DE4237245C2 - Kernreaktor mit einer Einrichtung zur Bergung des Kerns nach dessen störfallbedingter Schmelzung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leichtwasser-Kernreaktor wie etwa einen Druckwasser-Kernreaktor, der mit einer Einrichtung ausge­ rüstet ist, die dazu bestimmt ist, die aus dem Kern entstehenden festen oder flüssigen Schmelzprodukte zu sammeln und in einem hierzu vor­ gesehenen Ort einzuschließen, um sie daran zu hindern, in den Boden einzudringen.

Eine derartige Einrichtung wird in der Technik allgemein mit den Aus­ drücken "Corium-Bergungseinrichtung" oder "Aschenraum" oder in der angelsächsischen Terminologie auch mit dem Ausdruck "core catcher" bezeichnet.

Für ein gutes Verständnis der Erfindung wird der Fall eines Druckwas­ serreaktors als Beispiel genommen. Es wird daran erinnert, daß in ei­ ner solchen kerntechnischen Anlage der Kern des Reaktors im allge­ meinen in einem Behälter angeordnet ist, der einen Teil eines Primär­ kreislaufs bildet, in dem das mit Druck beaufschlagte Wasser zirku­ liert, das mittels Pumpen in Bewegung gesetzt wird. Das einer erzwun­ genen Konvektion ausgesetzte Wasser dient gleichzeitig dazu, die von den Kernspaltungen im Kern erzeugte Energie abzuführen und die darin enthaltenen Brennelemente zu kühlen. Die vom Wasser transpor­ tierte und an die Sekundärseite von Dampfgeneratoren übertragene Energie erzeugt dort den Dampf, der anschließend an eine mit einem Wechselstromgenerator gekoppelte Turbine geschickt wird, um Elek­ trizität zu erzeugen. Die Einstellung und die Regelung des Fluiddrucks im Primärkreislauf werden mittels eines Druckhalters ausgeführt, der mit einem oder mehreren Entlastungsventilen versehen ist, die automa­ tisch oder manuell geöffnet oder geschlossen werden können, um gege­ benenfalls den Primärdruck entsprechend den Regelungsprozeduren, die dazu vorgesehen sind, bestimmte, gut identifizierte Störfälle zu be­ herrschen, abzusenken.

Der gesamte Primärkreislauf ist in einer sogenannten Sicherheitshülle eingeschlossen, deren Grundplatte, die "Fundament" genannt wird, aus Beton ist. Die Hauptkomponenten wie etwa die Pumpen und die Dampfgeneratoren sind auf verschiedene Abteile der Hülle, die abge­ schirmte Räume ('casemates') genannt werden, verteilt. Der Reaktor­ behälter wird ebenfalls von einem Abteil, das "Behälterschacht" ge­ nannt wird, aufgenommen.

Es wird außerdem daran erinnert, daß ein schwerer Störfall, d. h. ein Störfall, der zum Schmelzen des Kerns führt, trotz der sehr geringen Auftrittswahrscheinlichkeit nicht vollständig ausgeschlossen werden kann.

Ein solcher Störfall ist denkbar, wenn sämtliche den Kern kühlenden Kreisläufe einschließlich der aus Sicherheitsgründen vorgesehenen Kreisläufe gleichzeitig während eines langen Zeitraums ausfallen. In diesem höchst unwahrscheinlichen Fall würde der Reaktorkern in eini­ gen Stunden schmelzen. Der Schmelzvorgang entsteht zuerst in den heißesten Punkten des Kerns. Anschließend breitet er sich aus, wobei die bevorzugte Ausbreitungsrichtung die Richtung der Schwerkraft ist.

Die Schmelzgutmasse nimmt mit der Zeit zu, solange kein Mittel vor­ gesehen ist, um die Restenergie des Kerns vollständig abzuführen. Sie enthält im allgemeinen das Brennmaterial, die dem Einhülsen dienen­ den Materialien, die Materialien der Steuerstäbe des Reaktors und in­ nere Strukturen des Behälters. Der Kriechweg dieser im Inneren des Behälters vorhandenen Schmelzgutmasse, die üblerweise "Corium" ge­ nannt wird, hängt von zahlreichen Parametern und Phänomenen ab, von denen einige wie etwa die Oxidation von Zirkonium (Zr) der Hül­ sen sehr energiereich sind und andere wie etwa die Wechselwirkung des geschmolzenen Coriums mit dem Wasser, die zu sogenannten "Dampfexplosionen" Anlaß geben kann, sehr heftig sind. Es wird je­ doch angenommen, daß die Wahrscheinlichkeit dieser letzteren Mög­ lichkeit gering ist.

Im allgemeinen würde die Schmelzgutmasse den Boden des Behälters erreichen. Die Sperrwirkung dieses letzteren gegenüber dem geschmol­ zenen Corium ist sehr gering, vor allem, wenn dieses in kontinuierli­ chen Strahlen herabfällt. Der Behälterboden, der im allgemeinen nicht gekühlt wird, wird daher schnell durchstoßen, wobei entsprechend dem Wert des Drucks, der in diesem Zeitpunkt im Behälter herrscht, das Corium mehr oder weniger heftig in den in der Sicherheitshülle befind­ lichen Behälterschacht gespritzt wird.

Das Vorhandensein eines hohen Drucks im Behälter zum Zeitpunkt seines Bruchs könnte eine Pulverisation des geschmolzenen Coriums in sehr feine Teilchen zur Folge haben, die einen großen Teil der Energie sehr schnell und mit großer Wirksamkeit in die Atmosphäre des Si­ cherheitsbehälters transportieren können. Die "direkte" Aufheizung dieser Atmosphäre erhöht den Druck im Sicherheitsbehälter und könnte dessen Bruch hervorrufen. Um dieses heftige Phänomen zu vermeiden, ist der Einsatz eines "automatischen Druckabbausystems" mit Entla­ stungsventilen vorgesehen, um vorbeugend den Druck des Primärkreis­ laufs auf einen ausreichend niedrigen Wert abzusenken, damit die Ge­ fahr der Pulverisation des Coriums vernachläßigbar klein ist. Dieses System kann außer den Druckhalter-Entlastungsventilen andere Grup­ pen von Ventilen enthalten, die an ausgewählten Stellen des Primär­ kreislaufs angeschlossen sind, derart, daß eine ausreichende Entla­ stungskapazität und eine Druckabbau-Dynamik ohne Gefahr für den Primärkreislauf gewährleistet sind.

Nach dem Durchstoßen des Bodens des Reaktorbehälters würde die Schmelzgutmasse auf das Betonfundament des Behälterschachts fallen. Seine Zusammensetzung und seine physikalischen Eigenschaften hän­ gen vom Kriechweg im Inneren des Behälters (gelöste oder nicht gelö­ ste Materialien, die in der Corium-Schmelze transportiert werden, Temperatur, mehr oder weniger viskoser Zustand und dergleichen), d. h. vom Störfall-Szenario ab.

In der sehr pessimistischen Hypothese eines vollständigen Schmelzens des Kerns und sämtlicher in seiner unmittelbaren Umgebung befindli­ chen inneren Strukturen der Hülle nach ungefähr zwei Stunden seit dem Beginn des Störfalls ist das Corium im Fall eines Reaktors mit einer Nennleistung von 1300-1400 MW_e (elektrische Leistung) folgenderma­ ßen zusammengesetzt: ungefähr 75 Tonnen Stahl, 120 Tonnen UO₂ und 28 Tonnen Zr; die Restenergie des Reaktors, die in den Brennmateria­ loxiden gespeichert ist, beträgt ungefähr 40 MW_th (thermische Lei­ stung), wobei diese Leistung mit der Zeit abnimmt. Außerdem wird ein Teil des Zirkoniums oxidiert, um Zirkonoxid ZrO₂ zu ergeben, ferner stellt der unbewegliche metallische Anteil eine große potentielle Gefahr dar (sehr exotherme Oxidationsreaktion mit Wasserstoffproduktion). Es sind noch weitere Materialien vorhanden, jedoch in viel geringerer Menge: Silber-Indium-Cadmium (AIC) der Absorptionsstäbe, Inconel (Warenzeichen) der Gitter und dergleichen.

