DE2614187C2 - Auffangvorrichtung für abgeschmolzenes Reaktormaterial im Falle eines Reaktorunfalls - Google Patents

Description

Zeichnungen zeigt

l^; i g. 1 einen Querschnitt »durch eine bevorzugte Ausführungsform einer Auffangvorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 2A eine Innenansicht eines Teils des in F i g. 1 sichtbaren Trichters,

F i g. 2B eine Draufsicht auf den in F i g. 2A gezeigten Trichterabschnitt,

Fig.2C einen Schnitt entlang der Linie C-C in Fig.2B,

F i g. 2D eine vergrößerte Einzelheit aus F i g. 2A,

Fig.3 eilte Ansicht des Trichters mit einem darin eingezeichneten Kühlraittelzirkulaiionsweg,

F i g. 4A eine Schnittansicht des Auffangbehälters der erfinilungsge^rnäßen Auffangvorrichtung und der ihn umgebenden Konstruktion,

F i J?. 4B eii>e Draufsicht auf den in F i g. 4A gezeigten Auffangbehälter,

Fi}?.4C eine Schnittansicht einer alternativen Ausführutigsform des Auffangbehälters,

Fig.5 einen T<;ilschnill durch das Behälterbett der crfind'.ingsgciTisßiin Auffangvorrichtung,

F i g. 6A eine Teilansicht des Kühlsystem.·. der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig.6B einen Schnitt entlang der Linie B-B in Fig.6A,

F i g. 6C eine vereinfachte schematische Darstellung eines Teils der oberen Rohrführung des Kühlsystems,

Fig.6D eine vereinfachte schematische Draufsicht der Bodenrohrführung, welche zwei Redundanzrohrsysteme zeigt,

Fig.6E eine vereinfachte schematische Darstellung der Rohrführung und der Komponenten des Kühlsystems,

F i g. 7A eine Schnitteilansicht der Muldenauskleidung der Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig.7B einen Schnitt entlang der Linie B-B in Fig.7A,

F i g. 8A ein Zustandsdiagramm der bei einer Ausführungsform der Erfindung verwendeten Werkstoffe, wobei ihre Eigenschaften in Luft dargestellt sind,

F i g. 8B ein idealisiertes Zustandsdiagramm der bei einer Ausführungsform der Erfindung verwendeten Werkstoffe,

F i g. 8C ein weiteres Zustandsdiagramm von bei einer Ausführungsform der Erfindung verwendeten Werkstoffen.

F i g. 9A eine Schnittansicht einer größeren Ausführungsform der Erfindung, und

Fig.9B einen Schnitt entlang der Ebene B-B in I" i g. 9A.

Hie in F i g. 1 dargestellte Auffangvorrichtung weist einen unterhalb eines Reaktordruckbehälters 10 angeordneten Auffangbehälter auf, welcher zum Auffangen, Aufbewahren und schließlich zum Verfestigen von geschmolzenem Reaktorkernmaterial dient, welches bei einem eine Reaktorkernabschmelzung nach sich ziehenden Reaktorunfall durch den Reaktorbehälter 10 hindurchgelangen kann. Manche Reaktoren wie beispielsweise der FFTF-Reaktor, weisen unter dem Reaktorbehalter 10 ciinen Sicherheilsbehälter 12 auf.

Die vorliegende Ausführungsform der Auffangvorrichtung Weist fünf Hauptkomponenten auf, die nach-Mehend i'inzcln beschrieben werden. Diese Hauptkomponcntci¹ sind ein Aiiffnngirichter 14, ein Auffangbehälter Ie für gcschiiic'/.enes Kcaklorkcrnmatcriiil. ein Beliältcrbvtl 18, ein Kühlsystem 20 und eine Muldenauskloitlunu 22.

Der Auffangtrichter 14 leitet Kerninalerial, welches den Sicherheitsbehälter 12 durchdrungen hat, in die Mitte der Vorrichtung. Das geschmolzene Kcrnmaleriai wird im Auffangbehälter 16 gesammelt, der einen domförmigen Mittelkörper 24 und als Neutronengift wirksame Tantalstäbe 26 enthält, um die Bildung eines kritischen Zustands des geschmolzenen oder teilchenförmigen Kernmaterials zu verhindern. Der Auffangbehälter 16 nimmt auch den größten Teil der thermischen Stoßbelastung durch die eine hohe Temperatur aufweisenden Materialteilchen auf. Diese Materialteilchen können Temperaturen im Bereich von 2800⁰C erreichen. Wenn das Material durch den Auffangbehälter 16 hindurchschmilzt, schmilzt es langsam in den Werkstoff des Behälterbettes 18 ein, welcher durch Temperaturanstieg und durch Schmelzen Wärme absorbiert und die Wärme an das Kühlsystem 20 abgibt

Das Kühlsystem 20 umgibt das Behälterbett 20 an Wänden und Boden und enthält Kühlrohre 28, die in einer Schicht aus Graphitblöcken 30 verlaufen. Das Kühlsystem erstreckt sich nach oben in den oberen Bereich des Sicherheitsbehälters 12 und führt Wärme von der Kühlmittelansammlung, beispielsweise einer Natriumansammlung ab, die sich über den Kernteilchen bilden kann.

Das Kühlsystem 20 ist von der Auskleidung 22 umschlossen, welche dazu dient, eine Berührung zwischen dem Natrium und dem Beton 32 der Betonummantelung zu verhindern. Die Auskleidung 22 weist wärmeisolierende und stützende feuerfeste Ziegel 34 auf, welche die Betontemperatur an der unteren Muldenwand niedriger halten.

Nachstehend werden die fünf Hauptkomponenten nacheinander in ihren Einzelheiten beschrieben.

Der Auftangtrichter

Der Auffangtrichter 14 leitet das Reaktorkernmaterial von irgendeiner angenommenen Durchschmelzsteile des Bodens des Reaktorbehälters 12 aus in die Mittel der Auffangvorrichtung. Der Trichter 14 stellt sicher, d- 3 die Kernmaterialteilchen derart in die Auffangvorrichtung geleitet werden, daß das Bett 18 die geschmolzenen Teilchen ggfs. in ihren Grenzschichten aufnimmt.

■45 Der Trichter 14 erstreckt sich radial auswärts bis zum Innendurchmesser des oberen Teils des Sicherheitsbehälters 12 bzw. bis über den Außendurchmesser des Reaktorbehälters 10 hinaus. Die Trichterwände weisen eine ausreichende Neigung auf, so daß Materialteilchen sicher entlang der Trichteroberfläche nach unten gleiten. In den Zeichnungen ist beispielsweise ein Neigungswinkel von 45° dargestellt, der jedoch variiert werden kann und vorzugsweise im Bereich von 30° und 60° liegt Der Trichter 14 ist so ausgebildet, daß er ohne Festigkeitsverlust dem durch plötzliche Berührung mit geschmolzenem Kernmaterial, geschmolzenem Stahl und Reaktorkühlmittel bedingten thermischen Stoß widerstehen kann. Obwohl dies nicht unbedingt notwendig ist, können die Bauteile des Trichters 14 gewünschten falls in Form kle..ier Segmente vorgefertigt sein, die in die untere Mulde der Ummantelung hineintransportiert und dort an Ort und Stelle zusammengebaut werden können.

Der Auffangtrichter 14 sollte festigkeitsmäßig auch in

b5 der Lage sein, seismische Beanspruchungen aufzunehmen.

Wenn der Auffangtrichter 14 einmal seine Aufgabe wahrgenommen hat, kann er zerstört werden, wobei er

jedoch andere Bauteile der Auffangvorrichtung nicht nachteilig beeinflussen darf. Außerdem sollte der Trichter 14 Strömungskanäle enthalten, die es ermöglichen, daß oberhalb der Reaktorkernmaterialteilchen befindliche Kühlmittel durch naturliche Konvektion um die oberen Kühlschleifen 36 herum zirkulieren kann, damit die Wärme aus dem Natrium, Kalium oder Gemischen hiervor oder anderem Kühlmittel abgeführt werden kann.

