WO1992011642A2 - Kernrückhaltevorrichtung für kernreaktoranlage und notkühlung bei kernschmelze - Google Patents

Kernrückhaltevorrichtung für kernreaktoranlage und notkühlung bei kernschmelze Download PDF

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WO1992011642A2
WO1992011642A2 PCT/DE1991/000993 DE9100993W WO9211642A2 WO 1992011642 A2 WO1992011642 A2 WO 1992011642A2 DE 9100993 W DE9100993 W DE 9100993W WO 9211642 A2 WO9211642 A2 WO 9211642A2
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cooling
collecting container
wall
nuclear reactor
jacket
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Dietmar Bittermann
Jürgen EYINK
Ulrich Fischer
Andreas Göbel
Sieghard Hellmann
Wolfgang Köhler
Walter Korn
Hermann Plank
Manfred Scholz
Horst WEISSHÄUPL
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
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    • G21C15/18—Emergency cooling arrangements; Removing shut-down heat
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    • B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
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    • G21C9/00—Emergency protection arrangements structurally associated with the reactor, e.g. safety valves provided with pressure equalisation devices
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • Nuclear reactor plant associated nuclear retention device
  • the invention relates to a nuclear reactor plant, in particular for light water reactors, with a reactor pressure vessel with a reactor core and a core retention device.
  • Such a nuclear reactor plant is known from US-A-3 607 630.
  • This known nuclear reactor plant also has the following features:
  • a supporting and protective structure delimits a reactor cavern with a base region and a peripheral wall, and that with a vertical and lateral pressure to the bottom area or peripheral wall in the reactor cavern arranged reactor pressure vessel is mounted on the support and protective structure.
  • the core retention device in this case has a collecting container for the meltdown which can be cooled by means of a cooling liquid and which is let into the bottom area of the supporting and protective structure inside the reactor cavern and below the reactor pressure container.
  • the collecting container also known as the "core catcher”
  • the collecting container also known as the "core catcher”
  • the collecting container also known as the "core catcher”
  • the collecting container also known as the "core catcher”
  • the collecting container also known as the "core catcher”
  • It is connected to a flood tank at a higher level via a downpipe.
  • the condensed cooling water is returned to the flood tank.
  • the collecting container consists of a multiplicity of parallel tubes, each on the inlet and outlet side to a common one
  • the invention is to provide a nuclear reactor plant of the type mentioned, through its container design and support even with larger reactor outputs and reactor core weights sufficient cooling channel cross-sections and cooling of a possible meltdown will ensure without affecting the
  • the prerequisites should be given in the context of sub-tasks or subordinate tasks to be able to cool the collecting container with a liquid according to the natural circulation principle
  • Another sub-task is to effectively keep the radioactive radiation emanating from the bottom of the collecting container away from the wall parts of the supporting and protective structure located above the collecting container, if there is a meltdown.
  • a further subtask is to integrate thermal insulation surrounding the reactor pressure vessel into the system comprising the collection vessel and dual cooling. So far, there has been no lack of proposals to exclude the occurrence of a meltdown by means of special safety precautions. However, the safety philosophy developed in recent times assumes that it is better from a safety point of view to include a meltdown accident - no matter how small the probability of it occurring - in the considerations.
  • the invention is based on this. It is intended to create a particularly effective protective barrier to prevent undesirable consequences of a theoretically assumed meltdown accident. Further subtasks that are related to the general task defined above result from the following considerations. With light water nuclear power plants in general and with pressurized water nuclear reactors in particular, it is desirable that the integrity of the containment is maintained in all assumed accidents, i.e. also in the case of a nuclear meltdown, be it that it is a beginning, partial nuclear meltdown or a complete one
  • meltdown must not, at least not during the first days of the event beyond the design, interact with the concrete of the containment structure. This is also because otherwise hydrogen, water vapor, non-condensable gases and other reaction products could be released.
  • the invention relates to a nuclear reactor plant, in particular a light water reactor plant, with a reactor pressure vessel with a reactor core and a core retention device, which is characterized by the following features in order to achieve the object: a) a supporting and protective structure delimits a reactor cavern with a bottom area and a peripheral wall, and the reactor pressure vessel arranged in the reactor cavern with vertical and lateral spacing from the bottom area or peripheral wall is mounted on the supporting and protective structure, b) the core retention device comprises a means one
  • Cooling liquid coolable collecting container for the meltdown which is arranged within the reactor cavern and below the reactor pressure vessel with a space between its bottom or jacket wall to the bottom area or to the peripheral wall of the support and protective structure and preferably with such a height of its jacket wall that it is at least up to extends approximately to the lower edge of the reactor core,
  • Claims 19 and 21 relate in particular to developments of the nuclear reactor system according to Claim 1, although a dual cooling system according to Claim 19 and a melting cooling tube according to Claim 21 can also be of importance in other contexts, e.g. For nuclear reactor plants in which the meltdown is cooled not according to the crucible concept but according to the spreading concept, compare to the spreading concept e.g. DE-B2-26 25 357. It is characteristic of this concept that the possible meltdown is spread over an area which is larger than the base area of the reactor pit.
  • Claim 20 relates to a further development of the dual cooling system according to Claim 19.
  • the collecting container has a height (at least approximately 3 m) that the minimum height for training a natural circulation flow in the case of liquid-filled cooling channels on the bottom and casing (external cooling system).
  • the collecting container not only protects the concrete of the supporting and protective structure (biological shield) against the effects of heat and radiation from the reactor pressure vessel or a meltdown with its raised wall, but also with its raised jacket wall.
  • the crucible-like base body and the support by the turbulence bodies on its underside - the turbulence bodies being designed as turbulence-generating flow guide bodies - can easily be designed so robustly and with a load-bearing capacity distributed over the base area that sufficiently large cooling cross sections, even under strong dynamic and static loads, can be maintained.
  • the external cooling of the collecting container can be designed so effectively due to the large flow cross-sections in the external cooling system, the kind of natural circulation flow with appropriate coolant throughput and the generated turbulence flow that film boiling on the outer cooling surfaces of the collecting container is avoided even with the greatest thermal load.
  • the bottom-side cooling ducts are preferably connected via an inlet duct arrangement and the jacket-side cooling ducts via an outlet duct arrangement to a cooling water reservoir provided outside the supporting and protective structure and forming or connected to a reactor building sump with such a rise height that a natural circulation flow through them in the case of a hot collecting container and water-filled cooling ducts Cooling channels are fanned through.
  • the container can be suspended from the supporting and protective structure.
  • the collecting container can be provided with a supporting flange, similar to a core container suspended within a reactor pressure vessel, with which it is supported on corresponding supporting surfaces of the supporting and protective structure.
  • the collecting container is preferably supported on the base parts of the supporting and protective structure by means of the turbulence bodies (then also support bodies) because this enables a dual function (support and turbulence generation) to be achieved.
  • the bottom wall of the collecting container can be slidably and / or resiliently mounted on these supporting bodies or the latter on the bottom region of the supporting and protective structure.
  • the collecting container in a crucible-like manner and to this end bulge its bottom wall downwards or outwards, its bottom wall merging into the jacket wall via a rounded edge region and the jacket wall preferably tapering slightly conically from the rounded edge region to the upper edge of the collecting container is.
  • the bottom wall of the collecting container it is expedient if it widens from a deepest central region to the edge region in the form of a flat conical jacket, the cutting surfaces of which lie in the axial-radial cutting planes and run at a small angle to the horizontal. This weak slope as well as the rounding in
  • Edge areas facilitate the rinsing of the bottom and the jacket wall of the collecting container with the cooling liquid, in particular water, according to the natural circulation principle and thus enable effective cooling.
  • an inlet duct arrangement opens into the bottom-side cooling ducts in the central region of the bottom wall of the collecting container via an inlet chamber, that the bottom-side cooling ducts extend outward from the inlet chamber to the edge region of the collecting container and that the edge area is connected by a jacket-side, upwardly extending cooling channel, which opens into the outlet duct arrangement.
  • the inlet channel arrangement expediently penetrates the bottom region of the supporting and protective structure and extends from the bottom wall of a chamber forming the outer cooling water reservoir to the central region of the bottom wall of the collecting container.
  • the outlet channel arrangement penetrates the peripheral wall of the supporting and protective structure, forms a continuation of the jacket-side cooling channel and opens into the cooling water reservoir in its upper level range.
  • the base body of the collecting container is formed by a crucible, consisting of a stainless, temperature-resistant steel alloy, that the inner bottom and outer surfaces of the crucible are lined with a protective jacket, which serves to protect the crucible material against melting attack , and if as a second protective layer for the crucible, a sacrificial material depot follows the protective jacket, the amount of which is sufficient to react with the maximum possible meltdown volume which penetrates into the collecting container in the event of a possible accident.
  • the protective jacket preferably consists of one of the following alloys, individually or in combination: MgO, UO 2 or ThO 2 .
  • the lining with a sacrificial material deposit in the form of granules or an even coarser-sized bed or preferably in the form of a
  • Masonry made of shielding concrete blocks has the purpose of specifically changing the material properties of the mixture, e.g. around:
  • the channel bodies explained above in their capacity as flow guide bodies for generating a turbulence flow in the external cooling system are designed according to a preferred embodiment as so-called delta wings in the form of prisms with three-sided surfaces, which at least on the bottom of the support and the collecting tank bottom wall with cooling gap Protective structure are attached.
  • Delta vanes have proven to be particularly effective for generating turbulence flow in the cooling gap. Accordingly, the invention also relates to delta vanes for generating a turbulence flow within a cooling channel through which a liquid coolant flows and which is delimited in the vertical direction by two channel walls which are arranged one above the other and are spaced apart from one another, an upper first channel wall heated by the heat to be dissipated and one lower, second channel wall provided with the delta wings on the inside.
  • the delta vanes are particularly effective in generating a turbulence flow within a cooling channel which is warmed up by a plate heated from above; they help to avoid a steam film on the underside of the plate, which would otherwise undesirably reduce the heat transfer coefficient, which is decisive for the heat transfer from the heated plate to the cooling water flow. Due to the turbulence flow generated, the natural circulation in the cooling gap can be intensified so that a sufficient safety distance can be maintained from the so-called critical heating surface load.
  • a favorable embodiment for channel bodies also serving as support is if they are designed as pipe sockets and the pipe sockets are attached.
  • These pipe sockets can be designed either as simple flow guide bodies or as turbulence-generating flow guide bodies. In the latter case there is one
  • Embodiment favorable according to which two U-shaped channel recesses aligned in the flow direction are provided per pipe socket, the boundaries of which are angular in order to increase the turbulence.
  • the collecting container also has a radiation shielding function.
  • the resulting radiation shielding system is advantageously completed by the fact that a shielding ring is installed above the collecting container and then attached to it in the annular space between the peripheral wall of the supporting and protective structure and the outer periphery of the reactor pressure container.
  • the shielding ring assumes in particular the function of the biological shield in the peripheral region of the reactor core where the peripheral wall (biological shield) is broken through outlet channels, so that the radioactive radiation emanating from the reactor core emanates from the
  • the shielding ring expediently consists of shielding concrete, which is also referred to as lecabeton.
  • the shielding ring has a wall thickness that comes close to the wall thickness of the biological shield (supporting and protective structure);
  • the shielding ring is preferably anchored to the peripheral wall of the supporting and protective structure. It can consist in particular of prestressed concrete, and its steel reinforcement is expediently combined with the steel reinforcement of the supporting and protective structure, which also consists of prestressed concrete, to form a uniform steel armament united system.
  • the shielding ring can be cast from in-situ concrete, a suitable formwork must be provided, but it can also be assembled from individual ring segments that are prefabricated. In the latter case, the ring segments of the shielding ring are expediently connected to one another and to the peripheral wall of the supporting and protective structure interlocked.
  • the outer cooling system of the collecting container is designed as a dual air and water cooling system which is used during normal operation of the nuclear reactor system, i.e. in the case of a dry external cooling system, the air cooling of the nuclear reactor pressure vessel or the outside of a thermal insulation surrounding it, for which purpose the inlet duct arrangement is connected to a cooling air source and the outlet duct arrangement is connected to a cooling air sink.
  • Thermal insulation adapted to the collecting container and the shielding ring as well as to the dual cooling system is preferably composed of austenitic all-metal cassettes.
  • a further air cooling system provided in addition to the external dual cooling system advantageously serves for ventilation of an upper cooling air space which is arranged above the collecting container and is limited on its inner circumference by the thermal insulation surrounding the reactor pressure container with an annular gap.
  • An advantageous further development of the invention consists in that the collecting container is penetrated in the upper half of its jacket wall by at least one melting cooling tube which, in the case of a multilayer structure of the collecting container, projects through its crucible wall, protective layer, sacrificial material depot and thermal insulation at its inner end by means of
  • the sealing plug is sealed and laid with a gradient from the outside inwards and is connected on the inlet side to a coolant reservoir, so that when the meltdown is present in the collecting container, the melting plug is heated to its melting temperature and brought to melting and thus one Flow path for the cooling liquid to the surface of the meltdown is released.
  • Such surface cooling is unproblematic from a safety point of view, because the steam that does not suddenly develop, but continuously develops, escapes upwards through the existing gaps and cooling gaps and can condense on the containment walls and additionally installed recooling heat exchanger heating surfaces, so that the condensed water again Cooling water reservoir (swamp water) can flow in.
  • the inlet of the melting cooling tube is expediently located outside the supporting and protective structure and communicates with the cooling water reservoir, the melting cooling tube accordingly penetrating the peripheral wall of the supporting and protective structure and the space between the outer cooling system.
  • the invention also relates to a method for starting and maintaining an external emergency cooling of the collecting container in the above-described nuclear reactor system, as described in claim 22, with which the object is achieved in the event of a design accident, to take preparatory measures for starting natural circulation cooling of the collecting container .
  • the invention further provides a core retention device for a nuclear reactor which has a reactor pressure vessel with a reactor core, in particular for a light water reactor, which has the following features: a) below the reactor pressure vessel is a collecting vessel for the meltdown which can be cooled by means of a cooling liquid installed that its bottom wall and its jacket wall a space between the bottom area and the peripheral wall of a supporting the reactor pressure vessel and below and laterally surrounding support and Have protective structure,.
  • FIG. 1 shows a nuclear reactor plant and an associated core retention device according to the invention in the cutout of the lower region of a spherical safety container and the associated concrete foundation, from which in particular the reactor pressure container, the collecting container located below it and the cooling water reservoir can be seen;
  • Figure 2 with the two partial figures 2A, 2B the object of Figure 1 enlarged in detail and in an axial section along the section plane II-II of Figure 4, from which the collecting container with its external cooling system can be seen even more clearly;
  • FIG. 4 shows an axis-normal section along the section plane IV-IV from FIGS. 2A, 2B;
  • FIG. 5 in perspective a section of a channel body, which serves as a support body for the collecting container and as a flow guide, and for this purpose between the bottom wall of the collecting container and a bottom area of the supporting and protective structure is inserted, with so-called delta vanes for turbulence generation being additionally arranged in the cooling gap
  • FIG. 6 a channel body according to FIG. 5 in partial section, from which a spring element for resilient support can be seen.
  • the reactor building R shown in the detail in FIG. 1 consists of a safety container 1, also called a containment, formed by a spherical steel sealing skin 3, and a corresponding one having a dome 2.1
  • the concrete structure 4 is connected to the reinforced concrete foundation 2 at its coupling points, see coupling points 5.1 and 5.2, by means of anchor bolts which pass through the steel sealing skin 3 in a sealing manner.
  • Pressurized water type is surrounded by a support and protective structure 7 at a distance in the lateral and in the vertical direction.
  • This supporting and protective structure 7 with its floor or floor area 7.1 and its peripheral wall 7.2 forms part of the concrete structure 4 within the containment 1; through the bottom region 7.1 and the peripheral wall 7.2, the reactor cavern 8 is formed, within which the reactor pressure vessel 6 is arranged.
  • the floor area 7.1 also includes a central, recessed floor section 7.10 of a preferably central inlet chamber 33, which will be explained further below.
  • the one in essentially hollow cylindrical.
  • Reactor pressure vessel 6 with a vertical axis z consisting of the lower part 6a with bottom cap 6.1 and the.
  • Upper part 6b with cap 6.2 is suspended from a supporting ring construction 9 with its lower part 6a.
  • the support ring structure 9 is supported in a ring recess of the peripheral wall 7.2 of the support and protective structure 7 secured against lifting and twisting.
  • the reactor pressure vessel 6 is supported within a circular recess with the flange of its lower part 6a (not shown in FIG. 1) and / or suitable support brackets on the support ring construction 9 so that it cannot rotate and is secured against lifting.
  • the reactor core 10 is indicated by dashed lines.
  • the primary circuit components of the nuclear reactor plant KA also show a steam generator DE, which is connected to the reactor pressure vessel 6 via a so-called hot line 11 of the main coolant lines HL.
  • the respective hot line 11 (it is a multi-loop system) conducts the hot coolant to the primary chamber 12 of the steam generator DE.
  • the primary chamber 12 is separated from the secondary chamber 13 of the steam generator DE by a tube sheet 14 and the U-shaped heat exchanger tubes indicated at 15.
  • the primary chamber 12 is also divided by a partition 16 into two chamber halves.
  • the primary coolant thus passes from the hot line 11 through one half of the primary chamber 12 into the heat exchanger tubes 15, gives its heat there to the secondary medium, which evaporates, and is circulated through the second half of the primary chamber 12, the so-called cold line connected to it 17, a primary circuit coolant pump arranged in this cold line 17 (not shown) and the remainder of the cold line 17 fed back into the interior of the reactor pressure vessel 6.
  • It can be a so-called two-loop system, i.e. a pressurized water reactor with two steam generators and one main coolant line pair each. In the exemplary embodiment according to FIG. 1, this would be the case if each of the two hot strands 11 were each assigned a cold strand 17 (only one is shown). But it can also be a three-loop or four-loop system, if one thinks of further strand pairs in FIG. 1, or as can be seen from the representation according to FIGS. 2 and 3.