Die Masse von mehr als 200 Tonnen des Coriums ergießt sich auf den Boden des Behälterschachts entsprechend der Größe und des Ortes des durch das geschmolzene Corium im Behälter erzeugten Lochs auf ver­ schiedene Weisen und mit veränderlichen Geschwindigkeiten. Wenn der Boden des Behälters von Corium-Strahlen durchstoßen wird, setzen diese Strahlen ihren Weg zum Boden des Behälterschachts durch das anfängliche Loch fort, wobei der Durchmesser desselben in dem Maß zunimmt, in dem seine Ränder durch die Strahlwirkung schmelzen.

Unter bestimmten Umständen kann der Boden des Reaktorbehälters je­ doch einen ausreichenden Widerstand bieten, um die Masse des ge­ schmolzenen Coriums vorübergehend aufzuhalten, welche möglicher­ weise das Volumen der unteren halbkugelförmigen Kuppel vollständig füllen kann. Die interne natürliche Konvektion des geschmolzenen Co­ rium-Bades, welches somit auf dem Boden des Behälters zurückgehal­ ten wird, kann im heißen Teil des Bades Anlaß zu heißen Punkten ge­ ben und in der Umgebung der Oberfläche des Bades zu deren Fließen "in Umfangsrichtung" führen. Dann würde diese mit Corium gefüllte, untere halbkugelförmige Kuppel in einem einzigen Block vom restli­ chen Behälter abgetrennt.

Da im Behälterschacht im allgemeinen eine bestimmte Wassermenge vorhanden ist, kann der Sturz des Coriums in Form von Strahlen, die sich durch den Kontakt mit diesem Wasser teilen können, oder der Sturz der vollständig mit dem geschmolzenen Corium gefüllten Kuppel mehr oder weniger heftige "Dampfexplosionen" hervorrufen.

Schließlich erreicht die Schmelzgutmasse den Boden des Behälter­ schachts, wo sie den Beton des Fundaments angreift und ihn zersetzt, wobei sie eine bestimmte Menge von Aerosolen, von brennbaren Gasen (H₂, CO) oder von nicht kondensierbaren Gasen erzeugt und in die At­ mosphäre von radioaktiven Produkten freigibt, die vorher im ge­ schmolzenen Corium eingeschlossen waren. Diese Erzeugung von Ae­ rosolen und Gasen hat die Erhöhung des Drucks in der Sicherheitshülle zur Folge. Darüber hinaus hat der Angriff des Coriums auf den Beton die Auflösung von Strukturen in demselben zur Folge, derart, daß das im unteren Teil des Behälters zur Verfügung stehende Wasser direkt oder indirekt mit dem Corium in Kontakt gelangt, so daß das Wasser verdampft und den Hüllendruck noch weiter erhöht.

Die Wechselwirkung des Coriums mit dem Beton des Fundaments zeigt nach einigen Tagen sehr große Gefahren hinsichtlich der Freisetzung von radioaktiven Produkten in die Umgebung. Einerseits kann durch den durch diese Wechselwirkung hervorgerufenen Druckanstieg die Bruchgrenze des Sicherheitsbehälters überschritten werden. Anderer­ seits ist die Fläche des Behälterschachts tatsächlicher Reaktoren ver­ hältnismäßig klein (ungefähr 30 m²) und die Dicke des Coriums zu groß, als daß dessen Energie durch Strahlung aus der Oberfläche des Coriums und durch die Leitung durch den Beton abgeführt werden könnte. Es wäre eine Fläche von mehr als 150 m² erforderlich, damit Corium mit einer Dicke von weniger als 20 cm abgekühlt würde. Da­ her wird das Betonfundament trotz seiner Dicke (von ungefähr 4 m bei tatsächlichen Druckwasserreaktoren) unweigerlich durchdrungen, so daß das Corium bis in den Untergrund gelangt und insbesondere das Grundwasser kontaminiert. Die Konsequenzen eines derartigen mögli­ chen Vorkommnisses sind offensichtlich sehr schwerwiegend.

Wenn die Gefahren der Freisetzung von radioaktiven Substanzen in die Umgebung bei einem schweren Störfall nach einem Schmelzen des Re­ aktorkerns in Betracht gezogen werden, ist es notwendig, Mittel zu schaffen, um diese Konsequenzen einzuschränken, insbesondere ein Mittel, um das Corium einzuschließen und abzukühlen, bevor es den Beton des Fundaments angreift und in den Untergrund vordringt, indem sich dieses Mittel der Kontamination des Untergrundes und der Freiset­ zung radioaktiver Produkte in die Umgebung auf dem offenen Weg des Durchgangs durch das Fundament entgegensetzt.

Die bisher vorgeschlagenen verschiedenen Einrichtungen sind entspre­ chend der Erkenntnis der Phänomenologie von früheren schweren und folglich weniger umfassenden Störfällen als der oben dargelegte ent­ wickelt worden, was ihre Wirksamkeit in bestimmten Situationen, die zum Zeitpunkt ihrer Konzeption nicht berücksichtigt worden sind, in Frage stellt. Beispielsweise können die Möglichkeiten eines Ausstoßes des Coriums mit Druck oder in energiereichen Strahlen, eines heftigen Herabstürzens nahezu der gesamten Masse des Coriums infolge der durch Kriechen bewirkten Abtrennung des halbkugelförmigen Bodens des Behälters, von Dampfexplosionen, kurzum von sämtlichen heftigen Phänomenen, die die Bergungseinrichtungen zerstören können, erwähnt werden, wobei die Bergungseinrichtungen bisher nicht so bemessen worden sind, daß sie derartigen Beanspruchungen widerstehen.

Bei bestimmten Bergungseinrichtungen wird davon ausgegangen, daß sich das Corium von selbst am Boden des Behälterschachts einfindet, ohne daß es gesammelt werden müßte, um es an eine Stelle zu leiten, an der dessen Einschließung und dessen Abkühlung gewährleistet sind.

Andere Einrichtungen zwingen dem geschmolzenen Corium sehr lange Wege durch Rohranordnungen auf, in denen schmelzbare Stopfen angeordnet sind, die eine program­ mierte Füllung der Rohre erlauben. Die "Programmierung" dieser Schmelzsicherungen bleibt jedoch aufgrund von Unsicherheiten hinsichtlich der Strömungsszenarien des Cori­ ums und seiner physikalischen Eigenschaften zufällig.

Andere Einrichtungen verwenden abbrennbare, endothermische Materialien (oder eine Opferschicht), mit dem Ziel, thermische Stöße zu dämpfen, ohne eventuelle Konsequen­ zen der Wechselwirkung des Coriums mit der Opferschicht zu berücksichtigen.

Schließlich verwenden bestimmte Einrichtungen große ebene Flächen, um das Corium zu verteilen und es besser abzukühlen. Die Homogenität der Verteilung sowie diejenige der Abkühlung, die für den Einschluss des Coriums unbedingt erforderlich sind, scheinen für noch so große Flächen nicht gewährleistet.

WO 85/00 921 zeigt einen Aschenraum für einen Nuklearreaktor, wobei dieser Aschenraum den Austritt von Strahlung bei einem Reaktorunfall mit Kernschmelze verhindern kann. Der Aschenraum beinhaltet ein in den Untergrund reichendes Isolationsrohr, Wärmeaustausch­ strukturen und ein passives Kühlsystem, welches einen Wasserturm umfasst, welcher die Wärme aus dem Aschenraum an die Umgebung abführt.

US 4,045,284 zeigt einen Nuklearreaktor mit einem Sicherheitsbehälter, welcher einen Brennstoffbehälter, eine Austrittsvorrichtung und einen Sicherheitsbehälter zur Deaktivie­ rung umfasst, welcher sich unterhalb der Reaktorhülle befindet und Austrittskanäle, Sam­ melleitungen und Behälter aufweist.

Die Erfindung hat genauer einen Kernreaktor zum Gegenstand, der mit einer Einrichtung zur Bergung des Kerns ausgerüstet ist, deren Konzeption sämtliche heftigen Phänomene berücksichtigt, die bei einem schweren Störfall, der die Schmelzung des Reaktorkerns zur Folge hat, einstehen können, um die Konsequenzen eines derartigen Störfalls besser ein­ zuschränken und insbesondere der Kontamination des Untergrunds entgegenzuwirken.

