DE19949585A1 - Wasser-Kernreaktor mit integriertem Auffang - Google Patents

Abstract

In einem Wasser-Kernreaktor ist unter dem Kern (12) im Behälter (10) ein mit einem porösen Mineralmaterial (30) gefüllter Auffang (20) angeordnet. Bei einem schweren Unfall, der die Schmelze des Kerns (12) zur Folge hat, wird das dabei gebildete Corium (36) im Auffang (20) aufgefangen. Das Vorhandensein des Materials (30), das kein Wasser enthält, vermeidet die Entstehung einer Dampfexplosion. Darüber hinaus kühlt das Material (30) das Corium (36) auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur von feuerfesten Ziegeln (24) des Auffangs (20).

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckwasser- oder Siedewas­ ser-Kernreaktor, dessen Behälter einen schalenförmigen Auffang enthält, der dazu bestimmt ist, das "Corium", d. h. die festen oder flüssigen Abfälle, die vom Reaktor­ kern stammen, wenn dieser störfallbedingt schmilzt, aufzunehmen.

In den Kernreaktoren sind seit mehreren Jahren eine große Anzahl von Einrichtungen in Betracht gezogen und entwickelt worden, um die Folgen eines schweren Unfalls zu begrenzen, der zu einer teilweisen oder vollständigen Reaktorkernschmelze führt.

Insbesondere und wie vor allem in dem Dokument FR-A-2 341 181 gezeigt ist bereits vorgeschlagen worden, im Boden des Behälters eines Kernreaktors eine Anstauvor­ richtung anzuordnen, die dazu bestimmt ist, eine Durchlo­ chung des Behälters durch das Corium zu vermeiden, das bei einer störfallbedingten Reaktorkernschmelze gebildet wird. Diese Anstauvorrichtung enthält mehrere beabstan­ dete horizontale Platten, die an der Wand des Behälters befestigt und von Öffnungen durchsetzt sind, die von einer Platte zur nächsten versetzt sind und deren Ränder nach oben vorstehen. Bei einem Unfall steigt das durch diese Öffnungen auslaufende Corium anschließend in einem in der Mitte der horizontalen Platten angeordneten und auf dem Boden des Behälters aufliegenden glockenförmigen Verteiler nach oben.

Außerdem ist, wie in dem Dokument US-A-3 964 966 gezeigt ist, vorgeschlagen worden, einen Corium-Auffang unter dem Kern eines durch ein flüssiges Metall gekühlten Kernreak­ tors innerhalb des Behälters dieses Reaktors anzuordnen. Dieser Auffang, der aus Stahl hergestellt ist, ist direkt an der unteren horizontalen Platte, auf der der Kern aufliegt, aufgehängt. Durch den Boden des Auffangs ver­ laufen Wärmeübertragungsrohre, die nach oben in diesen vorstehen. Diese Rohre sind an ihrem oberen Ende ver­ schlossen und stehen mit dem Innenraum des Auffangs durch hierzu vorgesehene Löcher in Verbindung.

Unabhängig von der Geometrie der Aufnahmevorrichtung, die in den Behälter eines Wasser-Kernreaktors integriert werden soll, besteht die Gefahr, daß einer störfallbe­ dingten Kernschmelze eine Explosion folgt. Das Corium teilt sich nämlich in kleine Partikel auf, wenn es sich zum Boden des Behälters ergießt. Das in dem Behälter des Reaktors enthaltene Wasser verdampft bei dem Kontakt mit den kleinen Corium-Partikeln. Somit bildet sich um jedes Partikel ein Dampffilm, der Bedingungen erzeugt, die eine Explosion begünstigen, die eine sehr energiereiche Stoß­ welle hervorruft. Wegen ihres Ursprungs wird eine solche Explosion gewöhnlich "Dampfexplosion" genannt.