Ein Auffangtrichter 14, der die oben aufgezählten Forderungen erfüllt, ist in den Fig. 2A, 2B, 2C und 2D dargestellt. Der Trichter weist im wesentlichen die Form eines kopfstehenden Kegels mit einer vieleckigen Basis 50 auf und enthält eine Reihe von Platten 52, welch letztere an einer Rahmenkonstruktion aus im wesentlichen dreieckigen Rahmen 54 angebracht sind. Der in den F i g. 2A bis 2D gezeigte Trichter 14 weist eine vierundzwanzigeckige Basis 50 und eine Vielzahl von Wandnbschnilten mis 2S mm dirkrn Kohlenstoffs'ah!- Ziegel 72 bestehen vorzugsweise aus Magnesiumoxid (MgO), können jedoch auch aus Werkstoffen wie beispielsweise Thoriumoxid. Uranoxid, Zirkonoxicl. Tonerde, Tantal oder Graphit bestehen. Dieser mit Ziegeln ausgemauerte Bereich stellt eine Erweiterung des IHmtes 18 als Auflager für den Trichter 14 dar und isi so ausgebildet, daß er den Zirkulalionsweg sdilieUi. den der Trichter 14 zur Kühlung von Reakioikühliniiieliiii Sammlungen bildet.

Im Bedarfsfall gelang! bei einem angenommenen Durchschmel/en des Reaktorbehälters 10 (und des .Sicherheitsbehälters 12) hindurchdringendes Reaklorkernmaierial entlang der geneigten Kohlenstoffstahloberfläche des Trichters 14 nach unten in den Auffangbehälter 16, wo dieses gesamte Kcrnmatcrial gesammeil wird. Dieses Material kann ;iuch durch das Kühlmittel nach unten gespült werden. Sollte Kernmaterial ;in den Stahlplatten anhaften und die Stahloberflüchc des

ancpjimfjvi»n

platten 52, die an vierundzwanzig dreieckigen Rahmen 54 befestigt sind. Die Rahmen 24 sind gemäß der Darstellung so montiert, daß sie eine Konstruktion in Form eines kopfstehenden Kegelstumpfes bilden. Die äußeren Quer- bzw. Basisschenkel 50 der Rahmen 54 sind jeweils an einem sie tragenden. 50 mm dicken stählernen Sicherheitsbehältertragring 58 befestigt.

Der innere Teil jedes Rahmens ist am Zylinder des Auffangbehälters 16 befestigt, der auf dem Ziegelbett 18 ruht. Die auf die Rahmen aufgelegten Trichterplatten 52 werden jeweils bei 56 (F i g. 2D) an die beiden jeweils sie tragenden Rahmen j4 angeschweißt. Stählerne Verbindungsstreifer, 60 überdecken jeweils die Stoßstellen der benachbarten Trichterplatten 52 über den Rahmen 54. Die Streifen 60 sind jeweils kontinuierlich an beiden Seiten mit den Platten 52 verschweißt.

Oberhalb der Trichterplatten 52 ist eine Reihe von Strömungsleitplatten 62 und eine Reihe von Schutzplatten 64 vorgesehen, welche einen natürlichen Zirkulationsweg für die oberen Kühlschleifen 36 zur Kühlung einer Reaktorkühlmittelansammlung bilden. Die Kühlströmung ist in F i g. 3 gezeigt. Die Strömungsplatten 62 befinden sich unmittelbar über den Trichterplatten und überlappen diese beim vorliegenden Ausführungsbeispiel um etwa 60 cm. Der Raum zwischen den einander über'appenden Abschnitten bildet einen Strömungskanal. Die Schutzplatten 64 und deren Träger 66 über den Strömungsplatten 62 bilden durch den zwischen ihnen liegenden Raum einen Strömungsweg für das zweite Kühlmittel. Die Strömungsplatten 62 werden von vierundzwanzig Trägerwinkelschienen 68 gehalten, die Teile der Gesamttra^konstruktion bilden. Diese Winkelschienen bilden jeweils den obersten Teil der etwa dreieckigen Tragrahmen 54. Jede Strömungspiatte 62 ist an zwei sie tragende Winkelschienen 68 angeschweißt Zum Abdecken der Stoßstellen zwischen nicht von den Schutzplatten 64 überdeckten Strömungsplatten 62 sind wiederum Deckstreifen 60 an den Strömungsplatten angeschweißt

Die Tragschienen 66, welche die Schutzplatten 64 tragen, sind über ihre gesamte Länge an den Strömungsplatten 62 angeschweißt Die Schutzplatten 64 sind jeweils auf den beiden sie tragenden Tragschienen angeschweißt.

Unter den Strömungsplatten 62 sind im Bereich zwischen den vertikalen und horizontalen Rahmenteiien Platten 70 aus Kohlenstoffstahl mit einer Dicke von etwa 6 mm angeschweißt, welche einen dreieckigen, mit Ziegeln 72 ausgemauerten Bereich umschließen. Diese schmolzene Stahl den Reibungsbeiwert zwischen dem Kernmateria! und der Trichteroberfläche, so daß d;is Kernmaterial leichter entlang des Trichters 14 in den Auffangbehälter 16 gleitet. Die Platten können auch aus anderen Stählen oder hochtemperaturfesten Werkstoffen, wie beispielsweise Wolfram und Molybdän oder einem mit einem hochtemperaturfesten Überzug versehenen basismaterial bestehen. Ein Durchschmelzen einer Sch< "ht der Stahloberfläche soll die Funktion der anderen Schichten des Trichters 14 nicht becintrachti-

jo gen. Die hinter den Stahlplatten befindlichen Ziegel 72 leiten durchgeschmolzenes Kernmaterial ebenfalls in den Auffangbehälter 16. Außerdem dient das Zicgclwerk hinter den Strömungsplatten zur Isolation des heißen Kühlmittels vom gekühlten Kühlmittel in der naiiirliehen Zirkulationsschleife.

Die Rahmen 54, die Strömungsplatten 62 und die Schutzplatten 64 bilden am oberen Umfang des Trichters 14 einen konischen Einlaßkanal und am Trichtersockel einen ähnlichen Auslaßkanal. Bei der natürlichen Zirkulation zur Kühlung einer Kühlmittelansammlung strömt das heiße Kühlmittel in der Mitte des Trichterraumes nach oben und dann längs der Unterseite der Sicherheitsbehälterisolation 74 nach außen, wie in F i g. 3 gezeigt ist. Sodann gelangt dieses heiße Kühlmittel durch den Einlaßkanal 76 in einen Sammelraum oberhalb des Trichters 14. Das heiße Kühlmittel strömt dann um die oberen Kühlschleifen 36 herum abwärts, wobei es abgekühlt wird, und gelangt dann radial einwärts auf die Oberfläche der Trichterplatten, an denen entlang es nach unten in die Mitle der Anordnung strömt. Dort wird das abgekühlte Kühlmittel durci. das Reaktorkernmaterial wieder erhitzt und strömt nach oben zur Unterseite der Sicherheitsbehälterisolation 74 hin, wodurch der Strömungszyklus geschlossen wird.

Die Temperaturdifferenz zwischen dem vom Kernmaterial aufgeheizten Kühlmittel und dem durch die Kühlschleifen 36 abgekühlten Kühlmittel liefert den thermischen Auftrieb zur Aufrechterhaltung der Kühlmittelzirkulation.

Der Auffangbehälter

Der Auffangbehälter 16 ist in den F i g. 4A, 4B und 4C dargestellt Seine Hauptaufgabe ist es, zu verhindern, daß der Wärme erzeugende zerfallende Kernbrennstoff und anderes geschmolzenes Material sich zu einem geometrischen Gebilde vereinigen können, welches zum kritischen Zustand führen könnte. Um dieser Aufgabe

gerecht zu werden, muß der Auffangbehälter 16 die Reaklorkernmaterialteilchen gemäß einer vorbestimmbaren Geometrie sammeln, wobei dieses Material kühlbar und nach einem gewissen Zeitraum von dem Bett 18 aufnehmbar seih muß. Die Geometrie des Auffangbehüiters 16 sollte so gewählt sein, daß die Reaktorkernlcilchcn sich nicht zu einer kritischen Masse vereinigen können.