  • the steam generators DE are supported on the concrete structure 4 in their tube sheet area by means of support rings 18.
  • a coolable collecting container 19 of a core retention device CC is arranged within the reactor cavern 8 with its bottom wall 20 below the reactor pressure vessel 6 and extends with its jacket wall 21 from the bottom wall 20 upwards.
  • the slightly obliquely inwardly drawn peripheral wall 7.2 of the supporting and protective structure 7 is also referred to as a biological shield because it forms a protective shield against neutrons and gamma radiation.
  • a biological shield On its inner circumference it is lined with a steel liner 22, as is the floor area 7.1 on its inner surfaces. Outside of this liner 22 and at a vertical and lateral distance from the collecting container 19 are therefore the bottom area 7.1 and the peripheral wall 7.2, which are connected to the rest of the concrete structure 4.
  • the latter is constructed in a chamber design, with the reactor sump in the form of a cooling water reservoir 24 with the in a chamber space 23, which has to be approximated as a rotating body and which surrounds the peripheral wall 7.2 (biological shield)
  • Normal level Pl is arranged.
  • a ceiling 25 of this chamber space 23 is supported by steel walls 26.
  • a partition 27 forms with a U-shaped riser 30 an inlet structure for an inlet duct arrangement 31.
  • the main coolant lines (hot strands) 11, like the cold strands 17 not shown in FIG. 1, are led through corresponding wall openings 7.3 in the peripheral wall 7.2.
  • the collecting container 19 preferably extends with its jacket wall 21 at least up to approximately the lower edge of the reactor core 10, as shown.
  • the bottom wall 20 and the jacket wall 21 of the collecting container 19 have a space 28 between the bottom 7.1 and the peripheral wall 7.2 of the support and protective structure 7.
  • Container-external cooling system 29 with bottom and shell-side cooling channels 29.1, 29.2 is within this space 28 for the purpose of
  • the invention is not limited to the spherical containment 1 shown in FIGS. 1 to 3, but also in one
  • Cylinder containment can be used, in which the transition from the concrete structure 4 of the security container 1 to the foundation 2 does not take place via spherical surfaces (as in the exemplary embodiment according to FIG. 1), but via flat transition surfaces.
  • spherical surfaces as in the exemplary embodiment according to FIG. 1
  • flat transition surfaces for further explanation, reference is made below to the more detailed illustration according to FIGS. 2 to 6. The same parts as in FIG. 1 have the same reference symbols.
  • the bottom-side cooling channels 29.1 of the outer cooling system 29 are connected via an inlet channel arrangement 31 and the jacket-side cooling channels 29.2 are connected via an outlet channel arrangement 32 to a cooling water reservoir 24 provided outside the supporting and protective structure 7, forming a reactor building sump or connected to it, with such a rise height that when the collecting container 19 is hot and the cooling system 29 is filled with water, a natural circulation flow in the cooling system 29 is fanned through the cooling channels 29.1 and 29.2.
  • the inlet channel arrangement 31 opens into the outer cooling system 29 of the spacing 28 in the central region of the bottom wall 20 of the collecting container 19 via an inlet chamber 33.
  • the inlet chamber 33 extends through the turbulence body 34 and the bottom wall 20 and the bottom region 7.1 of the supporting and protective structure 7 bottom-side cooling channels 29.1 to the outside to the rounded edge area 19.1 of the collecting container 19.
  • a jacket-side cooling channel extending from the edge area 19.1 then extends
  • the inlet duct arrangement 31 penetrates the bottom region 7.1 of the support and protective structure 7.
  • the inlet ducts 31a run in a star shape or radially-horizontally from a short vertical inlet duct piece 31b to the inlet chamber 33.
  • a vertical inlet duct piece is designed as a pump sump chamber 31c (the pump is not shown).
  • the inlet duct piece 31b is preceded by an inlet chamber 35 which is separated by the partition wall 27 from the chamber space 23 of the cooling water reservoir 24 in normal operation; only when the normal level P1 of the cooling water rises, namely to a flood or minimum water level P2, does cooling water pass through the riser pipe 30 into the inlet chamber 35 and into the rest of the inlet channel arrangement 31, which will be explained further below.
  • the outlet channel arrangement 32 penetrates the peripheral wall 7.2 of the support and protective structure 7, forms a continuation of the jacket-side cooling channel 29.2 and opens into the cooling water reservoir 24 in its upper level range P2 (only recognizable from FIG. 1).
  • FIG. 4 shows that the outlet channels 32a of the outlet channel arrangement 32 are distributed over the circumference of the wall 7.2; six outlet channels are shown, four of which are arranged in an axillary arrangement and two additional outlet channels in the first and third
  • Quadrants of the peripheral wall parts 7.2 are Quadrants of the peripheral wall parts 7.2.
  • the collecting container 19 - as can be seen from FIGS. 2 and 3 (and also from FIG. 1) - is designed like a crucible, and for this purpose its bottom wall 20 is arched downwards or outwards.
  • the bottom wall 20 goes over the rounded edge area
  • the base body 19a of the collecting container 19 is formed by a crucible, which preferably consists of a temperature-resistant steel alloy.
  • the inner bottom and jacket surfaces of the crucible 19a are lined with a protective jacket 19b, which serves to protect the crucible material against melting attack.
  • This protective jacket 19b preferably consists of one of the following alloys, individually or in combination: MgO, UO 2 or ThO 2 .
  • a protective material depot 19c follows the protective jacket 19b as the second protective layer for the crucible 19a. This preferably consists of shielding concrete blocks 36, which are connected to one another and the protective jacket 19b to form a brick lining.
  • the distance from the sacrificial material depot 19c in the form of the brick lining to the bottom cap 6.1 of the reactor pressure vessel 6 is sufficient large, so that the facing of the floor cap of the lining can be lined with a thermal insulation jacket W1.
  • This thermal insulation jacket W1 is the lower insulation section of a thermal insulation designated as a whole for the reactor pressure vessel 6.
  • the lower insulation section W1 is approximately pot-shaped.
  • the collecting container 19 is thus a pot-like or crucible-like multilayer structure with a base body 19a in the form of a crucible, which e.g. can have a wall thickness of 50 mm, a protective jacket 19b lining the inside of the crucible, e.g. compared to the crucible three times the wall thickness.
  • This protective jacket is preferably increased in wall thickness in the central area 19.0 of the collecting container, because in this area the greatest temperature stresses could arise from a possible meltdown.
  • the protective jacket is followed by the sacrificial material depot 19c which adapts to the crucible contour and the correspondingly adapted lower insulation section W1.
  • the jacket wall 21 of the crucible 19a or collecting container 19 preferably tapers from the rounded edge region 19.1 to the upper edge 21.1 in a slightly tapered manner.
  • the contour of the outer circumference of the collecting container 19 or crucible 19a is adapted to the contour of the inner circumference of the circumferential wall 7.2 of the support and protective structure 7, and the desired cross section for the spacing space 28 or the jacket-side cooling channels 29.2 of the cooling system 29 is achieved.
  • the bottom wall portion 20 of the crucible 19a or collecting container 19 widens from the deepest central area 19.0 to the edge area 19.1 in the form of a flat conical jacket, the one lying in the axial-radial sectional planes
  • the collecting container 19 is supported on the bottom area 7.1 of the supporting and protective structure 7 by means of the turbulence body 34. Where necessary, this does not preclude additional support by means of support bodies (not shown).
  • Turbulence bodies 34d can also be provided which only serve to generate turbulence (and not for support), as will be explained below with reference to FIG. 5.
  • the turbulence bodies 34 are inserted in the outer cooling system 29 between the bottom wall 20 of the collecting container 19 or crucible 19a and the bottom region 7.1 and serve to support the collecting container 19 on the bottom region 7.1 and to generate a turbulence flow of the cooling liquid.
  • turbulence bodies 34 are shown in the bottom-side cooling channel 29.1, which not only serve for flow conduction and turbulence generation, but also for support. This also applies to the central channel bodies 34a arranged in the central area 19.0. These are supported on the central, recessed floor area 7.10, which belongs to the floor area 7.1 and is located on the level of the lower wall 4.2 of the inlet channels 31. Since they have to bridge a larger channel height of the inlet chamber 33, they are longer than the turbulence bodies 34.
  • the turbulence bodies 34, 34a are distributed within the bottom-side cooling channels 29.1 and within the inlet chamber 33 in such a way that, firstly, a uniform weight transfer into the bottom region 7.1 of the support - and protective structure 7 is guaranteed, secondly, cooling flow lanes 40 (see FIG. 5) along a path from the inside, that is to say from the central inlet chamber 30, radially outward to the edge region 19.1 and from here directed into the jacket-side cooling channel 29.2.
  • the latter is an annular channel.
  • the cooling flow passages 40 can run in their main direction along radii, that is to say in a star shape or, for example, in an evolutionary manner, the turbulence bodies 34, 34a generating a turbulence flow when the natural circulation flow is started in the cooling system, in particular within the bottom-side cooling channels 29.1.
  • FIGS. 5 and 6 show further details on the design and arrangement of the turbulence bodies 34 (the same applies to the turbulence bodies 34a).
  • the flow arrows for the cooling liquid, in particular cooling water, are generally designated by f1 and shown in dashed lines.
  • the flow arrows for the cooling air are generally designated f2 and are shown with solid lines (cf. also FIGS. 1 to 3).
  • the cooling channels e.g. 29.1 and 29.2, either only cooling air (arrows f2, extended) or cooling water (arrows fl, dashed) can flow, which will be explained later.
  • the heat flow arrows in FIG. 5 for the heat flow which starts from the reactor pressure vessel 6 or a possible meltdown and penetrates into the collecting vessel 19, in particular its crucible 19a and the bottom wall 20 of this crucible, are generally designated with f3 and with strong solid lines shown.
  • the arrows f1 thus symbolize the flow of emergency cooling water in the cooling system 29.
  • FIG. 5 shows a perspective, schematic representation of a section of the cooling system 29, specifically in the region of the bottom wall section 20 of the collecting container 19 and the bottom 7.1 with cooling gap a1 with a liner 22 of the supporting and protective structure 7.
  • the turbulence body 34 shown is designed as a pipe socket (this The embodiment preferably applies to all turbulence bodies 34 according to FIGS. 1 to 3). These pipe sockets are designated 34r to distinguish them from the general turbulence bodies 34, and the delta wings to be explained, which generate turbulence, are designated 34d.
  • the pipe sockets 34r are each provided with channel cutouts 41 at their ends facing the bottom wall portion 20 of the collecting container 19.
  • each pipe socket 34r U-shaped recesses 41 aligned in the direction of flow (main direction of the flow arrows f1) are provided, the boundaries 41.1 of which are angular to increase the turbulence.
  • cooling water partial flows f11 are generated, which in the area of the
  • Turbulence body 34 in general and the pipe socket 34r in particular are forced into contact with the cooling surfaces of the bottom wall section 20. It is essential to generate such a large turbulence of the flow within the cooling flow passages 40 and the cooling paths 40a of the cooling water partial flows f11 that an intimate mixing of the cooling water partial flows is achieved and the formation of a vapor film on the downward-facing cooling surfaces 20.0 of the bottom wall section 20 is avoided.
  • so-called delta wings 34d are provided in the form of prisms with triangular surfaces F1 to F4, which have the shape of tetrahedra. These are attached at least to the floor 7.2 opposite the cooling surface 20.0 with the cooling gap a1 or to the liner 22 of this floor.
  • the delta wing 34d or generally flow guide body are preferably made of a corrosion-resistant steel, which in its
  • the composition of the steel alloy of the liner 22 is the same or similar so that it can be secured by welding (weld seams are indicated at 42).
  • welding seams are indicated at 42.
  • only two delta wings 34d are shown in FIG. 5, and it is schematically indicated by the spiral flow lines f12 which effect these flow guide bodies in the form of delta wings 34d have on an otherwise largely laminar flow: a strong swirl is generated , which increases the safety distance against film boiling on the cooling surfaces 20.0.
  • the collecting container 19 is supported on the floor 7.1 via its pipe socket 34r, which also serves as a support body, and is resilient with the interposition of a spring element 43.
  • the pipe socket 34r is welded to the bottom wall 20 of the crucible 19a or collecting container 19 (weld seams 44), the steel alloys of the pipe socket 34r and the crucible 19a being matched to one another in such a way that there is welding tolerance.
  • the spring elements 43 can be helical compression springs which are supported by a lower spring plate 43a on the base parts 7.1 and by a further spring plate (not shown) at their upper end on the pipe socket 34a.
  • helical compression springs disc springs or disc spring assemblies can also be used (not shown), whereby helical compression springs or disc springs are expediently pretensioned because of the high weights to be supported.
  • the lower spring plate 43a is preferably finely machined on its underside, ie smoothed, so that the frictional forces on the adjacent surface of the steel liner 22 are as small as possible. By enabling a sliding movement, even if only with small paths, constraining forces during heating in the hypothetical meltdown can be avoided.
  • the spring elements 43 can also be designed as spring bars (likewise not shown), which allow a spring-elastic deflection in the lateral direction to a limited extent.
  • a liquid coolant flows through the cooling channel and through two channel walls arranged one above the other and spaced apart from one another is delimited in the vertical direction, namely by an upper first channel wall heated by the heat to be dissipated and a lower second channel wall provided on its inside with the delta wings 34d.
  • Protective structure 7 to hang In this case e.g. the jacket wall 21 can be pulled up further and with a support flange at its upper end on a support ring which in a
  • the turbulence bodies 34, 34a at least in part, serve as support bodies, that is to say not only as flow guide bodies, or with a narrow gap below the bottom wall 20 as
  • the collecting container 19 preferably extends at least up to approximately the lower edge of the reactor core 10 (see FIG. 1); As explained at the beginning, this also ensures the required rise of at least approximately 3 m, which is required for the natural circulation of the coolant through the cooling system 29.
  • the collecting container 19 thus surrounds the entire bottom cap 6.1.
  • a shielding ring 37 (see FIGS. 2 to 4) which is above the collecting container 19 and adjoining it in the annular space 45 between the peripheral wall 7.2 of the supporting and protective structure 7 and the External circumference of the reactor pressure vessel 6 is installed.
  • the shielding ring 37 assumes the function of the biological shield in the area of the core 10 (FIG. 1) where the peripheral wall 7.2 (biological shield) is broken through by outlet channels 32.
  • the shielding ring 37 preferably consists of shielding concrete.
  • Suitable compositions for such a shielding concrete can be found in Table XXIV on page 701 of the book "Useful energy from atomic nuclei” by Dr. K. R. Schmidt, Vol. II, Verlag Walter D. Gruyter & Co., Berlin 1960, so that a more detailed explanation can be omitted here.
  • the shielding ring 37 is anchored to the peripheral wall 7.2 of the supporting and protective structure 7. This can be wedge-shaped
  • Strips 46 evenly distributed over the outer circumference of the shielding ring 37, can be provided, as can be seen from FIG. It is also possible, as shown in dashed lines in FIG. 3, to provide wedge-shaped support surfaces 47 on the peripheral wall 7.2, with which the shielding ring 37 also rests a wedge-shaped counter surface 37a.
  • the shielding ring 37 it is advantageous if it is composed of individual ring segments (not shown in detail). The ring segments are then to be interlocked with one another and with the peripheral wall 7.2 of the supporting and protective structure 7 (FIG. 3) or keyed together (FIG. 4).
  • Another favorable embodiment variant consists in that the shielding ring 37 consists of shielding prestressed concrete and its steel reinforcement is combined with the steel reinforcement of the support and protective structure 7, which is also made of prestressed concrete, to form a uniform steel reinforcement system.
  • reinforcing steel cables 48 are indicated by dashed lines in the left part of FIG.
  • Further ring tensioning cables can be provided within the shielding ring 37, with which its individual ring segments, which are interlocked with one another, are clamped together in the circumferential direction (not shown).
  • the thermal insulation W consists of the thermal insulation sections W1 to W3 for the lower part 6a of the reactor pressure vessel 6, a movable (removable) thermal insulation hood W4 spanning the upper part 6b of the reactor pressure vessel 6 and further thermal insulation sections W5 for the main coolant lines HL.
  • a lower insulation section W1 which lines the sacrificial layer of the collecting container 19 and surrounds the bottom cap 6.1 of the reactor pressure container 6 (a)
  • a central insulation section W2 which lines the inner circumference of the shielding ring 37.
  • the latter, and also the main coolant lines HL connected to it, are, as mentioned, surrounded by further insulation sections W5.
  • the thermal insulation W is preferably constructed from all-metal cassettes. These consist of austenitic, ie corrosion-resistant, steel. Corresponding light-weight holding scaffolds for holding these individual strings together to form a closed thermal insulation jacket
  • the outer cooling system 29 of the collecting container 19 is designed as a dual air and water cooling system, which in normal operation of the nuclear reactor plant KA, i.e. in the case of a dry external cooling system 29, the air cooling of the nuclear reactor pressure vessel 6 is used or the air cooling of the outer surfaces of the thermal insulation W in general and the individual insulating parts W1 to W3 and W5 in particular.
  • the inlet duct arrangement 31 is connected to at least one cooling air source. This is indicated schematically in FIGS. 2 and 3 as a cooling air blower 49. It is a plurality of fans which, according to arrow f2, convey the cooling air into the inlet channel arrangement 31 in the region of the pump sump chamber 31c.
  • the outlet channel arrangement 32 opens into the containment and thus represents a cooling air sink for the cooling air emerging from the cooling system 29, which thus serves for indirect cooling of the outside of the lower insulation section W1.
  • FIGS. 2 and 3 Another air cooling system is superimposed on flow arrows fl and f2, the flow arrows of which are designated f21 to f23 (cf. FIGS. 2 and 3).
