DE2525554B1 - Kernenergieanlage mit auffangbehaelter fuer schmelzende coremassen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kernenergieanlage mit einem Reaktorschutzbehälter, bei der unterhalb des Reaktorcores ein gekühlter Auffangbehälter für geschmolzene Coremassen vorgesehen ist, wobei in die Wandung des Auffangbehälters Kühlrohre eingesetzt sind.

Für die Beurteilung der Sicherheit eines Kernkraftwerkes ist gegenwärtig der »größte anzunehmende Unfall (GAU)« maßgebend, für den in der Regel der glatte, doppelseitige Bruch einer Primärkühlmittelleitung und infolgedessen der Verlust des Kühlmediums angenommen wird. Für diesen Fall sind die Abschalt- und Nachwärmeabfuhrsysteme des Kernkraftwerkes so ausgelegt, daß sie auch bei nur teilweisem Ansprechen eine sichere Abschaltung und Nachwärmeabfuhr gewährleisten und so verhindern, daß in die Umgebung Spaltprodukte freigesetzt werden. Wenn auch die Wahrscheinlichkeit für das Funktionieren der Abschalt- und Nachwärmeabfuhrsysteme sehr hoch ist, so kann doch deren Versagen nicht mit absoluter Sicherheit ausgeschlossen werden. In diesem Fall würde der Verlust des Kühlmediums zum Schmelzen des Reaktorkerns der Kernenergieanlage führen, wobei bei einem modernen Kernkraftwerk mit einer Betriebsleistung von ca. 4000 MWth bei Eintritt des Störfalles mit einer Wärmeproduktion von etwa 40 bis 120 MW zu rechnen ist. Damit besteht die Gefahr, daß die geschmolzenen Coremassen den Boden des Reaktorschutzbehälters zerstören und in das Erdreich eindringen. Die intensive Wärmeabstrahlung würde darüber hinaus zur Beschädigung des Reaktorschutzbehälters führen und im Reaktorcore vorhandene Spaltprodukte in die Umgebung freisetzen.

Um dies abzuwenden, ist es bekannt, unterhalb des Reaktorcores Auffangbehälter vorzusehen, in die die geschmolzenen Coremassen einfließen können. In den Auffangbehältern werden die Coremassen so weit gekühlt, daß eine Zerstörung des Reaktorschutzbehälters vermieden wird. An das Kühlsystem des Auffangbehälters sind hohe Anforderungen zu stellen, da im angenommenen Störfalle der Kern innerhalb sehr kurzer Zeit zusammenschmilzt.

Bekannt ist ein schalenförmiger Auffangbehälter mit einer trichterförmig ausgebildeten, zum Schaleninneren hin gewölbten Abdeckung (L. Barleon et al., »Temperature and Heat-Flux Distribution in the Molten Core Mass of a GCFR after a Hypothetical Melt-Down Accident«, KFK 1755, Nov. 1972). Eine öffnung in der Mitte der Abdeckung wird durch eine pilzförmig gestaltete Säule so abgedeckt, daß eine Wärmeabstrahlung von in den Auffangbehältern gelangter Coreschmelze in den Reaktorraum verhindert wird. Zur Kühlung der Kernfängerwände sind in diese eingebaute Kühlschlangen vorgesehen. Über die Art des Kühlmediums und seinen Transport sowie über die Ableitung der Wärme aus dem Kühlmedium wird in der zitierten Veröffentlichung nichts ausgesagt.

Des weiteren ist aus der DT-OS 23 20 091 ein Auffangbehälter bekannt, dem Wasser als Kühlmittel in natürlichem Gefälle aus einem oberhalb des Auffangbehälters liegenden Vorratsbehälter zugeleitet wird. Bei Aufnahme der Wärmemengen aus den geschmolzenen Coremassen verdampft das Wasser und wird frei in die Atmosphäre abgelassen. Ein solches Kühlsystem hat jedoch den Nachteil, daß wegen der erforderlichen Ableitung des Dampfes die Kühlrohre selbst zur Atmosphäre hin geöffnet sein müssen, was im Falle eines Kühlrohrbruches zu einem unmittelbaren Freisetzen von in den geschmolzenen Coremassen enthaltenen Spaltprodukten in die Umgebung der Kernreaktoranlage führt. Es ist zwar aus der DT-AS 20 35 089 auch 20 35 089 bekannt, das Kühlsystem mit Dampfkühlern auszurüsten und durch Rückführung des Kondensats ein geschlossenes Kühlsystem zu bilden. Die gegebene gegenseitige Abhängigkeit der den Auffangbehälter durchsetzenden Kühlelemente beeinträchtigt jedoch die erforderliche Sicherheit für einen einwandfreien Betrieb des Kühlsystems bei Eintritt des Störfalls.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Auffangbehälter für geschmolzene Coremassen zu schaffen, dessen Kühlsystem weitgehend störungsfrei arbeitet und unabhängig von der Funktionsfähigkeit von Antriebssystemen die notwendige Kühlleistung voll zur Verfügung stellt. Ein Freisetzen von Spaltprodukten in die Umgebung soll verhindert werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Kernenergieanlage der

