DE4127313A1 - Verfahren zur passiven waermeabfuhr aus dem containment eines kernreaktors - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur passiven Wärmeabfuhr aus dem von einer Betonschale umgebenen Sicher­ heitsbehälter eines Kernreaktors, bei welchem die z. B. bei einem Störfall im Behälter entstehende Wärme zunächst mittels Wärmeleitung und Strahlung durch die Stahlhülle des Sicher­ heitsbehälters hindurch transferiert und anschließend über einen Zwischenraum zwischen Stahlhülle und Betonschale mittels Luft und Naturkonvektion in diesem nach oben durch eine Öff­ nung in der Betonschale gefiltert an die Atmosphäre abgeführt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Reaktorcontainment gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 2 zur Durchführung des Verfahrens.

Ein solches Verfahren sowie ein Containment, bestehend aus dem Stahl-Sicherheitsbehälter und der, den Sicherheitsbehälter ab­ stützenden Betonschale, sind bereits bekannt. Die Abfuhr der Wärme mittels der den Zwischenraum durchströmenden Luft schei­ tert jedoch an den großen, zur Kühlung benötigten Luftmengen, die zur Abfuhr der Nachwärme an der Außenseite des Sicher­ heitsbehälters entlang geführt werden müssen und die bei Vorraussetzung eines gewissen Leckagestromes aus dem Sicher­ heitsbehälter nur über Filter an die Außenluft abgegeben wer­ den können.

Dazu würden, abhängig von der Nachwärmeleistung im Druckbehäl­ ter und der zulässigen Innentemperatur, Luftmengen im Bereich Zwischen ca. 50 und 800 m³/s benötigt. Die aus dem Sicher­ heitsbehälter austretenden Leckagen würden direkt in die Kühl­ luft eintreten und ohne Filterung mit dieser an die Umgebung abgegeben werden. Eine Filterung würde Filteranströmflächen von beispielsweise <700 m² für einen Kühlluftstrom von 100 m³/s erfordern. Filterflächen dieser Größenordnung wären je­ doch nur schwer unterzubringen, so daß dieses Konzept nicht verwirklicht werden kann.

Ausgehend von diesem Stand der Technik hat nun die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Verfahren zur passiven Wärmeabfuhr der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, welches keine der­ artig großen Filterflächen mehr benötigt und daher an einem Kernreaktor verwirklicht werden kann. Ferner hat die Erfindung zur Aufgabe, ein zur Durchführung eines solchen Verfahrens ge­ eignetes Containment aus Sicherheitsbehälter und Betonschale für einen Kernreaktors zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt nun die vorliegende Erfin­ dung bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art die Merkmale vor, die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 ange­ führt sind. Zur Lösung der Aufgabe bezüglich des Containmentes schlägt die Erfindung die Merkmale vor, die im Kennzeichen des Patentanspruches 2 angeführt sind. Weitere vorteilhafte Merk­ male der vorliegenden Erfindung sind in den Merkmalen der Un­ teransprüche zu sehen.

Die Erfindung ermöglicht nun in besonders vorteilhafter Weise durch Trennung und getrennte sowie gefilterte Abfuhr des Leck­ luftstromes eine hinreichende Wärmeabfuhr bei ausreichender Filterung des Leckluftstromes. Durch die Trennung mittels der Dichthaut, die den Stahlsicherheitsbehälter in einem gewissen Abstand umschließt, kann das sogenannte "Barrierenkonzept" voll erfüllt werden. Die Kombination von passiver Wärmeabfuhr durch die Außenluft und getrennte Abfuhr der Leckluft des Sicherheitsbehälters war bisher nicht bekannt. Daraus ergibt sich als besonderer Vorteil der Erfindung die Möglichkeit der Beibehaltung des "Barrierenkonzeptes", das derzeit eine Vorraussetzung für die atomrechtliche Genehmigung ist. Bei passiver Wärmeabfuhr werden die zu filternden Luftmengen auf Werte in der Größenordnung der zu filternden Leckluft redu­ ziert. Dies bedeutet gegenüber der reinen Kühlluftfilterung einen Reduktionsfaktor von <500.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im fol­ genden und anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert.

Es zeigen
die Fig. 1 den schematischen Querschnitt. Durch das Containment eines Kernreaktors, in welchem das neue Verfahren angewendet wird,
die Fig. 2 bis Fig. 4 die Einzelheiten A, B und C der Fig. 1 und
die Fig. 5 die Wandung in vergrößerter Darstellung gem. Schnitt DD der Fig. 1.

