DE4032736C2

DE4032736C2 - Kühleinrichtungen im Fundamentbereich eines Kernreaktors zur Kühlung einer Kernschmelze in einem hypothetischen Störfall

Info

Publication number: DE4032736C2
Application number: DE4032736A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Alsmeyer; Walter Tromm
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 1990-10-15
Filing date: 1990-10-15
Publication date: 1995-01-05
Anticipated expiration: 2010-10-16
Also published as: DE4032736A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung im Fundamentbereich eines Kernreaktors zur Kühlung einer Kern schmelze in einem hypothetischen Störfall gem. dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. des Patentanspruches 2.

Tritt erschmolzenes Kernmaterial während des sogenannten hypotheti schen Kernschmelzenunfalles aus einem Reaktordruckbehälter aus, so gelangt es in den Fundamentbereich des Containments, wo es durch eine geeignete Rückhaltevorrichtung aufgenommen und gekühlt werden soll. Die Anforderungen an diese Vorrich tung ergeben sich aus den möglichen Unfallabläufen und schließen Hoch- und Niederdruckszenarien ein:

Bei Hochdruckversagen des Reaktordruckbehälters kann ein Teil des Kerninventars im Zuge der Primärkreisexpansion in die Nachbarräume ausgetragen werden. Diese in die Nachbarräume ausgetragenen feinen Brennstoffpartikel werden durch das auf dem Fundament anstehende Wasser gekühlt, so wie sie sich im Bodenbereich des Containments ablagern. Der Kernfänger selbst muß dadurch aber nur einen Teil des Kerninventars aufnehmen und langfristig kühlen. Allerdings ist er während des Versa gens des Reaktordruckbehälters mechanisch stark beansprucht, was eine robuste Konstruktion erfordert.

Bei Niederdruckversagen des Reaktordruckbehälters gelangt das gesamte Kerninventar auf die Kernrückhaltung, wobei das Aus treten der Schmelze aus dem Druckbehälter evtl. über einen längeren Zeitraum erfolgen kann.

Die Kernrückhaltevorrichtungen sollen nun neben einer sicheren Abfuhr der Nachwärme die Erosion wichtiger Strukturen verhin dern und die noch in der Schmelze vorhandenen Spaltprodukte zurückhalten. Deswegen müssen die geschmolzenen Materialien kurzfristig auf niedere Temperaturen gebracht und gehalten werden. Bekannt ist nun eine Kernrückhaltevorrichtung, die sich unterhalb des Reaktordruckbehälters befindet und die aus einer gelochten Bodenplatte mit einer darüber angeordneten Op ferschicht besteht, wobei solche Opferschichten dem Grunde nach neben dieser Konzeption auch aus der US-PS 3 930 939 be kannt sind. Die Bodenplatte ist über Halterungsprofile auf dem Fundament abgestützt. Der Zwischenraum zwischen der Boden platte und dem Fundament wird während eines Unfalls mit Wasser geflutet. Nach einem hypothetischen Versagen des Druck behälters läuft die Schmelze auf die Opferschicht ab, breitet sich aus und erodiert diese bis zur Bodenplatte. Sie kann dann von unten her durch die Löcher in der Bodenplatte zuströmen und die Schmelze beginnt zu erstarren. Danach kann länger fristig durch Fluten von Wasser die Schmelze auch von oben ge kühlt werden. Die gesamte Nachwärme wird nun in Verdampfung umgesetzt, wobei sich der entstehende Dampf im Containment ausbreitet, an dem von außen gekühlten Stahlbehälter konden siert und wieder in den Fundamentbereich zurückfließt. Der Si cherheitsbehälter des Reaktors wird auf der Ringraumseite durch Luft oder Sprühen gekühlt, damit wird die Nachwärme mit dem Luft- oder Dampfstrom durch Naturzug in den oben offenen Ringraum an die Umgebung abgegeben.

Von einem gewissen Nachteil bei dieser Konzeption ist nun die Tatsache, daß die Schmelze von oben her bis auf die Boden platte vordringen muß, um die Öffnung der in der Bodenplatte befindlichen Löcher zu bewirken. Dadurch besteht die Gefahr, daß durch thermische oder chemische Wechselwirkung die Boden platte bzw. die Auffangwanne geschädigt wird. Weiterhin ist diese Kernfängerkonstruktion so konzipiert, daß auch kleine Leckagestörfälle im Kühlwasserbereich zu einer Flutung des Kernfängers führen können.