  • the first air cooling system according to flow arrows f2 is as a whole with ZLl and the further air cooling system according to flow arrows f21 to f23 designated with ZL2.
  • inlet channels 50 which penetrate the peripheral wall 7.2 of the supporting and protective structure 7 and the shielding ring 37, open into an upper cooling air space 45. This extends outside the upper insulating section W3 to a supporting ring structure 51 Reactor pressure vessel 6 and is limited on the outside by the inner circumference of the peripheral wall 7.2.
  • the cooling air flowing upwards is guided in several partial flows along the following cooling surfaces:
  • the cooling air flow f22 originates from the inlet ducts 50.
  • the latter consist of two duct parts: the duct part 50a, which penetrates the peripheral wall 7.2 and runs in the direction of flow with a slight slope, and the second, penetrating the shielding ring at an incline angle of approximately 45 ° upwards Channel part 50b.
  • Inlet channel 50 can be formed by wall pipes 52, cf. Figure 4.
  • the shielding ring 37 is provided with a bevel 37a, a flow guide plate 53 covering the mouth of the inlet channel 50 and allowing the cooling air to emerge distributed over the cross section of the cooling air space 45 via outlet openings (not shown);
  • the cooling air flow f21 comes from the first air cooling system ZL1; it is guided upwards on the inner circumference of the circumferential wall 7.2 and forms a cooling air curtain distributed over the circumference of the biological shield, which unites above the cooling air space 45 with the cooling air flows f22 and passes as a cooling air flow f23 (see also FIG. 2) past the outer surfaces of the support ring structure 51 , in particular on the support arms 51a, which support the support brackets 54 of the reactor pressure vessel and on the support 55 of the support ring structure 51; - Further according to FIG.
  • Cooling system 29 for water cooling is an additional water cooling for the surface of a possible meltdown, which is located in the collecting container 19, with at least one melting cooling tube 56 appropriately ( Figure 2).
  • a melting cooling tube 56 which in the illustrated multi-layer structure of the collecting container 19 projects through its crucible wall 19a, protective layer 19b, sacrificial material depot 19c and through the lower heat insulation layer W1.
  • the melting plug 56a With the meltdown present in the collecting container 19, the melting plug 56a is heated to its melting temperature (the melting temperature is above the temperature prevailing in the chamber space 39, but still far below the melting temperature of the meltdown, e.g. at 600 ° C). The melt plug 56a thus melted provides a flow path for the cooling liquid to the hypothetical surface
  • the inlet end 56.1 of the melting cooling tube 56 is outside the peripheral wall 7.2; it can be connected to the separate riser pipe 30 shown in the right part of FIG. 2 or FIG. 1, so that if the cooling water penetrates into the inlet channels 31 and thus into the cooling system 29 via the normal riser pipe 30 as the level rises, the melting cooling pipe also 56 accordingly with cooling water will worry. Therefore, the embodiment shown is particularly favorable, in which the inlet 56.1 of the melting cooling tube 56 is located outside the supporting and protective structure 7 and that
  • Melt cooling tube 56 accordingly penetrates the peripheral wall 7.2 of the support and protective structure 7 and the spacing 28 of the outer cooling system 29.
  • the anchors 57 serve to anchor the liner 22 and the entire supporting and protective structure 7 in the concrete structure 4.
  • the anchors 57 connect the supporting and protective structure 7 to the concrete structure 4 at such a large number of anchoring points that all forces and moments are safely controlled that from the reactor pressure vessel 6 via its supporting ring 51 (FIG. 3) to the supporting and protective structure 7 be exercised and vice versa (only two anchoring points are shown).
  • the weight forces it can e.g. are lifting forces, tangential forces, tilting moments or lateral forces that can occur in an earthquake or design accident.
  • thermal insulation W or W1 to W3 it is advisable to attach the thermal insulation W or W1 to W3 on the outside on a relatively thin-walled insulating carrier made of stainless steel and to hang and fix this insulating carrier on the supporting arms 51a of the supporting ring 51 by means of suitable projections or ring flanges. In this way, a particularly earthquake-proof and accident-proof holder is also guaranteed for the thermal insulation W.
  • a particularly earthquake-proof and accident-proof holder is also guaranteed for the thermal insulation W.
  • Such an insulating carrier (not shown) is expediently provided with one or more inspection openings which can be closed by a lid, as a result of which the assembly of the insulating carrier is facilitated.
  • the support ring or the support ring structure 51 is connected to the liner 22 via tensioning elements 66 and thus additionally to the peripheral wall 7.2.
  • the support ring structure 51 can be welded (or screwed together) from forged ring segments with a sufficient number of strong support segment segments, for example eight, to which the support arms 51a are integrally formed. Additional anchors are provided for the steel sealing skin 3 of the security container 1 (not shown). With the anchoring 58, a base plate 59 is fixed on the channel bottom surface 4.2, which supports the turbulence bodies 34a and to which further flow guide bodies 60 are fastened.
  • FIG. 3 shows in the upper area a so-called ceiling compensator 61 between the concrete structure of the peripheral wall 7.2 and the support ring 51.
  • the latter is fixed upwards by an upper counter bearing 62, namely against the ceiling 63a of an annular recess 63 in the peripheral wall 7.2.
  • a closure plug for a repeat test opening 64a in the support ring structure 51 is designated by 64.
  • the invention can be used to implement a method for starting and maintaining an external emergency cooling of the collecting container 19 in the nuclear reactor plant KA.
  • the individual process steps are (see Fig. 1 and 2) as follows:
  • the cooling water level of the cooling water reservoir 24 is kept at a low water level P1, at which no cooling water can get into the inlet channel arrangement 31 of the collecting container cooling system 29, but cooling air according to the flow arrows f2, as already explained.
  • an event beyond the design is imminent or has already occurred.
  • Such an event can arise, for example, from a LOCA, which is first explained below.
  • LOCA leak of coolant accident
  • cooling water is conveyed into the inlet chamber 35 through the riser pipe 30 (several such riser pipes 30 can be arranged distributed over the circumference of the partition wall 27), and from this inlet chamber the cooling water flows through the inlet channels 31b, 31a Inlet chamber 33 and from here into the outer cooling system 29.
  • the outer cooling system fills with cooling water; however, there is still no natural circulation because the heat from a meltdown on the collecting container 19 is missing.
  • the collecting container 19 is now equipped with its external cooling system, as described intrinsically safe without any control commands, i.e. meltdown, which would then drip through the melting of the bottom cap 6.1 into the collecting container 19 and then flow with it Mix the sacrificial material depot 19c (after it has melted through the thermal insulation W1) and distribute it within the collecting container 19. The heat flow would heat the crucible 19a accordingly and thus in the outer
  • Cooling channels 29.1, 29.2 contained (still standing) cooling water. Due to the heat input into this cooling water column, a natural circulation would now be able to develop, ie the heated cooling water rises according to the flow arrows fl and leaves the cooling system 29 via the outlet channel arrangement 32. A part of the cooling water evaporates and becomes on recoolers arranged within the containment or on Containment walls condensed. The condensate drips or flows back into the cooling water reservoir 24 and is thus available again for the circulation or natural circulation cooling. If a certain amount of meltdown has penetrated into the collecting container 19, the radiant heat is so great that the melting plug 56a also melts away.
  • melt cooling tube 56 Flow cooling water to the surface of the meltdown and also cool it from above.
  • the meltdown is thus intensively cooled from below through the crucible 19a and from above through the cooling water film; since the protective material 19b also binds to the meltdown and forms an alloy with it, the melting point of which is preferably lowered, so that a liquefaction effect is exerted on the melt, this also favors the heat dissipation from the meltdown and its internal rolling cell flow. Because the cooling water in sufficient
  • the core melt is solidified after a certain time, which can be several days. After solidification, it still takes some time until the meltdown has completely cooled down, and in this state the restoration of the nuclear reactor system can begin. For this purpose, it is necessary to decontaminate the nuclear reactor system and to replace the damaged nuclear reactor pressure vessel 6 together with the collecting vessel 19, which contains the solidified nuclear meltdown, with corresponding new components.

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Abstract

Bei einer Kernreaktor-Anlage, insbesondere für Leichtwasserreaktoren, ist eine Kernrückhaltevorrichtung (CC) mi einem kühlbaren Auffangbehälter (19) innerhalb einer Reaktorkaverne (8) und unterhalb des Reaktordruckbehälters (6) angeordnet. Der Auffangbehälter (19) hat eine Mantelwand (21), die sich wenigstens etwa bis zur Höhe des Reaktorkerns (10) erstreckt, und eine Bodenwand (20). Boden- und Mantelwand (20, 21) des Auffangbehälters (19) sind mit einem Abstandszwischenraum (28) zum Boden (7.1) bzw. zur Umfangswand (7.2) einer Trag- und Schutzstruktur (7) des Reaktordruckbehälters (6) installiert. Im Abstandszwischenraum (28) sind bodenseitige und mantelseitige Kühlkanäle (29.1, 29.2) zur Außenkühlung des Auffangbehälters (19) mit einer Kühlflüssigkeit sowie - im Flächenbereich der Bodenwand (20) - Turbulenzkörper (34, 34a) zur Erzeugung einer von innen nach außen über die Bodenwand (20) zur Mantelwand (21) fließenden Turbulenzströmung der Kühlflüssigkeit angeordnet. Gegenstand der Erfindung sind auch die Kernrückhaltevorrichtung (CC) selbst, ein Verfahren zum Ingangsetzen und Aufrechterhalten einer äußeren Notkühlung für den Auffangbehälter (19) sowir die Verwendung turbulenzerzeugender Deltaflügel, die im Kühlsystem des Auffangbehälters (19) in dessen Bodenwandbereich eingesetzt werden.

Description

Kernreaktor-Anlage, zugehörige Kernrückhaltevorrichtung,
Verfahren zur Notkühlung bei einer solchen Kernreaktor-Anlage und turbulenzerzeugende Deltaflügel Die Erfindung bezieht sich auf eine Kernreaktor-Anlage, insbesondere für Leichtwasserreaktoren, mit einem Reaktordruckbehälter mit Reaktorkern und einer Kernrückhaltevorrichtung.
Eine solche Kernreaktor-Anlage ist bekannt durch die US-A-3 607 630. Diese bekannte Kernreaktor-Anlage weist darüber hinaus die folgende Merkmale auf: Eine Trag- und Schutzstruktur begrenzt mit einem Bodenbereich und einer Umfangswand eine Reaktorkaverne, und der mit vertikalem und lateralem Abstand zu Bodenbereich bzw. Umfangswand in der Reaktorkaverne angeordnete Reaktordruckbehälter ist an der Trag- und Schutzstruktur gelagert. Die Kernrückhaltevorrichtung weist dabei einen mittels einer Kühlflüssigkeit kühlbaren Auffangbehälter für die Kernschmelze auf, welcher innerhalb der Reaktorkaverne und unterhalb des Reaktordruckbehälters in den Bodenbereich der Trag- und Schutzstruktur eingelassen ist. Der Auffangbehälter, auch als "Core Catcher" bezeichnet, ist flach, pfannenförmig und intern wassergekühlt. Er ist über eine Falleitung an einen auf höherem Niveau angeordneten Flutbehälter angeschlossen. Der sich im hypothetischen Kernschmelzfall, wenn sich also die Kernschmelze im Auffangbehälter verteilt, bildende Naßdampf wird über Auslaßleitungen ins Containment oder in Kondensationseinrichtungen (Dampfabscheider) abgeblasen. Das kondensierte Kühlwasser wird zum Flutbehälter zurückgeführt. Der Auffangbehälter besteht aus einer Vielzahl von parallelen Rohren, die einlaß- und auslaßseitig an je ein gemeinsames
Verteil- bzw. Sammelrohr angeschlossen sind. Die relativ guten Kühleigenschaften dieses bekannten Auffangbehälters können indessen, insbesondere bei Kernreaktoren größerer Leistung, beeinträchtigt werden, wenn aufgrund von größeren herabfallenden Massen die Rαhrstruktur des Auffangbehälters verformt und dadurch Kühlquerschnitte verringert oder
blockiert werden. Demgegenüber soll durch die Erfindung eine Kernreaktor-Anlage der eingangs genannten Art angegeben werden, durch deren Auffangbehälter-Ausbildung und -Abstützung auch bei größeren Reaktorleistungen und Reaktorkerngewichten ausreichende Kühlkanalquerschnitte und eine Kühlung einer eventuellen Kernschmelze gewährleisten wird, ohne daß eine Beeinträchtigung der die
Kühlkanäle definierenden Struktur durch die Verformungskräfte auftreffender Massen zu befürchten wäre.
Weiter sollen bei der Kernreaktor-Anlage nach der Erfindung im Rahmen von Unteraufgaben oder nebengeordneten Aufgaben die Voraussetzungen gegeben sein, den Auffangbehälter nach dem Naturumlaufprinzip mit einer Flüssigkeit kühlen zu können;
außerdem ein duales Kühlsystem (Luftkühlung und Wasserkühlung) so zu verwirklichen, daß im Notkühlfall die Luftkühlung zumindest partiell durch die Wasserkühlung ohne besondere Umschaltbefehle abgelöst wird. Eine andere Unteraufgabe besteht darin, die - bei vorhandener Kernschmelze - vom Grunde des Auffangbehälters ausgehende radioaktive Strahlung von den oberhalb des Auffangbehälters befindlichen Wandteilen der Trag- und Schutzstruktur wirksam fernzuhalten; eine weitere Unteraufgabe besteht darin, eine den Reaktordruckbehälter umgebende Wärmedämmung in das System aus Auffangbehälter und dualer Kühlung zu integrieren. Es fehlte bisher nicht an Vorschlägen, durch besondere Sicherheitsvorkehrungen den Störfall einer Kernschmelze auszuschliessen. Die in neuerer Zeit entwickelte Sicherheitsphilosophie geht jedoch davon aus, daß es sicherheitstechnisch besser ist, einen Kernschmelz-Störfall - und mag die Wahrscheinlichkeit seines Eintretens auch noch so gering sein - in die Uberlegungen einzubeziehen. Hiervon geht die Erfindung aus. Mit ihr soll eine besonders wirksame Schutzbarriere zur Verhinderung unerwünschter Folgen eines theoretisch angenommenen Kernschmelz-Störfall geschaffen werden. Weitere Unteraufgaben, die mit der vorstehend definierten allgemeinen Aufgabe im Zusammenhang stehen, ergeben sich aus den nachfolgenden Überlegungen. Bei Leichtwasserkernkraftwerken im allgemeinen und bei Druckwasserkernreaktoren im besonderen ist es erwünscht, daß bei allen angenommenen Störfällen die Integrität des Containments erhalten bleibt, also auch im Kernschmelzfall, sei es, daß es sich um eine beginnende, partielle Kernschmelze oder um ein vollständiges
Durchschmelzen des Kerns handelt. Zur Beherrschung eines solchen Störfalls werden insbesondere die folgenden
Forderungen aufgestellt: a) Es dürfen keine Spaltprodukte in größerem Ausmaß aus der Kernschmelze in das Containment entweichen; diese muß vielmehr durch laufend gekühltes Wasser (oder ein anderes geeignetes flüssiges Kühlmittel) abgedeckt bleiben bzw.
durch Kühlung verkrustet werden, um einen R'ύckhalteeffekt zu erzielen.
b) Die Kernschmelze darf nicht, zumindest nicht während der ersten Tage des auslegungsüberschreitenden Ereignisses, mit dem Beton der Sicherheitsbehälter-Tragstruktur in Wechselwirkung treten. Dies auch deshalb, weil andernfalls Wasserstoff, Wasserdampf, nicht kondensierbare Gase und andere Reaktionsprodukte freigesetzt werden könnten.
c) Es muß eine Langzeitkühlung der Kernschmelze sichergestellt sein, durch welche die Nachzerfallswärme an eine Wärmesenke abgeführt und langfristig die Schmelze zur Erstarrung gebracht und im festen Aggregatzustand gehalten werden kann.
d) Dampfexplosionen größeren Ausmaßes, die dadurch entstehen könnten, daß größere Kernschmelzmassen in ein Wasserbad fallen oder "plumpsen", sind zu verhindern.