oben bezeichneten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Kühlrohre als Wärmerohre ausgebildet sind, wobei das eine der Enden der Wärmerohre im Bereich der inneren Wandseite des Auffangbehälters angeordnet ist, während das andere Ende in den Innenraum eines außerhalb des Reaktorschutzbehälters (containment) angeordneten, zur Atmosphäre hin offenen Kühlbeckens geführt ist. Wärmerohre (heat pipes) sind an sich bekannt. Sie werden gebildet durch beidseitig geschlossene, mit einem flüssigen Wärmetransportmittel gefüllte Rohre, an deren einem Ende das Wärmetransportmittel unter Wärmeaufnahme verdampft und an dessen anderem Ende durch Kondensation des Wärmetransportmittels Wärme abgegeben wird. Für den Rücktransport der flüssigen Phase des Wärmetransportmittels von der Kondensationszone zur Verdampfungszone des Wärmerohres werden die in einem Kapillarsystem, das Kondensationszone und Verdampfungszone verbindet, auftretenden Kapillarkräfte ausgenutzt (vgl. Chemie-Ing.-Techn., 1969, Heft 1, S. 30 bis 40). Durch den Einsatz von Wärmerohren, die jedes für sich ein in sich geschlossenes Kühlsystem bilden, wird ein hohes Maß an Sicherheit für die Betriebsfähigkeit des Kühlsystems im Auffangbehälter gewährleistet. Wegen der geschlossenen Ausbildung der Wärmerohre werden auch im Falle eines Wärmerohrbruches keine Spaltprodukte in die Umgebung gelangen. Das Kühlbecken ist vorzugsweise mit Wasser gefüllt. Das Kühlbecken ist zur Atmosphäre hin offen, so daß der an den in das Kühlbecken geführten Enden der Wärmerohre entstehende Wasserdampf frei entweichen kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß zwischen der inneren Wandseite des Auffangbehälters und dem Kühlbecken mehrere Warmerohre hintereinander geschaltet sind. Dies ermöglicht ein Auslegen der Wärmerohre nach optimalen Gesichtspunkten, insbesondere im Hinblick auf eine Begrenzung des Druckverlustes im Inneren eines Wärmerohres. Die Kühlung der Wand des Auffangbehälters wird vorteilhaft noch dadurch unterstützt, daß die Anzahl der Wärmerohre pro Flächeneinheit im Bereich der inneren Wandseite des Auffangbehälters erhöht ist.

Um eine sichere Wärmeabfuhr über einen längeren Kühlzeitraum im Kühlbecken zu gewährleisten, ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, das Kühlbecken an einen Löschteich anzuschließen. Bevorzugt ist das Kühlbecken mit natürlichen Gewässern verbindbar.

Eine gleichmäßige Auslastung der vorhandenen Wärmerohre wird dadurch erreicht, daß an der inneren Wandseite des Auffangbehälters eine Auskleidung aus einem gut wärmeleitenden, mit der geschmolzenen Masse wenig chemisch reagierenden, temperaturbeständigen Material vorgesehen ist. Mit Vorteil besteht die Auskleidung aus Siliciumcarbid. Um ein Kritischwerden der aufgefangenen Coremasse zu verhindern, wird die Auskleidung zweckmäßig mit Neutronengiften dotiert.

Die Erfindung wird anhand eines in einer schematischen Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figur zeigt einen Querschnitt durch einen achssymmetrischen Auffangbehälter mit außerhalb des Reaktorschutzbehälters angeordnetem Kühlbecken im Halbschnitt

Der Auffangbehälter 1, der unterhalb des in der Zeichnung nicht dargestellten Reaktorkerns einer Kernenergieanlage angeordnet ist, ist so bemessen, daß in seinem um die Achse V des Auffangbehälters 1 ringförmig ausgedehnten Innenraum die schmelzende Coremasse sowie das während des Abschmelzvorganges herabstürzende Strukturmaterial der Aufbauten der Reaktoranlage aufgenommen werden kann. Zentral in einer öffnung 2 in der Mitte der Decke des Auffangbehälters 1 ist zum Abfangen der Schmelze eine pilzartig geformte Säule 3 vorgesehen. Der Durchmesser D des Pilzhutes der Säule 3 ist größer als der Durchmesser d der öffnung 2, um eine Wärmeabstrahlung der in den Innenraum des Auffangbehälters gelangenden Schmelze nach außen zu vermeiden. Die Coreschmelze kühlt sich an der inneren Wandseite 4 des Auffangbehälters 1 ab. Zum Ableiten der Wärme sind in die Wandung Wärmerohre 5 eingesetzt, wobei das eine der Enden 6 der Wärmerohre 5 im Bereich der inneren Wandseite 4 des Auffangbehälters angeordnet ist, während das andere Ende 7 in den Innenraum eines außerhalb des Reaktorschutzbehälters 6 (containment) angeordneten, zur Atmosphäre hin offenen Kühlbekkens 9 geführt ist.

