auffangfläche angeordnet sind, die durch Erhebungen voneinander getrennt sind.These Task is in a damage limitation device in a Atomic reactor solved with a collecting surface arranged below the nuclear reactor, in of a variety of collection containers is arranged, wherein the volume of each collecting container smaller is as the volume of the critical mass one is in the nuclear reactor forming meltdown, wherein the collecting container arranged at low points of the collecting surface are separated by elevations.

Mit der Auffangfläche sorgt man dafür, daß die Kernschmelze in eine Vielzahl von kleineren Massen aufgeteilt wird. Jede Masse liegt dann unterhalb der sogenannten kritischen Masse, so daß die Kernreaktion über kurz oder lang zum Erliegen kommt. Ohne entsprechende Kernspaltung entsteht aber keine weitere Wärme, so daß sich die Kernschmelze nicht weiter aufheizt, sondern im Laufe der Zeit abkühlt. Das Abkühlen kann sich durchaus über einen längeren Zeitraum von mehreren Monaten oder sogar Jahren erstrecken. Der Schaden wird also nur begrenzt, nicht jedoch beseitigt. Die Auffangfläche ist dabei eine dreidimensionale geometrische Anordnung, bei der die flüssige Kernschmelze unter Wirkung der Schwerkraft in die einzelnen Auffangbehälter verteilt wird. Dadurch, daß die Kernschmelze in unkritische Massen aufgeteilt wird, stellt man vor dem Unfall eine Maßnahme zur Verfügung, die bei Auftreten des Unfalls die Folgen abmildert. Der Reaktor ist nach dem Unfall zwar unbrauchbar. Größere Schäden werden aber vermieden.With the collecting area do you make sure that the Meltdown is divided into a large number of smaller masses. Each mass is then below the so-called critical mass, So that the Nuclear reaction over sooner or later comes to a standstill. Without corresponding nuclear fission But there is no further heat, so that the meltdown does not continue to heat up, but over time cools. Cooling may well over a longer one Period of several months or even years. Of the Damage is therefore limited but not eliminated. The collection area is included a three-dimensional geometric arrangement in which the liquid meltdown distributed under the action of gravity in the individual collection container becomes. In that the Meltdown is divided into uncritical masses, one introduces the accident a measure to disposal, which mitigates the consequences when the accident occurs. The reactor is unusable after the accident. Major damage is avoided.

Vorzugsweise ist die Auffangfläche so profiliert, daß von jedem Punkt der Oberfläche eine unter dem Einfluß der Schwerkraft fließende Flüssigkeit nur in einen Auf fangbehälter gelangt. Man stellt also sicher, daß von jedem Punkt der Auffangfläche die Kernschmelze in einen Auffangbehälter abfließen kann und zwar nur in einen Auffangbehälter. Damit wird wiederum sichergestellt, daß die Auffangfläche über kurz oder lang frei von Kernschmelze ist und sich in jedem Auffangbehälter nur eine vorbestimmte maximale Masse von Kernschmelze ansammeln kann, die unkritisch ist. Wenn nun die Auffangbehälter im Erdboden angeordnet sind, dann spielt die erhöhte Temperatur, die die Kernschmelze noch hat, keine größere Rolle mehr. Eine Beeinträchtigung der Umwelt durch erhöhte Temperatur wird klein gehalten.Preferably is the collection area profiled so that of every point of the surface one under the influence of Gravity flowing Liquid only in a catch container arrives. It is thus ensured that from each point of the collecting surface the meltdown in a collection container can drain away and only in a collecting container. This in turn ensures that the collecting surface over short or long free of meltdown and is present in any catch tank only can accumulate a predetermined maximum mass of meltdown, which is uncritical. Now if the collection containers are placed in the ground are, then the increased plays Temperature that the meltdown still has, no greater role more. An impairment increased by the environment Temperature is kept low.

Vorzugsweise weist mindestens ein Auffangbehälter ein mit zunehmender Tiefe zunehmendes Gefälle auf. Dies führt dazu, daß sich die Kernschmelze beim Abfließen beschleunigt und sozusagen auseinanderzieht. Dies wiederum führt zu einer schnellen Verminderung der kritischen Masse und damit zu einem schnellen Beenden der Kettenreaktion, die letztendlich die Wärmeerzeugung in der Kernschmelze am Laufen hält. Sobald die Kettenreaktion beendet ist, beispielsweise dadurch, daß sich die Kernschmelze zu einem langgezogenen Strang auseinandergezogen hat, ist die größte Gefahr gebannt.Preferably, at least one collecting container has an increasing gradient with increasing depth. This leads to the fact that the meltdown accelerates when it drains off and pulls it apart, so to speak. This in turn leads to a rapid reduction of the critical mass and thus to a rapid termination of the chain reaction, which ultimately keeps the heat production in the meltdown running. Once the chain reaction is completed, for example by the fact that the Meltdown has pulled apart a long drawn strand, the biggest danger is banned.