IjV-ϊ kann durch Verwendung von Neutronengiftmatcriulicn und/oder durch Beschränkung der Behältertiefe derart, daß das Kernmaterial nicht die Form einer sclbstnivellierenden teichartigen Ansammlung annehmen kann, erreicht werden. Außerdem muß der Auffangbehälter 16 auch nach Erdbebeneinwirkungen intiikt bleiben. Der Behälter kann jedoch verbraucht bzw. /erstört werden, wenn er seine eben erwähnten Funktionen erfüllt hat.

fiinc Ausführung eines diesen Forderungen gerecht werdenden Auffangbehälters 16 ist in der Mitte der Aufderen Werkstoffen, beispielsweise erschöpftem Kernbrennstoff, Tantal, Bor, Cadmium, Hafnium, Gadolinium, Silber, Europium, Indium oder ihren Verbindungen verwendet werden. Mindestens ein Teil der Tabletten sollte erschöpftes Uran zur Aufnahme des anfänglichen thermischen Stoßes enthalten.

F i g. 4C zeigt eine alternative Anordnung des Innenaufbaues des Auffangbehälters 16. Bei dieser Ausführungsform ist eine Vielzahl von Schichten aus etwa dreieckigen Stahlwinkeln 108, welche innen einen Neutronenabsorber wie beispielsweise Borkarbid oder ein anderes der obenerwähnten Neutronengifte enthalten, zur Verteilung des geschmolzenen Materials vorgesehen. Die Winkel 108 sind gemäß der Darstellung in jeder zweiten Schicht unter W zueinander angeordnet. Diese Anordnung erfüllt eine Verteilerfunktion ähnlich dem Mittelkörper 24. Die Stahlwinkel 108 werden im Gebrauchsfalle ebenfalls abschmelzen und bewirken eine Verdünnung der Masse. Das Neutronenabsorbermate-

g vwi ι tarnung

behälter weist einen Durchmesser von etwa 2,10 m und eine Höhe von 0,9 m auf. Der Auffangbehältermantel 90, der aus Kohlenstoffstahl bestehen kann, umschließt den Behälter 16 und bildet das untere Auflager für die Trichterrahmen 54. Ein Mittelkörper 24 mit etwa kugeliger K;;ppe verhindert, daß sich Reakiorkernmateria! in der Mitte des Auffangbehälters 16 ansammelt und eine kritische Masse bilden kann. Dieser Mittelkörper 24 kann aus Blöcken aus Tonerde, Magnesiumoxid, Thoriumoxid, Uranoxid, Zirkonerde, Tantal, Graphit oder anderen Werkstoffen mit hohem Schmelzpunkt aufgebaut sein. Vorzugsweise besteht der Mittelkörper 24 aus Blöcken, die 98% Tonerde enthalten. Die Blöcke des Mittelkörpers weisen radial verlaufende Löcher 94 auf, die Tantalstäbe % aufnehmen. Das Innere des Mittelkörpers ist mit Blöcken 98 ausgefüllt, vorzugsweise aus Tonerde, deren Volumen zu etwa 25% mit Tantal 100 iiusgcfülll ist. Anstelle von nder 7iisäl7lich 711 Tantal können auch andere Neutronenabsorber werkstoffe Anwendung finden. Dazu gehören Bor, Cadmium, Hafnium. Gadolinium, Silber, Europium, Indium sowie ihre chemischen Verbindungen. Anstatt einer kugeligen Kuppe können auch andere zur Verteilung der Materiaheilchen dienenden Normen Anwendung finden.

Um den Mittelkörper 24 herum ist eine den Boden des Auffangbehälters 16 bildende Tonerdeziegelschicht 102 angeordnet. 25% des Volumens der Ziegelschicht ist mit Tantalstäben 26 ausgefüllt. Diese Tantalstäbe 26 ragen etwa 45 cm nach oben über die Ziegel 102 hinaus. Zwischen den Tantalstäben 26 befinden sich Uranoxidtablctten (UO₂) oder andere Tabletten 106 und bilden eine etwa 30 cm dicke Schicht über dem Boden des Auffangbehälters 16. Das Tablettenmaterial sollte eine Dichte aufweisen, das gleich derjenigen des geschmolzenen Brennstoffs ist, so daß es nicht auf dem geschmolzenen Kernmaterial schwimmt. Das Tablettenmaterial .sollte außerdem mit dem geschmolzenen Brennstoff mischbar sein und einen Schmelzpunkt oberhalb von 28O0"C aufweisen, um den anfänglichen thermischen SlciU aufnehmen zu können. Die Tablettenform stellt die beste Möglichkeit zur Aufnahme dieses anfänglichen Temperaiurübergangs dar. Die Schicht setzt sich zu 25% aus Tantal und zu etwa 25% aus Uranoxid zusammen, und der Rest des Schichtvolumens isi gasgefüllter Hohlraum. Bei dem Gas handelt es sich um das im unteren Umrnantehingsraum befindliche Gas wie beispielsweise Luft oder ein Inertgas, beispielsweise Stickstoff, Helium oder Argon. Es können auch Tabletten aus an-

ZU ι im ildli UCH uiitci M itoci ici ι Luaiaiiu au 11 ecm. ^wiaciicii

und über den Schichten können wiederum Tabletten aus Uranoxid oder anderen Materialien zur Aufnahme des anfänglichen thermischen Stoßes vorgesehen sein.
Im Falle eines Reaktorunfalls sammeln die angenommenerweise durch den Reaktorbehälter (und den Sicherheitsbehälter) hindurchgeschmolzenen Reaktorkernteilchen sich zunächst im Auffangbehälter. Der Mittelkörper 24 verteilt das in Teilchen- oder flüssiger Form vorliegende Reaktorkernmaterial so, daß es sich in den breiten Ringraum zwischen den Mittelkörper und der Behälterwand hinein ausbreitet. Diese Ausbreitung des Materials verhindert, daß es sich in Form eines geometrischen Gebildes sammelt, in welchem es sich zu einer kritischen Masse vereinigen könnte. Das Tantal im Mittelkörper und in diesen umgebenden Ringraum stellt ein Neutronengift dar, welches die Entstehung des kritischen Zustands des Kernmaterials verhindert. Die Uranoxidtabletten am Behälterboden verzögern das Vordringen des geschmolzenen Materials beim Absinken zum Behälterboden hin und verringern den thermischen Stoß, welchen das geschmolzene Material auf den Tonerdeziegeln 102, welche den Behälterboden bilden, verursachen würde. Diese den Behälterboden bildenden Ziegel und die erste Schicht des Ziegelbettes 18 unter dem Behälter und um den Behälter herum, die ebenfalls aus Tonerde bestehen kann, sollten eine verhältnismäßig hohe Widerstandsfähigkeit gegen thermische Stöße aufweisen. Die Masse der Ziegel des Bettes 18 bestehen aus Magnesiumoxid (MgO), wie unten noch erläutert wird, welches eine große Wärmekapazität aufweist und als Bettwerkstoff zu bevorzugen ist.

Der Behälter 16 wird wahrscheinlich mit der Zeit schmelzen, wenn er eine große Menge Kernmaterial aufgenommen hat. In dem Kernmaterial befindlicher geschmolzener rostfreier Stahl kann mit dem Tantal eine Legierung bilden. Die Tonerdeblöcke am Boden des Behälters können ebenfalls schmelzen, wodurch mehr eingebettetes Tantal mit dem geschmolzenen Brennstoff in Berührung kommen kann und die Reaktivität

bo des Kernmaterials weiter verringert wird.

