DE1146598B - Sicherheitseinrichtung fuer die Gebaeude von Leistungskernreaktoren - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

S 74331 Vnic/21g

ANMELDETAG: 14. JUNI 1961

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 4. APRIL 1963

Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsvorrichtung auf der Grundlage der Kondensation des austretenden Wasserdampfes durch eine Wassersprühanlage für die Gebäude von Leistungskernreaktoren, die aus einem den Kernreaktor enthaltenden Gebäude und einem dieses umgebenden äußeren Druckbehälter bestehen.

Im Interesse der öffentlichen Sicherheit ist es notwendig, Reaktoren größerer Leistung vor allem dann, wenn sie in ihrem System große Energiemengen gespeichert halten, mit einer dichten Hülle zu umgeben, die den Austritt von Radioaktivität auch im Falle der schwersten Katastrophe verhindert.

Diese Forderung bekommt für Leistungsreaktoren mit Wasser als Kühlmittel erhöhte Bedeutung, weil dort die Energiespeicherung besonders groß ist. Bisher wurde die Lösung dieses Problems in einem dichten und druckfesten Behälter gesehen, der den Reaktor und die Primäranlagen umgibt und so konstruiert ist, daß er den Druck aushält, der sich aufbaut, wenn die gesamte im System gespeicherte und möglicherweise noch während der Katastrophe erzeugte Energie freigesetzt wird. Dieser Grundsatz führt zu Behältern von 20 bis 40 m Durchmesser für Drücke von 4 bis 7 atü, was etwa den Abmessungen heutiger Druckgasspeicherbehälter gleichkommt und grundsätzlich beherrscht werden kann. Allerdings ist dabei zu bedenken, daß eine große Zahl von Schleusen, Rohr- und Kabeldurchbrüchen das Problem bedeutend erschwert. Hinzu kommt noch, daß gleichzeitig mit der höchsten Druckbeanspruchung eine erhöhte Temperatur auftritt, deren Verteilung auf die verschiedenen Gebäude- und Behälterteile im allgemeinen sehr ungleich sein wird.

Zwar wird man in allen Fällen erwarten dürfen, daß die Stahlhülle standhält, aber im Inneren derselben werden durch Druck und Temperatur Zerstörungen großen Ausmaßes an Gebäude- und Anlagenteilen unvermeidlich sein. Das Ziel der weiteren Entwicklung ging und geht daher dahin, nicht nur die Umgebung vor Schäden zu schützen, sondern auch die Zerstörungen an der Anlage selbst so gut wie möglich zu verhüten.

Auf Grund dieser Überlegungen wurden schon Versuche durchgeführt, den Aufbau eines höheren Druckes und einer höheren Temperatur im Katastrophenfall von vornherein zu unterdrücken. In diesem Zusammenhang sind Verfahren zur Kondensation des austretenden Wasserdampfes durch Sprühanlagen, die durch besondere Schalteinrichtungen unter Zuhilfenahme von entsprechenden Meßanordnungen in Betrieb gesetzt werden, bekanntgeworden. Es ist nun für die Sicherheit eines Reaktors von ausschlaggebender Sicherheitseinrichtung für die Gebäude von Leistungskernreaktoren

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr. rer. nat. Albert Ziegler und Gerd Petersen,

Erlangen,
sind als Erfinder genannt worden

Wichtigkeit, daß die Einschaltung eines derartigen Sprühsystems mit absoluter Sicherheit erfolgt, da sonst bei irgendeinem kleinen Versagen in der Auslöseeinrichtung eine Katastrophe größten Ausmaßes eintreten würde.

Um dieses Ziel zu erreichen, wird erfindungsgemäß in der höchsten Stelle des druckfesten, stählernen Behälters ein Vorratstank für Sprühwasser angeordnet, dessen abgehende Sprühleitungen nach dem Prinzip des Saughebers von oben in den Vorratstank hineinführen und der abgeschlossene Luftraum oberhalb des Vorratstanks durch Rohrleitungen mit dem Raum innerhalb des Reaktorgebäudes verbunden, der den Reaktorkern enthält, und der unterhalb dieses Raumes und außerhalb des Reaktorgebäudes befindliche Montageraum mit mehreren Sprühanlagen versehen, die an die aus dem Vorratsbehälter kommenden Leitungen angeschlossen sind.

Die Erfindung wird im Prinzip an Hand der Zeichnung erläutert.