Derzeit sind die Aufnahmevorrichtungen, die für die Aufnahme und Aufbewahrung des Coriums am Boden des Behäl­ ters der Wasser-Kernreaktoren vorgeschlagen werden, nicht so beschaffen, daß sie eine Dampfexplosion verhindern können. Darüber hinaus sind diese Vorrichtungen nicht gegen Wirkungen geschützt, die durch eine solche Explo­ sion bedingt sind, sofern diese entsteht. Trotz der geringen Wahrscheinlichkeit der Wechselwirkung von ver­ dampftem Wasser mit dem Corium kann eine solche Explosion nämlich nicht vollständig ausgeschlossen werden. Die äußerst starke Druckspitze, die durch die Explosion hervorgerufen wird, könnte dann die Unversehrtheit der Aufnahmevorrichtung und daher ihre Wirksamkeit beein­ trächtigen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Druckwasser- oder Siedewasser-Kernreaktor zu schaffen, der mit einer in den Behälter integrierten Corium-Ber­ gungsvorrichtung ausgerüstet ist und dessen eigentümli­ cher Entwurf ermöglicht, das Auftreten einer Dampfexplo­ sion zu vermeiden und folglich die Unversehrtheit der Aufnahmevorrichtung bei einem Unfall aufrechtzuerhalten.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wasser-Kernreaktor nach Anspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Wasser-Kernreaktor enthält einen Behälter und einen im Behälter befindlichen Reaktorkern, wobei ein Auffang in Form einer Schale vorgesehen ist, der sich im Behälter unterhalb des Kerns befindet und wenigstens teilweise aus einem feuerfesten Material verwirklicht ist, der Auffang das bei einer störfallbe­ dingten Schmelze des Kerns gebildete Corium aufnimmt und vollständig mit einem porösen Mineralmaterial gefüllt ist, das sich mit dem Corium vermischen kann und die Temperatur des Gemisches bis auf eine Gleichgewichtstem­ peratur unterhalb der Schmelztemperatur des feuerfesten Materials absenken kann.

In einem in dieser Weise hergestellten Kernreaktor er­ gießt sich das bei einer störfallbedingten Kernschmelze gebildete Corium in das poröse Mineralmaterial, das kein Wasser enthält, und teilt sich auf. Die eine Dampfexplo­ sion begünstigenden Bedingungen, die durch das Vorhanden­ sein eines Dampffilms um jedes Corium-Partikel gegeben sind, werden dadurch beseitigt. Folglich kann eine solche Explosion nicht entstehen, so daß die Unversehrtheit des Auffangs aufrechterhalten wird.

Hierzu trägt auch die zunehmende Kühlung des Coriums bei seiner Abwärtsbewegung in dem im Auffang enthaltenen porösen Mineralmaterial bei. Somit wird außerdem eine Beschädigung des Auffangs aufgrund des Schmelzens des feuerfesten Materials vermieden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind über dem Auffang und über dem porösen Mineralmaterial, das er enthält, Coriumverbreiterungs- und Coriumvertei­ lungsmittel wie etwa ein horizontales Gitter oder eine horizontale perforierte Platte angeordnet.

In dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das poröse Mineralmaterial ein Keramikschaum, der vor­ zugsweise ungefähr 99% Kieselerde enthält. Die Porosität des in dem Auffang enthaltenen Mineralmaterials ermög­ licht, in diesem letzteren ein ausreichendes Volumen unterzubringen, um eine große Corium-Masse aufzunehmen. Diese Porosität kann insbesondere im Bereich von ungefähr 63% bis ungefähr 80% liegen.

Vorteilhaft ist der Auffang vom Boden des Behälters durch einen Zwischenraum getrennt, der nach oben mündet und eine Zirkulation von Wasser um den Auffang sicherstellt. Diese Wasserzirkulation begünstigt die Kühlung des Auf­ fangs und trägt somit ebenfalls dazu bei, seine Unver­ sehrtheit aufrechtzuerhalten.

Der Auffang kann je nach Fall entweder im wesentlichen halbkugelförmig sein oder aus einem im wesentlichen halbkugelförmigen Teil, auf dem ein im wesentlichen zylindrischer Teil angebracht ist, gebildet sein.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt das feuerfeste Material die Form von Ziegeln, die in einer Hülle aus Stahl angeordnet sind, die ebenfalls zum Auffang gehört.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deut­ lich beim Lesen der folgenden Beschreibung einer bevor­ zugten Ausführungsform, die auf die Zeichnung Bezug nimmt, worin die einzige Figur eine vertikale Schnittan­ sicht ist, die schematisch den unteren Teil eines Wasser- Kernreaktors, in dessen Behälter ein Auffang gemäß der Erfindung integriert ist, in einem Zustand zeigt, in dem ein Unfall auftritt, der zu einer Reaktorkernschmelze führt.

Die in der einzigen Figur gezeigte Ausführungsform be­ trifft einen Druckwasser-Kernreaktor. Wie jedoch bereits beobachtet worden ist, ist die Erfindung nicht auf diesen Reaktortyp eingeschränkt, sondern betrifft allgemein sämtliche Wasser-Kernreaktoren. Sie findet daher auch auf Siedewasser-Kernreaktoren Anwendung.

In der einzigen Figur bezeichnet das Bezugszeichen 10 den Behälter des Reaktors. Genauer ist nur der untere Teil des Behälters gezeigt. Im mittigen Teil enthält der Behälter 10 den Reaktorkern 12 sowie ihm zugeordnete interne Einrichtungen.