Das Bett der Auffangvorrichtung

Das Bett 18 der Auffangvorrichtung ist in F i g. 5 dargestellt Seine Hauptfunktion liegt in der Aufbewahrung. Verdünnung und Abkühlung des geschmolzenen Kernmaterials. Das Bett 18 soll die Zerfallswärme absorbieren, die durch das Kernmateria! erzeugt wird, und

Ιϊ die Wärme auf eine große Fläche verteilen, so daß sie

ι! durch das Kühlsystem 20 aufgenommen und abgeführt

Ϊ1 werden kann. Dazu muß das Bett 18 so ausgebildet sein,

"t>\ daß es geschmolzenes Kernmaterial so aufnehmen

!Üä kann, daß dieses Material an keiner Stelle die Betonkon-

% struktionen der Ummantelung oder des Gebäudes ver-

Ij letzen kann. Das Bett 18 sollte aus einem Material mit

p hoher Schmeb'emperatur bestehen, welches mit dem

i\ Material des Brennstoffs eine Lösung bildet. Ferner soll-

*i te das Bett 18 so aufgebaut sein, daß unter den durch das

|l Kernmaterial verursachten thermischen Bedingungen

!': das Bettmaterial nicht aufschwimmt, wenn es in das

dichte geschmolzene Kernmaterial eingetaucht ist.

Weiterhin sollte durch die Bettgestaltung ein Eindringen von geschmolzenem Kernmaterial in das Beitmaterial ausgeschlossen sein, so daß keine Berührung dieses :'■.: geschmolzenen Kernmaterials mit den durch das Bett

"' zu schützenden benachbarten Komponenten der Auf-

■£ fangvorrichtung, nämlich des Kühlsystems 20 und der

>t Auskleidung 22, und dadurch eine Beschädigung dieser

ψ Komponenten eintreten kann. Das Bett 18 muß in der

ff Lage sein, seismischen Belastungen sowohl vor als auch

% nach einem angenommenen Reaktorunfall mit Kernab-

ti Schmelzung zu widerstehen. Das Bett muß außerdem

fä bautechnisch derart an die benachbarten Komponenten

ig der Auffangvorrichtung angrenzen, daß es Beeinträchti-

;'* gungen dieser anderen Komponenten durch seismische

oder thermische Dehnungsbeanspruchungen verhindert.

Ein diesen Forderungen entsprechendes Bett 18 ist in Fig.5 dargestellt und weist eine Ziegelkonstruktion auf, welche die untere Mulde der Reaktorummantelung ausfüllt. Die Ziegel 120 dieses Bettes können aus Magnesiumoxid, Thoriumoxid, Uranoxid, Zirkonerde, Tonerde oder anderen derartigen Werkstoffen mit hohem Schmelzpunkt bestehen, die chemisch mit dem Material des Reaktorkernbrennstoffes verträglich sind. Vorzugsweise bestehen die Ziegel aus Magnesiumoxid und sind in Form von etwa sphärisch nach unten gewölbten Lagen geschichtet. Die Fugen zwischen den Ziegeln einer Schicht sind jeweils durch die Ziegel der darüber und darunter liegenden Schichten verdeckt. Die dargestellten Ziegel weisen eine Größe von 30 cm · 22,5 cm · 7,5 cm auf, wobei die Ziegellänge von 30 cm die vertikale Schichtdicke bestimmt. Jede Lage weist den gleichen Wölbungsradius auf.

Die Ziegel sind derart konisch ausgebildet, daß sie ohne Mörtel oder Bindemittel in den Ziegelstoßfugen innerhalb des Wölbungsbodens zu einer festen Struktur miteinander verkeilt sind. Das BeU 18 erstreckt sich vertikal vom Boden des Kühlsystems 20 zum Trichter 14 und dem damit fest verbundenen Auffangbehälter 16. Zum Ausfüllen der Ecken werden Ziegelteile verwendet. In der vertikalen Fuge zwischen dem Kühlsystem 20 und den Bettziegeln 120 ist eine etwa 7,5 cm starke Pulverschicht, vorzugsweise MgO, eingestampft. Dadurch ergibt sich einerseits eine feste Konstruktion und andererseits eine Polsterwirkung, welche Wärmedehnungen des Bettes ermöglicht. Die das Auflager (Boden und Seiten) des Auffangbehälters 16 bildenden Stützziegel 124 können aus Tonerde (AIjO₂) bestehen. Die vorzugsweise aus MgO bestehenden Ziegel 120 am oberen Umfang des Bettes 18 bilden ein Auflager für den Trichter 14. Die Magnesiumoxid-Ziegel 120 unter dem Trichter 14 tragen dazu bei, geschmolzenes Kernmaterial in den Auffangbehälter 16 zu leiten, wenn dieses Kernmateriai durch den stählernen Trichter 14 hindurchsciimelzen sollte.

Während eines Reaktorunfiills. wenn das Kcrnmaicrial durch den Auf .,ngbchälter 16 hindurchschniil/t. vernichten die Ziegel der Zerfallswärme, indem sie die Wärme absorbieren, einen Temperaturanstieg erfahren.

schmelzen und die Wärme zum Kühlsystem 20 hin leiten. An geschmolzenes Kernmaterial angrenzende Ziegel werden wahrscheinlich infolge der Zerfallswärmc aus dem Kernmateriüil schmelzen. Die geschmolzene Tonerde und das geschmolzene Magnesiumoxid verdünnen das geschmolzene Kernmaterial und verringern die Konzentration des Brennstoffs in der Schmelze, indem dieser radial nach außen verteilt wird. Die Beti/icgel 120 und 124 sind in mich unten sphärisch jrcwölbicn Bogen angeordnet, um cl;;s HcIi /iisammcn/uhiiiUMi. I >;i durch soll verhindert v.erden. ilaLl die Ziegel aiifsi'liwini men und außerdem sollen Rißbikluiigcn /wischen den Ziegeln vermieden werden. Die versct/ien Si.üUc /wi sehen den Bettzicgeln halten das Eindringen von geschmolzenem Kernmaterial zwischen die Ziegel iiufeinanderfolgender Ziegeliichichten auf einem Minimum.

Dais Kühlsystem

Das Kühlsystem 20 der Auffangvorrichtung ist in den Fig. 6A, 6B, 6C. 6D und 6E dargestellt. Seine Hauptaufgabe ist die Wärmeabführung, um eine Beschädigung des Betons der Reaktoranlage zu verhindern und das Zurückhalten des Kernmaterials in der Vorrichtung sicherzustellen. Die Vorrichtung ist so ausgebildet, daß das Kühlsystem erst einige Zeit nach dem Eintreten des Reaktorunfalls, beispielsweise einige Stunden später, in Tätigkeit gesetzt werden muß. Um die Wärme abführen zu können, muß die Kapazität des Kühlsystems 20 der Reaktorgröße angepaßt sein. Beim FFTF-Reaktor kann das Kühlsystem 20 etw;a eine Wärmeleistung von 2 MW aus dem unteren Hohlraum und der Reaktorkühlmittclansammlung abführen. Zur Herstellung einer 100%igen Redundanz, die typischerweise aufgrund der Sicherheitsvorschriften vci langt wird, sollten zwei Kühlsysteme vorgesehen sein, von denen jedes die erforderliche Wärmeabführkapazitäl aufweist, damit die Wärmeabführung auch in dem unwahrscheinlichen Fall des Ausfalls eines Systems sichergestellt ist.