In der weiteren Definition der Erfindung wird dieses Ergebnis mittels eines Kernreaktors erzielt, der umfasst: eine Sicherheitshülle, einen in der Hülle vollständig eingeschlossenen Primärkreislauf, der mit Druck beaufschlagtes Wasser enthält und einen Behälter aufweist, in dem der Kern angeordnet ist, und Mittel zur Bergung des Kerns im Falle einer Schmel­ zung des letzteren, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Bergung des Kerns umfas­ sen:

• - einen Auffang, der wenigstens einen unteren Teil des Behäl­ ters umgibt;
• - eine Mehrzahl von Containern, die unterhalb des Auffangs angeordnet und von diesem durch schmelzbare Stopfen getrennt sind;
• - einen Kühlungsraum, der diese Container umgibt;
• - Mittel zum passiven Entleeren von im Auffang befindlichen Kühlwasser in den Kühlungs­ raum;
• - wenigstens einen Kühlwasser-Speicherbehälter, der oberhalb des Kühlungsraums angeordnet ist; und
• - Mittel zum Herstellen eines Kreislaufs mit natürlicher Kon­ vektion zwischen dem Kühlwasser-Speicherbehälter und dem Küh­ lungsraum.

Wenn ein Störfall des Verlusts des primären Kühlmittels entsteht, set­ zen Druckabbaumittel automatisch den Primärkreislauf mit niedrigem Druck erneut in Betrieb, wobei sich das Wasser des Primärkreislaufs in der Sicherheitshülle verteilt. Ein Teil dieses Wassers dringt in den un­ ter dem Behälter angeordneten Auffang ein, während der Rest in teil­ weise unter der Hülle angeordnete Speicherbehälter abläuft.

Die automatische Entleerung dieses Auffangs in den Kühlungsraum ist daher durch passive Entleerungsmittel gewährleistet, die vorzugsweise wenigstens einen Überlauf und wenigstens einen Saugheber umfassen.

Wenn dann die Abkühlung des Kerns durch klassische Sicherheitsein­ richtungen gewährleistet ist, die hierzu im Reaktor vorgesehen sind, wird die weitere Entwicklung des Störfalls angehalten. Der Reaktor kann anschließend wieder in seinen ursprünglichen Zustand versetzt werden, was insbesondere die Entleerung des Kühlungsraums durch wenigstens ein mit einem normalerweise geschlossenen Isolationsmittel ausgerüstetes Entleerungsrohr voraussetzt, welches vorzugsweise in den Boden dieses Raums mündet.

Wenn dagegen die Abkühlung des Kerns nicht durch Sicherheitseinrichtungen gewährleistet werden kann, weil diese nicht zur Verfügung stehen oder unzureichend sind, beginnt der Kern zu schmelzen. Diese Schmelzung, die von geeigneten Mitteln erfaßt wird, hat die Herstellung einer Verbindung zwischen dem oder den Speicher­ behältern mit dem Kühlungsraum zur Folge, der sich füllt und die Container vollständig flutet.

Wenn ein Durchstoßen des Behälters durch die Wirkung des Coriums auftritt, kann dieses letztere in den Auffang, der dann praktisch kein Wasser enthält, fallen und in die Container eindringen, wobei die schmelzbaren Stopfen geschmolzen werden. Die erneute Erhitzung des Wassers, die dann im Kühlungsraum auftritt, ruft die Zirkulation dieses Wassers durch die natürliche Konvektion zwischen diesem Raum und dem oder den Speicherbehältern hervor. Die Abführung der aus dem Corium freiwerdenden Wärme ist dann durch passive Mittel automa­ tisch gewährleistet.

Vorzugsweise werden die Gefahren, die sich aus einer gewaltsamen Abtrennung des Bodens des Behälters ergeben, vermieden, indem Mit­ tel vorgesehen sind, die den Sturz in den Auffang unterhalb des Behäl­ ters dämpfen.

Um jede unkontrollierte Reaktion des Coriums mit den Wänden des Auffangs und der Container zu vermeiden, sind diese letzteren vor­ zugsweise innen mit wenigstens einer Schicht aus feuerfestem und ge­ genüber den den geschmolzenen Kern bildenden Materialien chemisch inerten Material ausgekleidet, wobei diese Schicht mit einer Versiege­ lungshaut überzogen ist.

Um darüber hinaus den Wärmeaustausch zwischen dem in den Contai­ nern enthaltenen Corium und dem Wasser, das sich bei einem Schmel­ zen des Kerns im Kühlungsraum befindet, zu verbessern, können die Container extern Mittel aufweisen, die den Wärmeaustausch fördern, etwa Rippen, Flügel oder Vorsprünge mit beliebiger Form.

Um die Abkühlung des Wassers zu erleichtern, das von dem die Con­ tainern umgebenden Kühlungsraum durch natürliche Konvektion in den oder die Speicherbehälter gelangt, sind vorzugsweise in jedem Spei­ cherbehälter Mittel zum Abführen der Wärme und in der Sicherheits­ hülle Kondensationsmittel vorgesehen. Im letzteren Fall steht der In­ nenraum der Hülle mit jedem Speicherbehälter durch wenigstens eine Entwässerungsleitung in Verbindung.

Je nach Fall können die Container über Stützen auf dem Boden des Kühlungsraums aufliegen oder am Boden des Auffangs aufgehängt sein. Im ersten Fall sind vorzugsweise Abstandsgitter vorgesehen.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen, die sich auf bevorzugte Ausführungsformen der vor­ liegenden Erfindung beziehen, angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungs­ formen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht, die auf schematische Weise einen Druckwasserkernreaktor erläutert, der mit einer erfin­ dungsgemäßen Einrichtung zur Bergung und zum Ein­ schließen des Kerns ausgerüstet ist;

Fig. 2 eine mit Fig. 1 vergleichbare Schnittansicht, die in grö­ ßerem Maßstab den unterhalb des Reaktorbehälters be­ findlichen Teil der Bergungseinrichtung zeigt;

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III von Fig. 2;

Fig. 4A-E mit Fig. 1 vergleichbare Ansichten, die den Zustand des Reaktors in verschiedenen Entwicklungsstadien eines schweren Störfalls zeigen, der die Folge eines Verlusts des primären Kühlmittels ist;

Fig. 5 eine mit Fig. 1 vergleichbare Ansicht, die eine zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt; und

Fig. 6 eine mit den Fig. 1 und 5 vergleichbare Ansicht, die ei­ ne dritte Ausführungsform der Erfindung zeigt.

In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 einen Teil der Sicherheits­ hülle, in der der Primärkreislauf des Kernreaktors vollständig einge­ schlossen ist. In Fig. 1 sind außerdem das Fundament 12 der Sicher­ heitshülle 10 sowie der Behälterschacht 14 gezeigt, von welchem der Behälter 16 aufgenommen wird. Dagegen sind die anderen Komponen­ ten des Primärkreislaufs wie etwa die Pumpen, die Dampfgeneratoren und der Druckhalter nicht gezeigt. Dasselbe gilt für die Röhrensy­ steme, die diese Komponenten untereinander und mit dem Behälter 16 und mit den dem Druckabbausystem zugeordneten Entleerungsventilen verbinden, um bei einem Störfall ein automatisches oder manuelles Ab­ senken des im Primärkreislauf herrschenden Drucks zu ermöglichen.

Zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung ist in Fig. 1 auf sehr schematische Weise der Kern 18 des Reaktors gezeigt, der im In­ neren des Behälters 16 angeordnet ist. Dagegen sind sämtliche anderen Komponenten, die üblicherweise in Inneren dieses Behälters angeordnet sind, etwa diejenigen, die die Steuerung der Reaktorfunktion im Nor­ malbetrieb und dessen Anhalten bei einem Störfall ermöglichen, nicht gezeigt.

Gemäß der Erfindung ist der in Fig. 1 gezeigte Kernreaktor mit Mitteln zur Bergung des Kerns im Falle einer Schmelzung desselben ausgerü­ stet, die im folgenden im einzelnen beschrieben werden.