Der Kern 12 ist gewöhnlich aus einer großen Anzahl von Kernbrennstoffkassetten gebildet, die vertikal und neben­ einander angeordnet sind. Die Kassetten liegen auf einer horizontalen unteren Platte 14 auf. Diese Platte 14 ist am Ort jeder der Kernbrennstoffkassetten perforiert, um die Zirkulation von im Behälter 10 enthaltenem Kühlwasser in diesen Kassetten zu ermöglichen. Eine perforierte Platte 16 für die Verteilung des Durchsatzes, die vor­ zugsweise nach unten gewölbt ist, ist im allgemeinen an der Platte 14 unterhalb derselben befestigt.

Der Reaktorkern 12 sowie die ihm zugeordneten internen Einrichtungen wie etwa die horizontale untere Platte 14 und die perforierte Platte 16 liegen auf der vertikalen zylindrischen Wand des Behälters 10 über Unterstützungs- und Führungsvorrichtungen 18 auf.

Es ist anzumerken, daß der Kern 12 sowie die internen Einrichtungen, die ihm zugeordnet sind, beliebige Formen besitzen können, die von jenen verschieden sind, die in der Figur gezeigt sind, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Erfindungsgemäß und wie in der einzigen Figur gezeigt, ist im Behälter 10 unterhalb des Reaktorkerns 12 ein schalenförmiger Auffang 20 angeordnet. Genauer ist der Auffang 20 zwischen die perforierten Platte 16 und den im allgemeinen halbkugelförmig gewölbten Boden des Behälters 10 eingesetzt.

Der Auffang 20 ist so beschaffen, daß er das Corium bei einer störfallbedingten Schmelze des Reaktorkerns 12 birgt. Es wird daran erinnert, daß der Ausdruck "Corium" die geschmolzene Masse bezeichnet, die bei einem solchen Unfall erzeugt wird und die im allgemeinen den Kernbrenn­ stoff, die seine Umhüllung bildende Materialien, jene der Steuerstäbe des Reaktors und jene der dem Kern 12 zuge­ ordneten internen Strukturen umfaßt. Der Auffang 20 ist so beschaffen und bemessen, daß er bei einem schweren Unfall, der zu einer vollständigen Schmelze des Reaktor­ kerns 12 führt, das gesamte Corium sammelt. In der bevor­ zugten Ausführungsform der Erfindung, die in der einzigen Figur gezeigt ist, ist der Auffang 20 vom Boden des Behälters 10 durch einen Zwischenraum 22 getrennt, der nach oben zwischen den Umfang der oberen Kante des Auf­ fangs und den Behälter 10 mündet. Dieser Zwischenraum 22 läßt die Zirkulation von im Behälter 10 des Reaktors enthaltenem Wasser zu, wie die Pfeile in der Figur veran­ schaulichen. Wenn ein Unfall entsteht, tritt die Zirkula­ tion des Wassers in diesen Zwischenraum 22 durch natürli­ che Konvektion auf. Diese Wasserzirkulation bewirkt eine Kühlung des Auffangs 20.

Der Auffang 20 enthält wenigstens eine Ziegelschicht 24 aus feuerfestem Material. Dieses Material ist so gewählt, daß es eine Schmelztemperatur, die so hoch wie möglich ist, sowie eine gute chemische Verträglichkeit mit dem Corium besitzt. Es kann sich insbesondere um ein Keramik­ material auf Zirkonoxidbasis handeln, das außerdem den Vorteil besitzt, auf dem industriellen Markt reichlich verfügbar zu sein.

Wie in der einzigen Figur schematisch gezeigt ist, liegen die Ziegel 24 nebeneinander und weisen vorzugsweise komplementäre benachbarte Ränder auf, die beispielsweise U-förmig oder schwalbenschwanzförmig sind und ineinander­ gefügt sind.

Der Auffang 20 enthält außerdem eine metallische Hülle 26, in der die Ziegel 24 angeordnet sind. Diese metalli­ sche Hülle 26 kann insbesondere aus rostfreiem Stahl verwirklicht sein. Sie enthält sowohl eine Innenhaut als auch eine Außenhaut, die die Ziegel 24 vollständig bedecken. Die Hülle 26 enthält außerdem einen oberen Flansch, der die oberen Ränder der Innenhaut und der Außenhaut des Auffangs 20 verbindet.