Das Kühlsystem 20 des unteren Hohlraums ist zwisehen dem Bett 18 und der Auskleidung 22 des unteren Hohlraums angeordnet, um die Temperatur des angrenzenden Betons unter die eine Beschädigung bewirkende Temperatur zu begrenzen und um die Auskleidung zu schützen. Zwischen den einzelnen Kühlrohren 140 kann

so ein wärmeleitendes Mi:-dium 141 mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen üein, um die Temperatur in der Mitte zwischen benachbarten Kühlrohren 140 jedes der beiden Kühlsysteme zu begrenzen. Das Wärmeleitungsmedium 141 sollte auch in der Lage sein, mechanische Belastungen (seismische Kräfte, Schwerkraft, Wärmedehnungskräfte) zwischen dem Bett 18 und den Wänden des unteren Hohlraums ohne wesentliche Beanspruchung der Kühlsystemrohre 14Ci zu übertragen. Das Wärmeieitungsmediumi sollte eine hohe Schmelztemperatur besitzen, um die Flohre 140 vor momentanen Wärmewjrkungen (Durchbrennen) zu schützen, die bei einem kleinen örtlichen !Eindringen von geschmolzenem Kernmaterial in einen Spalt oder einen Riß des Bettes 18 entstehen können. Die Rohre 140 des Kühlsystems a-τι Boden und an den Seitenwänden des Bettes 18 und oberhalb des unteren !Hohlraums können in Reihe geschaltet sein. Das Kühlmittel kann mittels einer Pumpe in einen externen Wärmeabfühnmgssystem (Fig.6E)

i.irkiiüert werden und strömt vorzugsweise zuerst durch die Äohre 142 am Boden des Bettes, sodann durch die Rohre 144 an den Seiten des 3ettes und schließlich durch die Rohre 36 im oberen Teil des Sicherheitsbc-hälters 12. Andere in F i g. 6E sichtbare Komponenten sind ein Wärmetauscher 148. ein Kühlmittelvorra'stank 150 und eine Pumpe 152.

Die Kühlrohre am zylindrischen Bettumfang dienen auch der Beherrschung des maximalen radialen Wärmeflusses, der an irgendeiner örtlichen Stelle des Bettes auftreten kann, weshalb die Rohrabstände konstant sind. Die Kühlrohre im Boden des Bettes sollten auch so ausgelegt sein, daß sie den maximalen, nach unten gerichteten Wärmestrom beherrschen können, der an irgendeiner örtlichen Stelle auftreten kann, weshalb der Rohrabstant! am Boden des Bettes ebenfalls im allgemeinen konstant ist. Weiter muß das Bettkühlsystem 20 Wärmedehnungen ermöglichen. Die Rohrkonstruktion sollte in der Lage sein, Relativbewegungen zwischen den Rohren 140. dem Wärmeleitungsmedinm 141. der Auskleidung 22 und dem Bettmaterial zu ermöglichen, wenn das Zentrum des Bettes durch das Kernmaterial erhitzt wird. Die Rohre 140 sollten auch dem thermischen Stoß bei plötzlicher Berührung mit Reaktorkühlmittel mit Temperaturen bis zu 930^cC widerstehen können, der bei einer angenommenen Berührung sowohl mit dem Kühlmittel als auch mit dem Wärmeleitungsmedium 141 während eines längeren Zeitraumes eintritt. Vorzugsweise ist das Bettkühlsystem 20 aus einzelnen Segmenten hergestellt, die durch vorhandene Zugänge in den unteren Hohlraum eingebracht und dort zusammengebaut und geprüft werden. Es ist auch wünschenswert, daß das Kühlsystem 20 seismischen Beanspruchungen vor, während und nach einem angenommenen Rcaktorunfall mit Kernabschmelzung widerstehen kann.

Ein den eben genannten Kriterien entsprechendes Kühlsystem, welches in den Fig.6A bis 6E dargestellt ist. besteht aus einem Boden- und Wandkühlsystem, das in dieses stützende Graphitblöcke 30 eingebettet ist, und oberen Kühlschleifen 36. zur Kühlung einer Reaktorkühlmittelansammlung. Beim FFTF-Reaktor weisen bei diesen beiden Teilen des Kühlsystems die Rohre einen Durchmesser von 7,5 cm und eine Wandstärke von etwa 3,1 mm auf und verlaufen zickzackartig quer über den Boden und entlang den Wänden auf und ab. Als Kühlmittel dient bei allen Systemen vorzugsweise ein Gemisch aus Natrium und Kalium, das mit den Materialien der Vorrichtung verträglich ist sowie gute Wärmeübertragungseigenschaften, einen niedrigen .Schmelzpunkt (ca. — 12°C) und einen hohen Siedepunkt (ca. 760"C) aufweist. Es können auch andere Kühlmittel, beispielsweise reines Natrium oder Kalium oder mit dem Reaktorkühlmittel verträgliche Kühlmittel Anwendung finden.

Das Kühlrohrsystem 140 tritt durch den oberen Teil des Sicherheitsbehälters bzw. den Tragzylinder 154 in die Auffangvorrichtung ein und verläuft entlang der Wand nach unten zum Boden der Mulde. Die beiden gesonderten Systeme umrunden die untere Mulde in entgegengesetzten Richtungen über jeweils etwa 90° (180" gegeneinander versetzt) und verlaufen dann in Form eines an jedem Ende 90°-Haarnadelkrümmungen aufweisenden Zickzackmusters über den Boden, wie in den F i g. 6C und 6D dargestellt ist. Die Rohre jedes Systems weisen einen Mittenabstand von 60 cm auf, wobei das zweite System derart mit dem ersten System verflochten ist, daß die Mittellinien benachbarter Röhren mit jeweils 30 cm Abstand parallel zueinander verlaufen und die Strömungen zwecks besserer Wärmeverteilung gegensinnig verlaufen. Nachdem die Rohre 140 den Boden überquert haben, werden sie nahe der Eintrittsstelle zurückgeführt und verlaufen wiederum im gleichen Zickzackmuster in gegensinnigen Richtungen um die Wand herum, wobei die geradlinigen Abschnitte vertikal verlaufen und oben und unten an der Wand Haarnadelkrümmungen vorgesehen sind. Die beiden Systeme können so miteinander verflochten sein, da~ sich ein minimaler Abstand von 22,5 cm zwischen den Rohren der beiden Systeme ergibt. Nachdem die Rohre bis nahezu zum Anfangspunkt des Wandkühlsystems zurückgeführt worden sind, werden die Rohre nach oben in den Bereich des Sicherheitsbehälter-Tragzylinders 154 geführt, wo sie wiederum in zickzackförmigen Windungen entlang des Tragzylinders nach oben verlaufen. Jedes System enthält drei gesonderte Reihen von Zickzack-Windungen, wobei die Rohi e durch den Tragen zylinder 154 hindurrhr.assieren und an dessen Umfang entlang weiter verlaufen. Die Rohre können mittels zwei Haltevorrichtungen pro Zickzackanordnung aufgehängt sein. Dabei können die Rohre an der einen Haltevorrichtung befestigt sein, während sie in der anderen Haltevorrichtung frei gleiten können, um Wärmedehnungen zu ermöglichen. Dieser obere Abschnitt des Kühlsystems dient hauptsächlich zur Kühlung einer sich vielleicht bildenden Reaktorkühlmittelansammlung, die. falls sie nicht gekühlt wird, sich überhitzen und die Betonauskleidung, den Sicherheitsbehälter und die Tragkonstruktion beschädigen könnte.

Die Kühlrohre 140 werden von Graphitblöcken 30 getragen. Diese Graphitblöcke dienen auch als das Wärmeleitungsmedium 141, um die Wärmebelastung über eine größere Anzahl von Kühlrohren zu verteilen, und bilden außerdem eine schützende Barriere gegen mechanische Beanspruchungen aus dem Bett 18. Die Bodenkühlrohre liegen auf IO cm dicken Graphitblöcken 30 auf, die so bearbeitet sind, daß sie die Rohre aufnehmen können. Die Rohre an der Seitenwand ruhen auf den, den Boden bildenden Graphitblöcken und stützen die nach oben entlang der Wand angeordneten Graphitblöcke. Die Wandkühlrohre sind ebenfalls in Nuten der Graphitblöcke eingelegt. Um die Verteilung der vom Bett kommenden thermischen Belastung zu i.,.terstützen, ist eine zweite Schicht aus Graphitblöcken mit einer Dicke von etwa 12,5 cm vorgesehen. Die oberen und unteren Randbereiche des Wandkühlsystems sind mit pulverisiertem Graphit 156 ausgefüllt, um die Überlappung der Kühlrohre und deren axiale Wärmedehnung zu ermöglichen. Die Graphitblöcke können so bemessen sein, daß sie leicht handhabbar sind.

