DE2840086A1

DE2840086A1 - CORE REACTOR SYSTEM WITH A COLLECTION DEVICE FOR A MELTING REACTOR CORE

Info

Publication number: DE2840086A1
Application number: DE19782840086
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Dr Hassmann; Martin Dipl Phys Dr Peehs
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1978-09-14
Filing date: 1978-09-14
Publication date: 1980-03-20
Also published as: ES8103437A1; FR2436474A1; DE2840086C2; SE7907577L; JPS5555289A; AR219182A1; GB2030347B; BR7905616A; GB2030347A; ES484147A0

Description

KRAFTWERK UNION AKTIENGESELLSCHAFT Unser ZeichenKRAFTWERK UNION AKTIENGESELLSCHAFT Our mark

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Kernreaktoranlage mit einer A\iffangeinrichtung für einen abschmelzenden Reaktorkern ___Nuclear reactor plant with a catching device for a melting reactor core ___

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kernreaktoranlage, bestehend aus dem in einem Druckgefäß einge-The present invention relates to a nuclear reactor plant, consisting of the schlossenen Reaktorkern, der aus einer Vielzahl von Brennelementen aufgebaut und innerhalb einer Betonkaverne gelagert ist, Dampferzeugern und sonstigen Hilfseinrichtungen innerhalb einer druckfesten Stahl/Beton-Sicherheitshülle sowie einer Auffangeinrichtung unter-closed reactor core, which is made up of a large number of fuel assemblies and stored within a concrete cavern, steam generators and other auxiliary equipment within a pressure-resistant steel / concrete safety envelope and a collection device under- halb der Reaktorkaverne für den im Falle eines höchst unwahrscheinlich eintretenden Unfalles abschmelzenden Reaktorkern.half of the reactor cavern for the melting point in the event of a highly unlikely accident Reactor core.

Ein solcher Unfall ist denkbar, wenn sämtliche, mehrfach vorhandenen Kühleinrichtungen für den Reaktor kern versagen sollten. Bei einer solchen hypothetischen Annahme schmilzt der Reaktorkern in Stundenfrist nieder. Dabei sind in der Schmelze zunächst der Kernbrennstoff und das Material der Hüllrohre der BrennstäbeSuch an accident is conceivable if all the multiple cooling devices for the reactor core should fail. With such a hypothetical assumption, the reactor core melts down within hours. First of all, the nuclear fuel and the material of the cladding tubes of the fuel rods are in the melt

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also z.B. Zirkonium oder Stahl enthalten. Diese Kernschmelze wird dann zunächst vom Reaktordruckbehälter aufgefangen. Die Barrierewirkung desselben gegenüber dieser Schmelze ist jedoch beschränkt, da sich dieser Behälter in seiner typischen Einbauposition praktisch ungekühlt aufheizt und seine Wärmekapazität trotz der hohen Versagenstemperatur von 1300 bis 1400⁰C relativ schnell erschöpft ist.thus contain zirconium or steel, for example. This core meltdown is then initially caught by the reactor pressure vessel. The barrier effect of the same with respect to this melt is limited, however, since this container heats up practically without cooling in its typical installation position and its heat capacity is exhausted relatively quickly ^{despite the high failure temperature of 1300 to 1400 ° C.}

Nach der Zerstörung des Bodens des Reaktordruckbehälters fällt die Schmelze auf das Betonfundament im Reaktorraum. Sie setzt sich zu diesem Zeitpunkt beispielsweise aus ca. 75 t Stahl, 120 t UO₂ und 28 t Zry zusammen. Nunmehr findet eine erste Abkühlung der Schmelze durch Wärmeleitung im Beton statt, sowie durch Strahlung von der Oberfläche des Schmelzsees aus. Da jedoch auch der Beton bei etwa 1300⁰C zu schmelzen beginnt, vermischt sich dieser mit der Metallschmelze durch Konvektion. Dies ist mit einer Auflösung der Betonstrukturen verbunden, so daß die Möglichkeit besteht, daß das Wasser des Reaktorsumpfes direkt oder indirekt mit der Schmelze in Berührung kommt, verdampft und einen erhöhten Druckaufbau im Reaktorsicherheitsbehälter zur Folge hat. Da aber auch der stählerne Reaktorsicherheitsbehälter im Bereich des unteren Pols durchschmolzen wird, wird dieser damit geschwächt, so daß die Druckfestigkeit desselben verringert wird.After the bottom of the reactor pressure vessel has been destroyed, the melt falls onto the concrete foundation in the reactor room. At this point in time, it is composed, for example, of approx. 75 t of steel, 120 t of UO ₂ and 28 t of Zry. A first cooling of the melt now takes place through heat conduction in the concrete, as well as through radiation from the surface of the melt pool. However, since the concrete also ^{begins to melt at around 1300 °} C., it mixes with the molten metal by convection. This is associated with a dissolution of the concrete structures, so that there is the possibility that the water in the reactor sump comes into direct or indirect contact with the melt, evaporates and results in an increased pressure build-up in the reactor containment. But since the steel reactor containment is also melted in the area of the lower pole, this is weakened so that the pressure resistance of the same is reduced.