Diese Mittel zur Bergung des Kerns umfassen zunächst einen Auffang 20 in Form einer Wanne, die den unteren Teil des Behälters 16 bis zu einer Höhe in der Nähe des Kerns 18 umgibt. Dieser Auffang 20 ist im Inneren mit mehreren Schichten 22 ausgekleidet, die aus einem oder mehreren feuerfesten und gegenüber dem Corium chemisch inerten Materialien gebildet sind. Das oder die Materialien, die die Schichten 22 bilden, sind so beschaffen, daß sie den hohen Temperaturen sowie den dem Schmelzgut eigentümlichen thermomechanischen Stößen und den Corium-Strahlen widerstehen können, wenn das Corium die Wand des Behälters 16 des Reaktors durchdringt.

Die Innenfläche der Schichten 22 ist wiederum mit einer metallischen Versiegelungshaut 24 ausgekleidet, deren Unversehrtheit und folglich deren Versiegelungsfunktion, die sie erfüllen soll, bei einem schweren Störfall nicht lange erhalten bleiben. Tatsächlich wird sie vom Corium wenigstens teilweise sehr schnell zerstört, wenn dieses in den Auffang 20 gelangt.

In der genauer in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform der Er­ findung weist der Boden des Auffangs 20 einen im wesentlichen ebenen und horizontalen Umfangsbereich und einen zentralen Bereich 20a in Form eines Kegels oder einer Pyramide auf. Die Steigung dieses zen­ tralen Teils 20a ist so gewählt, daß das Corium, das darauf fallen könnte, während einer Zeit, die so kurz wie möglich ist, zum Umfangs­ teil abgeführt wird.

Außer dem Auffang 20 umfassen die Mittel zur Bergung des im ge­ schmolzenen Zustand befindlichen Reaktorkerns Container 26, die kranzförmig unter dem ebenen und horizontalen Umfangsteil des Auf­ fangs 20 angeordnet sind. Genauer und wie insbesondere in Fig. 2 und 3 gezeigt, sind die Container 26 Behältnisse mit vertikaler Achse, die in zwei konzentrischen Kreisen unterhalb des ebenen und horizontalen Umfangsteils des Bodens des Auffangs 20 angeordnet sind und deren Wände mit ihren oberen Enden mit der Wand des Auffangs 20 verbunden sind. Selbstverständlich ist die Form der Behältnisse nicht auf die in den Fig. 2 und 3 beispielhaft gezeigte zylindrische Form beschränkt. Die Container 26 können eine beliebige Form besitzen. Als nicht be­ schränkende Beispiele können als nichtzylindrische Formen die Form eines umgedrehten Kegels und die Form von Rohren mit polygonalem Querschnitt genannt werden.

Das gesamte Innenvolumen sämtlicher Container 26 ist wenigstens gleich dem maximalen Volumen des Coriums, damit dieses bei einem schweren Störfall vollständig von den Containern aufgenommen wer­ den kann. Der Querschnitt der Container 26 ist ausreichend groß, um ein vorzeitiges Erkalten des Coriums zu vermeiden, welches verhin­ dern würde, daß das Corium in die Container eindringt, um sie an­ schließend zu füllen. Dies wird erreicht, indem der "äquivalente" Durchmesser, der definiert ist als Durchmesser einer Kreisfläche, die gleich dem mittleren Querschnitt der Container ist, auf einen Wert grö­ ßer als 0,4 m festgelegt wird. Um eine Austauschfläche sicherzustellen, die für die Abkühlung des gesamten Volumens des Coriums ausreicht, ist außerdem die Höhe der Container 26 wenigstens gleich dem oben definierten äquivalenten Durchmesser.

Jeder der Container 26 ist an seinem unteren Ende durch einen gewölb­ ten Boden verschlossen, während er mit seinem oberen Ende in den Auffang 20 mündet, gegenüber dem er normalerweise durch einen schmelzbaren Stopfen 32 isoliert ist, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Die schmelzbaren Stopfen 32 sind aus einem Material mit einer Schmelz­ temperatur verwirklicht, die viel niedriger als diejenige der Versiege­ lungshaut 24 ist. Wenn nach dem Schmelzen des Reaktorkerns das Co­ rium in den Auffang 20 eindringt, schmelzen die schmelzbaren Stopfen nach Berührung mit dem Corium sehr schnell, um so den Eingang in die Container 26 freizugeben. Unter normalen Betriebsbedingungen des Reaktors haben diese schmelzbaren Stopfen 32 die Funktion, jeden Eintritt von Wasser in die Container 26 und jedes zufällige Herabfallen eines Gegenstandes auf den Boden der Container und deren Ansamm­ lung an diesen Stellen im Lauf der Zeit zu verhindern.

Ebenso wie der Auffang 20 ist jeder der Container 26 innen mit mehre­ ren Schichten 28 aus einem oder mehreren feuerfesten und gegenüber dem Corium chemisch inerten Materialien ausgekleidet.

Wie schematisch in Fig. 1 gezeigt, sind die Wände der Container 26 außen mit Wärmeaustausch-Fördermitteln 36 wie etwa Flügeln, Rippen oder Vorsprüngen von beliebiger Form versehen.

In der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform ruht der zentrale Teil 20a des Bodens des Auffangs 20 unter Einfügung einer Verbin­ dung 38 von wärmeleitenden Elementen, die insbesondere aus Stahl, Graphit oder einem Verbundmaterial vom Kohlenstoff-Kohlenstoff-Typ verwirklicht sind, auf einem Vorsprung 12a des Fundaments 12 auf. Diese Verbindung 38 von wärmeleitenden Elementen ist an die Kegel- oder Pyramidenform des an den Boden des Auffangs 20 angrenzenden Teils angepaßt. Darüber hinaus umfaßt sie einen Umfangsteil 38a in Form einer Schürze, die nach unten um den Vorsprung 12a verlängert ist. Diese Verbindung 38 hat die Aufgabe, die Wärmeleitung des zen­ tralen Teils an einen später beschriebenen Kühlungsraum 40 zu verbes­ sern.

Die Mittel zur Bergung des im geschmolzenen Zustand befindlichen Kerns umfassen außerdem den Kühlungsraum 40, der in dieser ersten Ausführungsform der Erfindung eine im allgemeinen ringförmige Ge­ stalt besitzt. Dieser Kühlungsraum 40 ist zwischen dem Behälterschacht 14, dem Fundament 12, dem Vorsprung 12a und dem Auffang 20 aus­ gebildet. Genauer umfaßt dieser Raum 40 einen Hauptteil, der sich un­ terhalb des ebenen und horizontalen Umfangsteils des Bodens des Auf­ fangs 20 befindet, in den die Container 26 eingesteckt sind, und einen engeren oberen Teil, der um die Umfangswand des Auffangs 20 ange­ ordnet ist.

In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist die Unterstützung der Container 26 mittels Stützen 42 in Form von Füßen verwirklicht, die auf dem Boden des Kühlungsraums 40 direkt auf dem Fundament 12 aufruhen. Dann werden im Inneren des Kühlungsraums 40 auf ver­ schiedenen Höhen metallische Abstandsgitter 44, von denen ein Aus­ führungsbeispiel insbesondere in Fig. 3 gezeigt ist, angeordnet, um zwischen den Containern auf ihrer gesamten Höhe einen minimalen Abstand zu bewahren. Wie im folgenden gezeigt wird, ermöglicht die­ ser minimale Abstand die Gewährleistung des die Kühlung der Contai­ ner 26 sicherstellenden Durchgangs von Wasser. Die Form dieser Git­ ter 44 ist so beschaffen, daß außerdem die Mischung und die Homoge­ nisierung des um die Container 26 zirkulierenden Wassers begünstigt wird, wodurch die Wirkung der Austauschförderer 36 verstärkt wird.

