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Kernreaktor
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Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit einem Reaktorgemulde,
das den Reaktorkern einschließt und ein Betonfundament umfaßt. Sie befaßt sich mit
der Aufgabe, die unter denkbar extremen Unfallbedingungen entstehende sogenannte
Kernschmelze zu beherrschen. Unter Kernschmelze ist dabei das in flüssiger Form
vorliegende Gemisch von nuklearem Brennstoff, Brennstoffhüllmaterial und anderen
Stoffen zu verstehen, die im Normalbetrieb des Kernreaktors in fester Form gebraucht
und durch die Nachwärmeleistung des nuklearen Brennstoffes erschmolzen werden.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift 20 35 089 ist es bekannt, unterhalb
des Reaktordruckbehälters eines Kernreaktors eine Netallwanne vorzusehen, die die
Kernschmelze auffangen und kUhlen soll. Die Wärmeabfuhr ist nur für das Innere des
Reaktorgebäudes dargestellt. Aus den Abmessungen eines dort aufgestellten Wasserbehälters,
der eine Steigleitung für Dampf speist, der in KUhlrohren der Wanne entsteht, läßt
sich Jedoch schlie-Ben, daß die Kühlung nur begrenzte Zeit ausreichen kann. Dann
ist mit der Zerstörung der Wanne zu rechnen, weil es keine Werkstoffe gibt, die
der Wärmeentwicklung der Schmelze auf die Dauer widerstehen können.
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Die Erfindung sucht eine einfache Möglichkeit für die Kühlung und
Bewahrung der Kernschmelze in einem Reaktorgeblude, damit auch im Fall des Kernschmelzens
keine Radioaktivität freigesetzt werden kann. Diese Aufgabe löst man erfindungsgemäß
dadurch, daß in dem Betonfundament unterhalb des Reaktorkerns Schlitze vorgesehen
sind, deren Wandfläche vielfach größer
als die Querschnittsfläche
des Reaktorkerns ist.
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Die Schlitze verteilen die Kernschmelze und verbessern damit die Wärseabfuhrmöglichkeiten,
weil die Wärmestromdichten verringert werden. Zugleich können die Schlitze die Ausbreitung
der Kernschmelze steuern, wenn diese in den Beton weiter eindringen sollte.
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Da das Betonfundament ein unerläßlicher Bestandteil Jedes Reaktorgebäudes
ist, ist der Aufwand fUr die Erfindung denkbar gering. Es ist nur notwendig, in
dem Betonfundament die fUr die Ausbreitung der Kernschmelze vorgesehenen Schlitze
zu schaffen, entweder beim Gießen des Betonfundaments oder durch nachträgliches
Ausarbeiten. Für den ersten Fall genügt es, wenn im Beton Einlagen vorgesehen sind,
die aus einem thermisch wesentlich weniger festem Material als Beton bestehen, zum
Beispiel aus geschäumtem Kunststoff. Die Einlagen geben dann bei Erwärmung durch
die Kernschmelze die Schlitze frei.
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Besonders günstig sind mehrere schräg verlaufende Schlitze nebeneinander,
weil damit in einem gegebenen Volumen des Betonfundaments mehr fein verteilte Kernschmelze
untergebracht werden kann als in einem einzigen etwa vertikal verlaufenden Schlitz.
Die Schlitze können sich in vertikaler Richtung überlappen, um die Kernschmelze
unabhängig von ihrem ursprünglichen Entstehungsort mit Sicherheit aufzufangen und
zu verteilen, wenn sie sich in den Beton des Fundaments hineinfrißt.
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Bei einem Kernreaktor mit einer Sicherheitshülle, die von einem Betonfundament
getragen wird, kann man nach einer Weiterbildung der Erfindung im Betonfundament
auf der Außenseite der Sicherheitshülle Kühlkanäle vorsehen. Vorzugsweise sorgt
man dafür, daß die in den Schlitzen ausgebreitete Kernschmelze im gekühlten Bereich
der Sicherheitshülle eine Wärmestromdichte von höchstens 10 W/cm2 ergibt und daß
die Kühlung durch einen geschlossenen KUhlkreis mit Naturumlauf erfolgt. Bei derart
geringen Wärmestromdichten, wie sie durch die erfindungsgemäße
Verta
@@ in Schlitzen mit relativ geringem Aufwand zu erreichen sind, genügt nämlich ein
Naturumlauf der Kühlflüssigkeit zum Beispiel dadurch, daß die Kühlkanäle im Nornalzustand
mit Wasser gefüllt sind, das bei Erwärmung durch die Kernschmelze verdampft, an
geeigneter Stelle kondensiert und dann als Kondensat zurückgeführt wird. Man erreicht
dadurch ein passives System, das selbsttätig in Gang tritt, WtçJ aus der eingangs
genannten deutschen Offenlegungsschrift 20 35 889 bekannt ist, ohne daß eine besondere
Wanne mit ik an Nachteilen benötigt wird. Da die Wärmeabfuhr außerdem außerhalb
der Sicherheitshülle erfolgt, können wesentlich größere Wärme@@ngen bohne grobe
Temperaturunterschiede transportiert werden fo daß die Beanspruchungen der Sicherheitshülle
@leiner sind als beim Bekannten.