Das eigentliche Reaktorgebäude aus Beton ist mit 2 bezeichnet. Es wird von einer zylindrischen Stahlhülle 3 in etwa 1 m Abstand umgeben. Dieser oben mit einer halbkugelförmigen Kalotte abgeschlossene Stahlzylinder ist im Boden besonders verankert. Er enthält direkt unterhalb der kugelförmigen Kalotte einen Wasserbehälter 4, der mit etwa 500 cbm Wasser gefüllt ist. Im Reaktorgebäude aus Beton befindet sich der eigentliche Reaktorraum 21, der denReaktorkern enthält und der mit den übrigen um ihn herum angeordneten Betriebs- und Experimentierräumen 22 durch Druckausgleichsleitungen 8 verbunden ist. Im

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normalen Betrieb sind diese Druckausgleichsleitungen mit Platzmembranen 82 verschlosser Die Ausgleichsleitung 81 führt in den etwa 9 m hohen, unterhalb des eigentlichen Reaktorraumes und außerhalb des Reaktorgebäudes 2 liegenden Montageraum und mündet in der Nähe des Bodens desselben. In diesem Montageraum befinden sich Wassersprühanlagen 67 und 68, die durch Rohrleitungen 61, 62, 63, 64 und 65 mit dem Wasserbehälter 4 unter der Kuppel des Stahlbehälters verbunden sind. Weitere Sprühanlagen 66 sind oberhalb des aus Beton bestehenden Reaktorgebäudes 2 angeordnet und ebenfalls mit dem Wasserbehälter verbunden. Der Luftraum diese» Wasserbehälters 4 steht über die Leitung 7 mit dem eigentlichen Reaktorraum 21 in ständigem Druckausgleich. In einige der Leitungen, z. B. in die Leitung 65, ist ein in einem der Räume 22 angeordneter Kondensator 69 eingeschaltet.

Die Wirkungsweise der gesamten Anordnung ist folgende:

Im Falle eines Bruchs im Reaktorsystem tritt ein Dampf-Wasser-Gemisch aus, wobei zunächst eine Entmischung stattfindet. Das Wasser sammelt sich am Boden, und der Dampf verteilt sich durch die Ausgleichsleitungen 8, die etwa einen Querschnitt von 2 qm besitzen, in die übrigen Räume und auch in den unteren Montageraum 23. Die Ausgleichsleitungen werden durch Platzen der Membranen 82 geöffnet, der dazu notwendige Überdruck beträgt einige Zehntel atü. Dieser Druck wird auch über die Verbindungsleitungen 7 auf den Luftraum oberhalb des Wasserbehälters 4 übertragen. Dadurch wird das in diesem Behälter befindliche Wasser — noch vor dem Druckausgleich infolge des Platzens der Membranen 82 — in die von oben in dieses Becken hineintauchenden Leitungen 61 bis 65 gedrückt, so daß das Wasser nunmehr nach dem Saugheberprinzip durch die Leitungen nach abwärts strömt.

Bei einer Gesamthöhe des Stahlbehälters von 40 m ergibt sich ein Wasserdruck von etwa 4 atü in dem unteren Raum 23, so daß damit eine intensive Besprühung möglich ist. Durch einige Sprühanlagen 66 oberhalb des Betongebäudes 2 in etwa 26 m Höhe, dies entspricht einem Druck von etwa 1,5 atü, kann der zylindrische Ringraum entlang der Stahlhülle von oben berieselt werden.

Wie aus der Figur ersichtlich ist, tauchen die Leitungen 61 bis 65 verschieden tief in die Wasserfüllung 5 des Vorratstanks 4 ein. Dies hat zur Folge, daß zu Beginn der Sprühtätigkeit alle Rohre Wasser führen und mit sinkendem Wasserspiegel einzelne Rohre für die Wasserführung ausscheiden. Dadurch wird zu Beginn des Reaktorunfalls mit sehr großer Energie gesprüht, aber nach Beseitigung der Druckspitze nur mehr mit einem Teil der Leistung und damit die Sprühzeit wesentlich verlängert.

Beispielsweise könnte mit zehn Leitungen NW 100 mindestens eine Sprühmenge von 0,5 cbm/Sek. erreicht werden, so daß ohne Nachpumpen die Sprühung mindestens 15 Sekunden anhalten würde. Diese Zeit gilt für den Fall, daß sämtliche Saugleitungen gleich tief in den Vorratsbehälter hineintauchen. Durch die abgestufte Eintauchtiefe derselben wird diese aber entsprechend verlängert. Zur zusätzlichen Kondensation dieses austretenden Wasserdampfes dienen noch die in den Räumen 22 angeordneten Flächenkondensatoren 69, die vom durchfließenden Sprühwasser gekühlt werden.