Der obere Flansch der metallischen Hülle 26 kann dazu verwendet werden, den Auffang 20 im Behälter 10 aufzuhän­ gen. Er liegt dann auf Trägern 28 auf, die im Behälter 10 vorgesehen sind, wie dies schematisch in der einzigen Figur gezeigt ist.

In einer Variante oder zusätzlich können (nicht gezeigte) strahlenförmige Rippen, die in bezug auf die vertikale Achse des Behälters 10 radial orientiert sind, in den Zwischenraum 22, der diesen letzteren vom Auffang 20 trennt, eingefügt sein. Diese strahlenförmigen Rippen enthalten dann Löcher, die die Zirkulation von Wasser im Zwischenraum 22 begünstigen.

In der gezeigten Ausführungsform besitzt der Auffang 20 im wesentlichen die Form einer Halbkugel, die zu derjeni­ gen des Bodens des Behälters 10 konzentrisch ist.

In einer nicht gezeigten Ausführungsvariante kann diese im wesentlichen halbkugelförmige Form nach oben durch einen im wesentlichen zylindrischen Teil verlängert sein, der auf die vertikale Achse des Behälters 10 zentriert ist. Eine solche Anordnung ist insbesondere geeignet, wenn das Gesamtvolumen des Coriums, das bei einem schwe­ ren Unfall gebildet werden kann, das im Auffang 20 ver­ fügbare Volumen übersteigt, wenn dieser ausschließlich aus einem halbkugelförmigen Teil gebildet ist. Die Be­ rechnung des verfügbaren Volumens im Behälter 20 erfolgt unter Berücksichtigung des Vorhandenseins eines porösen Mineralmaterials 30 im Auffang, wie später genauer be­ schrieben wird.

Damit das gesamte Corium, das vom Kern 12 bei einem schweren Unfall erzeugt wird, wirksam im Auffang 20 aufgenommen wird, kann über dem oberen Rand dieses letz­ teren ein ringförmiger Sammler 32 angeordnet sein, wie in der einzigen Figur gezeigt ist. Dieser Sammler 32 kann insbesondere auf dem oberen Flansch des Auffangs 20 über eine Zwischenstruktur 33 aufliegen.

Die obere Fläche des Sammlers 32 weist ungefähr die Form eines nach innen gekrümmten Trichters auf, der sich nach oben bis in die Nähe der Wand des Behälters 10 erstreckt. Genauer ist zwischen dem Sammler 32 und der Wand des Behälters 10 ein begrenztes Spiel von einigen Zentimetern vorgesehen, so daß verhindert wird, daß Abfälle und Schmelze vom schmelzenden Kern in den Zwischenraum 22, der zwischen dem Auffang 20 und dem Boden des Behälters 10 vorgesehen ist, eindringen können.

Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung und wie bereits oben erwähnt worden ist, ist der Auffang 20 vollständig mit einem porösen Mineralmaterial 30 gefüllt. Dieses poröse Mineralmaterial ist so gewählt, daß es sich mit dem bei einer störfallbedingten Schmelze des Kerns 12 gebildeten Corium mischen kann, um dadurch die Temperatur bis auf eine Gleichgewichtstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des die Ziegel 24 bildenden feuerfesten Materials abzusenken. Wenn sich das Material 30, das kein Wasser enthält, mit dem Corium mischt, unterdrückt es die Entstehung von Bedingungen, die einer Dampfexplosion vorhergehen. Da nämlich das Material 30 kein Wasser enthält, wird die Bildung eines Dampffilms um jedes der Corium-Partikel verhindert, die durch die Unterteilung des Coriums während seiner Abwärtsbewegung im Auffang 20 gebildet werden. Die Gefahr einer Beschädigung des Behäl­ ters aufgrund einer Dampfexplosion wird somit im wesent­ lichen beseitigt.

Das poröse Mineralmaterial 30, mit dem der Auffang 20 gefüllt ist, ist vorteilhaft ein Keramikschaum, der ungefähr 99% Kieselerde enthält. Dieser Materialtyp ermöglicht die allmähliche Abkühlung des Coriums in dem Maß, in dem es sich im Auffang 20 nach unten bewegt. Die Temperatur kann somit auf einen Wert unterhalb der Schmelztemperatur des die Ziegel 24 bildenden feuerfesten Materials stabilisiert werden. In dieser Weise wird die Beschädigung des Auffangs 20 durch ein Schmelzen der feuerfesten Ziegel verhindert.

Die Porosität des Materials 30 ist so festgelegt, daß im Auffang 20 ein ausreichendes Volumen geschaffen wird, um das gesamte Corium aufzunehmen, das durch die Schmelze des Kerns 12 gebildet wird. Ein Material, das eine Poro­ sität im Bereich von ungefähr 63% bis ungefähr 80% aufweist, wird als in dieser Hinsicht zufriedenstellend angesehen, wobei eine wirksame Verlangsamung und eine wirksame Kühlung des Coriums bei seiner Abwärtsbewegung sichergestellt werden.

