DE2653258C2 - Verfahren zur Verringerung der Gefahren, die infolge eines Unfalles durch Niederschmelzen eines Kernreaktor-Kerns entstehen können, sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Verringerung der Gefahren, die infolge eines Unfalles durch Niederschmelzen eines Kernreaktor-Kerns entstehen können, sowie eine Anordnung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Abstract
Das Prinzip des Verfahrens beruht auf dem stufenweisen Eindringen der Coreschmelze in das Boratlager unter gleichzeitigem Aufloesen darin. Durch den Aufloesevorgang wird zugleich die Nachzerfallswaerme der Coreschmelze vom Borat aufgenommen. Zur Beseitigung der erstarrten Schmelzermasse wird in die Auffangwanne Wasser eingebracht. Durch das Herausloesen des wasserloeslichen Borats verbleibt die oxidische Phase des Cores in Pulverform zurueck, so dass dieses Pulver zusammen mit dem Wasser aus der Auffangwanne, bzw. aus dem Reaktorgebaeude herausgesaugt werden kann. chromatographie in Saeulen erfolgen, wie sie ueblicherweise fu
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung der Gefahren, die infolge eines Unfalles durch Niederschmelzen
eines Kernreaktorkerns entstehen können, bei welchem das Eindringen der Kernschmelze in
die Reaktorumhüllung durch Abkühlen- und zumindest teilweise Erstarrenlassen der Schmelze in einer Auffangwanne
unter dem Reaktorkern verhindert wird, und bei welchem die auf das Niederschmelzen des Kerns
und Erstarren der Schmelze folgende Beseitigung der schwierig zu entfernenden, erstarrten Masse durch Mischen
und Verdünnen des oxidischen Teils der Kernschmelze mit zuvor in die Auffangwanne eingebrachten
anorganischen Oxiden oder Salzen erleichtert wird, sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Vermeidung eines unkontrollierten Austretens einer nieder?chme!zenden Reaktor-Kernmasse aus dem
Reaktorbereich wurden bereits verschiedene Vorschläge gemacht. Diese Vorschläge beruhen hauptsächlich
auf dem Versuch, die Kernschmelze durch geeignete Maßnahmen bzw. durch eine geeignete Auffangvorrichtung
an der Oberfläche so zu kühlen, daß die Kernschmelze spätestens an der Kontaktstelle zur Auffangwanne
erstarrt und damit ein weiteres Eindringen der Kernschmelze in die Reaktorumhüllung verhindert
wird. So wurden beispielsweise metallische Auffangwannen, die u. U. auf ihrer Innenseite mit Graphit beschichtet
sind, ein Kühlsystem enthalten und innerhalb der Reaktordruckbehälter angeordnet sind, beschrieben.
Solche Auffangwannen können Einbauten zum Auftrennen der Kernschmelze in Teüportionen zum
Vermeiden eines Kritikalitätsunfalles aufweisen.
In der DE-OS 22 34 744 wird eine Auffangwanne mit einem über ihr angeordneten Sprühsystem für Wasser
vorgeschlagen, um bei einem Abschmelzen des Kerns die Kernschmelzen-Masse mit Wasser in Tröpfchenform
zu kühlen. Eine Kühlung mit flüssigem Metall, z. B. mit Kupfer, Blei oder Aluminium wurde ebenfalls in
Erwägung gezogen.
Die bisher vorgeschlagenen Kühlmittel weisen jedoch alle gravierende Nachteile auf, z. B. lösen sie nicht
die Kernschmelze auf. So verbleiben einerseits die nachzerfallswärme-erzeugenden
Spaltprodukte in der Kernschmelze in relativ kleinem Volumen konzentriert und andererseits entsteht nach der Erstarrung der Schmelze
eine in Wasser unlösliche, mechanisch schwerbearbeitbare Masse. Die Konzentrierung der Spaltprodukte bedingt
eine hohe Temperatur der Schmelze und damit verknüpft, entsteht eine höhere Gefährdung der Umgebung.
Eine in Wasser unlösliche, schwerbearbeitbare, erstarrte Kernschmelzen-Masse macht die Aufräumung
der Unfallstelle sehr schwierig, wenn nicht gar unmöglich.