Eine weitere Kühleinrichtung für den Fundamentbereich eines Kernreaktors ist aus der GB-PS 1 555 208 bekannt. Sie besitzt lochplattenartige Auffangwannen mit nach oben verlängerten Öffnungen, deren Zwischenraum mit Kühlwasser flutbar ist. Die doppelte Auffangwanne arbeitet nach dem Überlaufprinzip, ohne daß zunächst eine Opferschicht aufzuschmelzen wäre, um die Wasserkühlung in Gang zu setzen.

Die vorliegende Erfindung hat nun zur Aufgabe, eine Kernfängereinrichtung der bekannten Art in der Weise weiter zu bilden, daß die Bodenplatte beim Schmelzen der auf ihr liegen den Opferschicht erhalten bleibt. D.h., der Wasserzutritt von unten soll bereits ermöglicht werden, wenn die Opferschicht noch nicht ganz geschmolzen ist. Weiterhin soll der Wasserzu tritt über die Opferschicht so gesteuert werden, daß das Was ser gezielt einlaufen kann und nicht schon kleinere Kühlmit tel-Leckagestörfälle zu einer Flutung des Kernfängers von oben her führen können.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt nun die vorliegende Erfin dung bei einer Kühleinrichtung gem. dem Oberbegriff des Pa tentanspruches 1 die Merkmale vor, die im Kennzeichen d) angege ben sind. Weitere, die Aufgabenstellung der Erfindung lösende vorteilhafte Merkmale sind in den Kennzeichen e) bis g) des Patentanspruchs 2 angegeben.

Die vorliegende Erfindung sieht somit vor, in die Öffnungen der Bodenplatte bzw. der Auffangwanne Stopfen oder Rohre aus einem Material mit freiwählbarer Schmelztemperatur einzubrin gen die in die Opferschicht hineinragen. Diese Rohrstücke sind an ihrem oberen Ende verschlossen. Dringt nun die Kernschmelze nach einem Unfall auf die Opferschicht vor, wird diese bis zu der Höhe der Stopfen erodiert werden. Anschließend schmelzen die Stopfen oben ab. Dadurch wird der Wasserzutritt von unten so vorgegeben, daß die Fragmentierung und Kühlbarkeit der Schmelze durch Wasserzutritt von unten erreicht wird. Die Schmelze wird gekühlt und erstarrt. Die Bodenplatte wird so geschützt, daß noch eine Restbetonschicht zwischen Bodenplatte und Schmelze erhalten bleibt.

Weiterhin sieht die Erfindung vor, daß bei einem Störfall an fallende Sumpfwasser zunächst in einem Überlaufbecken aufzu fangen. Durch eine geeignete Dimensionierung des Überlauf beckens bzw. dessen Überlaufkante geschieht eine passive Flu tung des Kernfängers nur bei größeren Sumpfwassermengen, wie sie z. B. bei dem hypothetischen Kernschmelzenunfall zu erwar ten sind. Bei kleineren Leckstörfällen im Kühlmittelkreis wird der Kernfänger somit nicht geflutet und es besteht die Mög lichkeit als aktive Maßnahme das Überlaufbecken wieder zu ent leeren bzw. bei Bedarf den Kernfänger gezielt zu fluten.

Weitere Einzelheiten werden im folgenden anhand der Figur nä her erläutert:

Die Figur zeigt schematisch einen Querschnitt durch die Kühl einrichtung der Kernfängerkonstruktion unterhalb des Druckbe hälters eines Kernreaktors.

Ziel der gesamten Kernfängerkonstruktion ist, bei einem hypo thetisch auftretenden Kernschmelzenunfall die Kernschmelze nach Aufschmelzen und Verlassen des Reaktordruckbehälters 1 in einem sogenannte Core Catcher aufzufangen und in eine kühlbare Konfiguration zu überführen, um eine Erosion des Betonfun damentes und statisch wichtiger Strukturen zu verhindern und die Spaltproduktfreisetzung in den Sicherheitsbehälter zu be grenzen. Damit darf die Kernfängerkonstruktion auch durch die eingangs geschilderten, verschiedenen möglichen Versagensarten des Druckbehälters 1 nicht in ihrer Funktion gefährdet werden, d. h. insbesondere, daß sie auch gegen Hochdruckversagen und evtl. auftretende Dampfexplosionen innerhalb des Druckbehälters 1 ausgelegt sein muß.