Gegenstand der Erfindung ist eine Kernreaktor-Anlage, insbesondere eine Leichtwasserreaktor-Anlage, mit einem Reaktordruckbehälter mit Reaktorkern und einer Kernrückhaltevorrichtung, welche zur Lösung der gestellten Aufgabe durch die folgenden Merkmale gekennzeichnet ist: a) eine Trag- und Schutzstruktur begrenzt mit einem Bodenbereich und einer Umfangswand eine Reaktorkaverne, und der mit vertikalem und lateralem Abstand zu Bodenbereich bzw. Umfangswand in der Reaktorkaverne angeordnete Reaktordruckbehälter ist an der Trag- und Schutzstruktur gelagert, b) die Kernrückhaltevorrichtung umfaßt einen mittels einer
Kühlflüssigkeit kühlbaren Auffangbehälter für die Kernschmelze, welcher innerhalb der Reaktorkaverne und unterhalb des Reaktordruckbehälters mit Abstandszwischenraum seiner Boden- bzw. Mantelwand zum Bodenbereich bzw. zur Umfangswand der Trag- und Schutzstruktur und bevorzugt mit einer solchen Höhe seiner Mantelwand angeordnet ist, daß sich diese wenigstens bis etwa zur Unterkante des Reaktorkerns erstreckt,
c) im Abstandszwischenraum sind bodenseitige und mantelseitige Kühlkanäle zur Außenkühlung des Auffangbehälters mit einer Kühlflüssigkeit sowie - im Flächenbereich der Bodenwand - Turbulenzkörper zur Erzeugung einer von innen nach außen über die Bodenwand zur Mantelwand fließenden Turbulenzströmung der Kühlflüssigkeit angeordnet.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes des Patentanspruchs 1 sind in den Unteransprüchen 2 bis 18 angegeben. Die Patentansprüche 19 und 21 betreffen insbesondere Weiterbildungen der Kernreaktoranlage nach Anspruch 1, wenngleich ein duales Kühlsystem nach Anspruch 19 und ein Schmelzkühlrohr nach Anspruch 21 auch in anderem Zusammenhang von Bedeutung sein können, z.B. bei Kernreaktor-Anlagen, bei welchen die Kernschmelze nicht nach dem Tiegelkonzept, sondern nach dem Ausbreitungskonzept gekühlt wird, vergleiche zum Ausbreitungskonzept z.B. DE-B2-26 25 357. Für dieses Konzept ist charakteristisch, daß die eventuelle Kernschmelze auf eine Fläche ausgebreitet wird, die größer ist als die Grundfläche der Reaktorgrube. Anspruch 20 betrifft eine Weiterbildung des dualen Kühlsystems nach Anspruch 19.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem in folgendem zu sehen: Der Auffangbehälter weist eine solche Höhe auf (mindestens ca. 3 m), daß die Mindesthöhe zur Ausbildung einer Naturumlaufströmung bei flüssigkeitsgefüllten bodenund mantelseitigen Kühlkanälen (äußerem Kühlsystem) gegeben ist. Der Auffangbehälter schützt nicht nur mit seiner Bodenwand, sondern auch mit seiner hochgezogenen Mantelwand den Beton der Trag- und Schutzstruktur (biologischer Schild) gegen Wärme- und Strahlungseinwirkung, die vom Reaktordruckbehälter oder einer Kernschmelze ausgeht. Dabei wird die Reaktorkaverne in ihrer lichten Weite (Innendurchmesser) und in ihrer Tiefe zweckmäßigerweise so groß bemessen, daß auch bei ausreichend großem Abstandszwischenraum (= Spaltweite des äußeren Kühlsystems) der Auffangbehälter ein Volumen umgibt, welches es gestattet, den Grundkörper des Auffangbehälters, vorzugsweise einen Tiegel aus einer temperaturbeständigen Stahllegierung, auf seiner Innenseite mit einer Schutzschicht und einem Mauerwerk aus Abschirmbetonsteinen auszukleiden, und dabei trotzdem ein ausreichendes Aufnahmevolumen für den eventuellen Kernschmelzfall bereitzustellen. Der tiegelartige Grundkörper und die Abstützung durch die Turbulenzkörper an seiner Unterseite - wobei die Turbulenzkörper als turbulenzerzeugende Strömungsleitkörper ausgebildet sind - können unschwer so robust und mit einer über die Grundfläche verteilten Tragfähigkeit ausgestaltet werden, daß ausreichend große Kühlquerschnitte, auch unter starker dynamischer und statischer Belastung, aufrechterhalten werden können. Die Außenkühlung des Auffangbehälters kann aufgrund der großen Durchflußquerschnitte im äußeren Kühlsystem, der anfachbaren Naturumlaufströmung mit entsprechendem Kühlmitteldurchsatz und der erzeugten Turbulenzströmung so wirksam gestaltet werden, daß auch bei der größten thermischen Belastung ein Filmsieden an den äußeren Kühlflächen des Auffangbehälters vermieden ist.
Bevorzugt sind die bodenseitigen Kühlkanäle über eine Einlaßkanalanordnung und die mantelseitigen Kühlkanäle über eine Auslaßkanalanordnung an ein außerhalb der Trag- und Schutzstruktur vorgesehenes, einen Reaktorgebäudesumpf bildendes oder mit diesem verbundenes Kühlwasserreservoir mit einer solchen Steighöhe angeschlossen, daß bei heißem Auffangbehälter und wassergefüllten Kühlkanälen eine Naturumlaufströmung durch die Kühlkanäle hindurch angefacht wird. Der Auffangbehälter kann an der Trag- und Schutzstruktur hängend gelagert sein.
Zu diesem Zweck kann er ähnlich einem innerhalb eines Reaktordruckbehälters hängend gelagerten Kernbehälter mit einem Tragflansch versehen sein, mit dem er an entsprechenden Tragflächen der Trag- und Schutzstruktur aufgelagert ist. Bevorzugt wird der Auffangbehälter jedoch an den Bodenteilen der Tragund Schutzstruktur mittels der Turbulenzkörper (dann auch Abstützkörper) aufgelagert, weil sich dadurch eine Doppelfunktion (Abstützung und Turbulenzerzeugung) erreichen läßt. Zur Ermöglichung einer unbehinderten Wärmedehnung in radialer Richtung kann die Bodenwand des Auffangbehälters an diesen Abstützkörpern oder können letztere am Bodenbereich der Tragund Schutzstruktur gleitend und/oder federnd gelagert sein. Als besonders günstig hat es sich erwiesen, den Auffangbehälter tiegelartig auszubilden und hierzu seine Bodenwand nach unten bzw. außen auszuwölben, wobei seine Bodenwand über einen abgerundeten Kantenbereich in die Mantelwand übergeht und die Mantelwand bevorzugt vom abgerundeten Kantenbereich bis zum oberen Rand des Auffangbehälters schwach konisch verjüngt ist. Für die Bodenwand des Auffangbehälters ist es zweckmäßig, wenn sich diese von einem tiefsten Zentralbereich bis zum Kantenbereich in Form eines flachen Kegelmantels erweitert, dessen in axial-radialen Schnittebenen liegende Schnittflächen mit einem kleinen Steigungswinkel zur Horizontalen verlaufen. Diese schwache Steigung wie auch die Abrundung im
Kantenbereich erleichtern das Umspülen der Boden- und der Mantelwand des Auffangbehälters mit der Kühlflüssigkeit, insbesondere Wasser, nach dem Naturumlaufprinzip und ermöglichen damit eine effektive Kühlung.
Für die rotationssymmetrische, gleichförmige Kühlung des
Auffangbehälters nach dem Naturumlaufprinzip ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß eine Einlaßkanalanordnung in die bodenseitigen Kühlkanäle im Zentralbereich der Bodenwand des Auffangbehälters über eine Einlaßkammer mündet, daß von der Einlaßkammer die bodenseitigen Kühlkanäle sich nach außen bis zum Kantenbereich des Auffangbehälters erstrecken und daß sich an den Kantenbereich ein mantelseitiger, nach oben verlaufender Kühlkanal anschließt, welcher in die Auslaßkanalanordnung mündet. Die Einlaßkanalanordnung durchdringt dabei zweckmäßigerweise den Bodenbereich der Trag- und Schutzstruktur und erstreckt sich von der Bodenwand einer das äußere Kühlwasserreservoir bildenden Kammer bis zum Zentralbereich der Bodenwand des Auffangbehälters. Dementsprechend durchdringt die Auslaßkanalanordnung die Umfangswand der Trag- und Schutzstruktur, bildet eine Fortsetzung des mantelseitigen Kühlkanals und mündet in das Kühlwasserreservoir in dessen oberem Pegelbereich.
Für die Schutzbarrierenfunktion des Auffangbehälters ist es vorteilhaft, wenn der Grundkörper des Auffangbehälters von einem Tiegel, bestehend aus einer rostfreien, temperaturbeständigen Stahllegierung, gebildet ist, daß die inneren Bodenund Mantelflächen des Tiegels mit einem Schutzmantel ausgekleidet sind, welcher dem Schutz des Tiegelmaterials gegen Schmelzangriff dient, und wenn als zweite Schutzschicht für den Tiegel auf den Schutzmantel ein Opfermaterial-Depot folgt, dessen Menge zur Reaktion mit dem maximal möglichen Kernschmelzvolumen, welches bei einem eventuellen Störfall in den Auffangbehälter eindringt, ausreicht. Der Schutzmantel besteht bevorzugt aus einer der folgenden Legierungen, und zwar einzeln oder in Kombination: MgO, UO2 oder ThO2. Die Auskleidung mit einem Opfermaterial-Depot in Form von Granulat oder einer noch grobkörnigeren Schüttung oder bevorzugt in Form eines
Mauerwerks aus Abschirmbetonsteinen hat den Zweck, die Stoffwerte des Gemisches gezielt zu verändern, z.B. um:
- die Wand des Auffangbehälters vor hohen Temperaturen unmittelbar nach Austreten der Kernschmelze in den Auffangbehälter zu schützen;
- Energie durch Aufschmelzen des Opfermaterials zu verbrauchen, mit der Folge, das Aufheizen der Schmelze zu verzögern und damit für die Kühlung mit niedrigeren Werten für die Nachzerfallswärme rechnen zu können;
- die Kernschmelze dünnflüssiger zu machen;
- ihre Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen;
- ihre Oberfläche zu vergrößern; - die Wärmeübertragung von der Kernschmelze auf Kühlflächen zu verbessern;
- durch Verdrängung von Wasservolumina Dampfexplosionen zu verhindern;
- durch die bekannten Eigenschaften des Opfermaterials
definierte Berechnungsunterlagen zu schaffen, und
- den Schmelzpunkt des Gemisches und die Temperatur der
Schmelze zu erniedrigen. Die weiter oben erläuterten Kanalkörper in ihrer Eigenschaft als Strömungsleitkörper zur Erzeugung einer Turbulenzströmung im äußeren Kühlsystem sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform als sogenannte Deltaflügel in Gestalt von Prismen mit dreiseitigen Flächen ausgebildet, welche zumindest an dem der Auffangbehälter-Bodenwand mit Kühlspalt gegenüberliegenden Boden der Trag- und Schutzstruktur befestigt sind. Solche
Deltaflügel haben sich zur Erzeugung einer Turbulenzströmung im Kühlspalt als besonders effektiv erwiesen. Demgemäß sind Gegenstand der Erfindung auch Deltaflügel zur Erzeugung einer Turbulenzströmung innerhalb eines Kühlkanals, der von einem flüssigen Kühlmittel durchströmt wird und der durch zwei übereinander angeordnete, zueinander beabstandete Kanalwände in vertikaler Richtung begrenzt wird, einer oberen, von der abzuführenden Wärme beheizten ersten Kanalwand und einer unteren, auf ihrer Innenseite mit den Deltaflügeln versehenen zweiten Kanalwand. Die Deltaflügel sind, wie erwähnt, bei der Erzeugung einer Turbulenzströmung innerhalb eines Kühlkanals, der durch eine von oben beheizte Platte aufgewärmt wird, besonders wirksam; sie helfen, einen Dampffilm an der Plattenunterseite zu vermeiden, wodurch andernfalls die Wärmeübergangszahl, die für den Wärmeübergang von der beheizten Platte zur Kühlwasserströmung maßgebend ist, unerwünscht reduziert würde. Durch die erzeugte TurbulenzStrömung kann der Naturumlauf im Kühlspalt so intensiviert werden, daß zur sogenannten kritischen Heizflächenbelastung ein ausreichender Sicherheitsabstand eingehalten werden kann. Eine günstige Ausführungsform für auch der Abstützung dienende Kanalkörper ist es, wenn diese als Rohrstutzen ausgebildet sind und die Rohrstutzen an . ihren der Bodenwandpartie des Auffangbehälters zugewandten Enden .mit Kanalaussparungen zur Erzeugung von Kühlwasserteilströmen versehen sind, so daß letztere die Bodenwand auch im Rohrstutzenbereich umspülen. Diese Rohrstutzen können entweder als einfache Strömungsleitkörper oder aber auch als turbulenzerzeugende Strömungsleitkörper ausgebildet sein. Im letzteren Fall ist eine
Ausführungsform günstig, wonach pro Rohrstutzen jeweils zwei in Strömungsrichtung fluchtende U-förmige Kanalaussparungen vorgesehen sind, deren Begrenzungen zur Turbulenzvergrößerung kantig ausgeführt sind. Wie es bereits erläutert wurde, kommt dem Auffangbehälter auch eine Strahlenabschirmfunktion zu. Das dadurch gegebene Strahlenabschirmsystem wird vorteilhafterweise dadurch vervollständigt, daß ein Abschirmring oberhalb des Auffangbehälters und an diesen anschließend im Ringraum zwischen der Umfangswand der Trag- und Schutzstruktur und dem Außenumfang des Reaktordruckbehälters installiert ist. Der Abschirmring übernimmt insbesondere die Funktion des biologischen Schildes im Umfangsbereich des Reaktorkerns dort, wo die Umfangswand (biologischer Schild) durch Auslaßkanäle durchbrochen sind, so daß die vom Reaktorkern ausgehende radioaktive Strahlung von den
Räumen außerhalb der Trag- und Schutzstruktur ferngehalten ist. Der Abschirmring besteht zweckmäßigerweise aus Abschirmbeton, der auch als Lecabeton bezeichnet wird. Der Abschirmring hat eine Wandstärke, die nahe an die Wandstärke des biologischen Schildes (Trag- und Schutzstruktur) heranreicht;
seine Höhenausdehnung ist vorzugsweise etwas größer als seine Wandstärke. Es ist weiterhin vorteilhaft, den Abschirmring an seiner Oberseite abzuschrägen, damit eine größere Ringfläche als Austrittsquerschnitt für Luftkühlkanäle gegeben ist. Der Abschirmring wird bevorzugt an der Umfangswand der Trag- und Schutzstruktur verankert. Er kann insbesondere aus Spannbeton bestehen, und seine Stahlarmierung ist zweckmäßigerweise mit der Stahlarmierung der ebenfalls aus Spannbeton bestehenden Trag- und Schutzstruktur zu einem einheitlichen Stahlarmie rungssystem vereinigt. Der Abschirmring kann aus Ortbeton gegossen werden, wobei eine entsprechende Schalung vorzusehen ist, er kann aber auch aus einzelnen Ringsegme.nten, die vorgefertigt sind, zusammensetzbar sein.. Im letztgenannten Fall sind die Ringsegmente des Abschirmrings zweckmäßigerweise miteinander und mit der Umfangswand der Trag- und Schutzstruktur verzahnt.
Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn das äußere Kühlsystem des Auffangbehälters als ein duales Luft- und Wasser-Kühlsystem ausgebildet ist, welches im Normalbetrieb der Kernreaktor-Anlage, d.h. bei trockenem äußerem Kühlsystem, der Luftkühlung des Kernreaktordruckbehälters bzw. der Außenseite einer diesen umgebenden Wärmedämmung dient, zu welchem Zweck die Einlaßkanalanordnung an eine Kühlluftquelle und die Auslaßkanalanordnung an eine Kühlluftsenke angeschlossen sind.
Eine an den Auffangbehälter und den Abschirmring sowie an das duale Kühlsystem angepaßte Wärmedämmung wird vorzugsweise aus austenitischen Ganzmetall-Kassetten zusammengesetzt. Ein zusätzlich zum äußeren dualen Kühlsystem vorgesehenes weiteres Luftkühlsystem dient vorteilhafterweise zur Belüftung eines oberen Kühlluftraums, der oberhalb des Auffangbehälters angeordnet und an seinem inneren Umfang durch die den Reaktor- druckbehälter mit Ringspalt umgebende Wärmedämmung begrenzt ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der Auffangbehälter in der oberen Hälfte seiner Mantel- wand von wenigstens einem Schmelzkühlrohr durchdrungen ist, welches bei einer Mehrschichtstruktur des Auffangbehälters durch dessen Tiegelwand, Schutzschicht, Opfermaterial- Depot und Wärmedämmung hindurchragt, an seinem inneren Ende mittels Schmelzstopfen abgedichtet und von außen nach innen mit Gefäl- Ie verlegt sowie einlaufseitig an einen Kühlflüssigkeitsspei- cher angeschlossen ist, so daß bei im Auffangbehälter vorhandener Kernschmelze der Schmelzstopfen auf seine Schmelztemperatur aufgeheizt und zum Schmelzen gebracht und somit einen Strömungsweg für die Kühlflüssigkeit zur Oberfläche der Kernschmelze freigegeben wird. Diese Maßnahmen tragen wesentlich zur Erfüllung der eingangs unter (a) aufgestellten Forderung bei, ebenso zur Erfüllung der Forderung (c), weil dadurch eine Oberflächenkühlung der Kernschmelze erreicht werden kann.
Eine solche Oberflächenkühlung ist vom Sicherheitsstandpunkt unproblematisch, weil der nicht schlagartig entstehende, sondern sich kontinuierlich entwickelnde Dampf durch die vorhandenen Spalte und Kühlspalte nach oben entweichen sowie an den Containment-Wänden und zusätzlich installierten Rückkühl-Wärmetauscherheizflächen kondensieren kann, so daß das kondensierte Wasser wieder dem Kühlwasserreservoir (Sumpfwasser) zuströmen kann. Zweckmäßigerweise befindet sich der Einlaß des Schmelzkühlrohres außerhalb der Trag- und SchutzStruktur und steht mit dem Kühlwasserreservoir in Verbindung, wobei das Schmelzkühlrohr demgemäß die Umfangswand der Tragund Schutzstruktur sowie den Abstandszwischenraum des äußeren Kühlsystems durchdringt. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Ingangsetzen und Aufrechterhalten einer äußeren Notkühlung des Auffangbehälters bei der vorbeschriebeneπ Kernreaktor-Anlage, wie in Anspruch 22 beschrieben, mit welchem die Aufgabe gelöst wird, im Falle eines Auslegungsstörfalls vorbereitende Maßnahmen zur Ingangsetzung einer Naturumlaufkühlung des Auffangbehälters zu treffen.
