DE19508160C1

DE19508160C1 - Schmelzstopfen zum Aufschmelzen unter Wärmeeinwirkung

Info

Publication number: DE19508160C1
Application number: DE19508160A
Authority: DE
Inventors: Thomas Cron; Herbert Schneider; Walter Tromm; Thomas Wenz
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1995-03-08
Filing date: 1995-03-08
Publication date: 1996-06-27
Anticipated expiration: 2015-03-09
Also published as: FR2731550A1; SE9600889L; SE508148C2; FR2731550B1; SE9600889D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schmelzstopfen zum Aufschmelzen unter Wärmeeinwirkung zur Freigabe eines Durch flußkanales mit einem bei bestimmter Temperatur schmelzenden Einsatz in dem Kanal und anschließender oder gleichzeitiger Einwirkung eines kühleren Mediums auf den Einsatz. Sie be trifft weiter seine Verwendung in einer Kühleinrichtung im Fundamentbereich eines Kernreaktors zur Kühlung einer Kern schmelze in einem hypothetischen Unfall.

Aus der DE 37 04 466 A1 ist eine Vorrichtung in einer Kern kraftanlage bekannt, bei der beim Auftreten eines schweren Störfal les der Weg zu Entsorgungsbunkern durch mit Sprengladungen ge füllte Sprengkammern freigemacht wird.

Nach anderen bekannten Lösungen sollen geschlossene Austrittsleitungen oder -kanäle im Bedarfsfall durch Wärmeeinwirkung auf einen als Verschluß dienenden Schmelzstopfen aufgeschmolzen und da durch der Austrittsquerschnitt freigegeben werden. Bei diesem Öffnungsprinzip ist es jedoch von Nachteil, wenn gleichzeitig ein kühlendes Medium auf den Schmelzstopfen einwirkt, da dann der zunächst geschlossene Querschnitt nicht vollständig, son dern möglicherweise nur teilweise aufgeschmolzen wird. Dies ist dann der Fall, wenn z. B. ein durch den geöffneten Quer schnitt strömendes Fluid, wie z. B. ein Kühlmittel, eine nied rigere Temperatur aufweist, dadurch dem Schmelzstopfen Wärme entzieht und der Querschnitt nicht vollständig freigegeben wird.

Dieses Problem kann bei einem speziellen Anwendungsfall in ei ner Kühleinrichtung im Fundamentbereich eines Kernreaktors zur Kühlung einer Kernschmelze in einem sehr unwahrscheinlichen, hypothetischen Unfall gemäß der DE 40 32 736 C2 auftreten. Die beschriebene Kernrückhalteeinrichtung eines Kernreaktors be steht aus einer gelochten Bodenplatte und einer darüber ange ordneten Opferschicht. In die Öffnungen der Bodenplatte sind innen hohle Stopfen in der Weise eingesetzt, daß sie in die Opferschicht hineinragen. Die Bodenplatte ist über Halterungs profile auf dem Fundament abgestützt. Der Zwischenraum zwi schen der Bodenplatte und dem Fundament ist während eines Un falles mit Wasser, z. B. mit passivem Sumpfwasser, geflutet. Das Prinzip der Kernrückhalteeinrichtung sieht nun vor, bei einem Kernschmelzenunfall die Kernschmelze zunächst auf der Opferschicht aufzufangen und auszubreiten. Anschließend wird die Opferschicht durch die heiße Kernschmelze bis zu der Höhe der Stopfen erodiert. Werden diese zunächst verschlossenen Stopfen durch die Wärmeeinwirkung der heißen Schmelze geöffnet bzw. abgeschmolzen, dringt Wasser aus der Wasserschicht unter halb der Bodenplatte in die Schmelze ein und die Schmelze be ginnt sich zunächst in der Umgebung der Stopfen abzukühlen und zu erstarren, bis sie nach einer gewissen Zeit vollständig er starrt und geflutet ist.

Von gewissem Nachteil ist bei diesem Anwendungsfall und natür lich auch ganz allgemein bei Schmelzstopfen mit zusätzlicher Einwirkung eines kühleren Mediums, welches die Aufschmelzung des Stopfens beeinträchtigen kann, daß durch die heiße Schmelze nicht unbedingt der gesamte Querschnitt des Stopfens aufgeschmolzen wird. Eine erste kleine Öffnung im Stopfen läßt Wasser in die Schmelze eindringen, wodurch diese in der direk ten Umgebung des Stopfens gekühlt wird und dadurch ein wei teres Aufschmelzen des Stopfens verhindert werden kann. Wegen der geringeren Wasserzutrittsrate wird die Kühlung der Schmelze zwar nicht verhindert, aber verzögert.