Es sind auch schon Vorschläge zum Auffangen einer Kernschmelze gemacht worden, bei denen -die erstarrte
Kernschmelze aufgelöst bzw. suspendiert werden soll. So wurde die Auflösung der Kernschmelze z. B. in Beton
und Basalt diskutiert Dadurch entsieht aber wiederum ein schwerbearbeitbares Produkt Außerdem sind
die Lösevorgänge in derartigen komplexen Auffangmitteln unüberschaubar und mit vielen offenen Fragen \ erbunden.
Auch der Vorschlag, die Kernschmelze in flüssigem Blei zu suspendieren, führt zu einem schwierig entfernbaren
Unfallendprodukt
In der DE-OS 23 63 844 wird eine Einrichtung offenbart, die aus einer Auffangwanne und einer darin angeordneten,
evtl. von einer Metallfolie umgebenen, Schutzschicht aus Oxiden oder Salzen besteht.
Diese Einrichtung hat die Aufgabe, die Gefahren einer Wasserstofffreisetzung und deren Folien, die bei
Auftreten eines Kernschmelzen-Unfalles bei einem mit Wasser, Wasserdampf oder Gas gekühlten Kernreaktor
auftreten können, zu verhindern. Als Oxide oder Salze tür die Schutzschicht werden dort MgO, CaO, B2O3,
SiO2, Borate, Phosphate, Chromate und Karbonate genannt.
Die in der Auffangwanne durch nichts unterbrochene Schutzschicht bewirkt daß bei einem Kernschrnelzen-Unfall
die Kernschmelze zunächst entweder an einer oder auch an mehreren Stellen die Schutzschicht
der Auffangwanne aufschmilzt, durchbricht, und als Ganzes, d. h. sowohl der oxidische Teil als auch der
metallische Teil der Kernschmelze, die Schutzschicht unterläuft, so daß der metallische Teil der Kernschmelze
von der inzwischen insgesamt aufgeschmolzenen Schutzschicht der Auffangwanne lückenlos überdeckt
wird. Eine andere mögliche Wirkung der Schutzschicht der Auffangwanne wird darin gesehen, daß zumindest
ein Teil der Schutzschicht sich mit zumindest einem Teil des oxidischen Kernschmelzenteils zu einer Masse
mischt, die eine peringere Dichte aufweist als der metallische Teil der Kernschmelze und deshalb diese überschichtet.
In beiden Fällen wird erreicht, daß ein Kontakt zwischen dem metallischen Teil der Kernschmelze
und Wasser oder Wasserdampf verhindert wird. Nur im letzteren Fall besteht die Möglichkeit, daß das Aufräumen
der Unfallstelle erleichtert wird, was jedoch durch die erstarrten Massen der metallischen und der oxidischen
Kernschmelzfe 1 icht in gewünschtem Maße und
immer sichergestellt ist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung dieses
Verfahrens zu schaffen, daß eine einfache, sichere, schnelle und praktisch vollständig durchführbare Entsorgung
der Unfal'stelle gewährleistet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man den oxidischen Teil der Kernschmelze in ein
aus mehreren übereinanderliegenden Schichten eines oder mehrerer wasserlöslicher Auffangmittel bestehendes
Bett in einer Auffangwanne stufenweise eindringen läßt, den oxidischen Teil der Kernschmelze in dem (den)
in einer etwa gleichen Gewichtsmenge wie die Kernschmelze vorgelegten Auffangmittel(n) löst, die Lösungsschmelze
zu einer glasähnlichen, jedoch vorwiegend wasserlöslichen Masse erstarren läßt und nach Abkühlen
auf eine Temperatur, bei der eine Wasserstoff-Freisetzung vermieden wird, die erstarrte Masse mit
Wasser oder Wasserdampf aus der Auffangwanne herauslöst und herausschwemmt.
Vorteilhafterweise läßt man den oxidischen Teil der Kernschmelze auf Schichten aus umhüllten Formstükken
eintropfen oder einfließen, die das, bzw. die Auffangmittel enthalten.
Zur Durchführung des Verfahrens wird gemäß der Erfindung eine Anordnung vorgeschlagen, bei welcher
in ein^r kühlbaren, auf der Innenseite mit einer festhaftenden Schutzschicht versehenen Auffangwanne eine
mit einer Metallfolie umhüllte Schicht einer Schutzsubstanz aus Oxiden oder anorganischen Verbindungen
zum Abkühlen einer Kernschmelze und zum Schutz des metallischen Teils der Kernschmelze vor einem Kontakt
mit Wasser oder Wasserdampf angeordnet ist eine Anordnung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Auffangwanne
mit mehreren horizontal übereinanderliegenden Schichten aus umhüllten Formstücken mit einem
Auffangmittel, das mit dem oxidischen Teil der Kernschmelze die Lösungsschmelze bildet versehen ist.