Eine derartige Sprühanlage zur Kondensation des austretenden Wasserdampfes benötigt keine besonderen Auslöseeinrichtungen und kann als absolut betriebssicher bezeichnet werden.

Voraussetzung dabei ist allerdings, daß der Wasserstand im Vorratsbehälter so hoch ist, daß bereits vor dem Reißen der Platzmenbranen, also noch vor dem Druckausgleich, das Wasser in die Sprühleitungen gedrückt wird.

ίο Durch die damit erzielte Kondensation des austretenden Wasserdampfes wird eine so wirksame Druckentlastung ermöglicht, daß die Stahlhülle für einen wesentlich niedrigeren Druck, als bisher üblich, also z. B. etwa nur 2 atü, ausgelegt werden muß.

Diese Sicherheitseinrichtung hat daher nicht nur den Vorteil, daß der Stahlbehälter wesentlich leichter und damit billiger gehalten werden kann, durch die Vermeidung der Druck- und Temperaturspitzen werden auch größere Zerstörungen innerhalb des Reaktorgebäudes und an den Anlagen vermieden. Außerdem wird der größere Teil der austretenden radioaktiven Spaltprodukte vom Sprühwasser aufgenommen, das sich im unteren Raum 23 sammelt. Wenn das sich sammelnde Wasser in diesem Raum steigt, gelangt die Austrittsöfthung der Druckausgledchsleitung 81 unter den Wasserspiegel, so daß der austretende Wasserdampf sofort beim Aufsteigen im gestauten Sprühwasser restlos kondensiert.
Da sich, wie bereits erwähnt, die radioaktiven Spaltprodukte zum größten Teil in diesem Wasser befinden und eine Aufbereitung desselben z. B. mit Hilfe von Ionenaustauschern verhältnismäßig einfach ist, wird nach diesem Verfahren auch die Kontaminierung der übrigen Räume des Reaktors verhältnismäßig gering sein, so daß die Reparatur sowie die Wiederinbetriebsetzung des Reaktors in verhältnismäßig kurzer Zeit nach einem Schadensfall vorgenommen werden können.
Abschließend sei darauf hingewiesen, daß die Dosierung des Sprühwassers natürlich nicht nur durch die verschiedenen Eintauchtiefen der Saugheberleitungen, sondern natürlich auch durch die Wahl verschiedener Rohrquerschnitte bzw. justierbarer Strömungsdrosseln eingestellt werden kann.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Sicherheitseinrichtung auf der Grundlage der Kondensation austretenden Wasserdampfes durch eine Wassersprühanlage für die Gebäude von Leistungskernreaktoren, welche aus einem den Kernreaktor enthaltenden Gebäude und einem dieses umgebenden äußeren Druckbehälter bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß in der höchsten Stelle des druckfesten, stählernen Behälters (3) ein Vorratstank (4) für Sprühwasser angeordnet ist, dessen abgehende Sprühleitungen (61, 62, 63, 64, 65) nach dem Prinzip des Saughebers von oben in den Vorratstank hineinführen, daß der abgeschlossene Luftraum oberhalb des Vorratstanks (4) durch Rohrleitungen (7) mit dem Raum (21) innerhalb des Gebäudes (2) verbunden ist, der den Reaktorkern enthält, und der unterhalb dieses Raumes (21) und außerhalb des Reaktorgebäudes (2) befindliche Montageraum (23) mit mehreren Sprühanlagen (67, 68) versehen ist, die an die aus dem Vorratsbehälter (4) kommenden Leitungen angeschlossen sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Räume innerhalb des Druckbehälters miteinander durch mit Platzmembranen verschlossene Druckausgleichsleitungen verbunden sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den den Reaktorkern enthaltenden Raum mit dem Montageraum verbindende Druckausgleichsleitung bis nahe an den Boden des letzteren herunterreicht.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühleitungen abgestuft verschieden tief in den Vorratstank hineintauchen.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des aus Beton bestehenden Reaktorgebäudes Sprühdüsen zur Kühlung des äußeren Stahlbehälters vorgesehen sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des aus Beton bestehenden Reaktorgebäudes von Sprühwasser durchflossene Kondensatoren angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Proceedings of the International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, Vol. 3, 1955, New York, S. 195 bis 259.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen