DE2363844C2 - Einrichtung zur Verringerung der Gefahren, die infolge eines Niederschmelzens eines Kernreaktor-Cores entstehen können - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrick ang zur Verringerung der Gefahren für die Umwelt die infolge eines Niederschmelzens eines mit einer Auffangwanne für Kernbrennstoffe ausgestatteten, mit Wasser, Wasserdampf oder Gas gekohlten Kernreaktors entstehen können.

Tritt während des Betriebs eines Kernreaktors der hypothetische Fall ein, daß nach einem Verlust von Primärkühlmittel, z. B. infolge eines Rohrleitungsbruches, auch die Notkühleinrichtungen versagen, so können u. U. größere Teile des Cores aufgrund der Wärmeleistung beim Zerfall der bei der Spaltung der Brennstoffatome entstandenen radioaktiven Spaltprodukte (Nachwärmeentwicklung) bis über den Schmelzpunkt des Brennstoffs erhitzt werden.

• Welche Ausmaße ein solcher Coreschmelzen-Unfall annimmt d. h. vor allem wie lange die Schmelze flüssig bleibt und dadurch den Reaktor-Druckbehälter und evtl. sogar das Containment gefährdet, hängt wesentlich davon ab. in welchem Ausmaß die Spaltprodukte aus dem Brennstoff freigesetzt werden und dadurch die Wärmeentwicklung in der Schmelze abnimmt Die Kenntnis der Restwärmequellstärke im Brennstoff wird daher als wichtige Voraussetzung für die Entwicklung konstruktiver Maßnahmen, etwa eines sog. Corecatchers (Auffangwanne) zum Schutz des Containments angesehen. Jede Cörecatchef-Konstruktion muß aus Sicherheitsgründen für die volle Nachwärmeleistung ausgelegt werden, denn nach heutigem Wissen verbleiben von allen radioaktiven Wärmequellen etwa 65 ± 15% in der Schmelze gebunden.

Weitere Folgen eines Coreschmelzen-Unfalls können darin bestehen, daß die Schmelze den Boden des Druckbehälters durchschmilzt und u. U. sogar die Betonfundamente des Containments zerstört Die dabei freigesetzten Spaltprodukte stellen für die Umgebung des Reaktors ein erhebliches Gefährdungspotential dar.

Eine weitere große Gefahr bilden, insbesondere bei wassergekühlten Kernreaktoren, exotherm verlaufende Reaktionen zwischen dem Kühlmittel und den Brennelement-Hüllrohr- oder Struktur-Materialien, die zur Freisetzung von Wasserstoff führen. Ferner kann eine Reaktion zwischen Wasser und Kernschmelze tach als

to Folge eines Wassereinbruchs durch einen Schaden im Dampferzeuger (Wärmetauscher) während eines Störfalles bei einem gasgekühlten Kernreaktor auftreten.

Gegen die Gefahr der Ansammlung einer kritischen Masse nach dem Niederschmelzen eines Reaktor-Cores wurde eine Kernbrennstoff-Auffangvorrichtung vorgeschlagen, die im wesentlichen aus einem oder mehreren, übereinander angeordneten pfannenartigen Bauteilen und einem zentralen Körper, der an seinem oberen Ende einen Aufschlagkonus aufweist besteht (DE-OS 22 59 071). Der zentrale Körper weist unterhalb des Konus zwei übereinander angeordnete Gitterstrukturen mit Schaufeln zur Kühlung, zur Verteilung der Masse und zum Auffangen von größeren und kleineren Brennstoffstücken und/oder geschmolzenen Materials auf.

Der Rest der Core-Schmelze fließt durch die Gitterstrukturen hindurch in die darunter angeordneten Pfannen.

Von einer Wanne zum Auffangen der niedergeschmolzenen Coremasse nach einem Reaktorunfall wird verlangt, daß die Schmelze innerhalb des Containments festgehalten wird. Die Zerfallswärme wird teilweise über die Wanne und zum anderen Teil von der Oberfläche der Schmelze abgeführt

Um die niedergeschmolzene Coremasse im Reaktor-

Containment festzuhalten, ist es notwendig, nicht nur die Masse dort zu kühlen, sondern Maßnahmen zu treffen, daß die Strahlungswärme nicht auch die darüber befindlichen Einbauten wie Containmentsteile niederschmilzt bzw. in Mitleidenschaft zieht Dazu Rannen konstruktive ve Maßnahmen vorgesehen oder die Möglichkeit der Einspritzung von Wasser in Betracht gezogen werden.

Die Durchführbarkeit einer Kühlung der Oberfläche der Schmelze mit Wasser hängt entscheidend von den Folgen der zwischen Wasser und der Schmelze ablaufenden chemischen Reaktionen, d. h. von der Wasserstofffreisetzung, ab. Bei einem wassergekühlten Reaktor ist beim Coreschmelzen auf jeden Fall mit einer Wasser-Schmelze-Reaktion zu rechnen. Bei einem gasgekühlten Reaktor kann ein Kontakt Wasser/Schmelze durch einen Wassereinbruch aus dem Wärmetauscher oder aus der Wassereinspritzung zur Kühlung der Kernschmelze und der Einbauten entstehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schafften, die bei Auftreten eines Coreschmelzen-Unfalls bei einem mit Wasser, Wasserdampf oder gasgekühlten Kernreaktor die Gefahren einer Wasserstofffreisetzung und damit u. U. einer Bildung eines Wasserstoff-Luft-Knallgases im Reaktorgebäude und/oder einer Freisetzung von radioaktiven Spalt- und Aktivierungs-Produkten und damit einer evtl. Kontaminierung des Reaktorgebäudes oder der Umgebung verhindert bzw. weitgehend verringert Außerdem soll die nachfolgende Beseitigung der niedergeschmolzenen Core-Masse erleichtert werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die Auffangwanne auf ihrer Innenseite mit einer Schutzsubstanz in Form einer Schicht mit einer geringeren Dichte als derjenigen der Coreschmelze und mit

einem Schmelzpunkt, der unterhalb der Temperatur der Coreschmelze liegt, versehen ist In einer Ausbildung der Erfindung ist die Substanz ein Oxid oder ein Gemisch mehrerer Oxide aus der Gruppe MgO, CaO, B2O3 und S1O2 (ausgenommen reines MgO oder reines CaO s oder ein Gemisch aus MgO und CaO).