Vorzugsweise weisen die Auffangbehälter einen Abstand zueinander auf, der kleiner ist als die mittlere freie Weglänge eines Neutrons der Kernschmelze. Mit anderen Worten ist der Abstand zwischen Auffangbehältern so groß gewählt, daß sich zwischen benachbarten Auffangbehältern eben keine Kettenreaktion ausbilden kann. Der kritische Abstand läßt sich leicht ausrechnen.Preferably have the collection container a distance to each other, which is smaller than the middle free path length a neutron of meltdown. In other words, the distance between collection containers chosen so large that between adjacent collecting containers just can not form a chain reaction. The critical distance let yourself easy to figure out.

Vorzugsweise sind Auffangbehälter mit einem moderierenden Material versehen. Das moderierende Material "bremst" die in der Kernschmelze vorhandenen Neutronen und trägt dazu bei, daß die Kettenreaktion der Kernspaltung schneller zum Erliegen kommt. Die Gefahr, daß sich Neutronen aus den Auffangbehältern herausbewegen, ist damit zwar nicht beseitigt. Diese Neutronen haben im Mittel aber eine geringere Energie, so daß die Gefahr, daß sie mit Kernschmelzenmassen aus benachbarten Auffangbehältern eine neue Kettenreaktion auslösen, ganz erheblich vermindert wird.Preferably are collection containers provided with a moderating material. The moderating material "slows down" those present in the meltdown Neutrons and bears help the chain reaction the nuclear fission comes to a halt more quickly. The danger that neutrons from the collection containers move out, so it is not eliminated. These neutrons have on average, however, a lower energy, so that the danger that they with Core melt masses from adjacent catch containers a new chain reaction trigger, completely is significantly reduced.

Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das moderierende Material in der Wand der Auffangbehälter angeordnet ist. Dort steht es dann an der richtigen Position zur Verfügung.This is particularly advantageous if the moderating material in the wall of the collection container is arranged. There it is then in the right position for Available.

Vorzugsweise enthält das moderierende Material Borsand. Borsand ist ein Material, das einerseits zu einer ausreichenden Energieverminderung der Neutronen führt, andererseits aber auch in ausreichenden Mengen zur Verfügung steht.Preferably contains the moderating material Borsand. Borsand is a material that on the one hand to a sufficient energy reduction of the neutrons leads, On the other hand, however, is also available in sufficient quantities.

Vorzugsweise weist die Auffangfläche eine hitzefeste Beschichtung auf. Die Kernschmelze kann durchaus eine Temperatur von mehreren 1000°C haben. Durch die hitzefeste Beschichtung wird dafür gesorgt, daß die Form der Auffangfläche auch nach dem Auftreffen der Kernschmelze erhalten bleibt.Preferably has the collection area a heat-resistant coating on. The meltdown can certainly a temperature of several 1000 ° C to have. The heat-resistant coating ensures that that the Shape of the collecting surface is retained even after the impact of the meltdown.

Hierbei ist bevorzugt, daß die Beschichtung eine Keramik oder Glas aufweist. Keramiken und Gläser lassen sich mit ausreichender Temperaturbeständigkeit herstellen.in this connection it is preferred that the Coating a ceramic or glass has. Ceramics and glasses let themselves with sufficient temperature resistance produce.

Vorzugsweise ist die Summe der Volumina aller Auffangbehälter größer als das maximale Volumen der Kernschmelze. Man sieht also "Reservevolumina" vor, so daß auch in ungünstigen Fällen sichergestellt werden kann, daß die Kernschmelze vollständig aufgenommen werden kann.Preferably the sum of the volumes of all collection containers is greater than the maximum volume the meltdown. So you see "reserve volumes", so that even in unfavorable make It can be ensured that the Meltdown completely can be included.

Vorzugsweise weisen die Auffangbehälter unterschiedliche Tiefen auf. Dies ist eine zusätzliche Maßnahme, um den Abstand der einzelnen Kernschmelzenmassen zu erhöhen.Preferably the collection containers have different Downs. This is an additional measure to increase the distance of the individual core melt masses.