Das Auffangmittel besteht vorteilhafterweise aus einem oder mehreren wasserlöslichen Alkaliboraten. In
einer Ausbildung der Erfindung liegt innerhalb einer Schicht nur eine wasserlösliche Boratart oder nur eine
Art einer Mischung von wasserlöslichen Boraten vor. Unterschiedliche Schichten können unterschiedliche
Arten von wasserlöslichen Boraten oder unterschiedliche Arten von wasserlöslichen Boratgemischen enthalten.
Die Umhüllung der Formstücke besteht aus Metallen oder Metallegierungen. Als Umhüllung der Formstücke
wird mindestens ein Metall oder eine Metallegierung aus der Gruppe Stahl, Eisen, Gußeisen, Nickel,
Eisenlegierungen, Nickellegierungen verwendet.
In einer anderen Ausbildung der Erfindung werden als Umhüllung der Formstücke hochschmelzende Gläser
oder hochschmelzende keramische Stoffe jedoch mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als die Kernschmelze
verwendet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist auf dem Boden der beschichteten
Auffangwanne eine Schicht dicht nebeneinander gepackter, entfernbarer Graphitwannen zum Auffangen
des metallischen Teils der Kernschmelze angeordnet.
Das Prinzip des Verfahrens beruht auf dem stufenweisen
Eindringen der Kernschmelze in das Boratlager unter gleichzeitigem Auflösen darin. Durch den Auflösevorgang
wird zugleich die Nachzerfallswärme der Kernschmelze vom Borat aufgenommen. Zur Beseitigung
der erstarrten Schmelzmasse v.'ird in die Auffangwanne Wasser eingebracht. Durch das Herauslösen des
wasserlöslichen Borats verbleibt die oxidische Phase des Kerns in Pulverform zurück, so daß dieses Pulver
zusammen mit dem Wasser aus der Auffangwanne, bzw. aus dem Reaktorgebäude herausgesaugt werden kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen für einen gasgekühlten schnellen Brutreaktor
(GSB) erläutert.
Die F i g. 1 zeigt die umhüllten Formstücke 3 mit wasserlöslichem Borat in einer mit Kühlrohren 2 versehenen
Auffangwanne 1 innerhalb der Reaktorumhüllung 7 eines 1000 MWe-GSB. Zum zusätzlichen Schutz der
Auffangwanne 1 ist an deren Innenseite 4 eine Schutzschicht 5 — in vorliegendem Fall aus Graphit — angebracht.
Diese Schutzschicht 5 ist nicht Gegenstand der Erfindung. Es können als leicht wasserlösliche Borate
Alkaliborate, d. h. die Lithium-, Kalium-, Natrium-, Rubidium- und Cäsiumborate, verwendet werden. Bei gasgekühlten
schnellen Brütern wird man bevorzugt Na2B-(O?, Borax, wegen seiner Verfügbarkeit und wegen
seiner günstigen physikalischen und chemischen Eigenschaften einsetzen. Als Hüllmaterial eignet sich Stahl.
Aber auch andere Metalle, wie Eisen, Nickel u. a., sowie
Metallegierungen sind verwendbar. Durch die Wahl des Hüllmaterials, d. h. dessen Schmelztemperatur, und der
Größe der Formstücke 3 läßt sich das Eindringen der Kernschmelze steuern. Die Schichtdicke des Stahls aus
der Kernschmelze eines 1000 MWe-GSB (gleichmäßig auf den Boden der Reaktorkaverne von 50 m2 verteilt)
wäre etwa 10—11 cm hoch. Um die am Boden sich ansammelnde metallische Phase aus der Reaktorkaverne
leicht entfernen zu können, bringt man auf den Boden der beschichteten Auffangwanne 1 (also unterhalb der
Boratlagen) Graphitwannen 6 ein, deren Seitenwände höher sind als die zu erwartende Metallschicht. Das
freie Volumen der Wannen kann mit umhüllten Formstücken 3 gefüllt werden. Oberhalb der aus den Formstücken
3 gebildeten Schichten schützt ein Hitzeschild 10 die gekühlte Wand der Auffangwanne 1 gegen zu
starke Wärmestrahlung von der herabfließenden Kernschmelze.