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Die Innenseite der stählz-r @n Sicherheitshülle kann man mit einer
feuerfesten Ausks zag versehen. Hierzu eignet sich zum Beispiel die von Hochöfen
bekannte Ausmauerung mit Schamottesteinen, Magnesit o.ä.. Man erreicht dadurch einen
zusätzlichen Schutze we die Wärmefestigkeit gesteigert werden kann.
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Die Schichtdicke der Auskleidung sollte so bemessen sein, daß bei
einer ausreichenden Wärieabfuhr von einigen Watt pro cm2 eine Temperaturdifferenz
von einigen 1000C vorhanden ist.
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Hierfür sind Dicken von wenigen cm geeignet.
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Eine weitere Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß zur Wärmeabfuhr
aus dem Bereich der Schlitze Wärmerohre vorgesehen sind. Solche Wärmerohre können
die in den Schlitzen entstehende Wärme an die verschiedensten Stellen weiterleiten,
um die Wärmestromdichte zu verringern und als Wärmesenke ausreichende Teile des
Reaktorgebäudes oder der Umgebung zu erreichen, zum Beispiel das den Kernreaktor
umgebende Erdreich, darin stehendes Grundwasser oder auch Oberflächen-Gewässer,
die in der Umgebung vorhanden sind. Dabei bilden die Wärmerohre ihrerseits eine
sichere Trennwand für radioaktive Bestandteile, die aelbst dann noch wirksam bleibt,
wenn eine die Radioaktivität an sich einschließende Sicherheitshülle nicht mehr
dicht sein sollte.
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Die mit den Schlitzen erreichte Verteilung und Wärmeabfuhr kann noch
durch eine an sich bekannte Sprühung zur Damprkondensation unterstützt werden. Diese
wird aber bei der Erfindung im Reaktorgebäude nur außerhalb des Bereichs der Schlitze
vorgenommen, damit eine weitere Dampfbildung vermieden wird.
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Zur Sprühung dienendes Wasser soll nicht mit der heißen, in den Schlitzen
sich ausbreitenden Kernschmelze in Berührung kommen.
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Die Schlitze können durch den Beton führende Dampfuslaßkanäle aufweisen.
Damit soll ein Druckaufbau im Bereich der Schlitze vermieden werden, der evtl. dem
Eintreten der Kernschmelze entgegenwirken könnte. Die Kanäle sollten dem Reaktorkern
und/oder dem Bereich der Kernschmelze abgekehrt sein, damit das Abströmen des Dampfes,
der überwiegend auf das im Beton gebundene Wasser zurückgeht, nicht behindert wird.
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Die Wärme der in den Schlitzen ausgebreiteten Kernschmelze kann aber
nicht nur "von unten" durch Kühlkanäle abgeführt werden, die in möglichst großer
Nähe der Schlitze verlaufen. Eine beachtliche Wärmeabfuhr läßt sich auch dadurch
erreichen, daß im Ringraum zwischen einer Sicherheitehülle des Reaktorgebäudes und
einer diese einschließenden Sekundärabschirmung eine die Sicherheitshülle bespülende
KUhlxittelstrõmung vorgesehen ist. Gleichzeitig vermeidet man dadurch, daß der bei
der Beanapruchung des Betons in den Schlitzen entstehende Wasserdampf zu einem so
starken Druck führt, daß die Featigkeit der Sicherheitshülle gefährdet ist. Ferner
kann man für den oberhalb und aeitlich der Schlitze gelegenen Bereich des Reaktorgebäudes
eine Flußwasserkühlung voraehen.
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Der Beton im Bereich der Schlitze kann vorteilhaft praktisch ausschließlich
silikatische Zuschläge aufweisen. Gemeint ist damit, daß keine karbonatischen Zuschlagstoffe
verwendet werden, die bei Erhitzung Kohlendioxid abgeben. Dagegen kann der Beton
vorteilhaft ein Schwerbeton mit Flußspatzuschlägen sein.