Auch ist von Vorteil, wenn die Auffangfläche in regelmäßige Vielecke, insbesondere Sechsecke, aufgeteilt ist. Der Abstand zwischen einem Auffangbehälter und der Grenze zum benachbarten Auffangbehälter kann dann klein gehalten werden.Also is advantageous if the collection area is in regular polygons, especially hexagons, is divided. The distance between one receptacle and the boundary to the adjacent receptacle can then be kept small become.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:The Invention will be described below with reference to a preferred embodiment described in conjunction with the drawing. Herein show:

1 eine schematische Darstellung eines Atomreaktors mit Auffangfläche, 1 a schematic representation of a nuclear reactor with collecting surface,

2 eine Draufsicht auf die Auffangfläche und 2 a plan view of the collecting surface and

3 einen Schnitt III-III nach 2. 3 a section III-III after 2 ,

1 zeigt schematisch einen Atomreaktor 1 mit einem Reaktorgefäß 2, das über einer Auffangfläche 3 angeordnet ist. Das Reaktorgefäß 2 ist hierbei auf Stützen 4 gelagert, so daß ein gewisser Abstand zwischen dem Reaktorgefäß 2 und der Auffangfläche 3 vorhanden ist. 1 schematically shows an atomic reactor 1 with a reactor vessel 2 that over a collecting area 3 is arranged. The reactor vessel 2 is here on supports 4 stored, so that a certain distance between the reactor vessel 2 and the collection area 3 is available.

Die Auffangfläche 3 ist nun in den 2 und 3 näher beschrieben. Wie aus der Draufsicht auf die Auffangfläche 3 in 2 zu erkennen ist, ist die Auffangfläche 3 gebildet durch eine Vielzahl von regelmäßigen Sechsecken 5, die, wie dies aus 3 zu erkennen ist, an Erhebungen 6 aneinanderstoßen. Von jeder Erhebung 6 gibt es ein Gefälle in einen Auffangbehälter 7. Jede fließfähige Masse, also auch eine flüssige Kernschmelze, die auf die Auffangfläche 3 gelangt, fließt unter der Wirkung der Schwerkraft in die Auffangbehälter 7 ab.The collecting area 3 is now in the 2 and 3 described in more detail. As seen from the top view of the collecting surface 3 in 2 can be seen, is the collection area 3 formed by a variety of regular hexagons 5 That, like this 3 it can be seen from surveys 6 abut. From every survey 6 there is a slope in a container 7 , Any flowable mass, including a liquid meltdown, on the collecting surface 3 passes, flows under the action of gravity in the collection container 7 from.

Die Auffangbehälter 7 sind dabei in die Auffangfläche 3 integriert, d.h. die Auffangfläche 3 geht in die Auffangbehälter 7 über. Hierbei ist die Auffangfläche 3 so profiliert, daß die Auffangbehälter 7 mit zunehmender Tiefe ein zunehmendes Gefälle aufweisen. In einem in Schwerkraftrichtung unteren Bereich haben die Auffangbehälter 7 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine praktisch vertikale Umfangswand.The collection container 7 are in the collecting area 3 integrated, ie the collecting surface 3 goes into the collection container 7 above. Here is the collection area 3 profiled so that the collection container 7 have an increasing gradient with increasing depth. In a gravitational direction lower area have the collecting tanks 7 in the present embodiment, a virtually vertical peripheral wall.

Die Form der Auffangbehälter 7 kann von der dargestellten Zylinderform abweichen. Wichtig ist, daß das Volumen eines Auffangbehälters 7 so begrenzt ist, daß darin nur eine Masse der Kernschmelze aufgenommen werden kann, die kleiner ist als die kritische Masse der Kernschmelze. Eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion innerhalb eines Auffangbehälters 7 ist dabei nicht mehr möglich. Der Auffangbehälter 7 kann dabei durchaus eine abweichende Form aufweisen, beispielsweise die Form eines Kegels, einer Flasche, einer Pyramide oder einer anderen Form. Es ist auch möglich, daß im Auffangbehälter 7 mehrere Teilabschnitte gebildet werden, die durch Engstellen voneinander getrennt sind (nicht dargestellt).The shape of the collection container 7 may differ from the illustrated cylinder shape. It is important that the volume of a collection container 7 is limited so that only a mass of the meltdown can be recorded therein, which is smaller than the critical mass of the meltdown. A self-sustaining chain reaction within a catch tank 7 is no longer possible. The collection container 7 may well have a different shape, such as the shape of a cone, a bottle, a pyramid or an their shape. It is also possible that in the collection container 7 several subsections are formed, which are separated by bottlenecks (not shown).

Die Auffangbehälter 7 weisen einen Abstand A voneinander auf, der kleiner ist als die mittlere freie Weglänge eines Neutrons der Kernschmelze. Die einzelnen unterkritischen Massen, die in den einzelnen Auffangbehältern 7 aufgenommen ist, können also nicht so miteinander in Wechselwirkung treten, daß eine erneute selbsthaltende Kettenreaktion in Gang kommt. Vielmehr können die einzelnen Neutronen, auch wenn sie aus einem Auffangbehälter 7 herauskommen, praktisch nur die in dem "eigenen" Auffangbehälter 7 befindliche Kernschmelze beaufschlagen.The collection container 7 have a distance A from each other which is smaller than the mean free path of a neutron of the meltdown. The individual subcritical masses contained in the individual collection containers 7 is absorbed, so can not interact with each other so that a renewed self-sustaining chain reaction gets going. Rather, the individual neutrons, even if they are from a collection container 7 come out, practically only those in the "own" container 7 apply meltdown.