Dazu werden Seitenwände und Boden der Schildgrube 3 im biolo gischen Schild 2 durch eine Oxidschicht 4 vor evtl. versprü hender Schmelze geschützt. Die Öffnungen 5 für die Dampfab strömung liegen oben in der Schildgrube, um bei einem Hoch druckversagen des Druckbehälters 1 ein Versprühen der Schmelze in den Sicherheitsbehälter 1 des Reaktors zu verhindern.

Das Auffanggitter 6, das ebenfalls von der hochtemperaturbe ständigen Schicht 4 als thermische Isolation abgedeckt wird, schützt die Kernfängerkonstruktion vor herabstürzenden Teilen des Druckbehälters 1, muß aber eine gitterförmige Struktur mit Öffnungen 7 besitzen, um den Durchtritt der Schmelze zu ermög lichen. Die Höhe des Gitters 6 resultiert aus der notwendigen Festigkeit, um auch die mechanische Belastung aus einem evtl. Hochdruckversagen oder einer Dampfexplosion abfangen zu kön nen.

Größe und Gestalt des Kellerraumes 8 ergeben sich aus der Stützkonstruktion 9, die die Schildgrube 3 trägt und die an fallenden Belastungen bei einem Unfall aufnimmt, sowie aus den Abmessungen für den Kernfänger. Auch der Kellerraum 9 ist mit einer hochtemperaturbeständigen Isolierschicht 10 umgeben.

Die gekühlte Kernfängerkonstruktion selbst besteht aus einer mit Löchern 14 versehenen Bodenplatte bzw. einer Auffangwanne 11 aus hochwarmfestem Material, z. B. aus Stahl, die eine Op ferschicht 12 aus z. B. Beton trägt mit einem verstärkten Mit telteil 13 als Schutz vor aufprallenden Teilen des Druckbehäl ters 1. In die Opferschicht 12 sind rohrartig ausgebildete Verlängerungen bzw. Rohrstücke 15 integriert, die über den Lö chern 14 sitzen und eine Fortsetzung der Löcher 14 in der Bo denplatte 11 darstellen. Dabei ragen die Rohrstücke 15 mit ih ren oberen Enden in die Opferschicht 12 hinein. Die Boden platte 11 selbst ist über Doppel-T-Profile 16 mit Abstand auf dem Betonfundament 17 verankert. Der so gebildete Zwischenraum 18 wird in einer Unfallsituation von vorhandenem Sumpfwasser geflutet. Die Kernschmelze erodiert nun die Opferschicht, bis die integrierten Rohrstücke 15 soweit aufgeschmolzen und mit ihren oberen Mündungen frei sind, daß das unter der Boden platte 11 anstehende Wasser durch die Rohrstücke 15 in die Schmelze nach oben abströmen kann. Die Schmelze wird dadurch gekühlt und beginnt zu erstarren, bevor sie die Bodenplatte 11 erreicht. Ein Aufschmelzen der Bodenplatte 11 wird damit si cher verhindert.

Die Opferschicht 12 dient dazu, die Ausbreitung der Schmelze durch eine Absenkung der Erstarrungstemperatur und eine Er niedrigung der Viskosität der Schmelze zu fördern. Des weite ren kann durch die Materialien in der Opferschicht 12 das vor handene metallische Zirkonium oxidiert werden, um zu verhin dern, daß bei Wasserzutritt in die Schmelze durch die Zirkoni umoxidation eine zusätzliche Wasserstoffquelle entsteht. Eine weitere wichtige Funktion der Opferschicht ist die sichere Einbindung der Spaltprodukte durch Glasbildner.

Ein weiteres Detail der neuen Kühleinrichtung ist im linken Teil der Figur dargestellt:

Um die Schmelze auch von oben kühlen zu können, besitzt der Kernfänger einen oberen Wasserzulauf in Form der von der Kühl mittelleitung 20 wegführenden Abzweigleitung 19, die durch die Stützkonstruktion 9 hindurchführt und deren Ende oberhalb der Auffangwanne 11 bzw. der Opferschicht 12 liegt. Dieses Ende ist mit einem bei vorgebbarer Temperatur aufschmelzenden Stop fen 21 verschlossen.