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Günstig sind ferner Zuschläge, die die Rekombination von Wasserstoff
und Sauerstoff zu Wasser fordern, zum Beispiel Kupfer-
oxid, weil
Wasser durch Oxidation zersetzt werden kann, wenn die Kernschmelze Eisen angreift.
Deshalb empfiehlt es sich, daß der Beton im Bereich der Schlitze keine eisenhaltige
Armierung aufweist. Sollten dort Armierungen notwendig sein, so können sie aus Nichteisenmetall,
zum Beispiel Messing, bestehen.
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Im Hinblick auf die hohen Temperaturen der Kernschmelze ist es günstig,
wenn ein zum Auffangen von Leck- und Sprühwasser dienender Sumpf außerhalb des Bereichs
der Schlitze über diesen liegt. Jedenfalls soll damit vermieden werden, daß die
Kernschmelze mit den dort relativ großen Wassernengen in Berührung kommt, die sich
in einem solchen Sumpf anbinden können.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung
ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das im folgenden beschrieben wird. Es handelt
sich um einen Druckwasserreaktor mit leichtem Wasser als Kühlmittel und Moderator.
Seine Leistung beträgt zum Beispiel 4000 MWth.
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Die in der Figur in einem Schnitt schematisch dargestellte Reaktoranlage
ist weitgehend rotationssyxsetrisch. Das Reaktorgebäude umfaßt eine Stahlkugel 1
mit etwa 50 m Durchmesser als Sicherheitshülle und eine diese umgebende Sekundärabschirmung
2 aus Beton. Die Sekundärabschirmung 2 ruht auf einem Betonfundament 3, das in das
Erdreich 4 bis unterhalb des Grundwasserspiegels 5 eingelassen ist.
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Die Stahlkugel 1 ruht in einer etwa ir unteren Viertel ihrer Unterseite
angepaßten Betonschale 7, die in das Betonfundameint 3 übergeht. Sie enthält im
Inneren Betoneinbauten 8, die im unteren Teil als Fundament 9 die Komponenten der
Druckwasserreaktoranlage tragen, wie zum Beispiel einen stählernen Reaktordruckbehälter
10, der einen strichpunktiert angedeuteten Reaktorkern 11 umschließt und in eine
Reaktorgrube 12 ragt.
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Wenn bei einem Unfall nicht nur die normale Kühlung des Reaktors ausgefallen
ist, sondern trotz aller Sicherheitsmaßnahmen
auch die Notkühlung
mit all ihren redundanten Sicherungen versagen sollte, beginnt der Reaktorkern 11,
der ursprünglich in bekannter Weise aus zu Brennelementen zusammengefaßten Brennstäben
mit zum Beispiel 120 t nuklearem Brennstoff besteht, auf Grund der Nachwärmeleistung
zu schmelzen. Der Reaktordruckbehälter 10 wird in seiner unteren Bereich über den
Schrelzpunkt erwärmt, so daß eine Kernschmelze 13 als Mischung aus den genannten
120 t Brennstoff, ca. 75 t Stahl und 28 t Zircaloy entsteht, das als HUllrohr- und
Strukturmaterial der Brennstäbe im Reaktordruckbehälter 10 vorhanden war.
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Die Schmelze 13 sammelt sich zunächst am Grund der Reaktorgrube 12,
die den Reaktordruckbehälter umgibt. Dort beginnt bei Temperaturen von etwa 13000
der auf der Innenseite der Sicherheitshülle 1 vorhandene Beton des Betonfundaments
9 zu schmelzen. Das im Beton gebundene Wasser wird als Dampf freigesetzt.
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Ferner entstehen Gase, insbesondere Wasserstoff, so daß der Druck
in der Sicherheitshülle 1 steigt. Dabei frißt sich die Schmelze 13, die sich mit
Betonbestandteilen anreichert, in das Fundament 9 hinein und gelangt in eine Vielzahl
von rotationssymmetrischen Schlitzen 15, die unterhalb der Reaktorgrube 12 ii Querschnitt
bogenförmig ausgebildet und einander schräg Uberlappend angeordnet sind.
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Wie schon der in der Figur gezeigte Querschnitt klar erkennen läßt,
ist die Wandfläche der Schlitze 15 um ein Vielfaches größer als der ursprüngliche
Querschnitt des Reaktorkerns 7 mit etwa 12 m2. In den Schlitzen 15 verteilt sich
die Kernschmelze letztlich auf deren Wandfläche von zum Beispiel 10000 m2, Die in
der Schmelze erzeugte Nachwärmleistung wird dann über anschließend beschriebene
Kühleinrichtungen abgeführt.