Vorzugsweise und wie in der einzigen Figur gezeigt sind über dem Auffang 20 und über dem porösen Mineralmaterial 30, das er enthält, Coriumverbreiterungs- und Coriumver­ teilungsmittel angeordnet. Diese Mittel können insbeson­ dere durch eine horizontale perforierte Platte 34 oder durch ein horizontales Gitter gebildet sein.

Bei 36 ist der Weg des durch die Schmelze des Kerns 12 bei Auftreten eines schweren Unfalls erzeugten Coriums dargestellt. Wenn das Corium auf die perforierte Platte 34 fällt, verbreitet es sich auf die gesamte Breite des Auffangs 20, indem es durch die Löcher der Platte ein­ dringt. Das Corium teilt sich dann im porösen Mineralma­ terial 30, das kein Wasser enthält, auf. Wie bereits erwähnt worden ist, beseitigt dieses Material somit jegliche Gefahr einer Dampfexplosion. Die Abwärtsbewegung des Coriums, die durch das Material 30 verlangsamt wird, wird von einer Abkühlung bis auf eine Temperatur unter­ halb der Schmelztemperatur der feuerfesten Ziegel 24 begleitet. Außerdem werden diese ebenso wie der gesamte Auffang 20 durch die durch natürliche Konvektion im Zwischenraum 22 entstehende Wasserzirkulation gekühlt. Die Unversehrtheit des Auffangs 20 wird somit unter besten Bedingungen beibehalten.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die oben­ beschriebene beispielhafte Ausführungsform eingeschränkt. Wie bereits erwähnt worden ist, findet sie auf jeden Wasser-Kernreaktortyp und auf jede Anordnung des Kerns und der zugeordneten internen Strukturen Anwendung. Darüber hinaus können die Form und die Struktur des Auffangs von denen, die beschrieben worden sind, ver­ schieden sein. Obwohl der Zwischenraum 22 wünschenswert ist, können die Mittel zur Verteilung des Coriums und der ringförmige Sammler 32 in bestimmten Fällen weggelassen sein. Schließlich kann die Natur des porösen Mineralmate­ rials in bestimmten Fällen von dem beschriebenen Keramik­ schaum auf Kieselerdebasis verschieden sein, obwohl dieses Material bevorzugt wird.

Claims (10)

1. Wasser-Kernreaktor, mit einem Behälter (10) und einem in dem Behälter (10) befindlichen Reaktorkern (12), dadurch gekennzeichnet, daß ein Auffang (20) in Form einer Schale vorgesehen ist, der sich im Behälter (10) unterhalb des Kerns (12) befindet und wenigstens teilweise aus einem feuerfesten Material verwirklicht ist, wobei der Auffang (20) geeig­ net ist, das bei einer störfallbedingten Schmelze des Kerns (12) gebildete Corium (36) aufzunehmen und vollständig mit einem porösen Mineralmaterial (30) gefüllt ist, das geeignet ist, sich mit dem Corium (36) zu vermischen und die Temperatur des Gemisches bis auf eine Gleichgewichtstemperatur unterhalb der Schmelz­ temperatur des feuerfesten Materials abzusenken.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Coriumverbreiterungs- und Coriumverteilungsmittel (34) über dem Auffang (20) und über dem porösen Mine­ ralmaterial (30), das er enthält, angeordnet sind.

3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Coriumverbreiterungs- und Coriumverteilungsmittel ein horizontales Gitter oder eine horizontale perforierte Platte (34) umfassen.

4. Reaktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Mineralmaterial (30) ein Keramikschaum ist.

5. Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikschaum (30) ungefähr 99% Kieselerde enthält.

6. Reaktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Mineralmaterial (30) eine Porosität im Bereich von ungefähr 63% bis ungefähr 80% besitzt.

7. Reaktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auffang (20) vom Boden des Behälters (10) durch einen Zwischenraum (22) für die Wasserzirkulation, der nach oben mündet, getrennt ist.

8. Reaktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auffang (20) im wesentlichen die Form einer Halbkugel besitzt.

9. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Auffang (20) einen im wesentlichen halbkugelförmigen Teil besitzt, auf dem ein im wesentlichen zylindrischer Teil angebracht ist.

10. Reaktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auffang (20) eine metallische Hülle (26) enthält, in der Ziegel (24) des feuerfesten Materials angeordnet sind.