Die F i g. 2 zeigt schematisch das stufenweise Eindringen der Kernschmelze in das Boratlager im Kern-Fänger.
Dieser Figur liegen unter bestimmten Annahmen errechnete Zeiten bis zum Erreichen der Schmelztemperatur
des Stahl (ca. 1427° C) zugrunde.
Das Gewichtsverhältnis z. B. von Natriumborat zur oxidischen Phase der Kernschmelze wird vorteilhafterweise
höher als 1 :1 gewählt. Bei der Abschätzung der Eindringzeiten war das Verhältnis Na2B4O?: Kernschmelze
ca. 4:3. Wegen des bedeutend geringeren Atomgewichts von Natrium und Bor gegenüber Uran
ist das Mol- bzw. Atomverhältnis noch höher. Ein höheres Borat/Brennstoffverhältnis ist erforderlich, um sicherzustellen,
daß auch bei vollständiger Reaktion die Wasserlöslichkeit gewahrt ist. Es sind Reaktionen zu
Na3UO4 (Natriumuranat) und zu UO2(BO2J2 (Uranylborat)
denkbar. Na3UO4 nimmt bereits beim Lagern an
Luft sofort H2O und CO2 auf; mit Wasser erfolgt Totalhydrolyse.
Mit Wasser hydrolysiert UO2(BO2J2 ebenfalls,
es bilde* sich UO3 · 2H2O. Daraus ist zu entnehmen, daß
man bein entsprechenden Einsatz der Auffangmittelmenge das Produkt mit der Kernschmelze auflösen,
bzw. hydrolysieren kann. Damit wird weiterhin erreicht, daß man den oxidischen Teil der Kernschmelze in fein
verteilte Form bringt In dieser Form läßt sich die Kernschmelze
in einfacher Weise durch Absaugen aus der Reaktorkaverne entfernen. Das Auflösen und Hydrolysieren
kann über einen Kreislauf erfolgen, wobei das Wasser durch Eindampfen der von den suspendierten
Partikeln abgesaugten und filtrierten Lösung immer wieder in den Kreislauf eingespeist werden kann.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden fernbediente mechanische Bcärbcuüngsmäschinen in der
Reaktorkaverne überflüssig. Es sind lediglich Wasserzuleitungen 8, bzw. 8a, und Absaugleitungen 9, bzw. 9a,
notwendig. Diese einfachen Elemente lassen sich auch nach einem Kernschmelzen in die Reaktorkaverne einführen.
Der hydrolysierte Brennstoff fällt in einer zur Wiederaufbereitung günstigen Form an.
Obwohl die Erfindung primär für einen gasgekühlten schnellen Brüter entwickelt ist, zeigt sich, daß sie auch
für wassergekühlte und natriumgekühlte Reaktoren bei entsprechender Modifizierung verwendbar ist So muß
bei LWR gesorgt werden, daß im Falle eines Unfalles nicht das Wasser das unterhalb des Kernbereichs gelagerte
wasserlösliche Borat unkontrolliert wegspülen kann, was bereits mit einer allseitigen Umhüllung des
Borats erreicht wird. Das ist bei zweckmäßiger Konstruktion und Kapselung der Auffangmittel ohne weiteres
möglich.
Bei natriumgekühlten Reaktoren (wie schnelle Brüter) wird man zweckmäßigerweise ein Borat wählen, das
nicht weiter mit metallischem Natrium reagiert. In diesem Falle würde man z. B. NaBO2, Natriummetaborat,
einsetzen.
Bei natriumgekühlten schnellen Brütern muß ein Eindringen von Wasser in die Reaktorkaverne von vornherein
auszuschließen sein. Bei LWR würde durch die Umhüllung der Boratformstücke 3 kein bzw. kaum zusätzlicher
Wasserstoff freigesetzt werden, denn nach dem Aufschmelzen der obersten Hülle der Formstücke
würde das Borat einen Kontakt zwischen Stahl und Wasser bzw. Wasserdampf verhindern.
Beim Aufschmelzen nur weniger Formstücke wird man die unbeschädigten Stücke nach der für den Normalfall
vorgesehenen Technik entfernen und danach den angeschmolzenen Rest nach der Löse-Abpumpenmethode
(Schadsnsfallmethode) räumen. Bei größerem partiellen Erschmelzen der Boratschichten wird man zunächst
die Schadensfallmethode der Entsorgung anwenden. Die unbeschädigten Formstücke werden erst danach
herausgeholt.