Rechnungen haben gezeigt, daß die bei einem Störfall eines Kernreaktors abzuführende Wärme mittels Wärmeleitung und Strahlung durch die Stahlhülle des Sicherheitsbehälters in einen zwischen dieser und der Betonschale vorhandenen Zwi­ schenraum übertragen werden kann. Dabei muß davon ausgegangen werden, daß ein gewisser Leckagestrom aus dem Containment durch die Stahlhülle dringt, wodurch die im Zwischenraum strömende Kühlluft kontaminiert würde. Dies bedingt jedoch eine Filterung der Kühlluft vor Abgabe an die Atmosphäre. Das wesentliche des neuen Verfahrens besteht nun darin, daß die abzuführende Wärme in zwei Teile aufgeteilt wird:

• 1. Der innere, d. h. der der Stahlhülle zugerichtete Anteil mit der kontaminierten Leckluft wird durch einen abgetrennten Spühlluftstrom separat abgeführt, wobei ein relativ gerin­ ger Durchsatz genügt. Dieser kleinere Luftstrom mit einem geringen Wärmeanteil kann nun über Filter geleitet und ge­ gebenfalls über den Abluftkamin der Anlage an die Atmosphäre abgegeben werden. Der für diesen Luftstrom not­ wendige Unterdruck wird vorzugsweise durch den Abluftkamin der Anlage erzeugt, an den der Luftstrom angeschlossen wird. Ebenso kann auch ein Abluftventilator eingesetzt wer­ den.
• 2. Der größere Teil wird nun durch einen weiteren, von dem ersteren abgetrennten Luftstrom aufgenommen und kann, da er nicht kontaminiert ist, ungefiltert an die Atmosphäre gege­ ben werden. Dies bedingt natürlich eine gut wärmeleitende Trenneinrichtung zwischen den beiden Luftströmen in dem Zwischenraum zwischen Stahlhülle und Betonschale. Als sol­ che Trenneinrichtungen bieten sich evtl. mit Kühlrippen ver­ sehene Stahlschalen an, die natürlich dicht eingesetzt sein müssen.

Die Zu- und Abführöffnungen der beiden Luftströme werden in so großer, unterschiedlicher geodätischer Höhe an dem Contain­ ment angeordnet, daß sich Naturkonvektion einstellt und eine rein passive Wärmeabfuhr ermöglicht wird. Berechnungen haben auch hier gezeigt, daß dies möglich ist, ebenso daß die Wärme durch eine weitere Trennwand außerhalb der Stahlschale bei tolerierbaren Temperaturen übertragen werden kann.

Die Fig. 1 bis 5 zeigen nun schematisch, wie das Contain­ ment eines Kernreaktors, z. B. das eines Druckwasserreaktors der fortgeschrittenen Generation, aufgebaut ist, in dem das neue Verfahren angewendet wird. Vereinfacht besteht das Reaktordruckgefäß 1 und Einbauten 2 umgebende Containment aus dem Stahlsicherheitsbehälter 3 und der diesen mit einem gewis­ sen Abstand umgebenden Betonschale 4. Der Zwischenraum 5 zwi­ schen beiden ist in einen inneren 6 und einen äußeren Raum bzw. Teil 7 aufgeteilt, wobei die Abtrennung mittels der dicht eingesetzten Stahlwand 8 erfolgt. Die Aufteilung erstreckt sich bei der dargestellten Ausführung nur über den unteren zy­ lindrischen Teil des Containmentes, sie kann jedoch auch den gesamten Zwischenraum 5 umfassen.

Wie die Fig. 5 vergrößert zeigt, ist die Zwischenwand 8 dicht so in den Zwischenraum 5 eingebaut, daß ein innerer, kleine­ rer Teil bzw. Raum 6 und ein äußerer, größerer Teil 7 gebil­ det wird, die beide gasdicht voneinander getrennt sind. Die als Dichthaut ausgebildete Wand 8 ist dabei an im Beton der Schale 4 verankerten Kastenträgern 9 befestigt oder angeschweißt, die der Abstützung der Stahlwand des Sicherheitsbe­ hälters 3 bei dessen Dehnung dienen. Die Zwischenwand 8 kann, wie dargestellt, gewellt sein, oder Kühlrippen tragen.

Der innere Teil 6 des Zwischenraumes mit am unteren Teil der Betonschale 4 gelegenen Spülluftkanälen bzw. -öffnungen 10 versehen, die ihn mit der Atmosphäre 17 durch die Betonschale 4 hindurch verbinden und nach außen hin mittels Filtern 11 verschlossen sind. Durch die Kanäle 10 wird die Spülluft 12 in den inneren Raum 6 geleitet, die Filter 11 verhindern einen eventuellen Austritt von Kontamination an die Atmosphäre 17 in umgekehrter Richtung (siehe Fig. 4). Die Spülluft 12 umspült nun die gesamte Stahlschale des Sicherheitsbehälters 3 im Teilraum 6 und führt eventuelle Leckageströme aus diesem ab. An der Oberseite der Schale 4 wird sie dann durch Abführöff­ nungen 13 in einem Sammelraum 14 gesammelt und anschließend über weitere Filter 15 zur Aufrecherhaltung eines geringen Un­ terdruckes dem Abluftkamin 16 der Anlage zugeführt. Dieser sorgt für ausreichenden Zug, so daß in dem Raum 6 Unterdruck herrscht. Ein Rückströmen verhindert das Filter 11 am Anfang bzw. Eingang des inneren Raumes 6. Die Filter 15 können wahl­ weise so wie in der Fig. 1 dargestellt oder wie in der Fig. 2 angeordnet sein.