Wie genauer in Fig. 1 gezeigt, sind zwischen dem Auffang 20 und dem Kühlungsraum 40 passive Entleerungsmittel vorgesehen. Diese passi­ ven Entleerungsmittel umfassen vor allem einen oder mehrere Über­ läufe 46, deren Enden, die in den Auffang 20 münden, auf einer im wesentlichen der Unterseite des Kerns 18 des Reaktors entsprechenden Höhe angeordnet sind. Jeder Überlauf 46 ist im oberen, engen Teil des Kühlungsraums 40, der die Umfangswand des Auffangs 20 umgibt, an­ gebracht. Eine thermomechanische Abschirmung 48 schützt das Ende eines jeden Überlaufs 46, das in den Auffang 20 mündet, derart, daß jeder Verschluß der Überläufe durch das Corium bei einem Störfall vermieden wird.

Die passiven Entleerungsmittel umfassen einen Saugheber 50, dessen erstes Ende zum Boden des Auffangs 20 weist, während dessen entge­ gengesetztes Ende zum Boden des Kühlungsraums 40 weist. Der obere horizontale Zweig 50a eines jeden Überlaufs 50 ist im wesentlichen auf derselben Höhe wie das obere Ende des Überlaufs 46, das in den Auf­ fang 20 mündet, angeordnet.

Außerdem mündet wenigstens ein mit einem normalerweise geschlos­ senen Ventil 54 ausgerüstetes Entleerungsrohr 52 in den Boden des Kühlungsraums 40, um dessen Entleerung beispielsweise durch Pum­ pen zu ermöglichen, wenn dies erforderlich ist. Vorzugsweise ist das in jedem Entleerungsrohr 52 vorgesehene Ventil 54 ein handbetätigtes Ventil, das dazu geeignet ist, unter allen Umständen betätigt werden zu werden.

Wie ebenfalls in Fig. 1 gezeigt, umfassen die Mittel zur Bergung des Kerns bei dessen Schmelzung außerdem einen oder mehrere Speicher­ behälter 56, in denen das Kühlwasser 58 gespeichert ist. Der Boden ei­ nes jeden Speicherbehälters 56 befindet sich auf einem Niveau, das oberhalb desjenigen des Kühlungsraums 40 liegt. Dagegen liegt das Ni­ veau NO des Kühlwassers 58 in diesen Speicherbehältern 56 anfangs unter demjenigen des oberen Endes der in den Auffang 20 mündenden Überläufe 46 und unterhalb desjenigen des oberen Zweiges 50a eines jeden der Saugheber 50.

Jeder Speicherbehälter 56 steht mit dem Kühlungsraum 40 durch we­ nigstens ein Versorgungsrohr 60 in Verbindung, das den Boden des Speicherbehälters mit dem Boden des Kühlungsraums verbindet. In je­ dem der Versorgungsrohre ist direkt unter dem Speicherbehälter 56 ein normalerweise geschlossenes Isolationsventil 62 angeordnet. Dieses Isolationsventil 62 ist ein Elektroventil oder ein Ventil mit selbständiger elektrischer Steuerung eines äquivalenten Typs, das sich automatisch öffnen kann, wenn es ein Signal der Erfassung des Beginns einer Schmelze des Kerns 18 des Reaktors empfängt. Ein derartiges Erfas­ sungssignal kann von einem oder mehreren elektrisch unabhängigen Versorgungssystemen, die im Behälter 16 oder in der Hülle 10 des Re­ aktors angeordnet sind, geliefert werden.

Jeder der Speicherbehälter 56 ist außerdem mit dem oberen, engen Teil des Kühlungsraums 40 durch ein oder mehrere Wasserrücklaufrohre 64 verbunden. Wie in Fig. 1 gezeigt, sind diese Rohre 64 horizontale Rohre, deren Niveau etwas oberhalb des Niveaus NO liegt, das norma­ lerweise von dem in den Speicherbehältern 56 enthaltenen Kühlwasser 58 eingenommen wird.

Die Gesamtheit, die von den Speicherbehältern 56, dem Kühlungsraum 40 sowie den Versorgungsrohren 60 und den Wasserrücklaufrohren 64 gebildet wird, bildet einen passiven Kühlkreis. Tatsächlich erlaubt die­ ser Kreis, daß zwischen dem Raum 40 und jedem der Speicherbehälter 56 eine Zirkulation des Wassers 58 durch natürliche Konvektion ge­ währleistet ist, wenn die Ventile 62 geöffnet sind, und daß das im Kühlungsraum 40 enthaltene Wasser durch das in den Containern 26 vorhandene Corium erneut erwärmt wird.

In dem so gebildeten passiven Kühlkreis hängt die Kühlwassermenge 58 neben anderen Variablen von der Druckdifferenz ab, die zwischen der Unterseite der Container 26 und dem oberen Niveau des Zweipha­ sengemischs des im Kühlungsraum 40 vorhandenen siedenden Wassers herrscht. In dem durch die natürliche Zirkulation bewirkten Betriebs­ zustand ist diese Druckdifferenz in einer ersten Näherung gleich dem Druck, der von einer Wassersäule mit der Temperatur und dem Druck des flüssigen Wassers der Speicherbehälter 56 und mit einer Höhe, die gleich der Höhendifferenz zwischen der Wasseroberfläche der Spei­ cherbehälter 56 und der Unterseite der Container 26 ist, ausgeübt wird. Wenn diese Höhendifferenz einen Wert von wenigstens 5 m besitzt, kann eine ausreichende Menge gewährleistet werden, um jeglichen zu großen Temperaturanstieg der Strukturen der Container oder jegliche zu große Ansammlung von Dampf im Kühlungsraum, die einen Druck­ anstieg in diesem Raum zur Folge hätte, zu vermeiden und außerdem zu verhindern, daß das in den Speicherbehältern 56 enthaltene Wasser dort eindringt und somit die Zirkulation des Kühlwassers unterbricht.

Aufgrund der Aufheizung des Wassers, die aus der sehr hohen Tempe­ ratur des in den Containern 26 enthaltenen Coriums folgt, befindet sich das Wasser, das durch die Wasserrücklaufrohre 64 in die Speicherbehälter 56 gelangt, in einem Zweiphasenzustand. Ein Teil des Wasser­ dampfs wird von der Flüssigkeit bewegt und kondensiert wieder in das in den Speicherbehältern 56 enthaltene Wasser. Der restliche Wasser­ dampf wird durch eine oder mehrere Öffnungen 66, die in der Decke der Speicherbehälter 56 oder oberhalb des Niveaus NO ausgespart sind und durch die jeder der Speicherbehälter mit dieser Atmosphäre in Verbindung steht, in die von der Sicherheitshülle 10 umschlossene At­ mosphäre abgeführt. Die Kondensation des Wasserdampfs, die im In­ nern der Hülle 10 angenommen wird, wird durch eine bestimmte An­ zahl von Wärmeschächten wie etwa Kühlflächen 68, die sich üblicher­ weise in der Hülle 10 befinden, gewährleistet. Um diese Kondensation zu beschleunigen, können im Inneren der Hülle 10 außerdem Wärme­ tauscher 70 angeordnet werden, die die Rolle von Kondensatoren spie­ len. Vorzugsweise werden passive Systeme wie etwa Wärmerohr- Tauscher verwendet.

Das somit im Inneren der Sicherheitshülle 10 kondensierte Wasser wird oberhalb der Speicherbehälter 56 gesammelt und durch Ablaufleitungen 72, die in das Wasser 58 eingetaucht sind, abgeleitet.

Andererseits kann die Kühlung des in jedem der Speicherbehälter 56 enthaltenen Wassers 58 auch durch Wärmetauscher 74 gewährleistet werden, die in das Wasser 58 eingetaucht sind. Vorzugsweise werden ebenfalls passive, eingetauchte Wärmetauscher 74, die beispielsweise Wärmerohre umfassen, verwendet.

Selbstverständlich können die Wärmetauscher 70 und 74 durch sämtli­ che anderen, vorzugsweise passiven äquivalenten Einrichtungen ersetzt werden, die die Abführung der während des Störfalls freigesetzten Energie aus der Sicherheitshülle erlauben.