In einer anderen Ausbildung der Erfindung ist die Schutzsubstanz eine Verbindung oder ein Gemisch mehrerer Verbindungen aus der Gruppe Borate, Phosphate, Chromate und Karbonate. In einer Weiterbildung der Erfindung enthält die Schutzsubstanz einen Jod-bindenden Stoff, beispielsweise Silber.

Durch die Erfindung wird nicht nur die Wasserstofffreisetzung durch Kontakt einer Metallschmelze mit Wasser oder Dampf vermieden, sondern auch die radiolyrische Zersetzung des Wassers verringert, da die Spaltprodukte in der Schicht der Schutzsubstanzen (bzw. in der Schmelze) sich verteilen und weitgehend darin verbleibea Die Schicht der Schutzsubstanzen wirkt als Barriere gegen den Austritt der Spaltprodukte. Durch die Schutzsubstanz wird, durch die zusätzlich eingebrachte Wärmekapazität, auch die absolute Temperatur der Gesamtschmelze erniedrigt, wodurch noch zusätzlich bewirkt wird, daß mehr Spaltprodukt aufgrund der absinkenden Flüchtigkeit in der Schmelze verbleiben. Durch das Vermischen des Brennstoffs mit den Schutzsubstahzen wird dieser verdünnt und dadurch in einer unterkritischen geometrischen Form gehalten; dies gilt insbesondere für schnelle Brutreaktoren. Dieser Effekt wird durch Zugabe Neutronen absorbierender Stoffe, wie beispielsweise B2O3, noch verstärkt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen von vorteilhaften Ausführungsbeispielen der Erfindung, die jedoch die Erfindung auf diese Beispiele nicht beschränken.

Die F i g. 1 und 2 stellen mit Kühlrohren 2 versehene Auffangwannen 1 im Normalzustand (vor einem Coreschmelzen-Unfall) dar.

Die F i g. 3 und 4 zeigen solche Wannen jeweils mit Core-Schmeizen.

In F i g. 1 ist in die Wanne 1 eine Schutzsubstanz 5 mit einer geringeren Dichte als der einer Cortschmelze so eingebracht daß die Schutzsubstanz 5 auf der Innenseite 3 der Wanne 1 aufliegt Die Schutzsubstanz 5 kann im Normalzustand mit einer Metallschicht 4 als Verpakkung versehen sein, die entweder zur Abdeckung der Schutzsubstanz dient oder diese als Verpackung völlig umschließt Ist letzteres der Fall, kann, wie in F i g. 2 gezeigt wird, zwischen der Innenseite 3 der Wanne 1 und der in einer Folie 4 befindlichen Schutzsubstanz 5 ein Hohlraum 6 freigelassen werden, in welchen die Coreschmelze 7 nach Durchschmelzen der Folie 4 und der Schutzsubstanz 5 eindringen kann. Falls erforderlich können zum Abstützen der verpackten Schutzsubstanz in den Hohlraum 6 Stützelemente (in der Zeichnung nicht dargestellt) vorgesehen sein.

Nach einem Coreschmelzen-Unfall wird die Coreschmelze 7 entweder, wie in F i g. 3 dargestellt sich aufgrund ihrer verhältnismäßig hohen Dichte auf die Innenseite 3 der Wanne 1 absetzen, wobei dann die Metallschmelze 8 aus der metallischen Folie 4 und eventuell abgeschmolzenen Metallteilen des Reaktors darüber zu liegen kommt und die Schutzsubstanz S die Metallschmelze 8 überdeckt oder, wie in F i g. 4 aufgezeigt, sich mit den als Schi'tzsubstanz dienenden Oxiden oder Salze vermischen bzw. verdünnen und so als verhältnismäßie leichtes Gemisch 9 die Metallschmelze 8 vor einem Kontakt mit Wasser oder Wasserdampf schützen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Verringerung der Gefahren für die Umwelt, die infolge eines Niederschmelzens eines mit einer Auffangwanne für Kernbrennstoffe ausgestatteten, mit Wasser, Wasserdampf oder Gas gekühlten Kernreaktors entstehen können, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangwanne auf ihrer Innenseite mit einer Schutzsubstanz in Form einer Schicht mit einer geringeren Dichte als derjenigen der Coreschmelze und mit einem Schmelzpunkt, der unterhalb der Temperatur der Coreschmelze liegt, versehen ist

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzsubstanz (5) ein Oxid oder ein Gemisch mehrerer Oxide aus der Gruppe MgO, CaO, B2O3, und S1O2 (ausgenommen reines MgO oder reines CaO oder ein Gemisch aus MgO und CaO)ist

3. Einrichiöng nach Anspruch l_r dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzsubstanz (5) eine Verbindung oder ein Gemisch mehrerer Verbindungen aus der Gruppe Borate, Phosphate, Chromate und Karbonate ist

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzsubstanz (5) einen Jod-bindenden Stoff enthält

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß der Jod-bindende Stoff Silber ist