Die vorliegende Erfindung hat daher zur Aufgabe, einen Schmelzstopfen zu schaffen, der seinen abzusperrenden Durch flußkanal auch unter den vorstehend genannten Bedingungen ohne Verzögerung vollständig öffnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung bei einem Schmelzeinsatz der eingangs beschriebenen Art gemäß dem Hauptanspruch vor, daß in oder um den Schmelzeinsatz herum ein wärmeentwickelnder Brenneinsatz zur zusätzlichen Wärme übertragung auf den Schmelzeinsatz angeordnet ist, der durch die Temperatureinwirkung entzündbar ist. Vorteilhafte Weiter bildungen sowie eine Anwendung der Erfindung sind in den Merk malen der Unteransprüche 2 bis 4 zu sehen. Ein dergestalt er findungsgemäß ausgestalteter Schmelzeinsatz bleibt in seiner Funktion auch dann wirksam, wenn er von einem zusätzlichen Kühlmedium beeinflußt wird.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im fol genden und anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zei gen:

Fig. 1 den Schmelzstopfen in seiner allgemeinen Ausführung und

Fig. 2 einen solchen im Zusammenwirken mit der Kernrück halteeinrichtung eines Kernreaktors.

Der Schmelzstopfen mit dem verbesserten Öffnungsverhalten ist gemäß der Fig. 1 im wesentlichen aus zwei Teilen aufgebaut, dem wärmeentwickelnden Brenneinsatz 1 und dem Schmelzeinsatz 2 aus einem Metall. Der Brenneinsatz 1 kann dabei, wie in der Fig. 1 dargestellt, in oder um den Schmelzeinsatz 2 herum zur zusätzlichen Wärmeübertragung auf diesem angeordnet sein und ist durch die Temperatureinwirkung entzündbar. Der Schmelzein satz besteht aus einer dichten Metallhülse, die den Brennein satz 1 in sich aufnimmt und z. B. in einen Kanal 3 an der von der Temperatur beaufschlagten heißen Seite 4 verschließt, wäh rend von der anderen, gekühlten Seite 5 her ein Kühlmedium 6 auf den Schmelzstopfen einwirkt, welches nach Abschmelzen des Stopfens zu dem Bereich 4 der hohen Temperatur gelangen soll. An der vom Kühlmedium 6 beaufschlagten Seite 5 des Kanales 3 kann in diesen zusätzlich eine Drossel 12 zur Regulierung des Kühlmediumdurchsatzes 6 eingesetzt sein.

Der in der Fig. 1 dargestellte Schmelzstopfen kann gemäß der Fig. 2 besonders vorteilhaft in einer Kühleinrichtung im Fun damentbereich eines Kernreaktors zur Kühlung einer Kern schmelze in einem sehr unwahrscheinlichen, hypothetischen Un fall verwendet werden. Die Funktion des Schmelzstopfens ist genau dieselbe wie die in der Fig. 1, wobei dieselben Elemente die gleichen Positionsnummern wie dort aufweisen.

Bei der Kühleinrichtung nach der Fig. 2 ist unter dem nicht dargestellten Reaktordruckbehälter mit dem ihn umgebenden bio logischen Schild über dem Fundament eine Bodenplatte 7 aus hochwarmfestem Material vorgesehen. Die Bodenplatte 7 weist Löcher 9 auf, wobei über ihr eine die Löcher 9 bedeckende Op ferschicht 8 angebracht ist. In die Löcher 9 der Bodenplatte 7 sind Rohrstücke 11 entsprechend dem Kanal 3 in der Fig. 1 ein gesetzt, die eine Fortsetzung der Löcher 9 bilden, nach oben teilweise in die Opferschicht 8 hineinragen und mit ihren obe ren Enden 13 in sie münden. Der Raum 10 unter der Bodenplatte 7 ist mit Kühl- bzw. Sumpfwasser 6 flutbar.