Gegenstand der Erfindung ist ferner nach dem nebengeordneten Anspruch 23 eine Kernrückhaltevorrichtung für einen Kernreaktor, welcher einen Reaktordruckbehälter mit Reaktorkern aufweist, insbesondere für einen Leichtwasserreaktor, welche die folgenden Merkmale aufweist: a) unterhalb des Reaktordruckbehälters ist ein mittels einer Kühlflüssigkeit kühlbarer Auffangbehälter für die Kernschmelze so installiert, daß seine Bodenwand und seine Mantelwand einen Abstandszwischenraum zum Bodenbereich bzw. zur Umfangswand einer den Reaktordruckbehälter tragenden sowie unten und seitlich umgebenden Trag- und Schutzstruktur aufweisen, .
b) im Abstandszwischenraum sind bodenseitige und mantelseitige Kühlkanäle zur Außenkühlung des Auffangbehälters mit einer Kühlflüssigkeit sowie - im Flächenbereich der Bodenwand - Kanalkörper zur Erzeugung einer von innen nach außen über die Bodenwand zur Mantelwand fließenden Turbulenzströmung der Kühlflüssigkeit angeordnet.
Eine Weiterbildung dieser Kernrückhaltevorrichtung ist im Anspruch 24 angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine Kernreaktor-Anlage und eine zugehörige Kernrückhaltevorrichtung nach der Erfindung im Ausschnitt des unteren Bereichs eines kugelförmigen Sicherheitsbehälters und des zugehörigen Betonfundaments, woraus insbesondere der Reaktordruckbehalter, der unter ihm befindliche Auffangbehälter und das Kühlwasserreservoir ersichtlich sind;
Figur 2 mit den beiden Teilfiguren 2A, 2B den Gegenstand nach Figur 1 vergrößert im Detail und in einem Axialschnitt längs der Schnittebene II-II aus Figur 4, woraus der Auffangbehälter mit seinem äußeren Kühlsystem noch deutlicher zu erkennen ist;
Figur 3 mit den beiden Teilfiguren 3A, 3B den Gegenstand aus Figur 2 in einem Axialschnitt gemäß der Schnittebene III-III aus Figur 4, welche zur Schnittebene II-II um einen Winkel von 77,5 º gedreht ist;
Figur 4 einen achsnormalen Schnitt nach der Schnittebene IV-IV aus Figur 2A, 2B;
Figur 5 perspektivisch im Ausschnitt einen Kanalkörper, der als Abstützkörper für den Auffangbehälter und als Strömungsleitkδrper dient und hierzu zwischen der Bodenwand des Auffang behälters und einem Bodenbereich der Trag- und Schutzstruktur eingefügt ist, wobei zusätzlich sogenannte Deltaflügel zur Turbulenzerzeugung im Kühlspalt angeordnet sind und Figur 6 einen Kanalkörper nach Figur 5 im Teilschnitt, aus dem ein Federelement zur federelastischen Abstützung ersichtlich ist.
Das im Ausschnitt in Figur 1 dargestellte Reaktorgebäude R besteht aus einem Sicherheitsbehälter 1, auch Containment genannt, gebildet durch eine kugelförmige Stahldichthaut 3, aus einem eine entsprechende Aufnahmekalotte 2.1 aufweisenden
Stahlbetonfundament 2 und aus der innerhalb des Sicherheitsbehälters 1 angeordneten Kernreaktoranlage KA, umfassend Anlagenkomponenten und verbindende Rohrleitungen, elektrische Leitungen sowie Gebäudestrukturen, welche gasdicht von der kugelförmigen Stahldichthaut 3 umgeben wird. Letztere wird mit
Spalt noch von einer nicht näher dargestellten, mit dem Stahlbetonfundament 2 verbundenen Betonhülle umgeben, welche den Sicherheitsbehälter 1 gegen Einwirkungen von außen ("Eva") schützt. Die Betonstruktur 4 des Sicherheitsbehälters 1 paßt sich mit ihrer nach unten weisenden konvexen Kalotte 4.1 an die konvexe Stahldichthaut 3 und die entsprechend konkave
Aufnahmefläche 2.1 des Betonfundaments 2 an. Die Betonstruktur 4 ist an ihren Kupplungsstellen, siehe die Kupplungsstellen 5.1 und 5.2, mittels die Stahldichthaut 3 dichtend durchgreifender Ankerbolzen mit dem Stahlbetonfundament 2 verbunden.
Der als Ganzes mit 6 bezeichnete Reaktordruckbehälter des
Druckwassertyps ist von einer Trag- und Schutzstruktur 7 mit Abstand in lateraler und in vertikaler Richtung umgeben. Diese Trag- und Schutzstruktur 7 mit ihrem Boden oder Bodenbereich 7.1 und ihrer Um-fangswand 7.2 bildet einen Bestandteil der Betonstruktur 4 innerhalb des Containments 1; durch den Bodenbereich 7.1 und die Umfangswand 7.2 wird die Reaktorkaverne 8 gebildet, innerhalb welcher der Reaktordruckbehälter 6 angeordnet ist. Zum Bodenbereich 7.1 gehört auch eine zentrale, vertiefte Bodenpartie 7.10 einer vorzugsweise zentralen Einlaßkammer 33, die weiter unten noch erläutert wird. Der im wesentlichen hohlzylindrische. Reaktordruckbehälter 6 mit einer vertikalen Achse z, bestehend aus dem Unterteil 6a mit Bodenkalotte 6.1 und dem. Oberteil 6b mit Deckelkalotte 6.2, ist an einer Tragringkonstruktion 9 mit seinem Unterteil 6a aufgehängt. Die Tragringkonstruktion 9 ist in einer Ringausnehmung der Umfangswand 7.2 der Trag- und Schutzstruktur 7 gegen Abheben und Verdrehen abgesichert aufgelagert. Der Reaktordruckbehälter 6 ist innerhalb einer kreisförmigen Aussparung mit dem in Figur 1 nicht dargestellten Flansch seines Unterteils 6a und/ oder geeigneten Tragpratzen an der Tragringkonstruktion 9 verdrehungssicher und gegen Abheben gesichert aufgelagert. Der Reaktorkern 10 ist gestrichelt angedeutet. Dargestellt ist weiterhin von den Primärkreiskomponenten der Kernreaktor-Anlage KA ein Dampferzeuger DE, welcher über einen sogenannten heißen Strang 11 der Hauptkühlmittelleitungen HL an den Reaktordruckbehälter 6 angeschlossen ist. Der jeweilige heiße Strang 11 (es handelt sich um eine MehrLoop-Anlage) leitet das heiße Kühlmittel zur Primärkammer 12 des Dampferzeugers DE. Die Primärkammer 12 ist von der Sekundarkammer 13 des Dampferzeugers DE durch einen Rohrboden 14 und die bei 15 angedeuteten U-förmigen Wärmetauscherrohre abgetrennt. Die Primärkammer 12 ist außerdem durch eine Trennwand 16 in zwei Kammerhälften aufgeteilt. Das Primärkühlmittel gelangt also vom heißen Strang 11 über die eine Hälfte der Primärkammer 12 in die Wärmetauscherrohre 15, gibt dort seine Wärme an das Sekundärmedium ab, welches verdampft, und wird im Kreislauf über die zweite Hälfte der Primärkammer 12, den daran angeschlossenen sogenannten kalten Strang 17, eine in diesem kalten Strang 17 angeordnete (nicht dargestellte) Primärkreiskühlmittelpumpe und das Reststück des kalten Strangs 17 wieder in das Innere des Reaktordruckbehälters 6 rückgespeist. Es kann sich um eine sogenannte Zwei-Loop-Anlage handeln, also um einen Druckwasserreaktor mit zwei Dampferzeugern und je einem Hauptkühlmittel-Leitungspaar. Dies wäre beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 der Fall, wenn jedem der beiden heißen Stränge 11 je ein kalter Strang 17 (nur einer ist dargestellt) zugeordnet wäre. Es kann sich aber auch um eine Drei-Loop- oder Vier-Loop-Anlage handeln, wenn man sich in Figur 1 weitere Strangpaare hinzudenkt, oder wie man es aus der Darstellung nach Figur 2 und 3 entnehmen kann. Die Dampferzeuger DE sind in ihrem Rohrbodenbereich mittels Tragringen 18 an der Betonstruktur 4 aufgelagert.
Ein kühlbarer Auffangbehälter 19 einer Kernrückhaltevorrichtung CC ist innerhalb der Reaktorkaverne 8 mit seiner Bodenwand 20 unterhalb des Reaktordruckbehälters 6 angeordnet und erstreckt sich mit seiner Mantelwand 21 von der Bodenwand 20 nach oben.
Die vertikale, oder wie dargestellt, die leicht schräg nach innen gezogene Umfangswand 7.2 der Trag- und Schutzstruktur 7 wird auch als biologischer Schild bezeichnet, weil sie einen Schutzschild gegen Neutronen und Gammastrahlung bildet. An ihrem inneren Umfang ist sie mit einem Stahlliner 22 ausgekleidet, ebenso wie der Bodenbereich 7.1 an seinen Innenflächen. Außerhalb dieses Liners 22 und mit vertikalem und lateralem Abstand zum Auffangbehälter 19 befinden sich also der Bodenbereich 7.1 und die Umfangswand 7.2, welche mit der übrigen Betonstruktur 4 verbunden sind. Letztere ist in Kammerbauweise aufgebaut, wobei in einem Kammerraum 23, den man sich angenähert als Rotationskörper vorstellen muß und welcher die Umfangswand 7.2 (biologischer Schild) umgibt, der Reaktorsumpf in Gestalt eines Kühlwasserreservoirs 24 mit dem
Normalpegel Pl angeordnet ist. Eine Decke 25 dieses Kammerraums 23 ist durch Stahlwände 26 abgestützt. Eine Trennwand 27 bildet mit einem U-förmigen Steigrohr 30 ein Einlaufbauwerk für eine Einlaßkanalanordnung 31. Die Hauptkühlmittelleitungen (heiße Stränge) 11 sind ebenso wie die aus Figur 1 nicht ersichtlichen kalten Stränge 17 durch entsprechende Wanddurchbrüche 7.3 in der Umfangswand 7.2 hindurchgeführt.
Der Auffangbehälter 19 erstreckt sich bevorzugt mit seiner Mantelwand 21 wenigstens bis etwa zur Unterkante des Reaktorkerns 10, wie dargestellt. Dabei weisen die Bodenwand 20 und die Mantelwand 21 des Auffangbehälters 19 einen Abstandszwischenraum 28 zum Boden 7.1 bzw. zur Umfangswand 7.2 der Trag- und Schutzstruktur 7 auf. Ein. behälteräußeres Kühlsystem 29 mit boden- und mantelseitigen Kühlkanälen 29.1, 29.2 ist innerhalb dieses Abstandszwischenraums 28 zum Zwecke der
Außenkühlung des Auffangbehälters 19 vorgesehen. Die Erfindüng ist auf das dargestellte Kugelcontainment 1 nach den Figuren 1 bis 3 nicht beschränkt, sondern auch bei einem
Zylindercontainment einsetzbar, bei welchem der Übergang von der Betonstruktur 4 des Sicherheitsbehälters 1 zum Fundament 2 nicht über Kugelflächen (so wie beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1) erfolgt, sondern über ebene Übergangsflächen. - Zur weiteren Erläuterung sei im folgenden auf die detailliertere Darstellung nach Figuren 2 bis 6 Bezug genommen. Gleiche Teile zu Figur 1 tragen gleiche Bezugszeichen. Die bodenseitigen Kühlkanäle 29.1 des äußeren Kühlsystems 29 sind über eine Einlaßkanalanordnung 31 und die mantelseitigen Kühlkanäle 29.2 sind über eine Auslaßkanalanordnung 32 an ein außerhalb der Trag- und Schutzstruktur 7 vorgesehenes, ein Reaktorgebäudesumpf bildendes oder mit diesem verbundenes Kühlwasserreservoir 24 mit einer solchen Steighöhe angeschlossen, daß bei heißem Auffangbehälter 19 und wassergefülltem Kühlsystem 29 eine Naturumlaufströmung im Kühlsystem 29 durch die Kühlkanäle 29.1 und 29.2 hindurch angefacht wird. Die Einlaßkanalanordnung 31 mündet in das äußere Kühlsystem 29 des Abstandszwischenraums 28 im Zentralbereich der Bodenwand 20 des Auffangbehälters 19 über eine Einlaßkammer 33. Von der Einlaßkammer 33 erstrecken sich die durch Turbulenzkörper 34 und die Bodenwand 20 sowie den Bodenbereich 7.1 der Trag- und Schutzstruktur 7 begrenzten bodenseitigen Kühlkanäle 29.1 nach außen bis zum abgerundeten Kantenbereich 19.1 des Auffangbehälters 19. Vom Kantenbereich 19.1 erstreckt sich anschliessend ein mantelseitiger, nach oben verlaufender Kühlkanal
29.2 bis zu der Auslaßkanalanordnung 32. Wie man es aus Figuren 2 bis 4 erkennt, durchdringt die Einlaßkanalanordnung 31 den Bodenbereich 7.1 der Trag- und Schutzstruktur 7. Die Einlaßkanäle 31a verlaufen sternförmig bzw. radial-horizontal von einem kurzen vertikalen Eintrittskanalstück 31b bis zur Einlaßkammer 33. Im linken unteren Teil der Figuren 2 und 3 ist ein vertikales Einlaufkanalstück als Pumpensumpf-Kammer 31c ausgeführt (die Pumpe ist nicht dargestellt). Dem Einlaufkanalst.ück 31b ist eine Einlaufkammer 35 vorgeschaltet, die durch die Trennwand 27 vom Kammerraum 23 des Kühlwasserreservoirs 24 im Normalbetrieb abgetrennt ist; nur dann, wenn der Normalpegel P1 des Kühlwassers steigt, und zwar auf einen Hochwasser- oder Mindestwasserstand P2, gelangt Kühlwasser über das Steigrohr 30 in die Einlaufkammer 35 und in die übrige Einlaßkanalanordnung 31, was weiter unten noch erläutert wird. Die Auslaßkanalanordnung 32 durchdringt die Umfangswand 7.2 der Trag- und Schutzstruktur 7, bildet eine Fortsetzung des mantelseitigen Kühlkanals 29.2 und mündet in das Kühlwasserreservoir 24 in dessen oberem Pegelbereich P2 (nur aus Figur 1 erkennbar).
Figur 4 zeigt, daß die Auslaßkanäle 32a der Auslaßkanalanordnung 32 über den Umfang der Wand 7.2 verteilt sind; dargestellt sind sechs Auslaßkanäle, davon vier in Achsenkreuz-Anordnung und zwei zusätzliche Auslaßkanäle im ersten und dritten
Quadranten der Umfangswandteile 7.2.
Der Auffangbehälter 19 ist - wie aus Figuren 2 und 3 (und auch aus Figur 1) ersichtlich - tiegelartig ausgebildet, und hierzu ist seine Bodenwand 20 nach unten bzw. nach außen ausgewölbt. Die Bodenwand 20 geht über den abgerundeten Kantenbereich
19.1 in die Mantelwand 21 über. Der Grundkörper 19a des Auffangbehälters 19 wird von einem Tiegel gebildet, der vorzugsweise aus einer temperaturbeständigen Stahllegierung besteht. Die inneren Boden- und Mantelflächen des Tiegels 19a sind mit einem Schutzmantel 19b ausgekleidet, welcher dem Schutz des Tiegelmaterials gegen Schmelzangriff dient. Dieser Schutzmantel 19b besteht bevorzugt aus einer der folgenden Legierungen, einzeln oder in Kombination: MgO, UO2 oder ThO2. Als zweite Schutzschicht für den Tiegel 19a folgt auf den Schutzmantel 19b ein Opfermaterial-Depot 19c. Dieses besteht vorzugsweise aus Abschirmbetonsteinen 36, welche miteinander und dem Schutzmantel 19b zu einer Ausmauerung verbunden sind. Der Abstand des Opfermaterial-Depots 19c in Gestalt der Ausmauerung zur Bodenkalotte 6.1 des Reaktordruckbehälters 6 ist ausreichend groß, so daß die der Bodenkalotte zugewandten Flächen der Ausmauerung mit einem Wärmedämmantel W1 ausgekleidet werden können. Bei diesem Wärmedämmantel W1 handelt es sich um die untere Dämmpartie einer als Ganzes.mit W bezeichneten Wärmedämmung für den Reaktordruckbehälter 6. Die untere Dämmpartie W1 ist von etwa topfformiger Gestalt. Diese untere Dämmpartie, wie auch die mittlere Dämmpartie W2 am inneren Umfang eines Abschirmrings 37 und eine obere Dämmpartie W3, welche sich vom Abschirmring 37 zum Bereich der Deckelteilfuge 38 des Reaktordruckbehälters 6 erstreckt, umgeben alle den Reaktordruckbehalter 6 mit ausreichendem Spalt, so daß eine Luftkammer 39 gebildet wird.