Alternativ können anstelle von Graphit andere Werkstoffe Anwendung finden, die einen ziemlich niedrigen Schmelzpunkt besitzen. Beispielsweise sind gewöhnlich als Weichmetalle bezeichnete Werkstoffe wie beispielsweise Blei, Wismut und Antimon sowie Zinn-, Kupfer- und andere Legierungen anwendbar.
Vom betriebstechnischen Standpunkt her ist das Zickzackmuster als am besten zu beurteilen, wenn die Wärmedehnung berücksichtigt wird, obwohl es eine beträchtliche Zunahme des Druckabfalls gegenüber anderen anwendbaren Anordnungen wie beispielsweise Spiral- odei schraubenförmige Anordnungen aufweist. Die Verwendung von Graphit als Wärmeleitungsmedium beruht darauf, daß Graphit ein gutes Wärmetauschmedium ist, eine verhältnismäßig hohe Druckfestigkeit bei Betriebstemperaturen hat und wirtschaftlich ist

Die Muldenauskleidung

Die Muldenauskleidung 22 ist in den F i g. 7A und 7B dargestellt Ihre Hauptfunktion besteht darin, zu verhindern, daß Kühlmittel mit dem Beton 32 der unteren Mulde in Berühr jng kommt und mit diesen reagiert Die Auskleidung 22 ist so konstruiert daß irgendwelcher im erhitzten Beton 32 entstehender Dampf aus dem Bereich der unteren Mulde entweichen kann.

Um dieser Aufgabe gerecht werden zu können, muß die Auskleidung 22 eine kontinuierliche leckdichte Barriere bilden. Die Auskleidung 22 soll für eine Betriebsfähigkeit während eines längeren Zeitraums bei Temperaturen bis zu 430° C ausgelegt sein, während sie sowohl mit Reaktorkühlmittel als auch mit Konstruktionswerkstoffen der Auffangvorrichtung in Berührung steht Die Auskleidung 22 ist außerdem so ausgebildet, daß sie den thermischen Stoß einer Berührung mit Reaktorkühlmittel (Temperatur etwa 205⁰C bis 930° C) und dem durch den statischen Druck des Kühlmittels über dem Boden der unteren Mulde bedingten Druck widerstehen kann. Die Auskleidung 22 sollte Einrichtungen zum Entlüften von Dampf in einen Raum außerhalb der Mulde aufweisen, der sich hinter der Auskleidung in den Betonwänden bildet Außerdem muß die Auskleidung seismischen Belastungen zwischen dem Bett 18 und den Muldenwänden sowohl vor als auch nach einem Reaktorunfall mit Kernabschmelzung widerstehen. Ferner muß die .■auskleidung 22 ihre eigene Wärmedehnung und die durch Wärmedehnungen des Bettes 18 hervorgerufenen Kräfte aufnehmen können.

Die in Fig. 7A dargestellte Auskleidung 22 wird diesen Forderungen gerecht und weist einen dünnwandigen kreisrunden Metallmantel 170 auf, der von einer Schicht 172 aus isolierenden feuerfesten Ziegeln umschlossen ist. Die Auskleidung ist zwischen dem Beton 32 der unteren Mulde und dem Bett 18 gelegen, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist. Die Auskleidungsschale 170 kann im Bereich der unteren Mulde aus geschweißten Kohlenstoffstahl- oder anderen Stahlplatten hergestellt sein. Ein leckdichter Behälter ist dadurch gebildet, daß das obere Ende der Auskleidungsschale 170 an die Unterfläche der Sicherheitsbehälter-Tragkonstruktion 58 angeschweißt ist. Beim FFTF-Reaktor weist die Auskleidungsschale 170 einen Nenndurchmesser von 6,15 m, eine Höhe von 430 m und ein Gewicht von etwa 11 000 kg auf. Der Werkstoff der 1,25 cm dicken Auskleidungsschale ist ASTM A 516-Druckbehälterplattenmaterial Klasse 70. Die Bodennaht zwischen dem Bodenabschnitt und den Wandabschnitt ist abgerundet, um eine begrenzte Wärmedehnung zu ermöglichen.

Die Isolation 172 aus feuerfesten Ziegeln in der unteren Mulde hinler der stählernen Auskleidungsschale kann aus hochdichter Hochtemperaturschamotte (Kieselerde-Tonerde) mit einer minimalen Kaltdruckfestigkeit von 140 kp/cm² bestehen. Die ZiegeirienftgrOSe beträgt 7,5 cm · 11,5 cm · 22,5 cm und die Ziegel bedekken den Boden mit einer Dicke von 15 cm und die Wände mit einer Dicke von 11,5 cm. Die der Stahlauskleidungsschale zugewandten Oberflächen der feuerfesten Ziegel sind von Nuten durchzogen. Die feuerfesten Ziegel im Eckbereich zwischen dem Boden und der Wand sind jeweils in einem sich über 30 cm vom Eck aus erstreckenden Wand- bzw. Bodenrandbereich 2,5 cm tief ausgeschnitten, um eine begrenzte Wärmedehnung der Stahlauskleidungsschale 170 zu ermöglichen. Ebenso ist die feuerfeste Ziegelschicht am oberen Rand der Wand im Bereich eines sich 30 cm von diesem Rand aus erstreckenden Bereich 2$ cm tief ausgeschnitu n.

Im Falle eines Reaktorunfalls, wenn Material wie beispielsweise flüssiges Natrium den Beton 32 erreichen sollte, könnte die sich ergebende chemische Reaktion für den Beton schädlich sein und die Festigkeit der Wände der unteren Mulde gefährden. Die Auskleidungsschale 170 dient dazu, dies zu verhindern. Als Ausklcidungswerkstoff wird Kohlenstoffstahl wegen seiner Wirtschaftlichkeit bevorzugt Dieser Glah! ist auch gegen Angriffe von Natrium bis zu Temperaturen von 500⁰C beständig und seine Schweißnähte werden durch als Kühlmittel dienendes Flüssigmetall wie beispielsweise Natrium nicht bevorzugt angegriffen. Außerdem eignet sich Stahl als tragendes Konstruktionstcil bis zu Temperaturen von 480°C bis 560⁰C. Viele andere Metalle weisen ebenfalls diese physikalischen Eigenschaften auf und können ebenfalls verwendet werden. Irgendwelcher von dem erhitzten Beton an der Unterseite der Auskleidung freiwerdender Dampf sammelt sich in einem System von Nuten in der aus feuerfesten Ziegeln bestehenden !soüsrschichi. Zum Abführen des Dampfes aus der unteren Mulde in die angrenzende Ummantelungskonstruktion sind Entlüftungsrohre 176 vorgesehen. Dadurch wird das Problem eines Druckaufbaucs hinter der Auskleidung 22, der möglicherweise einen Bruch verursachen könnte, auf ein Minimum reduziert. Der Festigkeit wegen sollte die dünne flexible Stahlauskleidungsschale 170 fest zwischen den Betonwänden der unteren Mulde 32 und dem Werkstoff des Bettes angeordnet sein. Die feuerfeste Ziegelschicht 172 hinter der Stahlauskleidung ist so ausgebildet, daß sie eine steife Verbindung zwischen der Stahlauskleidungsschalc 170 and dem Beton 32 herstellt. Außerdem dient die Ziegclschicht 172 als Isolation für die Beionwändc, die vorzugsweise auf einer Temperatur unterhalb von 430° C gehalten werden müssen.

