DE3628855A1 - Verfahren und vorrichtung zur sicherung der umgebung von kernkraftwerken im falle von kernschmelzen - Google Patents

Description

Kernkraftwerke sind durch umfangreiche redundante Sicherheitseinrichtungen gegen das Eintreten einer Kernschmelze geschützt.

Im Falle eines Versagens aller Sicherheitseinrichtungen ist in der Regel immer noch eine Hülle in Form eines Stahlbetonsicherheitsbehälters vorhanden, der das Austreten von Radioaktivität in die Umwelt verhindern soll.

Es besteht jedoch die Gefahr, daß ein Schadensfall so abläuft, daß sich im Innern der Hülle ein so hoher Druck aufbaut, daß der Stahlbetonbehälter birst. In diesem Falle würde eine radioaktive Verseuchung großer Ländereien stattfinden. Ferner besteht die Gefahr, daß benachbarte Gebäude und Anlagen und gegebenenfalls benachbarte Reaktoren beschädigt werden. Auch besteht eine Gefahr für das Erdreich und das Grundwasser.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Verhinderung von Schäden an der Umwelt im Falle einer Kernschmelze.

Im Falle einer Kernschmelze wird nach dem heutigen Stand der Kenntnis mit vier Phasen gerechnet:

Phase 1 beginnt mit der unkontrollierten Kernaufheizung und endet mit der Kernschmelze.

Phase 2 ist gekennzeichnet durch die Restwasserverdampfung durch die Kernschmelze, das Durchschmelzen des Reaktordruckbehälters 1, der Bildung eines Schmelzbades auf dem Boden des Sicherheitsbehälters 3.

Phase 3 ist gekennzeichnet durch das Aufheizen des Sicherheitsbehälters 3, Druckaufbau und Bersten. Die Schmelze läuft dann in den Stahlbetonbehälter 4.

Phase 4 ist gekennzeichnet durch Zerstörung des Stahlbetonbehälters 4. Die Schmelze durchdringt den Boden 5 des Stahlbetonbehälters 4 und/oder der Stahlbetonbehälter 4 birst.

Das erfindungsgemäße Verfahren verzögert bzw. verhindert die Schäden in den Phasen 2 und 3 und verhindert zuverlässig die Betonzerstörung in Phase 4 und gestattet eine "Einsargung" des havarierten Reaktors. Damit kann eine Umweltkatastrophe im Falle einer Kernschmelze mit Sicherheit vermieden werden.

Erfindungsgemäß werden der Boden des Reaktordruckbehälters und die von einer Kernschmelze erreichbaren Seitenwände mit einem hitzebeständigen Material ausgekleidet. Geeignet ist hierfür insbesondere eine Stampfmasse aus Magnesit und/oder Borax. Es eignet sich auch Dolomit und/oder Borax oder eine Mischung aus Magnesit, Dolomit und/oder Borax.

An Stelle von Borax können auch andere Bor- oder Bleiverbindungen verwendet werden.

An Stelle von Stampfmasse können auch keramische Formsteine verwendet werden.

Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen wird im Falle einer Kernschmelze die Zeit bis zur Durchschmelzung des Reaktordruckbehälters 1 verlängert und die Schmelze selbst durch Bor und andere Komponenten der Auskleidung verdünnt. Im günstigsten Fall wird ein Versagen des Reaktordruckbehälters 1 völlig verhindert.

Bor und Blei absorbieren radioaktive Strahlung besonders gut.

Erfindungsgemäß ist ferner eine Auskleidung des unteren Teils des Sicherheitsbehälters 3 oder des ganzen Sicherheitsbehälters 3 mit dem gleichen Material wie beim Reaktordruckbehälter 1 vorgesehen.

Besonders bei bereits erstellten Kernkraftwerken ist eine nachträgliche Auskleidung des Reaktordruckbehälters 1 u. U. nicht möglich oder verfahrenstechnisch nicht erwünscht.

In solchen Fällen erfolgt nur die Auskleidung der relevanten Teile des Sicherheitsbehälters 3.