Der Auffangbehälter 19 ist also ein topf- oder tiegelartiges Mehrschicht-Gebilde mit einem Grundkörper 19a in Form eines Tiegels, der z.B. eine Wandstärke von 50 mm haben kann, einem die Tiegelinnenseite auskleidenden Schutzmantel 19b von z.B. im Vergleich zum Tiegel dreifachen Wandstärke. Dieser Schutzmantel ist vorzugsweise im Zentralbereich 19.0 des Auffangbehälters in seiner Wandstärke vergrößert, weil in diesem Bereich die größten Temperaturbeanspruchungen durch eine eventuelle Kernschmelze auftreten könnten. Auf den Schutzmantel folgt, wie erwähnt, das sich der Tiegelkontur anpassende Opfermaterial-Depot 19c und die entsprechend angepaßte untere Dämmpartie W1. Die Mantelwand 21 des Tiegels 19a bzw. Auffangbehälters 19 verläuft bevorzugt vom abgerundeten Kantenbereich 19.1 bis zum oberen Rand 21.1 schwach konisch verjüngt. Hierdurch ist die Kontur des Außenumfangs des Auffangbehälters 19 bzw. Tiegels 19a an die Kontur des Innenumfangs der Umfangswand 7.2 der Trag- und Schutzstruktur 7 angepaßt, und es wird der gewünschte Querschnitt für den Abstandszwischenraum 28 bzw. die mantelseitigen Kühlkanäle 29.2 des Kühlsystems 29 erzielt. Die Bodenwandpartie 20 des Tiegels 19a bzw. Auffangbehälters 19 erweitert sich von dem tiefsten Zentralbereich 19.0 bis zum Kantenbereich 19.1 in Form eines flachen Kegelmantels, dessen in axial-radialen Schnittebenen liegende
Schnittflächen mit einem kleinen Steigungswinkel α zur
Horizontalen verlaufen. Diese vom Zentralbereich 19.0 bis zum Kantenbereich 19.1 vorhandene schwache Steigung der Bodenwand 20 führt zu definierten Kühlwasserströmen im Kanalsystem 29, in dem sich keine Luftblasen ausbilden oder halten können (Vermeidung sogenannter toter Kühlzonen). Vielmehr unterstützt diese schwache Steigung den. Naturumlauf. Im Inneren des Auffangbehälters 19 besteht demnach ein schwaches Gefälle vom Kantenbereich 19.1 bis zum Zentralbereich 19.0, so daß sich eine eventuelle Kernschmelze immer zentrisch innerhalb des Auffangbehälters 19 (flüssiger Zustand vorausgesetzt) sammelt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Auffangbehälter 19 auf dem Bodenbereich 7.1 der Trag- und Schutzstruktur 7 mittels der Turbulenzkörper 34 aufgelagert. Dies schließt, wo notwendig, eine zusätzliche Abstützung mittels Abstützkörpern (nicht dargestellt) nicht aus. Es können auch Turbulenzkörper 34d vorgesehen sein, die nur der Turbulenzerzeugung (und nicht der Abstützung) dienen, wie weiter unten anhand von Figur 5 noch erläutert wird. Die Turbulenzkörper 34 sind im äußeren Kühlsystem 29 zwischen der Bodenwand 20 des Auffangbehälters 19 bzw. Tiegels 19a und dem Bodenbereich 7.1 eingefügt und dienen zur Abstützung des Auffangbehälters 19 auf dem Bodenbereich 7.1 und zur Erzeugung einer Turbulenzströmung der Kühlflüssigkeit. In den Figuren 2 und 3 sind im bodenseitigen Kühlkanal 29.1 nur Turbulenzkörper 34 dargestellt, welche nicht nur der Strömungsleitung und Turbulenzerzeugung dienen, sondern auch der Abstützung. Dies trifft auch für die im Zentralbereich 19.0 angeordneten zentralen Kanalkörper 34a zu. Diese stützen sich auf der zentralen, vertieften Bodenpartie 7.10 ab, welche zum Bodenbereich 7.1 zählt und sich auf dem Niveau der unteren Wand 4.2 der Einlaufkanäle 31 befindet. Da sie eine größere Kanalhöhe der Einlaßkammer 33 überbrücken müssen, sind sie länger als die Turbulenzkörper 34. Die Turbulenzkörper 34, 34a sind innerhalb der bodenseitigen Kühlkanäle 29.1 und innerhalb der Einlaßkammer 33 derart verteilt angeordnet, daß erstens eine gleichmäßige Gewichtsabtragung in den Bodenbereich 7.1 der Trag- und Schutzstruktur 7 gewährleistet ist, zweitens sich Kühlströmungsgassen 40 (vgl. Figur 5) längs eines Weges von innen, also von der zentralen Einlaßkammer 30, nach radial außen zum Kantenbereich 19.1 und von hier in den mantelseitigen Kühlkanal 29.2 gerichtet ausbilden können. Letzterer ist ein Ringkanal. Die Kühlströmungsgassen 40 können in ihrer Hauptrichtung längs Radien, also sternförmig, oder z.B. evolveηtenförmig verlaufen, wobei die Turbulenzkörper 34, 34a bei inganggesetzter Naturumlaufströmung im Kühlsystem, insbesondere innerhalb der bodenseitigen Kühlkanäle 29.1, eine Turbulenzströmung erzeugen.
Figuren 5 und 6 zeigen nähere Einzelheiten zur Ausbildung und Anordnung der Turbulenzkörper 34 (für die Turbulenzkörper 34a gilt das Entsprechende). Generell sind die Strömungspfeile für die Kühlflüssigkeit, insbesondere Kühlwasser, mit f1 bezeichnet und in gestrichelten Linien dargestellt. Die Strömungspfeile für die Kühlluft sind generell mit f2 bezeichnet und mit durchgezogenen Linien dargestellt (vgl. auch Figuren 1 bis 3). In den Kühlkanälen, z.B. 29.1 und 29.2, kann entweder nur Kühlluft (Pfeile f2, ausgezogen) oder Kühlwasser (Pfeile fl, gestrichelt) strömen, was noch erläutert wird.
Die Wärmeflußpfeile in Figur 5 für die Wärmeströmung, die vom Reaktordruckbehälter 6 bzw. einer eventuellen Kernschmelze ihren Ausgang nimmt und in den Auffangbehälter 19, insbesondere dessen Tiegel 19a und die Bodenwand 20 dieses Tiegels, eindringt, sind generell mit f3 bezeichnet und mit starken ausgezogenen Linien dargestellt. Die Pfeile f1 symbolisieren also die Notkühlwasserströmung im Kühlsystem 29.
Figur 5 zeigt in perspektivischer, schematischer Darstellung einen Ausschnitt des Kühlsystems 29, und zwar im Bereich der Bodenwandpartie 20 des Auffangbehälters 19 und des mit Kühlspalt al gegenüberliegenden Bodens 7.1 mit Liner 22 der Tragund Schutzstruktur 7. Der dargestellte Turbulenzkörper 34 ist als Rohrstutzen ausgebildet (diese Ausführung gilt bevorzugt für alle Turbulenzkörper 34 nach Figuren 1 bis 3). Diese Rohrstutzen werden zur Unterscheidung von den generellen Turbulenzkörpern 34 mit 34r bezeichnet, und die noch zu erläuternden, Turbulenz erzeugenden Deltaflügel mit 34d. Die Rohrstutzen 34r sind an ihren der Bodenwandpartie 20 des Auffangbehälters 19 zugewandten Enden jeweils mit Kanalaussparungen 41 versehen. Insbesondere sind pro Rohrstutzen 34r jeweils zwei in Strömungsrichtung (Hauptri.chtung der Strömungspfeile f1) fluchtende U-förmige Aussparungen 41 vorgesehen, deren Begrenzungen 41.1 zur Turbulenzvergrößerung kantig ausgeführt sind. Durch die Kanalaussparungen 41 mit ihren Kanten 41.1 werden Kühlwasserteilströme f11 erzeugt, welche im Bereich der
Turbulenzkörper 34 im allgemeinen und der Rohrstutzen 34r im besonderen in Kontakt mit den Kühlflächen der Bodenwandpartie 20 gezwungen werden. Wesentlich ist es, innerhalb der Kühlströmungsgassen 40 und der Kühlpfade 40a der Kühlwasserteilströme f11 eine solch große Turblenz der Strömung zu erzeugen, daß eine innige Durchmischung der Kühlwasserteilströme erreicht und die Bildung eines Dampffilmes an den nach unten weisenden Kühlflächen 20.0 der Bodenwandpartie 20 vermieden wird. Hierzu sind sogenannten Deltaflügel 34d in Gestalt von Prismen mit Dreiecksflächen F1 bis F4 vorgesehen, welche die Gestalt von Tetraedern haben. Diese sind zumindest an den der Kühlfläche 20.0 mit Kühlspalt al gegenüberliegenden Boden 7.2 bzw. an dem Liner 22 dieses Bodens befestigt. Die Deltaflügel 34d oder allgemein Strömungsleitkörper werden bevorzugt aus einem korrosionsbeständigen Stahl gefertigt, der in seiner
Zusammensetzung der Stahllegierung des Liners 22 gleicht oder ähnelt, so daß sie durch Schweißen befestigt werden könnnen (bei 42 sind Schweißnähte angedeutet). Der besseren Übersicht wegen sind in Figur 5 nur zwei Deltaflügel 34d dargestellt, und es ist dabei schematisch durch die spiraligen Strömungslinien f12 angedeutet, welchen Effekt diese Strömungsleitkörper in Form von Deltaflügeln 34d auf eine sonst weitgehend laminar verlaufende Strömung ausüben: Es wird eine kräftige Verwirbelung erzeugt, die den Sicherheitsabstand gegen Filmsieden an den Kühlflächen 20.0 vergrößert.
Aus Figur 6 erkennt man, daß der Auffangbehälter 19 über seine auch als Abstützkörper dienenden Rohrstutzen 34r und federelastisch unter Zwischenschaltung eines Federelementes 43 auf dem Boden 7.1 abgestützt ist. Der Rohrstutzen 34r ist an der Bodenwand 20 des Tiegels 19a bzw. Auffangbehälters 19 festgeschweißt (Schweißnähte 44), wobei wieder die Stahllegierungen der Rohrstutzen 34r und des Tiegels 19a so aufeinander abgestimmt sind, daß eine Schweißverträglichkeit gegeben ist. Bei den Federelementen 43 kann es sich um Schraubendruckfedern handeln, die mit einem unteren Federteller 43a an den Bodenteilen 7.1 und über einen weiteren (nicht dargestellten) Federteller an ihrem oberen Ende an den Rohrstutzen 34a abgestützt sind. Anstelle von Schraubendruckfedern lassen sich auch Tellerfedern oder Tellerfederpakete verwenden (nicht dargestellt), wobei wegen der hohen abzustützenden Gewichte Schraubendruck- oder Tellerfedern zweckmäßigerweise vorgespannt werden. Der untere Federteller 43a ist an seiner Unterseite vorzugsweise feinst bearbeitet, d.h. geglättet, so daß die Reibkräfte zur anliegenden Fläche des Stahlliners 22 möglichst klein sind. Durch die Ermöglichung einer, wenn auch nur mit kleinen Wegen, gleitenden Bewegung lassen sich Zwangskräfte bei der Aufheizung im hypothetischen Kernschmelzfall vermeiden. Die Federelemente 43 können auch als Federstäbe ausgebildet sein (ebenfalls nicht dargestellt), die ein federelastisches Ausweichen in lateraler Richtung in begrenztem Umfang gestatten. Die in Figur 5 dargestellten Deltaflügel 34d können mit Vorteil zur Erzeugung einer Turbulenzströmung innerhalb eines Kühlkanals nicht nur im Rahmen des dargestellten Ausführungsbeispiels, sondern auch überall dort verwendet werden, wo der Kühlkanal von einem flüssigen Kühlmittel durchströmt wird und durch zwei übereinander angeordnete, zueinander beabstandete Kanalwände in vertikaler Richtung begrenzt wird, und zwar von einer oberen, von der abzuführenden Wärme beheizten ersten Kanalwand und einer unteren, auf ihrer Innenseite mit den Deltaflügeln 34d versehenen zweiten Kanalwand.
Zurück zu den Figuren 1 bis 3: Grundsätzlich wäre es möglich, den Auffangbehälter 19 mit seinem Tiegel 19a an der Trag- und
Schutzstruktur 7 hängend zu lagern. In diesem Fall könnte z.B. die Mantelwand 21 weiter hochgezogen werden und mit einem Tragflansch an ihrem oberen Ende an einem Tragring, der in eine
Ringaussparung der Wandteile 7.2 der Trag- und Schutzstruktur
7 eingefügt ist, aufgelagert werden (diese Ausführung ist nicht dargestellt). Auch bei einer solchen Ausführung könnten die Turbulenzkörper 34, 34a, zumindest teilweise, als Abstützkörper, also nicht nur alleine als Strömungsleitkörper, dienen bzw. mit einem engen Spalt unterhalb der Bodenwand 20 als
Sicherheit gegen Abstürzen angeordnet sein. Günstiger ist indessen die dargestellte Ausführungsform mit einer Auflagerung des Auffangbehälters 19 auf den Kanalkörpern 34, 34a, weil dadurch die Umfangswand 7.2 (biologischer Schild) nicht zusätzlich belastet wird; vielmehr erfolgt die Abtragung der Auflagerkräfte über den wesentlich größeren Flächenbereich der Betonstruktur 4 und des Bodenbereichs 7.1.
Der Auffangbehälter 19 reicht bevorzugt mindestens bis etwa zur Unterkante des Reaktorkerns 10 (siehe Figur 1); wie eingangs erläutert, ist damit auch für die erforderliche Steighöhe von mindestens ca. 3 m gesorgt, die für den Naturumlauf der Kühlflüssigkeit durch das Kühlsystem 29 benötigt wird.
Der Auffangbehälter 19 umgibt damit die gesamte Bodenkalotte 6.1. Bei der dargestellten Höhenerstreckung des Auffangbehälters 19 ist es ein bevorzugtes Ausführungsmerkmal, einen Abschirmring 37 (vgl. Figuren 2 bis 4) vorzusehen, der oberhalb des Auffangbehälters 19 und an diesen anschließend im Ringraum 45 zwischen der Umfangswand 7.2 der Trag- und Schutzstruktur 7 und dem Außenumfang des Reaktordruckbehälters 6 installiert ist. Der Abschirmring 37 übernimmt die Funktion des biologisehen Schildes im Bereich des Kerns 10 (Figur 1) dort, wo die Umfangswand 7.2 (biologischer Schild) durch Auslaßkanäle 32 durchbrochen sind. Der Abschirmring 37 besteht bevorzugt aus Abschirmbeton. Geeignete Zusammensetzungen für einen solchen Abschirmbeton lassen sich aus der Tabelle XXIV auf Seite 701 des Buches "Nutzenergie aus Atomkernen" von Dr. K. R. Schmidt, Bd. II, Verlag Walter D. Gruyter & Co., Berlin 1960, entnehmen, so daß von einer näheren Erläuterung hier abgesehen werden kann. Der Abschirmring 37 ist an der Umfangswand 7.2 der Tragund Schutzstruktur 7 verankert. Hierzu können keilförmige
Leisten 46, über den Außenumfang des Abschirmrings 37 gleichmäßig verteilt, vorgesehen sein, wie es aus Figur 4 hervorgeht. Es ist auch möglich, so wie es in Figur 3 gestrichelt dargestellt ist, keilförmige Abstützflächen 47 an der Umfangswand 7.2 vorzusehen, mit denen der Abschirmring 37 mit eige nen keilförmigen Gegenflächen.37a verzahnt ist. Für die
Montage des Abschirmrings 37 ist es günstig, wenn er aus einzelnen Ringsegmenten zusammengesetzt ist (nicht im einzelnen dargestellt). Die Ringsegmente sind dann miteinander und mit der Umfangswand 7.2 der Trag- und Schutzstruktur 7 zu verzahnen (Figur 3) oder zu verkeilen (Figur 4). Eine weitere günstige Ausführungsvariante besteht darin, daß der Abschirmring 37 aus abschirmendem Spannbeton besteht und seine Stahlarmierung mit der Stahlarmierung der ebenfalls aus Spannbeton bestehenden Trag- und Schutzstruktur 7 zu einem einheitlichen Stahlarmierungssystem vereinigt ist. Für eine solche Ausführungsform sind im linken Teil der Figur 2 gestrichelt Armierungsstahlseile 48 angedeutet. Es können weitere Ringspannseile innerhalb des Abschirmrings 37 vorgesehen sein, mit denen seine einzelnen Ringsegmente, die miteinander verzahnt sind, in Umfangsrichtung zusammengespannt werden (nicht dargestellt).
Zur Minimierung der Wärmeverluste des Reaktordruckbehälters 6 im Normalbetrieb kommt seiner Wärmedämmung W - siehe Figuren 2 und 3 - eine große Bedeutung zu. Ebenso wichtig ist die Belüftung dieser Wärmedämmung an ihrer Außenseite durch die als Ganzes mit den Strömungspfeilen f2 symbolisieren Kühlluftströme. Die Wärmedämmung W besteht aus den Wärmedämmpartien W1 bis W3 für den Unterteil 6a des Reaktordruckbehälters 6, einer den Oberteil 6b des Reaktordruckbehälters 6 übergreifenden beweglichen (demontierbaren) Wärmedämmhaube W4 und weiteren Wärmedämmpartien W5 für die Hauptkühlmittelleitungen HL. Für den Unterteil 6a sind im wesentlichen drei ineinander übergehende Dämmpartien vorgesehen: eine untere Dämmpartie W1, welche die Opferschicht des Auffangbehälters 19 auskleidet und die Bodenkalotte 6.1 des Reaktordruckbehälters 6 umgibt (a), eine mittlere Dämmpartie W2, welche den Innenumfang des Abschirmrings 37 auskleidet. Dazu gehört ein ringförmiges Verbindungsstück W21, welches den Abschirmring untergreift und den Anschluß zur unteren Dämmpartie W1 herstellt (b), und eine obere Dämmpartie W3, welche sich vom Abschirmring 37 bis zum Bereich der Deckelteilfuge 38 des Reaktordruckbehälters 6 erstreckt und von den Hauptkühlmittelstutzen 48 durchdrungen ist. Letztere sowie auch die daran anschließenden Hauptkühlmittelleitungen HL sind, wie erwähnt, von weiteren Dämmpartien W5 umgeben. Die Wärmedämmung W wird bevorzugt aus Ganzmetallkassetten aufgebaut. Diese bestehen aus austeniti- schem, also korrosionsfestem, Stahl. Entsprechende Haltegerüste in Leichtbauweise zur Halterung dieser einzelnen zu einem geschlossenen Wärmedämmantel aneinanderreihbaren
Kassetten sind nicht dargestellt. Das äußere Kühlsytem 29 des Auffangbehälters 19 ist als ein duales Luft- und Wasser-Kühlsystem ausgebildet, welches im Normalbetrieb der Kernreaktor-Anlage KA, d.h. bei trockenem äußerem Kühlsystem 29, der Luftkühlung des Kernreaktordruckbehälters 6 dient bzw. der Luftkühlung der Außenflächen der Wärmedämmung W im allgemeinen und der einzelnen Dämmpartien Wl bis W3 sowie W5 im besonderen. Zu diesem Zweck ist die Einlaßkanalanordnung 31 an wenigstens eine Kühlluftquelle angeschlossen. Diese ist in Figuren 2 und 3 schematisch als ein Kühlluftgebläse 49 angedeutet. Es handelt sich um eine Mehrzahl von Gebläsen, die gemäß Pfeil f2 die Kühlluft in die Einlaßkanalanordnung 31 im Bereich der Pumpensumpfkammer 31c fördern. Figur 2 zeigt die einander überlagerten Kühlluftpfade der Kühlluft, siehe ausgezogene Strömungspfeile f2, und die Pfade des Kühlwassers, siehe gestrichelte Strömungspfeile fl. Bei einem hypothetischen Störfall geht die Luftkühlung im Kühlsystem 29 in eine Wasserkühlung des Auffangbehälters 19 nahtlos über, was noch erläutert wird. Die Auslaßkanalanordnung 32 mündet in das Containment und stellt damit eine Kühlluftsenke für die aus dem Kühlsystem 29 austretende Kühlluft dar, welche also zur mittelbaren Kühlung der Außenseite der unteren Dämmpartie Wl dient.