Durch die Erfindung wird erreicht, daß die Nachzerfallswärme nach einem Kernniederschmelzen sicher
und ohne weitere aktive Maßnahmen von Auffangmitteln aufgenommen wird. Die Wärme- und Strahlungsbelastung
des Reaktorbereichs wird verringert. Die zusätzliche Sicherheitsmaßnahme tangiert wenig die eigentliche
Kernreaktorkonstruktion. Sie ist in der Ausführung einfach und preiswert Der Reaktorbereich
wird durch die Einbringung der erfindungsgemäßen Einrichtung nicht gestört
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Verfahren zur Verringerung der Gefahren, die infolge eines Unfalles durch Niederschmelzen eines
Kernreaktor-Kernes entstehen können, bei welchem das Eindringen der Kernschmelze in die Reaktorumhüllung
durch Abkühlen- und zumindest teilweise Erstarrenlassen der Schmelze in einer Auffangwanne
unter dem Reaktor-Kern verhindert wird, und bei welchem die auf das Niederschmelzen
des Kerns und Erstarren der Schmelze folgende Beseitigung der schwierig zu entfernenden, erstarrten
Masse durch Mischen und Verdünnen des oxidischen Teils der Kernschmelze mit zuvor in die Auffangv/anne
eingebrachten anorganischen Oxiden oder Salzen erleichtert wird, dadurch gekennzeichnet,
daß man den oxidbchen Teil der Kernschmelze in ein aus mehreren übereinanderliegenden
Schichten eines oder mehrerer wasserlöslicher
λ ·Auffangmittel bestehendes Bett in einer Auffangvwanne
stufenweise eindringen läßt, den oxidischen Teil der Kernschmelze in dem (den) in einer etwa
gleichen Gewichtsmenge wie die Kernschmelze vorgelegten Auffangmittel(n) löst, die Lösungsschmelze
zu einer glasähnlichen, jedoch vorwiegend wasserlöslichen Masse erstarren läßt und nach Abkühlen
auf eine Temperatur, bei der eine Wasserstoff-Freisetzung vermieden wird, die erstarrte Masse mit
Wasser oder Wasserdampf aus der Auffangwanne herauslöst und herausschwemmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den oxidischen Teil der Kernschmelze
auf Schichten aus umhüllten Formstücken eintropfen oder einfließen läßt, die das bzw. die Auffangmittel
enthalten.
3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei welcher in einer kühlbaren, auf
der Innenseite mit einer festhaftenden Schutzschicht versehenen Auffangwanne eine mit einer Metallfolie
umhü'lte Schicht einer Schutzsubstanz aus Oxiden oder anorganischen Verbindungen zum Abkühlen
einer Kernschmelze und zum Schutz des metallischen Teils der Kernschmelze vor einem Kontakt
mit Wasser oder Wasserdampf angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangwanne (1) mit
mehreren horizontal übereinanderliegenden Schichten aus umhüllten Formstücken (3) mit einem Auffangmittel,
das mit dem oxidischen Teil der Kernschmelze die Lösungsschmelze bildet, versehen ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Auffangmittel aus einem oder
mehreren wasserlöslichen Alkaliboraten besteht.
5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer Schicht nur eine wasserlösliche
Boratart oder nur eine Art einer Mischung von wasserlöslichen Boraten vorliegt.
6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß unterschiedliche Schichten unterschiedliche Arten von wasserlöslichen Boraten oder
unterschiedliche Arten von wasserlöslichen Boratgemischen enthalten.
7. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Umhüllung der Formstücke (3) aus Metallen oder Metallegierungen besteht.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Umhüllung der Formstücke (3) mindestens
ein Metall oder eine Metallegierung aus der Gruppe Stahl, Eisen, Gußeisen, Nickel, Eisenlegierungen,
Nickellegierungen verwendet wird.
9. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Umhüllung der Formstücke (3)
hochschmelzende Gläser oder hochschmelzende keramische Stoffe jedoch mit einem niedrigeren
Schmelzpunkt als die Kernschmelze verwendet werden.
10. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß auf dem Boden der beschichteten Auffangwanne (1) eine Schicht dicht nebeneinander gepackter,
entfernbarer Graphitwannen (6) zum Auffangen des metallischen Teils der Kernschmelze angeordnet
ist
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-
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