Die Menge des Wassers 58, das anfangs in den Speicherbehältern 56 gespeichert ist, ist so festgelegt, daß während einer Übergangsphase, in deren Verlauf das aus der Kondensation des Wasserdampfs im Inneren der Sicherheitshülle 10 sich ergebende Wasser noch nicht gesammelt und in die Speicherbehälter 56 abgeleitet worden ist, eine unabhängige Funktion des passiven Kühlkreises gewährleistet ist. Die Gesamtmenge des Kondensationswassers, das durch Ablaufleitungen 72 in die Spei­ cherbehälter 56 abgeleitet worden ist, versorgt anschließend während sämtlicher Phasen des Störfalls bis zum Langzeit-Einschluß des somit geborgenen Coriums ununterbrochen den Kühlkreis, ohne die Spei­ cherbehälter 56 zu entleeren und die natürliche Zirkulation im Kreis zu unterbrechen.

Um schließlich zu vermeiden, daß die gesamte Einrichtung durch das Herabfallen eines einzigen Blocks des unteren halbkugelförmigen Bo­ dens des Behälters 16 des Reaktors infolge von thermomechanischen Wirkungen, die sich aus der Ansammlung einer großen Masse ge­ schmolzenen Coriums an dieser Stelle ergeben, funktionslos gemacht wird, sind auf dem Boden des Auffangs 20 direkt unter dem Behälter 16 Einrichtungen 76 zum Dämpfen des Aufschlags angeordnet. Wie insbesondere in Fig. 3 gezeigt, sind diese Einrichtungen 76 symme­ trisch um die vertikale Achse des Behälters 20 verteilt, derart, daß die Belastung des Bodens des Auffangs 20 im Falle eines heftigen Auf­ schlags des Bodens des mit dem geschmolzenen Corium gefüllten Be­ hälters 16 verteilt wird.

Jede der Dämpfungseinrichtungen 76 kann insbesondere von einem Rohrsystem 78 (Fig. 2) gebildet sein, die dazu geeignet sind, unter der Last progressiv zusammengedrückt zu werden. Jedes System ruht auf einer Fußplatte 80 auf, die direkt mit der metallischen Versiegelungs­ haut 24 des Auffangs 20 verschweißt ist.

Die Betätigung der Mittel zur Bergung des im geschmolzenen Zustand befindlichen Kerns, die mit Bezug auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben wird, wird zunächst mit Bezug nacheinander auf die Fig. 4A bis 4E erläutert. Vorher wird kurz mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 der Zustand angegeben, in dem sich die Mittel zur Bergung des Kerns befinden, wenn der Reaktor normal arbeitet. Der Kern 18 ist dann intakt, wobei der Behälter 16 ebenso wie der gesamte Primärkreislauf mit mit Druck beaufschlagtem Wasser gefüllt ist.

Die Ventile 62 der Röhren 60, die den Kühlungsraum 40 mit Wasser versorgen, sind dann geschlossen, so daß weder in diesem Raum 40 noch im Auffang 20 Wasser vorhanden ist. Außerdem sind die Ventile 54, mit denen die Entleerungsrohre 52 ausgerüstet sind, ebenfalls ge­ schlossen. Die Container 26 sind leer und mittels der schmelzbaren Stopfen 32 wasserdicht verschlossen.

Unter diesen normalen Betriebsbedingungen des Reaktors erlauben (nicht gezeigte) Durchgänge einen Zugang in das Innere des Auffangs 20, um den Zustand dieses Auffangs zu untersuchen oder um be­ stimmte Wartungsarbeiten oder Reparaturarbeiten von verschiedenen zwischen dem Behälter 16 und dem Auffang 20 angeordneten Einrich­ tungen auszuführen.

Wenn, wie in Fig. 4A gezeigt, ein Störfall des Verlusts des Primär­ kühlmittels entsteht, der dazu geeignet ist, letztlich einen schweren Störfall mit Kernschmelze zu erzeugen, wird das (nicht gezeigte) Sy­ stem zum automatischen Druckabbau, das dem Primärkreislauf des Re­ aktors zugehört, automatisch betätigt, derart, daß der Druck in diesem Kreis abgesenkt wird. Dann wird das Wasser im Behälter 16 teilweise entleert. Dennoch wird der Kern 18 ausreichend gekühlt, damit die vom Kernbrennstoff angenommene Temperatur unterhalb der Schmelz­ grenze bleibt.

Der Druckabbau im Primärkreislauf hat die Wirkung, einen Teil des in diesem Kreis enthaltenen Wassers in der Sicherheitshülle 10 zu vertei­ len. Ein Teil dieses Wassers dringt dann in den Auffang 20 ein und ergießt sich anschließend in den Kühlungsraum 40, wenn es das durch die Überläufe 46 bestimmte Niveau erreicht. Die Saugheber 50 werden automatisch eingetaucht, derart, daß jegliches Wasser oberhalb der Öffnung des in den Auffang 20 eingetauchten Saughebers 50 in den Kühlungsraum 40 entleert wird. Dann erreicht das Wasser im Küh­ lungsraum 40 ein Niveau N1, das von der Menge des vom Auffang 20 aufgenommenen Wassers abhängt. Gleichzeitig wird derjenige Teil des Wassers, der in der Hülle außerhalb des Auffangs 20 verteilt ist, zu den Speicherbehältern 56 abgeführt, deren Niveaus ansteigen. In dem Fall, in dem dieses Niveau die Höhe der horizontalen Rohre 64 über­ steigt, ergießt sich das Wasser durch diese letztgenannten Rohre eben­ falls in den Kühlungsraum 40 und führt zu einer Erhöhung des Niveaus N1.

In einer bestimmten Anzahl von Fällen erlauben die einem Reaktor zu­ gehörigen sicherheitstechnischen Einrichtungen eine Abkühlung des Kerns 18 und somit ohne weitere Konsequenz die Vermeidung des Störfalls des Verlusts des Primärkühlmittels. In diesem Fall enthält die Wiederherstellung des ursprünglichen Zustandes insbesondere einen Vorgang des Entleerens des im Kühlungsraum 40 angesammelten Was­ sers. Dieser Vorgang wird dadurch ausgeführt, daß das Wasser durch die Entleerungsröhren 52 ausgepumpt wird, nachdem die Isolations­ ventile 54 geöffnet worden sind.

Bei der umgekehrten Annahme, bei der die dem Reaktor zugehörigen sicherheitstechnischen Einrichtungen keine ausreichende Kühlung des Kerns erlauben, entweder weil sie nicht zur Verfügung stehen (Ausfall der elektrischen Versorgung) oder weil sie nicht ausreichen, um die er­ neute Flutung und die Abkühlung des Kerns zu gewährleisten, beginnt dieser zu schmelzen. Ein unabhängiges Sicherheitssystem für die elek­ trische Versorgung liefert dann ein Erfassungssignal bezüglich der Schmelzung des Kerns. Dieses Signal wird direkt an die Ventile 62 übertragen, um deren Öffnung zu veranlassen. Diese Öffnung ist durch ein unabhängiges Stromversorgungssystem automatisch sichergestellt.

Wie in Fig. 4B gezeigt, dringt das in den Speicherbehältern 56 enthal­ tene Wasser aufgrund der Schwerkraft in den Kühlungsraum 40 ein, indem es durch die Versorgungsröhren 60 fließt. Der Raum 40 wird dann bis zu einem Niveau N2, das oberhalb des oberen Endes der Container 26 liegt, geflutet.

Das Niveau N2 hängt einerseits von den Querschnitten und Volumina sowie von den jeweiligen Niveaus der Speicherbehälter 56 und des Kühlungsraums 40 und andererseits vom Gesamtvolumen des im Kühl­ kreislauf zur Verfügung stehenden Wassers ab. Wenn für das gesamte zur Verfügung stehende Wasservolumen die Summe aus dem anfängli­ chen Volumen des in den Speicherbehältern 56 enthaltenen Wassers und aus dem maximalen Volumen des Wassers im Primärkreislauf, das auf einmal im Kühlungsraum 40 durch Entleerung und in den Speicher­ behältern 56 durch Absaugen des Wassers nach einem Störfall des To­ talverlusts des Wassers des Primärkreislaufs gesammelt werden kann, angenommen wird, kann das Gleichgewichtsniveau N2 so festgelegt werden, daß ein Eindringen von Wasser in den Auffang 20 verhindert wird. Dieses Ergebnis wird dadurch gewährleistet, daß das Niveau N2 einen Wert unterhalb desjenigen der Enden der Überläufe 46, die in den Auffang 20 münden, und der oberen, horizontalen Zweige 50a der Saugheber 50 erhält. Im Auffang 20 bleibt das Wasser nach der Entlee­ rung auf einem der Mündung der Saugheber 50 entsprechenden Ni­ veau.