Eine nun auf die Opferschicht 12 fließende Schmelze löst selb ständig durch Aufschmelzen des Verschlußstopfens 21 den Was serzutritt auf die Opferschicht 12 verzögert aus. So kann der Kernfänger vor Aufprall der Schmelze trocken gehalten und da mit eine schnelle und horizontale Ausbreitung der Schmelze er reicht werden. Der Wasserzulauf in Form der Kühlmittelleitung 22 zu dem Zwischenraum 18 für die von unten wirkende Kühlung des Kernfängers liegt im Erdgeschoß an der tiefsten Stelle, um eine passives Fluten des Kernfängers von unten durch das Sumpfwasser zu erzwingen. Er erfolgt durch die fallende Kühl mittelleitung 20 aus dem Überlaufbecken 23. Das Überlaufbecken 23 dient dazu, um bei Störfällen mit geringem Wasseraustritt, die von der Anlage beherrscht werden, ein Fluten des Kernfän gers zu verhindern. Das Überlaufbecken liegt geodätisch über der Abzweigleitung 19 oberhalb der Bodenplatte 11 und kann über die Gebäudesumpfpumpen wieder entleert werden.

Das Wesentliche der vorliegenden Erfindung besteht nun vor al lem darin, daß in die Öffnungen 14 der Auffangwanne 11 Rohr stücke 15 aus einem Material mit vorgewählter Schmelztempera tur eingesetzt sind, die nach oben mindestens teilweise in die Opferschicht 12 hineinragen, und die ein gezieltes Abschmelzen dieser Opferschicht ermöglichen, wobei ein Rest dieser Opfer schicht 12 auf der Bodenplatte beim Eintritt des Kühlwassers von unten her erhalten bleibt.

Bezugszeichenliste

1 Reaktordruckbehälter
2 biologischer Schild
3 Schildgrube
4 Oxidschicht
5 Öffnungen
6 Auffanggitter
7 Öffnungen
8 Kellerraum
9 Stützkonstruktion
10 Isolierschicht
11 Bodenplatte
12 Opferschicht
13 verstärkter Mittelteil
14 Löcher
15 Rohrstücke
16 Profile
17 Fundament
18 Zwischenraum
19 Abzweigleitung
20 Kühlmittelleitung
21 Stopfen
22 Kühlmittelleitung
23 Überlaufbecken
24 Gebäudesumpf

Claims

1. Kühleinrichtung im Fundamentbereich eines Kernreaktors zur Kühlung einer Kernschmelze in einem hypothetischen Störfall mit den folgenden Merkmalen:

a) unter dem Reaktordruckbehälter (1) mit dem ihn umgeben den biologischen Schild (2) ist über dem Fundament (17) eine durch Stützen (16) auf Abstand gehaltene Auffang wanne (11) aus hoch warmfesten Material angeordnet,
b) die Auffangwanne (11) besitzt Löcher (14), wobei in der Wanne (11) eine die Löcher (14) bedeckende Opferschicht (12) angebracht ist,
c) der Zwischenraum (18) unter der Auffangwanne (11) über dem Fundament (17) ist mit Kühlwasser flutbar, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:
d) in die Löcher (14) der Auffangwanne (11) sind Rohrstücke (15) aus einem Material mit vorgewählter Schmelztempera tur eingesetzt, die eine Fortsetzung der Löcher (14) bilden, nach oben teilweise in die Opferschicht (12) hineinragen und mit ihren oberen Enden in ihr endigen.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, mit einem Rückhaltebecken und einer in dieses aus dem Raum außerhalb des biologischen Schildes führenden Entwässerungsleitung, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

e) das Rückhaltebecken (23) ist als Überlaufbecken ausge bildet und liegt unterhalb des Gebäudesumpfes (24), je doch oberhalb der Auffangwanne (11) bzw. deren Opfer schicht (12),
f) von der Überlaufkante dieses Beckens (23) führt eine Kühlmittelleitung (20, 22) nach unten in den Zwischen raum (18) zwischen Fundament (17) und Auffangwanne (11),
g) die Kühlmittelleitung (20) weist eine Abzweigleitung (19) auf, die zu dem Raum (8) über der Opferschicht (12) führt und deren Öffnung im Bereich über derselben mit einem nach vorgegebener Temperatur durch die Schmelze aufschmelzbaren Stopfen (21) verschlossen ist.