Die Auffangbehälter 7 können weiterhin ein moderierendes Material aufweisen, beispielsweise in ihrer Wand. Dieses moderierende Material kann beispielsweise durch Borsand gebildet sein oder Borsand aufweisen. Ein derartiges moderierendes Material bremst die freien Neutronen weiter ab, so daß eine Kettenreaktion über kurz oder lang zum Erliegen kommt.The collection container 7 may further comprise a moderating material, for example in its wall. This moderating material may for example be formed by boron sand or have boron. Such a moderating material further slows down the free neutrons, so that a chain reaction sooner or later comes to a standstill.

Die Auffangbehälter 7 können, wie dies aus 3 hervorgeht, auch unterschiedliche Tiefen aufweisen. Wenn man davon ausgeht, daß die Auffangbehälter nicht vollständig durch Kernschmelze gefüllt werden, sondern nur bis zu einer Aufnahmetiefe T, dann ist der Abstand zwischen benachbarten Volumina 8 der Kernschmelze weiter vergrößert.The collection container 7 can, like this 3 shows different depths. Assuming that the receptacles are not completely filled by meltdown, but only up to a receiving depth T, then the distance between adjacent volumes 8th the meltdown further increased.

Die Auffangfläche 3 trägt eine hitzefeste Beschichtung, insbesondere aus Keramik oder Glas. Eine derartige Beschichtung hat darüber hinaus den Vorteil, daß die Kernschmelze schneller abfließen kann.The collecting area 3 carries a heat-resistant coating, in particular ceramic or glass. Such a coating has the additional advantage that the meltdown can flow off faster.

Wenn sich die flüssige Kernschmelze nicht ganz gleichmäßig über die Auffangfläche 3 verteilt, ist es sinnvoll, Reservevolumina vorzusehen. Mit anderen Worten ist die Summe der Volumina aller Auffangbehälter 7 größer als das maximale Volumen der Kernschmelze.If the liquid meltdown does not spread evenly across the collection surface 3 distributed, it makes sense to provide reserve volumes. In other words, is the sum of the volumes of all collection containers 7 greater than the maximum volume of meltdown.

Sollte es also zu einem Durchbrennen des Reaktors kommen, dann entsteht zwar eine flüssige Kernschmelze. Diese Kernschmelze wird aber in die einzelnen Auffangbehälter 7 so abgefüllt, daß jeweils nur eine unkritische Masse entsteht. Damit ist die Kernschmelze kontrolliert deaktiviert worden. Der Reaktor 1 ist zwar unbrauchbar. Es ist auch davon auszugehen, daß Radioaktivität austritt. Ein Durchschmelzen des Kerns bis zum Erdmittelpunkt mit unabsehbaren Folgen wird jedoch verhindert.Should it come to a burn through of the reactor, then, although a liquid meltdown is formed. This meltdown is but in the individual collection container 7 filled so that only one uncritical mass arises. Thus, the meltdown has been deactivated in a controlled manner. The reactor 1 is unusable. It is also assumed that radioactivity escapes. A melting of the core to the center of the earth with unforeseeable consequences is prevented.

Claims

Damage control device for a nuclear reactor ( 1 ) with one below the nuclear reactor ( 1 ) arranged collecting surface ( 3 ), in which a plurality of receptacles ( 7 ) is arranged, wherein the volume of each collecting container ( 7 ) is smaller than the volume of the critical mass of an atomic reactor ( 1 ) forming core melt, wherein the collecting container ( 7 ) at low points of the collecting surface ( 3 ) by surveys ( 6 ) are separated from each other.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the collecting surface ( 3 ) is profiled so that from each point of the surface flowing under the influence of gravity liquid only in a collecting container ( 7 ).

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that at least one collecting container ( 7 ) has an increasing gradient with increasing depth.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the collecting container ( 7 ) have a distance (A) from one another which is smaller than the mean free path of a neutron of the meltdown.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the collecting container ( 7 ) are provided with a moderating material.

Apparatus according to claim 5, characterized in that the moderating material in the wall of the collecting container ( 7 ) is arranged.

Apparatus according to claim 5 or 6, characterized that this moderating material Borsand contains.

Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the collecting surface ( 3 ) has a heat-resistant coating.

Device according to claim 8, characterized in that that the Coating a ceramic or glass has.

Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the sum of the volumes of all collecting containers ( 7 ) is greater than the maximum volume of meltdown.

Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the collecting container ( 7 ) have different depths.

Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the collecting surface ( 3 ) in regular polygons ( 5 ), in particular hexagons, is divided.