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Die
Erfindung betrifft einen Druckwasser- oder Siedewasser-Kernreaktor,
dessen Behälter
einen schalenförmigen
Auffang enthält,
der dazu bestimmt ist, das "Corium", d. h. die festen
oder flüssigen
Abfälle,
die vom Reaktorkern stammen, wenn dieser störfallbedingt schmilzt, aufzunehmen.
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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.
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Insbesondere
und wie vor allem in dem Dokument
FR 2 341 181 A gezeigt ist bereits vorgeschlagen
worden, im Boden des Behälters
eines Kernreaktors eine Anstauvorrichtung anzuordnen, die dazu bestimmt
ist, eine Durchlochung des Behälters
durch das Corium zu vermeiden, das bei einer störfallbedingten Reaktorkernschmelze
gebildet wird. Diese Anstauvorrichtung enthält mehrere beabstandete 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.
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Außerdem ist,
wie in dem Dokument
US
3 964 966 A 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 verlaufen Wärmeübertragungsrohre, die nach
oben in diesen vorstehen. Diese Rohre sind an ihrem oberen Ende
verschlossen und stehen mit dem Innenraum des Auffangs durch hierzu
vorgesehene Löcher
in Verbindung.
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Unabhängig von
der Geometrie der Aufnahmevorrichtung, die in den Behälter eines
Wasser-Kernreaktors integriert werden soll, besteht die Gefahr,
daß einer
störfallbedingten
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
Stoßwelle
hervorruft. Wegen ihres Ursprungs wird eine solche Explosion gewöhnlich "Dampfexplosion" genannt.
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Derzeit
sind die Aufnahmevorrichtungen, die für die Aufnahme und Aufbewahrung
des Coriums am Boden des Behälters
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 Explosion bedingt sind, sofern diese entsteht.
Trotz der geringen Wahrscheinlichkeit der Wechselwirkung von verdampftem
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
beeinträchtigen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Druckwasser- oder
Siedewasser-Kernreaktor zu schaffen, der mit einer in den Behälter integrierten
Corium-Bergungsvorrichtung ausgerüstet ist und dessen eigentümlicher
Entwurf ermöglicht,
das Auftreten einer Dampfexplosion zu vermeiden und folglich die
Unversehrtheit der Aufnahmevorrichtung bei einem Unfall aufrechtzuerhalten.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch einen Wasser-Kernreaktor nach Anspruch 1. Weiterbildungen der
Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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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
störfallbedingten
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 Gleichgewichtstemperatur unterhalb der
Schmelztemperatur des feuerfesten Materials absenken kann.
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In
einem in dieser Weise hergestellten Kernreaktor ergießt sich
das bei einer störfallbedingten Kernschmelze
gebildete Corium in das poröse
Mineralmaterial, das kein Wasser enthält, und teilt sich auf. Die
eine Dampfexplosion begünstigenden
Bedingungen, die durch das Vorhandensein 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.
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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.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind über
dem Auffang und über
dem porösen
Mineralmaterial, das er enthält,
Coriumverbreiterungs- und Coriumverteilungsmittel wie etwa ein horizontales
Gitter oder eine horizontale perforierte Platte angeordnet.
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In
dieser bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das poröse
Mineralmaterial ein Keramikschaum, der vorzugsweise ungefähr 99% Kieselerde
enthält.
Die Porosität
des in dem Auffang enthaltenen Mineralmaterials ermöglicht,
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.
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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 Auffangs und trägt
somit ebenfalls dazu bei, seine Unversehrtheit aufrechtzuerhalten.
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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.
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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.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich beim Lesen der
folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, die auf die Zeichnung
Bezug nimmt, worin die einzige Figur eine vertikale Schnittansicht
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.
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Die
in der einzigen Figur gezeigte Ausführungsform betrifft 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.
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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.
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Der
Kern 12 ist gewöhnlich
aus einer großen Anzahl
von Kernbrennstoffkassetten gebildet, die vertikal und nebeneinander
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 vorzugsweise nach unten gewölbt
ist, ist im allgemeinen an der Platte 14 unterhalb derselben
befestigt.
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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.
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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.
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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.
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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 Kernbrennstoff, die seine Umhüllung bildende
Materialien, jene der Steuerstäbe
des Reaktors und jene der dem Kern 12 zugeordneten internen
Strukturen umfaßt.
Der Auffang 20 ist so beschaffen und bemessen, daß er bei
einem schweren Unfall, der zu einer vollständigen Schmelze des Reaktorkerns 12 führt, das
gesamte Corium sammelt. In der bevorzugten 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 Auffangs 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 veranschaulichen.
Wenn ein Unfall entsteht, tritt die Zirkulation des Wassers in diesen
Zwischenraum 22 durch natürliche Konvektion auf. Diese
Wasserzirkulation bewirkt eine Kühlung
des Auffangs 20.
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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 Keramikmaterial
auf Zirkonoxidbasis handeln, das außerdem den Vorteil besitzt,
auf dem industriellen Markt reichlich verfügbar zu sein.
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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 ineinandergefügt
sind.
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Der
Auffang 20 enthält
außerdem
eine metallische Hülle 26,
in der die Ziegel 24 angeordnet sind. Diese metallische
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.
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Der
obere Flansch der metallischen Hülle 26 kann
dazu verwendet werden, den Auffang 20 im Behälter 10 aufzuhängen. Er
liegt dann auf Trägern 28 auf,
die im Behälter 10 vorgesehen
sind, wie dies schematisch in der einzigen Figur gezeigt ist.
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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.
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In
der gezeigten Ausführungsform
besitzt der Auffang 20 im wesentlichen die Form einer Halbkugel,
die zu derjenigen des Bodens des Behälters 10 konzentrisch
ist.
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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 schweren Unfall gebildet werden kann, das
im Auffang 20 verfügbare
Volumen übersteigt,
wenn dieser ausschließlich
aus einem halbkugelförmigen
Teil gebildet ist. Die Berechnung des verfügbaren Volumens im Behälter 20 erfolgt
unter Berücksichtigung
des Vorhandenseins eines porösen
Mineralmaterials 30 im Auffang, wie später genauer beschrieben wird.
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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 letzteren 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.
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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.
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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
Behälters
aufgrund einer Dampfexplosion wird somit im wesentlichen beseitigt.
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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.
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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 Porosität
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.
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Vorzugsweise
und wie in der einzigen Figur gezeigt sind über dem Auffang 20 und über dem
porösen
Mineralmaterial 30, das er enthält, Coriumverbreiterungs- und
Coriumverteilungsmittel angeordnet. Diese Mittel können insbesondere
durch eine horizontale perforierte Platte 34 oder durch
ein horizontales Gitter gebildet sein.
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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 eindringt. Das Corium teilt sich dann im porösen Mineralmaterial 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 unterhalb 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.
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Selbstverständlich ist
die Erfindung nicht auf die obenbeschriebene 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, verschieden 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
Mineralmaterials in bestimmten Fällen
von dem beschriebenen Keramikschaum auf Kieselerdebasis verschieden
sein, obwohl dieses Material bevorzugt wird.