Nach dem Ausführungsbeispiel ist das Kühlbecken 9 mit Wasser gefüllt. Wasser wird im Kühlbecken bevorzugt benutzt, da einerseits dessen spezifische Verdampfungswärme sehr hoch ist und andererseits eine Verdampfung des Wassers kein Risiko darstellt. Auch sind in der Nähe von Kernenergieanlagen in der Regel Wasserreservate, wie Löschteiche oder natürliche Gewässer vorhanden und stehen zur Wärmeabfuhr zur Verfügung. Im Ausführungsbeispiel werden bei einer Kernenergieanlage mit einer Leistung von 4000 MWth unter Annahme einer abzuführenden Restleistung von 3 % über die Wärmerohre im Kühlbecken etwa 1901 Wasser pro Stunde benötigt. Die benötigte Wassermenge ist durch den Anschluß des Kühlbeckens 9 an ein natürliches Gewässer lieferbar. Es ist aber auch möglich, einen entsprechend angelegten Löschteich mit dem Kühlbecken zu verbinden, der unter Umständen durch Einsatz von Tankwagen nachspeisbar ist. Um die durch die geschmolzenen Coremassen anfallende Wärmemenge möglichst gleichmäßig in der inneren Wandseite 4 des Auffangbehälters 1 zu den Wärmerohren 5 zu leiten, ist an der inneren Wandseite 4 eine Auskleidung 4a aus einem gut wärmeleitenden, mit der geschmolzenen Masse wenig chemisch reagierenden und temperaturbeständigen Material, im Ausführungsbeispiel aus Graphit, vorgesehen. Mit Vorteil ist als Werkstoff für die Auskleidung 4a Siliciumcarbid verwendbar. Die Auskleidung ist mit Neutronengiften dotiert, um ein Kritischwerden der geschmolzenen Coremasse zu verhindern. Zwischen der Graphitauskleidung und der tragenden Außenwand 10 des Auffangbehälters ist eine thermische Isolierschicht 11 vorgesehen.

Ein weiterer Abbau von Temperaturspitzen in der Wandung wird noch dadurch erreicht, daß an der inneren Wandseite 4 des Auffangbehälters, an der die höchsten Temperaturen auftreten, die Anzahl der Wärmerohre 5 örtlich erhöht wird. An diesen Stellen weisen die Wärmerohre im Ausführungsbeispiel auch geringere Rohrquerschnitte auf. Vorteilhaft lassen sich so vor allem Teile des Auffangbehälters mit geringer Wandstärke kühlen. Des weiteren sind im Ausführungsbeispiel neben Wärmerohren, die von der inneren Wandseite 4 des Auffangbehälters bis zum Kühlbecken 9 reichen, auch Wärmerohre 5', 5", 5'" eingesetzt, die hintereinandergeschaltet sind.

Als Wärmetransportmittel in den Wärmerohren kommen insbesondere Stoffe mit hohen spezifischen Verdampfungswärmen in Betracht. Die Stoffe sollen außerdem bei Raumtemperatur flüssig sein. Besonders geeignet als Wärmetransportmittel ist daher Wasser.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Kernenergieanlage mit einem Reaktorschutzbehälter, bei der unterhalb des Reaktorcores ein gekühlter Auffangbehälter für geschmolzene Coremassen vorgesehen ist, wobei in die Wandung des Auffangbehälters Kühlrohre eingesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrohre als Wärmerohre (5) ausgeführt sind, wobei das eine der Enden der Wärmerohre im Bereich der inneren Wandseite (4) des Auffangbehälters angeordnet ist, während das andere Ende im Innenraum eines außerhalb des Reaktorschutzbehälters (containment) (8) angeordneten, zur Atmosphäre hin offenen Kühlbeckens (9) geführt ist.

2. Kernenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der inneren Wandseite (4) des Auffangbehälters und dem Kühlbecken (9) mehrere Wärmerohre (5', 5", 5'") hintereinandergeschaltet sind.

3. Kernenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Wärmerohre pro Flächeneinheit im Bereich der inneren Wandseite des Auffangbehälters erhöht ist.

4. Kernenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlbecken (9) an einen Löschteich angeschlossen ist.

5. Kernenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlbecken (9) mit natürlichen Gewässern verbindbar ist.

6. Kernenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der inneren Wandseite (4) des Auffangbehälters eine Auskleidung (4a) aus einem gut wärmeleitenden, mit der geschmolzenen Masse wenig chemisch reagierenden, temperaturbeständigen Material vorgesehen ist.

7. Kernenergieanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung aus Siliciumcarbid besteht.

8. Kernenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung mit Neutronengiften dotiert ist.