In den äußeren Raum 7 wird nun Kühlluft 18 zum Abführen des Hauptteiles der Wärme geleitet. Dazu ist dieser mit ebenfalls am unteren Teil der Betonschale 4 gelegenen unteren Kühlluft­ öffnungen 19 versehen. Die Kühlluft 18 tritt dann weiter oben an der Betonschale 4 durch die oberen Luftaustrittsöffnungen 20 wieder aus, wobei auch hier eine genügend große geodäti­ sche Höhendifferenz für ausreichenden Zug bzw. Naturkonvektion sorgt. Der abgeführte Hauptteil der Wärme wird durch Strahlung und Wärmeleitung durch die Zwischenwand 8 übertragen.

Bezugszeichenliste

 1 Druckgefäß
 2 Einbauten
 3 Sicherheitsbehälter
 4 Betonschale
 5 Zwischenraum
 6 innerer Teil
 7 äußerer Teil
 8 Zwischenwand
 9 Kastenträger
10 Spüllufteintrittskanal
11 Filter
12 Spülluft
13 Abführöffnung
14 Sammelraum
15 Filter
16 Abluftkamin
17 Atmosphäre
18 Kühlluft
19 Kühlluftöffnungen
20 Luftaustrittsöffnungen

Claims (6)

1. Verfahren zur passiven Wärmeabfuhr aus dem von einer Beton­ schale umgebenen Sicherheitsbehälter eines Kernreaktors, bei welchem die z. B. bei einem Störfall im Behälter entste­ hende Wärme zunächst mittels Wärmeleitung und Strahlung durch die Stahlhülle des Sicherheitsbehälters hindurch transferiert und anschließend über einen Zwischenraum zwischen Stahlhülle und Betonschale mittels Luft und Natur­ konvektion in diesem nach oben durch eine Öffnung in der Betonschale gefiltert an die Atmosphäre abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der, die Wärme aus dem Sicher­ heitsbehälter aufnehmende Luftstrom in dem Zwischenraum in zwei Teilströme aufgeteilt wird, von denen lediglich der innere, der Stahlhülle zugerichtete kleinere Anteil über Filter, der größere, von jenem abgetrennte und außerhalb bzw. um den inneren herum gelegene jedoch ohne Filterung nach außen abgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Erzeugung des inneren kleineren Luftstromes notwendige Unterdruck durch Anschluß an den Abluftkamin des Kernreak­ tors oder durch Anschluß an einen Abluftventilator erzeugt wird.

3. Containment eines Kernreaktors zur Durchführung des Verfah­ rens nach Anspruch 1 oder 2 mit einem inneren Sicherheits­ behälter aus Stahl und einer, diesen mit Abstand umgebenden Betonschale, wobei der Zwischenraum an seinem unteren, dem Boden zugewendeten Ende eine Verbindung zur Außenluft in Form eines Kanales durch die Betonhülle und in einer be­ stimmten geodätischen Höhe darüber eine weitere Verbindung bzw. Öffnung zur Außenluft aufweist, dadurch gekennzeich­ net, daß der Zwischenraum (5) mittels einer weiteren, gas­ dichten und wärmeleitenden Zwischenwand (8) mindestens teilweise um den Sicherheitsbehälter (3) herum in zwei dicht voneinander getrennte Teile bzw. Räume (6, 7) aufge­ teilt ist, die beide jeweils obere (13, 20) und untere (10, 19) Öffnungen durch die Betonschale (4) nach außen für die Naturkonvektion von Außenluft (12,18) aufweisen und daß lediglich der innere Raum (6) zwischen Sicherheitsbe­ hälter (3) und Zwischenwand (8) an seiner oberen Auslaßöffnung (13) über einen Filter (15) mit der Außenluft (17) in Verbindung steht.

4. Containment nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abströmseite des Filters (15) an der Auslaßöffnung (13) des inneren Raumes (6) zur Erzeugung von Unterdruck gegen die Atmosphäre an den Abluftkamin (16) des Kernreak­ tors oder einen Abluftventilator angeschlossen ist.

5. Containment nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Eintrittsöffnung bzw. der Eintrittskanal (10) des inneren Raumes (6) mit einem Filter (11) versehen bzw. verschlossen sind.

6. Containment nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die gasdichte Zwischenwand (8) aus Stahl besteht und zur Vergrößerung ihrer Oberfläche gewellt oder mit Kühlrippen versehen ist.