Die Restwassermenge, die mit dem Corium in Kontakt treten könnte, welches den Behälter 16 verläßt, ist daher begrenzt. Außerdem kann ein Teil dieses Wassers unter der Wirkung der Erwärmung des Bodens des Behälters 16, die einem Ergießen des Coriums aus diesem letzteren vorhergeht, verdampfen. Um einen zu hohen Überdruck zu vermeiden, der sich aus der Verdampfung des Restwassers ergeben könnte, ist die Verwendung von (nicht gezeigten) Durchlässen vorgesehen, die übli­ cherweise einen Zugang in das Innere des Auffangs 20 erlauben, um den erzeugten Dampf abzuführen. Zusätzliche (nicht gezeigte) Durch­ lässe sind für den Fall vorgesehen, in dem die Entleerungskapazität er­ höht werden muß.

In Fig. 4C ist der Fall gezeigt, in dem das Corium 18a den Boden des Behälters 16 an mehreren Punkten durchdrungen hat. Das Corium 18a ergießt sich dann in den Auffang 20. Bei Beginn eines Kontakts des Coriums 18a mit der metallischen Haut 24, die den Auffang 20 innen schützt, wird diese Haut teilweise zerstört, ohne schädliche Wirkungen zu erzeugen, anschließend gelangt das Corium mit den Schichten 22 des feuerfesten und ihm gegenüber chemisch inerten Materials in Kon­ takt.

Im Gegenzug erfüllen die schmelzbaren Stopfen 32 ihre Funktion, so daß das Corium in die Container 26 eindringt, deren Außenwände sich aufheizen.

Unter der Wirkung der Aufheizung der Außenwände der Container 26 wird die Temperatur des dann im Kühlungsraum 40 enthaltenen Was­ sers erhöht, was eine Aktivierung der natürlichen Zirkulation des Was­ sers durch Thermosaugheber zwischen diesem Raum 40 und den Spei­ cherbehältern 56 durch die Röhren 60 und 64 zur Folge hat. Das Vor­ handensein der Wärmeaustausch-Fördermittel 36 an den Außenwänden der Container 26 erlaubt dann die Verhinderung der Bildung eines Dampffilms um diese Wände, der bewirken könnte, daß die Wärme­ übertragung zum Kühlwasser verschlechtert wird.

Wenn die natürliche Zirkulation hergestellt ist, tritt das Kühlwasser im Zweiphasenzustand aus den Röhren 64 in die Speicherbehälter 56 ein. Derjenige Teil des erzeugten Dampfes, der in den Speicherbehältern 56 nicht unmittelbar wieder kondensiert wird, wird im Innern der Sicher­ heitshülle 10 verteilt, wo er durch Wärmeschächte, die von vorhande­ nen Kühlflächen 68 gebildet werden, und eventuell durch Wärme­ tauscher 70 oder durch jedes andere äquivalente Mittel vervollständigt werden, wieder kondensiert wird. Das auf diese Weise erhaltene kon­ densierte Wasser wird gesammelt und durch Abführungsleitungen 72 den Speicherbehältern 56 zugeführt. Die Abkühlung des Wassers in den Speicherbehältern 56, die ein Eintreten der natürlichen Zirkulation und folglich die Abkühlung des in den Containern 26 enthaltenen Cori­ ums gewährleistet, wird eventuell durch die Wärmetauscher 74 ver­ vollständigt.

Die Fig. 4D zeigt eine mit der Situation von Fig. 4C vergleichbare Si­ tuation in dem Fall, in dem die Durchdringung des Bodens des Behäl­ ters 16 durch das Corium 18a nicht stattgefunden hat. Der Boden 16a des Behälters 16 wird dann in einem Block abgelöst und fällt zusammen mit dem darin enthaltenen Corium auf die Dämpfungseinrichtungen 76. Kraft dieser Dämpfungseinrichtungen bleiben die die Mittel zur Ber­ gung des Kerns bildenden Elemente funktionsfähig, so daß die Kühl­ wirkung ebenso wie in dem Fall von Fig. 4C gewährleistet ist. Schließ­ lich zeigt Fig. 4E den Endzustand des Reaktors, in dem das Corium 18a geborgen und vollständig in den Containern 26 eingeschlossen ist und durch den passiven Kühlkreislauf, der den Kühlungsraum 40, die Speicherbehälter 56 und die sie verbindenden Leitungen 60 und 64 um­ faßt, für lange Zeit gekühlt wird.

In Fig. 5 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die sich von der vorhergehenden im wesentlichen durch die Tatsache un­ terscheidet, daß die Container 26, anstatt kranzförmig um einen Vor­ sprung 12a des Fundaments 12 verteilt zu sein, über dem gesamten Querschnitt des Bodens des Auffangs 20 verteilt sind. Diese Ausfüh­ rungsform erlaubt bei gleicher Anzahl der Container 26 und bei glei­ cher Kapazität der einzelnen Container entweder eine Verringerung der radialen Abmessungen der gesamten Einrichtung zur Bergung des im geschmolzenen Zustand befindlichen Kerns, um sie an die Architektur des Behälterschachts 14 anzupassen, oder den Raum zwischen den Be­ hältern 26 zu erhöhen, um den Fluß des Kühlwassers zu erleichtern. Selbstverständlich können diese beiden Vorteile auch zusammen ver­ wirklicht werden.

Der Boden 20b des Auffangs 20 besitzt die Form eines umgekehrten Kegels, was den durch das Sieden des Wassers im Raum 40 erzeugten Dampfblasen eine Bewegung vom Zentrum nach außen erlaubt. Dieser Boden 20b wird von einer metallischen Schalung gebildet, in die was­ serfreier und feuerfester Beton gegossen worden ist. Auf diese Weise wird die Bildung einer Dampfblase unterhalb dieses Bodens verhindert, die zu einer lokalen Austrocknung dieses Bodens führen könnte.

Außerdem weist die metallische Versiegelungshaut 24, die die innere Auskleidung des Auffangs 20 bildet, einen ebenen und horizontalen Boden auf. Um die Kühlung der im Zentrum befindlichen Container 26 zu erleichtern, münden die Versorgungsrohre 60 vorzugsweise so nahe am wie möglich am Zentrum des Raums 40 in diesen Raum 40.

Die anderen Eigenschaften der Einrichtung zur Bergung des geschmol­ zenen Kerns sowie die Funktion dieser Einrichtung sind im übrigen mit denjenigen der obenbeschriebenen ersten Ausführungsform im wesent­ lichen identisch.

In Fig. 6 ist eine dritte Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die sich von der eben mit Bezug auf Fig. 5 beschriebenen zweiten Ausfüh­ rungsform im wesentlichen durch die Tatsache unterscheidet, daß die Container 26, anstatt direkt von auf dem Fundament 12 aufruhenden Stützen unterstützt werden, direkt am Boden 20b des Auffangs 20 auf­ gehängt sind.

Damit der Boden 20b des Auffangs 20 das Gewicht der Container 26 tragen kann, wenn diese letzteren mit dem Corium gefüllt sind, besitzt er eine viel größere Dicke. Dieser Boden kann insbesondere durch eine metallische Verschalung gebildet sein, in die wasserfreier und feuerfe­ ster Beton gegossen worden ist.

In dieser dritten Ausführungsform der Erfindung sind die Container 26 in vertikalen Zellen 82 aufgenommen, die in einem Aufbau ausgebildet sind, der von Betonplatten 84 und 86 gebildet wird, die abwechselnd übereinandergeschichtet sind und auf dem Fundament 12 aufruhen. Die Platten 84 sind an den den Zellen 80 entsprechenden Stellen einfach von Löchern durchsetzt. Die Platten 86 besitzen die gleichen Löcher sowie Durchlässe 88, durch die Zellen 82 miteinander in Verbindung stehen. Diese Durchlässe 88 erlauben Querströmungen des Wassers und verbessern somit die Kühlung. Der Einschub der Container 26 er­ laubt den Verzicht auf die Gitter 44. Am oberen Bereich dieses Auf­ baus sind Winkel 90 und Buchsen 91 befestigt, um den Boden 20b des Auffangs 20 direkt zu unterstützen.