Der Schmelzstopfen ist hier im wesentlichen aus drei Teilen aufgebaut. Das äußere Teil ist ein Rohrstück bzw. eine -hülse 11 aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, die z. B. mit einem Gewinde im Loch 9 in der Bodenplatte 7 befe stigt ist. Die inneren Teile bestehen aus dem metallischen Schmelzeinsatz 2, in den der Brenneinsatz 1 aus einer brennba ren Substanz umhüllt mit der Ummantelung 14 eingelegt ist. Die Rohrhülse 11 ragt in die Opferschicht 8 mit einer bestimmten Höhe hinein. In die Hülse 11 wird oben ein Verschluß wasser dicht eingesetzt. Der Verschluß besteht aus dem metallischen Schmelzeinsatz 2, in den der Brenneinsatz 1 aus einer brennba ren Substanz eingelegt ist, die gegen Wasser und Feuchtigkeit durch eine Ummantelung 14 geschützt ist. Die Substanz des Brenneinsatzes ist so gewählt, daß durch eine chemische Reak tion eine hohe Wärmeentwicklung entsteht, aber nur geringe Mengen Gas erzeugt werden, z. B. KClO₄ und Mg als Reaktions partner. Durch geeignete Wahl der Reaktionspartner sind die erzeugten Mengen an Gas und Wärme für jeden Anwendungsfall einstellbar. Der Stopfen aus den Teilen 1, 2, 11 und 14 ist so ausgebildet, daß er gegen die Umgebung wasserdicht abschließt. Der gegen die gekühlte Seite gerichtete Teil ist ebenso wie die Ausführung gemäß der Fig. 1 mit einer Drossel 12 versehen, die die Wasserzutrittsrate unabhängig von den geometrischen Abmessungen der Hülse und des Schmelzeinsatzes durch ihren in neren Durchmesser reguliert.

Die Funktionsweise der Kernrückhalteeinrichtung gemäß der Fig. 2 ist nun wie folgt: Die Opferschicht 8 wird durch die Kernschmelze von oben her langsam erodiert bis die Schmelze mit der oberen Seite 4 des Stopfens in Kontakt kommt. Danach wird der Brenneinsatz 1 durch die hohe Temperatur der Schmelze gezündet und brennt ab. Durch die Wärmeentwicklung der chemi schen Reaktion schmilzt der metallische Einsatz 2 ab, wodurch der gesamte Querschnitt des Stopfens für das aus dem Raum 10 durch die Drossel 12 einströmende Wasser 6 frei wird und die Schmelze gekühlt werden kann.

Bezugszeichenliste

1 Brenneinsatz
2 Schmelzeinsatz
3 Kanal
4 heiße Seite
5 gekühlte Seite
6 Kühlmedium
7 Bodenplatte
8 Opferschicht
9 Loch
10 Raum
11 Rohrstück
12 Drossel
13 oberes Ende
14 Ummantelung

Claims

1. Schmelzstopfen zum Aufschmelzen unter Wärmeeinwirkung zur Freigabe eines Durchflußkanales mit einem bei bestimmter Temperatur schmelzenden Einsatz in dem Kanal und an schließender oder gleichzeitiger Einwirkung eines kühleren Mediums auf den Einsatz, dadurch gekennzeichnet, daß in oder um den Schmelzeinsatz (2) herum ein wärmeent wickelnder Brenneinsatz (1) zur zusätzlichen Wärmeübertra gung auf den Schmelzeinsatz angeordnet ist, der durch Tem peratureinwirkung entzündbar ist.

2. Schmelzstopfen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer dichten Metallhülse (2) besteht, die den Brenneinsatz (1) in sich aufnimmt und die ein den Kanal bildendes Rohrstück (3) an der von der Temperatur beauf schlagten Seite (4) verschließt, während von der anderen Seite (5) her das Kühlmedium (12) auf den Stopfen einwirkt.

3. Schmelzstopfen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der vom Kühlmedium (6) beaufschlagten Seite (5) des Rohrstückes (3) in dasselbe eine Drossel (12) eingesetzt ist.

4. Schmelzstopfen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch seine Verwendung in einer Kühleinrichtung im Funda mentbereich eines Kernreaktors zur Kühlung einer Kern schmelze in einem hypothetischen Unfall, wobei

a) unter dem Reaktordruckbehälter mit dem ihn umgebenden biologischen Schild über dem Fundament eine Bodenplatte (7) aus hochwarmfestem Material angeordnet ist,
b) diese Bodenplatte (7) Löcher (9) besitzt und über der Platte (7) eine die Löcher (9) bedeckende Opferschicht (8) angebracht ist,
c) der Raum (10) unter der Bodenplatte (7) mit Kühlwasser (6), z. B. passivem Sumpfwasser, flutbar ist, sowie
d) in die Löcher (9) der Bodenplatte (7) Rohrstücke (11) mit den Schmelzstopfen (1, 2) eingesetzt sind, die eine Fortsetzung der Löcher (9) bilden, nach oben teilweise in die Opferschicht (8) hineinragen und mit ihren oberen Enden (13) in sie münden.