Die Auskleidung 22 kann leicht innerhalb der unteren Mulde vor dem Einbau des Kühlsystems 20, des Bettes 18 und ggfs. des Trichters 14 hergestellt werden. Beispielsweise kann zuerst die feuerfeste Ziegelschicht 172 mit einem an Luft abbindenden Hochtemperaturmörtel eingebaut werden. Sodann kann die Stahlauskleidungsschale 170 auf die Oberfläche der Ziegelschicht 172 aufgebracht werden, wozu übliche Schweiß- und Prüfverfahren Anwendung finden können. In den Boden und die Wände der Stahlauskleidungsschale 170 können, obwohl es nicht unbedingt notwendig ist, Dehnungsverbindungen vorgesehen sein.

Wie oben erwähnt, können im Bett 18 alternative Werkstoffe verwendet werden. Die erwähnten Oxidwerkstoffe können in hochdichter Form ein gceignelcs Bett zum Zurückhalten des Kernmatcrials in Verbindung mit dem Kühlsystem 20 bilden. Die möglichen Wärmebeanspruchungen, die Schmelzzeitcn und die möglichen Größen für Kühlmittelansammlungen sind bei Uranoxid, Magnesiumoxid, Tonerde, Thoriumoxid. Zirkonerde und Titanoxid so groß, daß diese Werkstoffe die gewünschte Funktion wahrnehmen können. Beim Auffangen des Kernmaterials sind jedoch Magnesiumoxid und Tonerde besser als die genannten übrigen Werkstoffe in der Lage, das Wachstum der Ansammlung zu begrenzen. Außerdem sind Magnesiumoxid und Tonerde am besten von allen diesen Materialien im Handel erhältlich. Ein Magnesiumoxidbett kann aufgrund seiner Wärmekapazität das Kernmaterial in geeigneter Weise innerhalb der Bettgrenzen zurückhalten. Das Bett enthüll außerdem Tonerde und Uranoxid als Werkstoffe zur Absorption des anfänglichen thermi-

26 14 \S7

sehen Stoßes und zur Verdünnung der Keramaterialansammlung.

Die Dynamik der Schmelzfrontentwicklung ist von den Löslichkeits- und Mischbarkeitseigenschaften des geschmolzenen Brennstoffs und des Bettwerkstoffs abhängig. Bei einem leichten Bettwerkstoff mit niedrigem Schmelzpunkt, der mit Brennstoff unmischbar ist, ist es wahrscheinlich, daß die Ansammlung von geschmolzenem Brennstoff relativ schnell in das Bett einsinkt Bei den genannten bevorzugten Werkstoffen (Magnesiumoxid und Tonerde) ist ein solches Verhalten nicht zu erwarten. Obwohl die Dichten von Magnesiumoxid und Tonerde geringer sind als diejenige von geschmolzenem Brennstoff, hat sich gezeigt, daß diese Bettwerkstoffe mit dem Brennstoff mischbar und darin löslich sind. Außcrdem bilden diese Werkstoffe theoretisch Eutektika mit niedrigem Schmelzpunkt, wie in den Zustandsdiagrammen 8A, 8B und 8C gezeigt ist Diese Zustandsdiagramme sind auch »Binary Mixtures of UO2 And Other Oxides« von L F. Epstein und W. H. Howland, Journal Of The American Ceramic Society, Vol. 36, Nr. 10, Oktober 1953. Seite 334. entnommen.

Im Falle eines Reaktorunfalls der genannten Art vermischt sich also anfänglich der Brennstoff mit dem granulierten Uranoxid des Bettes, das zur Verringerung des anfänglichen thermischen Stoßes auf das Bett vorhanden ist Diese Werkstoffe vermischen sich theoretisch zu einer Schmelze mit einem Volumen vom etwa Zweifachen des Brennstoffvolumens und einer volumetrischen Erwärmungsrate von etwa der Hälfte derjenigen des ursprünglichen Brennstoffvolumens. Die Uranoxidse+imelze beginnt dann, die Tonerdeschicht des Bettes anzuschmelzen. Die Tonerde wird wegen ihrer guten Eigenschaften bei thermischen Stößen verwendet Beim E:ns*.iimelzen in die Tonerde enthält die Schmelze hauptsächlich Uranoxid und Tonerde. Wenn in der Schmelze ein Temperaturgradient vorhanden ist, neigt Tonerde theoretisch dazu, sich abzuscheiden und eine eutektische Schmelze zurückzulassen. Dies bedeutet, daß die Bildung einer Tonerdekruste auf der Oberfläche der Schmelze wahrscheinlich ist. Wenn die Schmelze in das Magnesiumoxid einschmilzt, so wird sie infolge der verhältnismäßig großen verfügbaren Magnesiumoxidmenge mit Magnesiumoxid angereichert. Die Ansammlung der Schmelze wird sich dann von selbst infolge der Wärmeableitung durch das Bett zum Kühlsystem, der sich vermindernden Verfallsleistung und den reduzierten Fluß an den Grenzen der Schmelze begrenzen.

Anhand der obigen Diskussion ist die Erfindung detailliert beschrieben worden, obwohl die Beschreibung insbesondere auf den FFTF-Reaktor Bezug nimmt. Für größere (Hler kleinere Reaktoren sind selbstverständlich Kapazität, Größe und Anzahl der einzelnen Komponenten entsprechend variabel. Eine Ausführungsform für eine Anwendung bei einem größeren Flüssigmetallreaktor wie beispielsweise beim Clinch River Breeder Reaktor Project (CRBRP), ist in den Fig.9A und 9B gezeigt. Diese Ausführungsform ist der oben beschriebenen Anordnung grundsätzlich ähnlieh, mit der Ausnahme, daß der Trichter 14 weggelassen ist und eine t>0 Vielzahl von Verteilerkörpern 24 Anwendung findet, da der Kcukior größer ist. Die Werkstoffe jeder Komponente sind ebenfalls gleich den oben beschriebenen Werkstoffen. Ein Trichter ist hier nicht notwendig, da der Durchmesser des Auffangbehälters für das Kernmaterial größer als der Durchmesser des Reaktorbehälters IO ist. Geschmolzenes Material fällt also unmittelbar in den Auffangbehälter 16 und auf die Verteilcrkörper 24.

Außerdem können die oberen Kühlschleifen 36 aufgrund der Weglassung des Trichters an den Wänden der Reaktorummantelung befestigt sein.

Es ist also ersichtlich, daß die beschriebene Erfindung in der Lage ist, in dem unwahrscheinlichen Falle eines größeren nuklearen Unfalls, bei welchen geschmolzenes Kernmaterial durch den Boden des Reaktordruckbehälters hindurchschmilzt, dieses Material zu verteilen, aufzufangen, zu kühlen und im unterkritischen Zustand zu halten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung begrenzt das Vordringen geschmolzenen Kern- und anderen Materiales auf innerhalb des Bettes liegende Grenzen. Außerdem hält die erfindungsgemäße Vorrichtung den Beton der unteren Mulde der Reaktorummantelung sowie andere Konstruktionsteile der Ummantelung unterhalb derjenigen Temperaturen, bei welchen eine Beschädigung auftreten könnte. Außerdem dient die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu, ausreichend Zeit zu gewinnen, so daß das Kühlsystem der Vorrichtung t *3er Betrieb sein kann, wenn die Zerfallswärme des Kernmaterials durch die Wärmekapazität der Reaktorbehälterkonstruktionen vernichtet werden kann. Obwohl hauptsächlich im Hinblick auf flüssigmetallgekühlte schnelle Brutreaktoren beschrieben, kann die Erfindung auch bei anderen Reaktorbauarten Anwendung finden, bei welchen ein Durchschmelzen des den Reaktorkern und den Brennstoff aufnehmenden Reaktorbehälter anzunehmen ist, um die Folgen von angenommenen Reaktorunfällen zu verringern. Es muß lediglich sichergestellt sein, daß das Kühlmittels des Kühlsystems der erfindungsgemäßen Vorrichtung verträglich mit dem Reaktorkühlmittel (zusätzliches Sicherheitsmerkmal) ist und mindestens einige der Tabletten müssen aus erschöpftem Material das jeweils verwendeten Kernbrennstoffes bestehen und mit Tabletten aus Uranverbindungen kombiniert sein.