In dieser dritten Ausführungsform der Erfindung sind die anderen Merkmale der Einrichtung zur Bergung des geschmolzenen Kerns so­ wie die Funktion dieser Einrichtung mit denjenigen der oben im einzel­ nen beschriebenen ersten Ausführungsform im wesentlichen identisch.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen, bei­ spielhaften Ausführungsformen beschränkt, sondern umfaßt sämtliche Abwandlungen. Obwohl daher die drei obenbeschriebenen Ausfüh­ rungsformen einen Druckwasser-Kernreaktor betreiben, kann die erfin­ dungsgemäße Einrichtung zur Bergung des geschmolzenen Kerns auch in einem Siedewasserreaktor verwendet werden.

Claims (27)

1. Kernreaktor, mit einer Sicherheitshülle (10), einem in der Hülle vollständig eingeschlossenen und mit Druck beaufschlagtes Wasser enthaltenden Primärkreislauf, der einen Behälter (16) umfasst, in dem der Kern (18) angeordnet ist, und Mitteln zur Bergung des Kerns (18) im Falle des Schmelzens dieses letzteren, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Bergung des Kerns (18) umfassen:
einen Auffang (20), der wenigstens einen unteren Teil des Behälters (16) umgibt;
eine Mehrzahl von Containern (26), die unterhalb des Auffangs (20) angeordnet und von diesem letzteren durch schmelzbare Stopfen (32) getrennt sind;
einen Kühlungsraum (40), der die Container (26) umgibt;
passive Mittel (46, 50) zum Entleeren von im Auffang (20) befindlichem Kühlwasser in den Kühlungsraum (40);
wenigstens einen Speicherbehälter (56) zum Speichern von Kühlwasser (58), der sich auf einem Niveau oberhalb desjenigen des Kühlungsraums (40) befindet; und
Mittel (60, 62, 64) zum Herstellen einer Zirkulation mit natürlicher Konvektion zwischen dem Speicherbehälter (56) und dem Kühlungsraum (40).

2. Kernreaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Auffang (20) unterhalb des Behälters (16) Mittel (76) zum Dämpfen des Aufschlags des Behälters (16) oder eines Teils desselben angeord­ net sind.

3. Kernreaktor gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auffang (20) innen mit wenigstens einer Schicht (22) aus feuerfestem und gegenüber dem den geschmolzenen Kern bildenden Materialien chemisch inerten Material ausgekleidet und mit einer Versiegelungshaut (24) überzogen ist.

4. Kernreaktor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Container (26) innen mit wenigstens einer Schicht aus einem feuerfesten und gegenüber den den geschmol­ zenen Kern bildenden Materialien chemisch inerten Material ausgeklei­ det sind.

5. Kernreaktor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Container (26) außen Wärmeaus­ tausch-Fördermittel (36) aufweisen.

6. Kernreaktor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Container (26) wenigstens gleich dem äquivalenten Durchmesser ihres mittleren Querschnitts ist, welcher als Durchmesser einer Kreisfläche definiert ist, die gleich der­ jenigen des mittleren Querschnitts des Containers ist.

7. Kernreaktor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die passiven Entleerungsmittel wenigstens einen Überlauf (46) und wenigstens einen Saugheber (50) umfassen.

8. Kernreaktor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Auffang 20 mündende Ende des Überlaufs (46) durch eine thermomechanische Abschirmung (48) geschützt ist.

9. Kernreaktor gemäß einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Auffang (20) mündende Ende des Überlaufs (46) und ein oberer Zweig des Saughebers (50) an Niveaus angeordnet sind, die oberhalb des Niveaus des Kühlwassers im Spei­ cherbehälter (56) liegen.

10. Kernreaktor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Herstellen einer Zirkula­ tion mit natürlicher Konvektion wenigstens eine Versorgungsröhre (60), die den Boden des Speicherbehälters (56) mit dem Boden des Kühlungsraums (40) verbindet, ein normalerweise geschlossenes Isola­ tionsmittel (62), das in dieser Versorgungsröhre angeordnet ist, und wenigstens eine Wasserrückführungsröhre (64), die den Kühlungsraum (40) mit dem Speicherbehälter (56) auf einem Niveau oberhalb des Eingangs der Container (26) verbindet, umfassen.

11. Kernreaktor gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß er Mittel zur Erfassung einer Kernschmelze umfaßt, die ein Steu­ ersignal zur automatischen Öffnung der Isolationsmittel (62) aussenden können.

12. Kernreaktor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Speicherbehälter (56) durch wenig­ stens eine Öffnung (66), die oberhalb des Niveaus des Kühlwassers in diesem Speicherbehälter (56) gebildet ist, in die Sicherheitshülle (10) mündet.

13. Kernreaktor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittel (70, 74) für das Kühlwas­ ser in der Sicherheitshülle (10) angeordnet sind.

14. Kernreaktor gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittel Mittel (70) zur Kondensation des Wasserdampfes umfassen, die oberhalb eines jeden Speicherbehälters (56) angeordnet sind.

15. Kernreaktor gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitshülle (10) durch wenigstens eine Leitung (72) zum Ableiten des Kondensationswassers in den Speicherbehälter (56) mün­ det.

16. Kernreaktor gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittel Wärmeabführmittel (74) umfassen, die in jedem Speicherbehälter (56) angeordnet sind.

17. Kernreaktor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine mit einem normalerweise geschlossenen Isolationsmittel (54) ausgerüstete Entleerungsröhre (52) in den Boden des Kühlungsraums (40) mündet.

18. Kernreaktor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Container (26) ein Gesamtinnenvolu­ men aufweisen, das wenigstens gleich dem Volumen des Coriums ist, das sich aus der vollständigen Schmelzung des Kerns (18) ergibt.

19. Kernreaktor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Container (26) auf dem Boden des Kühlungsraums (40) mittels Stützen (42) aufruhen und in seitlicher Richtung im Inneren des Raums durch Abstandsgitter (44) gehalten werden.

20. Kernreaktor gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Auffang (20) einen Boden aufweist, der mit einem zentralen Teil (20a) versehen ist, der in radialer Richtung nach außen abfällt und unter dem Behälter (16) des Reaktors angeordnet ist, wobei die Contai­ ner (26) kranzförmig unter einem den zentralen Teil (20a) umgebenden Umfangsteil des Bodens des Auffangs (20) angeordnet sind.

21. Kernreaktor gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß unter dem zentralen Teil (20a) des Bodens des Auffangs (20) ein wärmeleitendes Material (38) angeordnet ist, das in eine Umfangszone verlängert ist, die an einen oberen Teil des Kühlungsraums (40) an­ grenzt.

22. Kernreaktor gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Auffang (20) einen Boden (20b) in Form eines umgedrehten Kegels aufweist, unterhalb dessen die Container (26) regelmäßig verteilt sind.

23. Kernreaktor gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (20b) des Auffangs (20) in Form eines umgedrehten Ke­ gels durch eine metallische Verschalung gebildet ist, in die wasserfreier und feuerfester Beton gegossen worden ist.

24. Kernreaktor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Container (26) am Boden (20b) des Auffangs aufgehängt sind.

25. Kernreaktor gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Container (26) von Zellen (82) aufgenommen sind, die in einer Struktur (84, 86) ausgebildet sind, die im Kühlungsraum (40) angeord­ net ist und in der die zellenverbindende Durchlässe (88) vorgesehen sind.

26. Kernreaktor gemäß Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur einen Stapel von Betonplatten (84, 86) zweier ver­ schiedener Typen umfaßt, die abwechselnd angeordnet sind, wobei die Durchlässe (88) in einem (86) der Plattentypen ausgebildet sind, wäh­ rend sämtliche Platten Löcher aufweisen, die die genannten Zellen (82) ergeben.

27. Kernreaktor gemäß einem der Ansprüche 25 und 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur mit Abstützteilen (90, 91) versehen ist, die an der Oberseite befestigt sind, um den Boden (20b) des Auf­ fangs (20) zu unterstützen.