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Die Temperatur in der Sicherheitshülle wird einmal durch eine Kühlung
der Stahlkugel 1 durch Kühlwasserrohre 17 verringert, die auf der Außenseite der
Stahlkugel in den Beton des Fundaments 3 eingebettet sind und mit einer strichpunktiert
gezeichneten Leitung 18 an einen Fluß 19 als Kühlwasserquelle angeschlossen sind.
Die Rohre 17 stehen in möglichst gutem
Wärmekontakt mitder Stahlkugel
1. Ihre WassertUllung kann durch inermosiphonwirkung in Umlauf gebracht werden,
wie in der eingangs genannten Offenlegungsschrift20 35 089 angegeben ist. Dabei
wird bei hohen Temperaturen Dampf erzeugt, der über eine Leitung 20 abgeführt werden
kann. Bei tieferen Temperäturen erfolgt eine Rückleitung in das Flußwasser 19 oder
das Grundwasser 5. Die gekühlte Fläche der Stahlkugel 1 beträgt etwa 500 n2. Daraus
ergibt sich bei einer Nachwärmeleistung von 25 MWth eine mittlere Wärmestromdichte
von 5 W/cm².
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Eine weitere Kühlmöglichkeit ist durch die WErserohre (heat pipes)
24 und 25 angedeutet. Mit ihnen kann Wärt e aus dem Bereich der Schlitze 15 von
der Außenseite der- Sicherheitshülle 1 einmal an die Oberfläche der Sek'-adärabschirmung
2 transportiert werden, damit sie von dort beispielsweise an die Außenluft abgeführtwird.
Der Transport kann aber auch mit dem Wärmerohr 25 in dasGrundwasser 5 führen, wie
die Figur zeigt, oder in das Flußwasser19 oder das Erdreich 4, wie nicht weiter
dargestellt ist.
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In Zwischenraum 27 zwischen der Sicherheitshülle 1 und der Sekundärabschirxung
2 sind Sprüheinrichtungen 28 angeordnet, die in nicht näher dargestellter Weise
an eine Druckwasserquelle angeschlossen sind. Mit den Sprüheinrichtungen wird die
Temperatur der Stahlkugel 1 verringert, so daß eine Kühlung und gegebenenfalls Kondensation
des darin eingeschlossenen Dampfes erfolgt. Zu dem gleichen Zweck kann eine innere
Spruhleitung 30 mit Sprühdüsen 31 eingesetzt werden. Wichtig ist, daß diese Sprühleitung,
wie dargestellt, nur außerhalb des Bereichs der Schlitze 15 liegt, damit das Sprühwasser
nicht durch Verdampfung zur Druckerhöhung beiträgt. Aus dem gleichen Grunde sind
Daspfleitungen 32, die von den Schlitzen 15 in den Reaktorkern 11 abgekehrte erhöhte
Bereiche führen und damit einen Druckaufbau im Bereich der Schlitze 15 verringern,
mit U-förmig gebogenen Auslaßstutzen 33 versehen, so daß dort kein Sprühwasser eindringen
kann.
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Das neue Reaktorgebäude besitzt in den der Reaktorgrube 12
benachbarten
Rennen 35 einen durch eine Abrundung 36 erhöhten Boden, damit das Niveau des Bodens
über dem mit 37 bezeichneten höchsten denkbaren Spiegel der Kernschielze 13 liegt.
Man kann dadurch vermeiden, daß sich die Kernschmelze 13 seitlich durch den Beton
8 frist und in der Sicherheitshülle 1 anfallendes Sprüh- und Leckwasser, für das
der abgerundete Boden 36 der Räume 35 den Sumpf bildet, mit der Kernschmelze 6 in
Berührung kennt und dadurch verdampft wird.
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Der Beton des Fundamentes 9 enthält im Bereich der Schlitze 15 praktisch
ausschließlich silikatische Zuschläge sowie Kupferoxid zur Rekombinatiom von Wasserstoff
und Sauerstoff. Dort sind auch eisenhalti6e Armierungen vermieden, da sie die Entstehung
von Wasserstoff fordern, und durch Armierungen aus Messing, Bronze oder dergleichen
ersetzt. Das Eisen der Stahlkugel 1 ist dort durch eine 5 ci dicke feuerfeste Schamotteschicht
38 geschützt.
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17 Patentansprüche 1 Figur