Auf den ausgekleideten Boden des Sicherheitsbehälters 3 kann erfindungsgemäß zusätzlich eine Schüttung mit Füllkörpern 9 aufgebracht werden. Es eignen sich keramische Körper oder Glaskörper oder eine Mischung von beiden. Die Körper sind vorzugsweise Kugeln oder Füllkörper, wie sie in der chemischen Industrie verwendet werden. Diese Füllkörper 9 haben die Aufgabe, die Schmelze zu verteilen und durch ganz oder teilweise eigenes Aufschmelzen zu verdünnen.

Dadurch erfolgt eine Temperatursenkung.

Auch diesen Körpern können erfindungsgemäß zur Absorption Borax oder andere Borverbindungen oder Blei oder Bleiverbindungen zugesetzt werden, wobei die Zugabe zur Keramik- oder Glasmischung erfolgen kann, oder in Form von Füllkörpern oder Kugeln aus diesen Stoffen.

Schließlich wird erfindungsgemäß auch der Boden 5 und der untere Teil der Seitenwände des Stahlbetonbehälters 4 in analoger Weise ausgekleidet. Hierbei wird der Boden zweckmäßigerweise so ausgekleidet, daß sich Rinnen ergeben, die für eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Kernschmelze über die ganze Grundfläche sorgen.

Auch der Stahlbetonbehälter 4 kann erfindungsgemäß zusätzlich mit Füllkörpern 9 wie oben beschrieben aufgefüllt werden.

Durch diese erfindungsgemäße Verfahrensweise wird ein Durchschmelzen des Betonbodens 5 des Stahlbetonbehälters 4 mit Sicherheit vermieden. Die Wahrscheinlichkeit ist sehr hoch, daß auch ein Bersten des Stahlbetonbehälters 4 vermieden werden kann.

Erfindungsgemäß wird aber zur Erreichung zusätzlicher Sicherheit der Stahlbetonbehälter 4 mit einem Filter 11 ausgerüstet, das Radioaktivität zurückhält. Zwischen Stahlbetonbehälter 4 und Filter 11 sind entweder Sicherheitsventile oder Berstscheiben.

Das Filter 11 besteht erfindungsgemäß aus einem keramischen Filterträger, der via Schneezauneffekt kleinste Partikel ausscheiden kann, die dann in der Folge ihrerseits selbst als zusätzliches Filtermedium wirken.

Keramische Filter zeichnen sich durch hohen Druckabbau aus, der umso höher ausfällt, je höher die Gasgeschwindigkeit ist und je feiner die Poren im Filter sind.

Diese Eigenschaft keramischer Filter, die in der Praxis unerwünscht ist, weil das Druckgefälle mit hoher Energie überwunden werden muß, wird erfindungsgemäß zur autogenen Regelung des Gasabflusses aus dem Stahlbetonbehälter 4 verwendet. Zweckmäßigerweise wird dabei das keramische Filter 11 seinerseits in ein eigenes Druckgefäß 12 oder in den Stahlbetonbehälter 4 selbst eingebaut.

Das Filter wird erfindungsgemäß im Hinblick auf den Druckabfall in den Filterschichten so dimensioniert, daß bei geringem Druck kein, bei hohem Druck viel Gas entweichen kann. Auf diese Weise kann u. U. auf Überdruckventile bzw. Berstscheiben verzichtet und das Filter 11 kommunizierend an den Stahlbetonbehälter 4 angeschlossen werden.

Die Filterkörper werden erfindungsgemäß entweder als keramische Filterplatten oder zweckmäßiger als keramische Filterkerzen 13 ausgeführt.

Erfindungsgemäß ist es ferner vorgesehen, die Filterkörper mit einer Filterhilfsschicht 14 auszurüsten.

Hierbei werden als Filterhilfsschicht erfindungsgemäß Stoffe, vorzugsweise hitzebeständige Oxide, mit sehr großer Oberfläche und hohem Absorptionsvermögen verwendet.

Besonders eignen sich auch Borfluorit (BF3), Borax (NSB407 × X H20), Borsäure (H3BO3) und andere Bor- und Bleiverbindungen. Auch eignen sich Bentonit, Bleicherde sowie Aktivkohle. Von den Oxiden eignen sich besonders die Oxide von Eisen, Aluminium, Magnesium und Kalzium, sowie andere hitzebeständige Stäube.