Mit dem aus Figur 2 erkennbaren dualen Kühlsystem gemäß
Strömungspfeilen fl und f2 überlagert ist ein weiteres Luft- kühlsystem, dessen Strömungspfeile mit f21 bis f23 (vgl. Figuren 2 und 3) bezeichnet sind. Das erste Luftkühlsystem gemäß den Strömungspfeilen f2 ist als Ganzes mit ZLl und das weitere Luftkühlsystem gemäß den Strömungspfeilen f21 bis f23 ist mit ZL2 bezeichnet. Zur Belüftung dieses weiteren Luftkühlsystems ZL2 (Figur 3) münden Eintrittskanäle 50, welche die Umfangswand 7.2 der Trag- und Schutzstruktur 7 und den Abschirmring 37 durchdringen, in einen oberen Kühlluftraum 45. Dieser erstreckt sich außerhalb der oberen Dämmpartie W3 bis zu einer Tragringstruktur 51 des Reaktordruckbehälters 6 und wird nach außen vom Innenumfang der Umfangswand 7.2 begrenzt. Die aufwärts strömende Kühlluft wird in mehreren Teilströmen an den folgenden Kühlflächen entlanggeführt:
- Am Außenumfang der oberen Dämmpartie W3 und am Innenumfang der Umfangswand 7.2. Dabei stammt der Kühlluftstrom f22 aus den Eintrittskanälen 50. Letztere bestehen aus zwei Kanalteilen: dem Kanalteil 50a, welcher die Umfangswand 7.2 durchdringt und in Strömungsrichtung mit leichter Steigung ver- läuft, und dem unter einem Steigungswinkel von etwa 45º schräg nach oben den Abschirmring durchdringenden zweiten Kanalteil 50b. Die Kanalteile 50a, 50b bzw. der gesamte
Eintrittskanal 50 können durch Mauerrohre 52 gebildet sein, vgl. Figur 4. Im Mündungsbereich der Eintrittskanäle 50 ist der Abschirmring 37 mit einer Abschrägung 37a versehen, wobei ein Strömungsleitblech 53 die Mündungsstelle des Eintrittskanals 50 jeweils überdeckt und die Kühlluft über nicht näher dargestellte Austrittsöffnungen über den Querschnitt des Kühlluftraums 45 verteilt austreten läßt;
- der Kühlluftstrom f21 stammt vom ersten Luftkühlsystem ZL1; er wird am Innenumfang der Umfangswand 7.2 nach oben geführt und bildet einen über den Umfang des biologischen Schildes verteilten Kühlluftschleier, welcher sich oberhalb des Kühlluftraums 45 mit den Kühlluftströmen f22 vereinigt und als Kühlluftstrom f23 (siehe auch Figur 2) an den Außenflächen der Tragringstruktur 51 vorbeistreicht, insbesondere an den Tragarmen 51a, welche die Tragpratzen 54 des Reaktordruckbehälters abstützen und am Auflager 55 der Tragringstruktur 51; - ferner gemäß Figur 2 druch Austrittsringkanäle 7.4 hindurch (Kühlluftströme f23), wobei diese Austrittsringkanäle zwischen dem Außenumfang der Hauptkühlmittelleitungen HL und dem Innenumfang von Wanddurchbrechungen 7.3 der Trag- und Schutzstruktur 7 gebildet werden. Von hier gelangt die Kühlluft in das Containment bzw. das Innere des Sicherheitsbehälters 1 und von da in die (nicht dargestellte) AbluftFilteranlage. In das System der Luftkühlung ZL1 und ZL2 und des äußeren
Kühlsystems 29 für die Wasserkühlung fügt sich eine zusätzliche Wasserkühlung für die Oberfläche einer eventuellen Kernschmelze, die sich im Auffangbehälter 19 befindet, mit wenigstens einem Schmelzkühlrohr 56 zweckentsprechend ein (Figur 2), Hierzu ist der Auffangbehälter 19 in der oberen Hälfte seiner Mantelwand 21 von wenigstens einem Schmelzkühlrohr 56 durchdrungen, welches in der dargestellten Mehrschichtstruktur des Auffangbehälters 19 durch dessen Tiegelwand 19a, Schutzschicht 19b, Opfermaterial-Depot 19c und durch die untere Wärmedämmläge W1 hindurchragt. An seinem inneren Ende ist dieses
Schmelzkühlrohr 56 mittels Schmelzstopfens 56a abgedichtet.
Es ist, wie dargestellt, von außen nach innen mit leichtem Gefälle (z.B. Neigungswinkel von 20 º) verlegt sowie einlaufseitig an einen Kühlflüssigkeitsspeicher angeschlossen, der mit dem Kühlwasserreservoir 24 (Figur 1) identisch sein kann. Bei im Auffangbehälter 19 vorhandener Kernschmelze wird der Schmelzstopfen 56a auf seine Schmelztemperatur aufgeheizt (die Schmelztemperatur liegt oberhalb der im Kammerraum 39 herrschenden Temperatur, aber noch weit unterhalb der Schmelztemperatur der Kernschmelze, z.B. bei 600º C). Der zum Schmelzen gebrachte Schmelzstopfen 56a gibt somit einen Strömungsweg für die Kühlflüssigkeit zur Oberfläche der hypothetischen
Kernschmelze frei, so daß diese durch einen Wasserfilm nach oben zusätzlich abgeschirmt und gekühlt wird, wobei das ausdampfende Kühlmedium, insbesondere Wasserdampf, nach oben durch die für die Luftkühlung vorgesehenen Kühlkanäle entweichen kann. Das Einlaßende 56.1 des Schmelzkühlrohres 56 befindet sich außerhalb der Umfangswand 7.2; es kann mit dem im rechten Teil der Figur 2 oder der Figur 1 dargestellten gesonderten Steigrohr 30 verbunden sein, so daß, wenn über das normale Steigrohr 30 bei steigendem Pegel das Kühlwasser in die Einlaßkanäle 31 und damit in das Kühlsystem 29 eindringt, auch das Schmelzkühϊrohr 56 entsprechend mit Kühlwasser ver sorgt wird. Deshalb ist die dargestellte Ausführung besonders günstig, bei der der Einlaß 56.1 des Schmelzkühlrohrs 56 außerhalb der Trag- und Schutzstruktur 7 sich befindet und das
Schmelzkühlrohr 56 demgemäß die Umfangswand 7.2 der Trag- und Schutzstruktur 7 sowie den Abstandszwischenraum 28 des äußeren Kühlsystems 29 durchdringt.
Die Anker 57 dienen zur Verankerung des Liners 22 und der gesamten Trag- und Schutzstruktur 7 in der Betonstruktur 4.
Die Anker 57 verbinden die Trag- und Schutzstruktur 7 mit der Betonstruktur 4 an einer so großen Zahl von Verankerungsstellen, daß alle Kräfte und Momente sicher beherrscht werden, die vom Reaktordruckbehälter 6 über seinen Tragring 51 (Figur 3) auf die Trag- und Schutzstruktur 7 ausgeübt werden und umgekehrt (es sind lediglich zwei Verankerungsstellen gezeigt). Außer den Gewichtskräften kann es sich dabei z.B. um Abhebekräfte, Tangentialkräfte, Kippmomente oder laterale Kräfte handeln, die im Erdbeben- oder Auslegungsstörfall auftreten können. Zum schnelleren Abbau eines Überdrucks, der sich bei Dampf- und Gasentwicklung im Auffangbehälter 19 aufbauen könnte, kann es zweckmäßig sein, den Abschirmring 37 mit zusätzlichen Entlastungsöffnungen bzw. Überströmöffnungen zu versehen (nicht dargestellt). Weiterhin empfiehlt es sich, die Wärmedämmung W bzw. W1 bis W3 außen auf einem relativ dünnwandigen Isolier-Tragbehälter aus nicht-rostendem Stahl zu befestigen und diesen Isolier-Tragbehälter an den Tragarmen 51a des Tragrings 51 mittels geeigneter Vorsprünge oder Ringflansche aufzuhängen und zu fixieren. Auf diese Weise ist auch für die Wärmedämmung W eine besonders erdbebenfeste und störfallsichere Halterung gewährleistet. Ein solcher (nicht dargestellter) Isolier-Tragbehälter wird zweckmäßigerweise mit einer oder mehreren Inspektionsöffnungen versehen, die durch Deckel abschließbar sind, wodurch die Montage des Isolier-Tragbehälters erleichtert ist.
Der Tragring bzw. die Tragringstruktur 51 ist über Spannelemente 66 für den Liner 22 an diesen und damit zusätzlich an die Umfangswand 7.2 angeschlossen. Die Tragringstruktur 51 läßt sich aus geschmiedeten R.ingsegmenten zusammenschweißen (oder zusammenschrauben) mit einer hinreichenden Anzahl von kräftigen Tragpratzensegementen, z.B. acht, an welche die Tragarme 51a angeformt sind. Weitere Anker sind für die Stahldichthaut 3 des Sicherheitsbehälters 1 vorgesehen (nicht dargestellt). Mit der Verankerung 58 wird eine Grundplatte 59 an der Kanalbodenfläche 4.2 fi xier t , welche die Turbulenzkörper 34a trägt und an welcher weitere Strömungsleitkörper 60 befestigt sind.
Figur 3 zeigt im oberen Bereich einen sogenannten Deckenkompensator 61 zwischen der Betonstruktur der Umfangswand 7.2 und dem Tragring 51. Letzerer ist nach oben durch ein oberes Gegenlager 62 fixiert, und zwar gegen die Decke 63a einer ringförmigen Aussparung 63 in der Umfangswand 7.2. Mit 64 ist ein Verschlußstopfen für eine Wiederholungsprüföffnung 64a in der Tragringstruktur 51 bezeichnet.
Wie erwähnt, kann mit der Erfindung ein Verfahren zum Ingangsetzen und Aufrechterhalten einer äußeren Notkühlung des Auffangbehälters 19 bei der Kernreaktor-Anlage KA verwirklicht werden. Die einzelnen Verfahrensschritte sind (vgl. Fig. 1 u. 2) wie folgt:
- Bei Normalbetrieb der Kernreaktor-Anlage KA wird der Kühlwasserpegel des Kühlwasserreservoirs 24 auf einem Niedrigwasserstand P1 gehalten, bei dem in die Einlaßkanal-Anordnung 31 des Auffangbehälter-Kühlsystems 29 kein Kühlwasser gelangen kann, wohl aber Kühlluft gemäß den Strömungspfeilen f2, wie bereits erläutert.
- Für den weiteren Verfahrensablauf sei angenommen, daß ein auslegungsüberschreitendes Ereignis bevorsteht oder schon eingetreten ist. Ein solches Ereignis kann z.B. aus einem LOCA entstehen, der im folgenden zunächst erläutert wird. Bei einem LOCA (loss of coolant accident) wird postuliert, daß ein Riß in einer der Hauptkühlmittelleitungen HL oder ein Abriß einer solchen Leitung erfolgt ist. Bei Auftreten eines solchen Lecks im Primärkreis wird Notkühlwasser vom primärkreisdruck-abhängig aktivierbaren Druckspeichern in die Hauptkühlmittelleitungen HL des Reaktordruckbehälters 6 eingespeist, wie z.B. in der DE-PS 23 57 893 erläutert ist. Dies geschieht dadurch, daß Rückschlagventile auf den
Druckabfall im Primärsystem ansprechen (normalerweise ist der Druck in den Druckspeichern niedriger als im Primärsystem). Findet dieser Druckabfall aufgrund des Lecks statt, so öffnen die Rückschlagventile, und die Druckspeicher können ihren Inhalt in die Hauptkühlmittelleitungen HL, sowohl auf der kalten als auch auf der heißen Seite, einspeisen. Dadurch wird der Reaktorkern 10 mit Notkühlwasser in ausreichendem Maße versorgt. Aus der Leckstelle tritt nun Notkühlwasser In den Reaktorsumpf bzw. in das Kühlwasserreservoir 24 über, dessen Pegel infolgedessen langsam steigt. In diesem Notkühlfall eines LOCA sind naturgemäß alle Steuerstäbe in den Kern eigefahren worden ("scram"), d.h. der normale Leistungsbetrieb des Kernreaktors ist abgeschaltet, und es entsteht im Kern 10 noch die sogenannte Nachzerfallswärme, die etwa 5 % der Nennleistung des Kernreaktors ausmacht. Wenn nun das Notkühlsystem befriedigend funktioniert, können nach einer gewissen Zeit der Primärkreis und der Sekundärkreis der Kernreaktor-Anlage so weit heruntergekühlt werden, daß eine Reparatur an der gerissenen oder beschädigten Hauptkühlmittelleitung möglich ist. Das in den (nicht dargestellten) Druckspeichern vorhandene Wasservolumen reicht nun aus, den Kühlwasserpegel des Kühlwasserreservoirs 24 bis zu einem Hochwasserstand P2 (gestrichelt angedeutet) anzuheben. Ist dieser Hochwasserstand P2 erreicht, so wird durch das Steigrohr 30 (es können mehrere solcher Steigrohre 30 über den Umfang der Trennwand 27 verteilt angeordnet sein) Kühlwasser in die Einlaufkammer 35 gefördert, und von dieser Einlaufkammer fließt das Kühlwasser über die Einlaßkanäle 31b, 31a zur Einlaßkammer 33 und von hier in das äußere Kühlsystem 29. Nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren füllt sich das äußere Kühlsystem mit Kühlwasser; es findet jedoch noch kein Naturumlauf statt, weil die Wärmeeinwirkung durch eine Kernschmelze auf den Auffangbehälter 19 fehlt. Wenn im Steigrohr 30 (das man auch als Syphon bezeichnen kann) das Wasser steigt, so öffnet die Rück schlagklappe 65. Sollte der Pegelstand P2 auf einen Pegelstand Pl oder noch tiefer fallen, so würde nach dem Syphonprinzip trotzdem durch das Steigrohr 30 Kühlwasser in die Einlaufkammer 35 gefördert werden, weil ja das Rückschlagventil 65 geschlossen hat. Das äußere Kühlsystem 29 ist durch den beschriebenen Funktionsablauf prophylaktisch mit Kühlwasser gefüllt. Sollte nun das Notkühlsystem, welches dem Reaktordruckbehälter über dessen Hauptkühlmittelleitungen HL Notkühlwasser zuführt, aus irgendwelchen Gründen versagen, so daß der Wasserstand im Reaktordruckbehälter 6 zu sinken beginnt, schließlich der Kern 10 (Figur 1) nicht mehr von Kühlwasser bedeckt ist und auch das restliche Kühlwasser aus dem Reaktordruckbehälter 6 ausdampft, ohne daß ein Nachschub möglich ist, so tritt der hypothetische Störfall der Kernschmelze auf. Für diesen Störfall ist nun der Auffangbehälter 19 mit seinem äußeren Kühlsystem, wie beschrieben eigensicher ohne irgendwelche Steuerbefehle, gerüstet, d.h. Kernschmelze, die nach dem Aufschmelzen der Bodenkalotte 6.1 durch diese nun in den Auffangbehälter 19 zunächst tropfen und dann fließen würde, würde sich mit dem Opfermaterial-Depot 19c vermischen (nachdem sie die Wärmedämmung W1 durchschmolzen hat) und sich innerhalb des Auffangbehälters 19 verteilen. Der Wärmefluß würde den Tiegel 19a entsprechend aufheizen und damit das in den äußeren
Kühlkanälen 29.1, 29.2 enthaltene (noch stehende) Kühlwasser. Durch den Wärmeeintrag in diese Kühlwassersäule würde sich nun ein Naturumlauf entwickeln können, d.h. das aufgewärmte Kühlwasser steigt gemäß den Strömungspfeilen fl nach oben und verläßt das Kühlsystem 29 über die Auslaßkanalanordnung 32. Ein Teil des Kühlwassers verdampft und wird an innerhalb des Containments angeordneten Rückkühlern oder an Containmentwänden kondensiert. Das Kondensat tropft oder fließt zurück in das Kühlwasserreservoir 24 und steht damit für den Kreislauf bzw. die Naturumlaufkühlung wieder zur Verfügung. Wenn eine gewisse Menge Kernschmelze in den Auffangbehälter 19 eingedrungen ist, ist die Strahlungswärme so groß, daß auch der Schmelzstopfen 56a wegschmilzt. Dann kann über das Schmelzkühlrohr 56 Kühlwasser zur Oberfläche der Kernschmelze einströmen und diese auch von oben kühlen. Die Kernschmelze wird damit intensiv von unten über den Tiegel 19a und von oben durch den Kühlwasseξfilm gekühlt; da das Schutzmaterial 19b sich ebenfalls mit der Kernschmelze verbindet und mit dieser eine Legierung bildet, deren Schmelzpunkt vorzugsweise erniedrigt ist, so daß ein Verflüssigungseffekt auf die Schmelze ausgeübt wird, so wird auch dadurch die Wärmeabfuhr von der Kernschmelze und ihre interne RollzellenStrömung begünstigt. Da das Kühlwasser in ausreichenden
Mengen zur Verfügung steht, wird nach einer gewissen Zeit, die mehrere Tage betragen kann, die Kernschmelze zur Erstarrung gebracht. Nach Erstarrung vergeht noch einige Zeit bis die Kernschmelze restlos abgekühlt ist, und in diesem Zustand kann mit der Wiederherstellung der Kernreaktor-Anlage begonnen werden. Dazu ist es erforderlich, die KernreaktorAnlage zu dekontaminieren und den beschädigten Kernreaktordruckbehälter 6 zusammen mit dem Auffangbehälter 19, der die erstarrte Kernschmelze enthält, auszuwechseln gegen entsprechende neue Komponenten.