Hierzu 11 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1 2 platten (64) aufweist, die einen natürlichen Zirkula-Patentansprüche: tiouswegfür das Kühlmittel herstellen. 8. Auffangvorrichtung nach einem der Ansprü-

1. Auffangvorrichtung für abgeschmolzenes Ma- ehe 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gcnannterial des Reaktorkerns im Falle eines zu einer Reak- 5 te Granulatschicht aus mindestens einem der Wirktorkernabschmelzung führenden Reaktorunfalls, stoffe Uranoxicl, ausgebranntem Uran. Tantal. Bor welche unterhalb des Reaktorbehälters angeordnet Cadmium, Hafnium, Gadolinium, Silber. Europium! ist und einen Behälter mit mindestens einem Vertei- Indium oder Verbindungen hiervon besteht, lerkörper für das geschmolzene Reaktorkernmaterial und mindestens einer um diesen Verteilerkörper 10

herum verlaufende Schicht aus Tonerdeziegeln aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die

Tonerdeziegelschicht (102) Neutronengiftstäbe (26) Die Erfindung betrifft eine Auffangvorrichtung für

enthalt, die durch die Tonerdeziegelschicht hin- abgeschmolzenes Material des Reaktorkerns im Falle

durchverlaufen und über die Tonerdeziegelschicht if eines zu einer Reaktorkernabschmelzung führenden

T^UA^Sra _fpⁿ' u u * ,._,_■ Reaktoninfalls. welche unterhalb des Reaktorbehällers

2. Auffangvorrichtung nach Anspruch I₁ dadurch angeordnet ist und einen Behälter mit mindestens einen gekennzeichnet, daß über der Tonerdeziegelschicht Verteilerkörper für das geschmolzene Reaktrrkernma- (102) eine die Neutronengiftstäbe (26) mindestens terial und mindestens einer um diesen Verteilerkörper teilweise umgebende Granulatschicht (106) ange- 20 herum verlaufend« Schicht aus Tonerdeziegeln aufordnet IS^ _wej_st ⁶

3. Auffangvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, Zugunsten der Sicherheit des Reaktorbetriebs beste-

Toi/riA^^SMn^f ^{Um den} ^^mfang· ^df^{r hen Strenge Vorsdtiri}f*n zum Schutz gegen angenom-

Tonerdeziegelschicht (102) herum em kontinuierli- mene Reaktoruniälle. wobei es auf die geringe Wahrer im wesenthchen konischer stählerner Auffang- 25 scheinlichkeit solcher Unfälle nicht ankommt Ein sol-

behältermantel (90) angeordnet .st und daß ein aus eher unwahrscheinlicher, angenommener Unfall beruht

etwa sphärisch konkav gewebten Schichten aufge- auf der Annahme tf« Versagens aller Hi.'fs- und Notsy-

bautes Ziegelbett (18) vorgesehen ist, welches einen sterne des Reaktors in einem solchen Ausmaß daß ein

inneren Bereich aus Tonerde (Al 302) und einen au- Abschmelzen des Reaktorkern infolge Überhitzung

ßeren Bereich aus Magnesiumoxid (MgO) und eine 30 eintritt Falls sich unter dem Reaktorbehälter keine Vor

den Umfang des Z.egeibettes (18) umschließende richtung zum Auffangen und Kühlen des geschmolze-

Sch.cht aus ,vJagnesiumoxidpulver aufweist nen Materials befindet, kann dieses möglicherweise

4. Auffangvorrichtung na, 1 Anspruch 3, dadurch exotherm mit der Betonummantehjng chemisch reagie-

iSAS₁*¹⁸ Hl' ^ZiegeIbett (¹J? ^{VOn einer ren}· ^{Wobei auch} Wasserstoff freigesetzt werden (22) umschlossen it, welche eine etwa 35 könnte

tähl Aklidh

g () schlossen it, welche eine etwa 35 könnte

zylindrische stählerne Auskleideschale (170) mit of- Auffangvorrichtungen für abgeschmolzenes Reaktorfener Oberseite und e.nstückigem Boden, weiter ei- kernmaterial sind auch schon Gegenstand ältere- Vorne aus feuerfester1 Kieselerde-Tonerde-Ziegeln ge- schlage. Bei einem solchen älteren Vorschlag (DE-P

S SK' H T r w*u /^d,™^Aus _J ^{kleideschale um}- 23 63 845) ist eine Auffangwanne vorgesehen, die aus schließende Isolierschicht (172) und aus dieser her- 40 einem hochschmeizeinden Stoff, nämlich Graphit. Karbiausfuhrende Entluftungsrohre (176) aufweist. den, Boriden oder Suiziden bestehi. Ein anderer älterer ,L· , Λ?""·^IcntunS ^nach Anbruch 4, gekenn- Vorschlag (DE-PS 24 59 339) sieht eine gekühlte mctalzeichnet durch eine mindestens das Z.egelbett (ID) lene Auffangwann«: vor. deren Innenseite mit einer und die Auskleidung (22) kühlende Kühleinrichtung Schüttung aus feuerfestem Material bedeckl ist. (20) welche am Boden und an der Wand des Ziegel- 45 Es ist auch schon darauf hingewiesen worden, daß es bet es verlaufende Rohrleitungen (14). weiter min- falls das geschmolzene Reaktorkernmaterial nicht gedestens einen Teil dieser Rohrleitungen umschlie- kühlt und verteilt oder mit Neutronengiften versetzt ßende Graphitkuhlblocke (30), einen außerhalb der wird, zwar sehr unwahrscheinlich, aber doch möglich Auffangvorrichtung gelegenen Wärmetauscher sein könnte, daß da« geschmolzene Material vielleicht (148) und eine Umwalze.nr.chtung (152) zum Um- 10 teilweise den kritischen Zustand erreichen könnte obwalzen von flüssigem Kuhlmittel enthält. wohl natürlich in dem Reaktorkern selbst auch schon

6. Auffangvorrichtung nach einem der Ansprü- Neutronengifte (z.B. von Steuerstäben) enthalten ehe 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vertei- sind

*S,^rPAff^{(24) aUS} H^Ußer?K ^To"^erdeblöcken (*»> ™« Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine

_N/mronI f?fⁿh f«? τ ^d^^{rChVerlaUfenden 55} ^«^vorrichtung der eingangs genannten Gattung

Neutronengiftstäbe (%) aus Tantal sow.e aus inne- so auszubilden, daß «ie in dem unwahrscheinlichen Fall

ren Tonerdeblocken (98) aufgebaut .st, welche Tan- eines Unfalls mit Abschmelzen des Reaktorkerns größte

tal als Neutronengift enthalten Sicherheit gegen die Bildung einer kritischen Masse bie-

7. Auffangvorrichtung nach einem der Ansprü- tet

ehe 1 bis 6. gekennzeichnet durch einen Auffangbe- eo Diese Aufgabe wird nach dem kennzeichnenden Teil

halter (16) zugeordneten Auffangtnchter (14), der im des Anspruchs 1 gemäß der Erfindung dadurch gelöst

wesentlichen die Form eines schwach unten verjün- daß die Tonerdeziegelschicht Neutronengiftstäbe ent-

genden Kegelstumpfes hat und eine Vielzahl von hält, die durch die Tonerdeziegelschicht hindurchverlau-

etwa dreieckigen Stah rahmen (54), daran befestigte fen und über die Tonerdeziegelschicht hinausragen.

Schichten aus Stah platten (52, 62). Stoßfugenab- 65 Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Ge-

dcckstrcifen (60). welche die Platten und die Rahmen genstand der Unteransprüche

tclwcise überdecken und in seinem oberen Teil min- Die Erfindung wi;rd nachstehend mit Bezug auf die

dcstens eine Schicht aus stählernen Strömungsleit- Zeichnungen beispielsweise näher beschrieben In den