Erfindungsgemäß werden solche Filterhilfsstoffe aus Lösungen oder Salzen durch Pyrolyse in einem turbulenten Gasstrom hergestellt. Filterstoffe, die beispielsweise in sogenannten Turbulatoren aus Lösungen oder Salzen hergestellt wurden, zeichneten sich durch besonders große Oberfläche und hohes Absorptionsvermögen aus.

Auch eignen sich erfindungsgemäß Filterhilfsstoffe, die durch Fällung erzeugt wurden.

Zur Fixierung der Filterhilfsschicht 16 wird erfindungsgemäß ein zweiter Filterkörper 17 verwendet, der zum Hauptfilterkörper 13 einen Abstand hat, der der Stärke der Filterhilfsschicht entspricht.

Bei Filterkerzen 13 werden konzentrisch angeordnete zweite Filterkerzen oder -körper 15 verwendet.

Ist durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Falle einer Kernschmelze die akute Gefahr gebannt und die Reaktoranlage unter Kontrolle, kann die letzte Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Sicherung beginnen:

In dieser Phase wird das "Einsargen" der Kernschmelze im Stahlbetonbehälter 4 durchgeführt.

Erfindungsgemäß wird hierbei ein Zuschlagsstoff von einer solchen Zusammensetzung in den Stahlbetonbehälter 4 eingeführt, daß die Nachwärme der Kernschmelze in der Lage ist, die zugeführte Mischung zu schmelzen, und so zu einer gleichmäßigen kompakten Schmelzfüllung des Stahlbetonbehälters 4 beiträgt. Die Temperaturen im Inneren des Stahlbetonbehälters 4 werden durch erfindungsgemäß in allen Höhen installierte thermische Sonden gemessen und zur richtigen Zusammensetzung der Mischung des Zuschlagsstoffes eingesetzt. Die Zusammenstellung der Mischung erfolgt über Vorratssilos 18 für die einzelnen Komponenten A, B, C etc. und einen Mischer 20.

Am Anfang dieser Phase werden erfindungsgemäß höherschmelzende Zuschlagsstoffe wie Keramikrohstoffe und Borverbindungen zugeschlagen. Am Ende werden erfindungsgemäß niedrigerschmelzende Zuschlagsstoffe wie Kieselsäure in Form von Quarzsand, Na20 in Form von Soda oder Natriumsulfat und CaO in Form von Kalk sowie Tonerde und Borsäure zugegeben.

Den Abschluß kann das Einfüllen von flüssigem Glas oder das Einfüllen von Beton bilden.

Auf diese Weise wird durch das erfindungsgemäße Verfahren der Reaktor eingesargt und damit vollkommen unschädlich gemacht.

Erfindungsgemäß sind alle Vorrichtungen und Hilfsstoffe zur Durchführung des Verfahrens stets einsatzbereit am Reaktor zu halten. Die Durchführung aller Maßnahmen erfolgt automatisch oder durch Fernsteuerung.

• Bezugszeichenliste  1 = Reaktordruckbehälter
   2 = Reaktorkern
   3 = Sicherheitsbehälter
   4 = Stahlbetonbehälter
   5 = Betonboden
   6 = Auskleidung für 1
   7 = Auskleidung für 3
   8 = Auskleidung für 4
   9 = Füllkörper
  11 = Filter
  12 = Druckgefäß für Filter
  13 = Filterkerze
  14 = Rohrleitung
  15 = Sicherheitsventil/Berstscheibe
  16 = Filterhilfsschicht
  17 = Filterkerze oder Filterkörper
  18 = Silos für Zuschlagstoff A, B, C . . .
  19 = Förderorgan
  20 = Mischer
  21 = Kernschmelze
  22 = Schmelzen A, B, C . . .

Claims (26)

1. Sicherheitseinrichtung für eine Kernreaktoranlage zur Verringerung der durch Schmelzen des sich in einem Reaktordruckbehälter befindenden Kernes hervorgerufenen Gefährdung, wobei der Reaktordruckbehälter von einem Sicherheitsbehälter und dieser von einem Stahlbetonbe­ hälter umschlossen ist, dadurch gekennzeich­ net, daß die Sicherheitseinrichtung darin besteht, daß mindestens ein Teil der durch ein Kernschmelzen ge­ fährdeten Einrichtungen (1; 3; 4) der Kernreaktoranlage mit einem hitzebeständigen Material (6; 7; 8) geschützt ist.

2. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gefährdete Einrich­ tung der Reaktordruckbehälter (1) ist, dessen Boden und dessen zumindest von der Kernschmelze erreichbare Seitenwände mit dem hitzebeständigen Material (6) ausge­ kleidet sind.

3. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gefährdete Ein­ richtung der Sicherheitsbehälter (3) ist, der zumin­ dest in seinem unteren Bereich mit dem hitzebeständi­ gen Material (7) ausgekleidet ist.

4. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gefährdete Ein­ richtung der Stahlbetonbehälter (4) ist, der in seinem unteren Bereich mit dem hitzebeständigen Bereich (8) ausgekleidet ist.

5. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem hitzebestän­ digen Material (8) Rinnen ausgebildet sind.

6. Sicherheitseinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem hitzebeständigen Material (7; 8) Füllkörper (9) angeordnet sind.

7. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörper (9) aus Keramik und/oder Glaskörpern bestehen.

8. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Füll­ körpermaterial Bor- oder Bleiverbindungen oder Blei enthält.

9. Sicherheitseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das hitzebeständige Material (6; 7; 8) aus der Gruppe ausgewählt ist, die Magnesit, Dolomit, Bor- oder Bleiverbindungen sowie Mischungen aus mindestens zwei dieser Komponenten umfaßt.

10. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Borverbindung Borax ist.

11. Sicherheitseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 10, dadurch gekennzeich­ net, daß das hitzebeständige Material in der Form einer Stampfmasse oder keramischer Formsteine vor­ liegt.

12. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere des Stahl­ betonbehälters (4) mit der Einlaßöffnung einer radio­ aktive Partikel zurückhaltenden Filtereinrichtung (11) strömungsmäßig verbunden ist.

13. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Strö­ mungsverbindung (14) eine Sicherheitsventileinrichtung (15) oder eine Berstscheibeneinrichtung befindet.

14. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Filterein­ richtung (11) außerhalb des Stahlbetonbehälters (4) befindet.

15. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 14, da­ durch gekennzeichnet, daß die Filter­ einrichtung (11) innerhalb eines Druckbehälters (12) angeordnet ist.

16. Sicherheitseinrichtung nach einem der Ansprü­ che 12, 14 oder 15, dadurch gekennzeich­ net, daß die Filtereinrichtung (11) keramische Filterkörper aufweist.

17. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 16, da­ durch gekennzeichnet, daß die Fil­ terkörper plattenförmig sind.

18. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 16, da­ durch gekennzeichnet, daß die Fil­ terkörper als Filterrohr (13) ausgebildet sind.

19. Sicherheitseinrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Seite des Filterkörpers (13) eine Filterhilfs­ schicht (16) vorgesehen ist.

20. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterhilfs­ schicht (13) Filterstoffe mit sehr großer Oberfläche und hohem Absorptionsvermögen enthält.

21. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 20, da­ durch gekennzeichnet, daß Filter­ stoffe aus der hitzebeständige Oxide, insbesondere Eisen-, Aluminium-, Magnesium- und Kalziumoxid, Borver­ bindungen, insbesondere Borfluorid, Borax und Borsäu­ re, Bleiverbindungen, Betonit, Bleicherde, Aktivkoh­ le sowie andere hitzebeständige Stäube umfassenden Gruppe ausgewählt sind.

22. Sicherheitseinrichtung nach einem der Ansprü­ che 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterstoffe aus Lösungen oder Salzen durch Pyrolyse in einem turbulenten Gasstrom oder durch Fällung hergestellte Filterstoffe sind.

23. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß im Abstand der Dic­ kenabmessung der Filterhilfsschicht (16) auf dieser ein weiterer Filterkörper (17) angeordnet ist.

24. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 23 und An­ spruch 19 wenn zurückbezogen auf Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Filterkörper ein konzentrisch zu dem Filterrohr (13) angeordnetes, weiteres Filterrohr (17) ist.

25. Sicherheitseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (19, 20) vorgesehen sind, mit denen Zuschlagstoffe (A, B, C) in das Innere des Stahlbetonbehälters (4) ein­ bringbar sind.

26. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschlagstoffe aus der Keramikrohstoffe, Borverbindungen, Quarzsand, Soda, Natriumsulfat, Kalk, Tonerde, flüssiges Glas und Beton umfassenden Gruppe ausgewählt sind.