Claims

Patentansprüche
1. Kernreaktor-Anlage, insbesondere Leichtwasserreaktor-Anlage, mit einem Reaktordruckbehälter (6) mit Reaktorkern (10) und einer Kernrückhaltevorrichtung (CC),
g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die folgenden
Merkmale:
a) eine Trag- und Schutzstruktur (7) begrenzt mit einem
Bodenbereich (7.1) und einer Umfangswand (7.2) eine Reaktorkaverne (8), und der mit vertikalem und lateralem Abstand zu Bodenbereich bzw. Umfangswand (7.1, 7.2) in der Reaktorkaverne (8) angeordnete Reaktordruckbehälter (6) ist an der Trag- und Schutzstruktur (7) gelagert,
b) die Kernrückhaltevorrichtung (CC) umfaßt einen mittels einer Kühlflüssigkeit kühlbaren Auffangbehälter (19) für die
Kernschmelze, welcher innerhalb der Reaktorkaverne (8) und unterhalb des Reaktordruckbehälters (6) mit Abstandszwischenraum (28) seiner Boden- bzw. Mantelwand (20, 21) zum Bodenbereich (7.1) bzw. zur Umfangswand (7.2) der Trag- und Schutzstruktur (7) und bevorzugt mit einer solchen Höhe seiner Mantelwand (21) angeordnet ist, daß sich diese wenigstens bis etwa zur Unterkante des Reaktorkerns (10) erstreckt c) im Abstandszwischenraum (28) sind bodenseitige und mantelseitige Kühlkanäle (29.1, 29.2) zur Außenkühlung des Auffangbehälters (19) mit einer Kühlflüssigkeit sowie - im
Flächenbereich der Bodenwand (20) - Turbulenzkörper (34, 34a) zur Erzeugung einer von innen nach außen über die
Bodenwand (20) zur Mantelwand (21) fließenden Turbulenzströmung der Kühlflüssigkeit angeordnet.
2. Kernreaktor-Anlage nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die
bodenseitigen Kühlkanäle (29.1) über eine Einlaßkanalanordnung (31) und die mantelseitigen Kühlkanäle (29.2) über eien Auslaßkanalanordnung (32) an ein außerhalb, der Trag- und Schutzstruktur (7) vorgesehenes, einen Reaktorgebäudesumpf bildendes oder mit diesem verbundenes Kühlwasserreservoir (24) mit einer solchen Steighöhe angeschlossen ist, daß bei heißem Auffangbehälter (19) und wassergefüllten Kühlkanälen (29.1, 29.2) eine Naturumlaufströmung durch die Kühlkanäle hindurch angefacht wird.
3. Kernreaktor-Anlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Auffangbehälter (19) auf dem Bodenbereich (7.1) der Trag- und Schutzstruktur (7) mittels der Turbulenzkörper (34, 34a) und/oder gesonderter Abstützkörper aufgelagert ist.
4. Kernreaktor-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der
Auffangbehälter (19) tiegelartig ausgebildet und hierzu seine Bodenwand (20) nach unten bzw. außen ausgewölbt ist und über einen abgerundeten Kantenbereich (19.1) in die Mantelwand (21) übergeht und daß die Mantelwand (21) vom abgerundeten Kantenbereich (19.1) bis zum oberen Rand (21.1) des Auffangbehälters (19) schwach konisch verjüngt ist.
5. Kernreaktor-Anlage nach Anspruch 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die
Bodenwand (20) des Auffangbehälters (19) sich von einem tiefsten Zentralbereich (19.0) bis zum Kantenbereich (19.1) in Form eines flachen Kegelmantels erweitert, dessen in axialradialen Schnittebenen liegende Schnittflächen mit einem kleinen Steigungswinkel (α) zur Horizontalen verlaufen.
6. Kernreaktor-Anlage nach Anspruch 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Einlaßkanalanordnung (31) in die bodenseitigen Kühlkanäle (29.1) im Zentralbereich (19.0) der Bodenwand (20) des Auffangbehälters (19) über eine Einlaßkammer (33) mündet, daß von der Einlaßkammer (33) die bodenseitigen Kühlkanäle (29.1) sich nach außen bis zum Kantenbereich (19.1) des Auffangbehälters (19) erstrecken und daß sich an den Kantenbereich (19.1) ein mantelseitiger, nach oben verlaufender Kühlkanal (29.2) anschließt, welcher in eine Auslaßkanalanordnung (32) mündet.
7. Kernrekator-Anlage nach Anspruch 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die
Einlaßkanalanordnung (31) den Bodenbereich (7.1) der Trag- und Schutzstruktur (7) durchdringt und von einer das KühlWasserreservoir (24) aufnehmenden Kammer (23) bis zum Zentralbereich (19.0) der Bodenwand (20) des Auffangbehälters (19) sich erstreckt und daß die Auslaßkanalanordnung (32) die
Umfangswand (7.2) der Trag- und Schutzstruktur (7) durchdringt, eine Fortsetzung des mantelseitigen Kühlkanals (29.2) bildet und in das Kühlwasserreservoir (24) in dessen oberem Pegelbereich (P2) mündet.
8. Kernreaktor-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Grundkörper (19a) des Auffangbehälters (19) von einem Tiegel, bestehend aus einer temperaturbeständigen Stahllegierung, gebildet ist, daß die inneren Boden- und Mantelflächen (20, 21) des Tiegels (19a) mit einem Schutzmantel (19b) ausgekleidet sind, welcher dem Schutz des Tiegelmaterials gegen Schmelzangriff dient, und daß als zweite Schutzschicht für den Tiegel auf den Schutzmantel (19b) ein Opfermaterial-Depot (19c) folgt, dessen Menge zur Reaktion mit dem maximal möglichen Kernschmelzvolumen, welches bei ein eventuellen Störfall in den Auffangbehälter (19) eindringen würde, ausreicht.
9. Kernreaktor-Anlage nach Anspruch 8 oder 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der
Schutzmantel (19b) aus einer der folgenden Legierungen,
einzeln oder in Kombination, besteht: MgO, UO2 oder ThO2.
10. Kernreaktor-Anlage nach Anspruch 8 oder 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Opfermaterial-Depot (19c) als ein Mauerwerk aus Abschirmbetonsteinen (36) ausgebildet ist.
11. Kernreaktor-Anlage nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die
Turbulenzkörper (34, 34a) sogenannte Deltaflügel (34d) in
Gestalt von Prismen mit dreiseitigen Flächen (F1-F4) umfassen, welche an dem der Auffangbehälter-Bodenwand (20) mit Kühlspalt gegenüberliegenden Bodenbereich (7.1) der Trag- und Schutzstruktur (7) befestigt sind.
12. Kernreaktor-Anlage nach Anspruch 1 oder 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Turbulenzkörper (34, 34a) als Rohrstutzen (34r) ausgebildet sind und die Rohrstutzen (34r) an ihren der Bodenwand (20) des Auffangbehälters (19) zugewandten Enden mit Kanalaussparungen (41) zur Erzeugung von Kühlwasserteilströmen (fll) versehen sind, so daß letztere die Bodenwand (20) auch im Rohrstutzenbereich umspülen.
13. Kernreaktor-Anlage nach Anspruch 12,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß pro Rohrstutzen (34r) jeweils zwei in Strömungsrichtung
fluchtende U-förmige Kanalaussparungen (41) vorgesehen sind, deren Begrenzungen zur Turbulenzvergrößerung kantig (41.1) ausgeführt sind.
14. Kernreaktor-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen Abschirmring (37), der oberhalb des Auffangbehälters (19) und an diesen anschließend im Ringraum (45) zwischen der Umfangswand (7.2) der Trag- und Schutzstruktur (7) und dem Außenumfang des Reaktordruckbehälters (6) installiert ist.
15. Kernreaktor-Anlage nach Anspruch 14,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der
Abschirmring (37) an der Umfangswand (7.2) der Trag- und Schutzstruktur (7) verankert ist.
16. Kernreaktor-Anlage nach Anspruch 14 oder 15,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der
Abschirmring (37) aus Spannbeton besteht und seine Stahlarmierung mit der Stahlarmierung der ebenfalls aus Spannbeton bestehenden Trag- und Schutzstruktur (7) zu einem einheitlichen Stahlarmierungssystem vereinigt ist.
17. Kernreaktor-Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Abschirmring (37) aus einzelnen Ringsegmenten zusammengesetzt ist und die Ringsegmente miteinander und mit der Umfangswand (7.2) der Trag- und Schutzstruktur (7) verzahnt sind.
18. Kernreaktor-Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine den Unterteil (6a) des Reaktordruckbehälters (6) mit Abstand umgebende Wärmedämmung (W) vorgesehen ist, welche im wesentlichen in drei ineinander übergehende Dämmpartien (W1-W3) untergliedert ist:
a) eine untere Dämmpartie (W1), welche die Opferschicht (19c) des Auffangbehälters (19) auskleidet und die Bodenkalotte
(6.1) des Reaktordruckbehälters (6) umgibt,
b) eine mittlere Dämmpartie (W2), welche den Innenumfang des Abschirmrings (37) auskleidet, und
c) eine obere Dämmpartie (W3), welche sich vom Abschirmring (37) bis zum Bereich der Deckelteilfuge (38) des Reaktordruckbehälters (6) erstreckt und von den Hauptkühlmittelstutzen durchdrungen ist.
19. Kernreaktor-Anlage,insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein äußere Kühlsystem (29) des Auffangbehälters (19) als ein duales Luft- und Wasser-Kühlsystem ausgebildet ist, welches im Normalbetrieb der Kernreaktor-Anlage (KA), d.h. bei trockenem äußerem Kühlsystem, der Luftkühlung des KernreaktorDruckbehälters (6) bzw. der Außenseite einer diesen umgebenden Wärmedämmung (W) dient, zu welchem Zweck eine Einlaßkanalanordnung (31) an eine Kühlluftquelle (49) und eine Auslaßkanalanordnung (32) an eine Kühlluftsenke angeschlossen sind.
20. Kernreaktor-Anlage nach Anspruch 19,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zusätzlich zum äußeren dualen Kühlsystem (29, ZL1) ein weiteres Luftkühlsystem (ZL2) für den Reaktordruckbehälter (6) vorgesehen ist, daß zur Belüftung dieses weiteren Luftkühlsystems (ZL2) Eintrittskanäle (50), welche die Umfangswand (7.2) der Trag- und Schutzstruktur (7) und den Abschirmring (37) durchdringen, in einen oberen Kühlluftraum (45) münden,
und daß sich dieser obere Kühlluftraum (45) außerhalb der oberen Dämmpartie (W3) bis zu einer Tragringstruktur (51) des Reaktordruckbehälters (6) erstreckt, wobei die aufwärts strömende Kühlluft in mehreren Teilströmen an den folgenden Kühlflächen entlangführbar ist:
- am Außenumfang der oberen Dämmpartie (W3) und am Innenumfang der Umfangswand (7.2) der Trag- und Schutzstruktur (7),
- an den Außenflächen der Tragringstruktur (51), insbesondere an ihren die Tragpratzen (54) des Reaktordruckbehälters (6) abstützenden Tragarmen (51a) und an ihrem eigenen Auflager (55),
- und durch Austrittsringkanäle (7.4) hindurch, die zwischen dem Außenumfang der Hauptkühlmittelleitungen (HL) und dem
Innenumfang von Wanddurchbrechungen (7.3) der Trag- und Schutzstruktur (7) gebildet werden, ins Containment bzw. in die
Abluft-Filteranläge.
21. Kernreaktor-Anlage, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Auffangbehälter (19) in der oberen Hälfte seiner
Mantelwand (21) von wenigstens einem Schmelzkühlrohr (56) durchdrungen ist, welches bei einer Mehrschichtstruktur des Auffangbehälters (19) durch dessen Tiegelwand (19a), Schutzschicht (19b), Opfermaterial- Depot (19c) und Wärmedämmung (W1) hindurchragt, an seinem inneren Ende mittels Schmelzstopfen (56a) abgedichtet und von außen nach innen mit Gefälle verlegt sowie einlaufseitig an einen Kühlflüssigkeitsspeicher (24) angeschlossen ist, so daß bei im Auffangbehälter (19) vorhandener Kernschmelze der Schmelzstopfen (56a) auf seine Schmelztemperatur aufgeheizt und zum Schmelzen gebracht und somit ein Strömungsweg für die Kühlflüssigkeit zur Oberfläche der Kernschmelze freigegeben wird.
22. Verfahren zum Ingangsetzen und Aufrechterhalten einer äußeren Notkühlung des Auffangbehälters bei einer KernreaktorAnlage nach einem der Ansprüche 1 bis 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
- daß bei Normalbetrieb der Kernreaktor-Anlage der Kühlwasserpegel des Kühlwasserreservoirs (24) auf einen. Niedrigwasserstand gehalten wird, bei dem in die Einlaßkanal-Anordnung (31) des Auffangbehälter-Kühlsystems (29) kein Kühlwasser gelangen kann,
- daß bei Auftreten eines Lecks im Primärkreis Notkühlwasser von primärkreisdruck-abhängig aktivierbaren Druckspeichern in die Hauptkühlmittelleitungen (HL) des Reaktordruckbehälters (6) eingespeist wird, wobei dieses Notkühlwasser über die Leckstelle und gegebenenfalls parallel dazu über weitere Einspeisestellen in das Kühlwasserreservoir (24) eingespeist wird und wobei das Wasservolumen der Druckspeicher ausreicht, den Kühlwasserpegel des Kühlwasserreservoirs (24) bis zu einem Hochwasserstand (P2) anzuheben, bei welchem Kühlwasser vom Kühlwasserreservoir (24) in die Einlaßkanal-Anordnung (31) und von dort in den Abstandszwischenraum (28) des Auffangbehälter-Kühlsystems (29) gelangen und das Kühlsystem bis zum Niveau einer Auslaßkanal-Anordnung (32) auffüllen kann, so daß bei heißem Auffangbehälter (19) eine Naturumlaufströmung vom Kühlwasserreservoir (24) über die Einlaßkanal-Anordnung (31) zu den boden- und mantelseitigen Kühlkanälen (29.1,29.2) des Kühlsystems (29) und von dort über die Auslaßkanal-Anordnung (32) zurück zum Kühlwasserreservoir (24) in Gang gesetzt wird.
23. Kernrückhaltevorrichtung (CC) für einen Kernreaktor, welcher einen Reaktordruckbehälter (6) mit Reaktorkern (10) aufweist, insbesondere für einen Leichtwasserreaktor, mit den folgenden Merkmalen:
a) unterhalb des Reaktordruckbehälters (6) ist ein mittels
einer Kühlflüssigkeit kühlbarer Auffangbehälter (19) für die Kernschmelze so installiert, daß seine Bodenwand (20) und seine Mantelwand (21) einen Abstandszwischenraum (28) zum Bodenbereich (7.1) bzw. zur Umfangswand (7.2) einer den Reaktordruckbehälter (6) tragenden sowie unten und seitlich umgebenden Trag- und Schutzstruktur (7) aufweisen, b) im Abstandszwischenraum (28) sind bodenseitige und mantelseitige Kühlkanäle (29.1, 29.2) zur Außenkühlung des Auffangbehälters (19) mit einer Kühlflüssigkeit sowie - im Flächenbereich der Bodenwand (20-) - Turbulenzkörper (34, 34a, 34d) zur Erzeugung einer von innen nach außen über die Bodenwand (20) zur Mantelwand (21) fließenden Turbulenzströmung der Kühlflüssigkeit angeordnet.
24. Kernrückhaltevorrichtung nach Anspruch 23,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die bodenseitigen Kühlkanäle (29.1) über eine Einlaßkanalanordnung (31) und die mantelseitigen Kühlkanäle (29.2) über eine Auslaßkanalanordnung (32) an ein außerhalb der Trag- und Schutzstruktur (7) vorgesehenes, einen Reaktorgebäudesumpf bildendes oder mit diesem verbundenes Kühlwasserreservoir (24) mit einer solchen Steighöhe angeschlossen ist, daß bei heißem Auffangbehälter (19) und wassergefüllten Kühlkanälen (29.1, 29.2) eine NaturumlaufStrömung durch die Kühlkanäle hindurch angefacht wird.
25. Deltaflügel in Gestalt eines dreiseitigen Prismas zur Erzeugung einer Turbulenzströmung innerhalb eines Kühlkanals, der von einem flüssigen Kühlmittel durchströmt wird und der durch zwei übereinander angeordnete, zueinander beabstandete Kanalwände in vertikaler Richtung begrenzt wird, einer oberen, von der abzuführenden Wärme beheizten ersten Kanalwand und einer unteren, auf ihrer Innenseite mit den Deltaflügeln versehenen zweiten Kanalwand.
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