Zum Stand der Technik sei auf die DE-AS 26 25 357 hingewiesen, wonach Schlitze im Betonfundament vorgesehen sind, die eine vielfach größere Wandfläche als die Querschnittsfläche des Reaktorkerns besitzen und damit die Kühlmöglichkeit der Kernschmelze über eine Wasserkühlung oder auch Wärmerohre verbessern. Eine sichereRegarding the state of the art, reference is made to DE-AS 26 25 357, after which slots are provided in the concrete foundation, which has a wall area that is many times larger than that Have the cross-sectional area of the reactor core and thus the possibility of cooling the core meltdown via water cooling or improve heat pipes. A safe one

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Trennung des Wassers im Reaktorsumpf von der Kernschmelze wird jedoch durch diese Vorschläge nicht gewährleistet.However, these proposals do not separate the water in the reactor sump from the core meltdown guaranteed.

Es stellte sich daher die Aufgabe, ein Auffangsystem zu finden, das die sichere Trennung von Reaktorsumpfwasser und Kernschmelze gestattet bei gleichzeitiger Erhaltung der Festigkeit der Sicherheitshülle der Reaktoranlage und Beherrschung der Wärmeabfuhr aus der Kernschmelze.The task was therefore to find a collection system that would ensure the safe separation of reactor sump water and meltdown permits while maintaining the strength of the security envelope of the Reactor system and control of heat dissipation from the core meltdown.

Die Lösung dieser Aufgabe liegt erfindungsgemäß darin, daß die Auffangeinrichtung aus einem die Sicherheitshülle durchsetzenden, mit wasserfreien, feuerfesten Keramikelementen ausgekleideten, vertikalen Abflußkanal und einer darunter angeordneten Schmelzgrube besteht. Die dazu von vornherein für den Abflußkanal mit einer öffnung am unteren Pol versehene Sicherheitshülle ist mit einem Ringzuganker zur Gewährleistung der geforderten notwendigen Festigkeit versehen. Die unter der Reaktor-SicherheitshUlle angeordnete Schmelzgrube ist mit einer wassergekühlten Stahlwand ausgekleidet und besitzt innere Einbauten, die von der Kernschmelze relativ langsam aufgeschmolzen werden und durch die der Schmelze entnommene Schmelzwärme zur Stabilisierung und Verringerung der Schmelztemperatur beitragen.According to the invention, this object is achieved in that the collecting device consists of a water-free, fire-resistant one which penetrates the safety envelope Ceramic elements lined, vertical drainage channel and a melting pit arranged below consists. The safety sheath, which is provided from the outset for the drainage channel with an opening at the lower pole, is provided with a ring tie rod to guarantee it the required strength provided. The melting pit located under the reactor safety envelope is lined with a water-cooled steel wall and has internal fixtures that depend on the Core meltdown are melted relatively slowly and by the melt heat removed from the melt to Stabilization and reduction of the melting temperature contribute.

Die beiliegende Figur zeigt schematisch den Querschnitt durch eine Kernreaktoranlage, aus der Lage und gegenseitige Zuordnung der Auffangeinrichtung ersichtlich sind sowie die Funktion derselben erläutert wird. Diese Darstellung ist nicht maßstäblich,The attached figure shows schematically the cross section through a nuclear reactor plant, from the location and mutual assignment of the receiving facility can be seen and the function of the same is explained. This illustration is not to scale,

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es sei bei dieser Gelegenheit auch darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Auffangeinrichtung nicht auf leichtwassergekühlte Kernreaktoren beschränkt 1st, sondern sich auch bei anderen Kernreaktoranlagen in entsprechender konstruktiv bedingter Abwandlung einsetzen läßt.It should be noted on this occasion that the collecting device according to the invention does not light water-cooled nuclear reactors are limited to 1st, but are also used in other nuclear reactor plants can use a corresponding design-related modification.

Der eigentliche Kernreaktor besteht aus dem Reaktorkern 11. Dieser ist vom Druckbehälter 1 umschlossen und in der sogenannten Reaktorkaverne 12 eingebaut.The actual nuclear reactor consists of the reactor core 11. This is enclosed by the pressure vessel 1 and installed in the so-called reactor cavern 12.

Diese ist Teil der Betoneinbauten 13_t die auf der einen Seite der Strahlungsabschirmung und auf der anderen Seite als Tragstrukturen für die übrigen Anlagenelemente, wie Dampferzeuger und sonstige Hilfseinrichtungen dienen, die hier der Übersichtlichkeit halber nicht näher dargestellt sind. Lediglich der Reaktorsumpf ist dargestellt, dieser bildet einen Sammelraum für aus Primär- oder Sekundärleitungen austretendes Wasser, das von dort wieder der Notkühlanlage des Kraftwerkes zugeführt werden kann.This is part of the concrete fixtures 13 _t which serve on the one hand as the radiation shield and on the other hand as support structures for the other system elements, such as steam generators and other auxiliary equipment, which are not shown here for the sake of clarity. Only the reactor sump is shown, this forms a collecting space for water emerging from primary or secondary lines, which can be fed back from there to the emergency cooling system of the power plant.

Die bisher besprochenen Teile der Anlage befinden sich innerhalb einer kugelförmigen Sicherheitshülle aus Stahl 2, die nochmals von einem Betonmantel 21 mit Abstand umgeben ist.The parts of the system discussed so far are located within a spherical safety envelope Steel 2, which is again surrounded by a concrete jacket 21 at a distance.

Im Unterschied zu bekannten Konstruktionen ist die Reaktorkaverne 12 nach unten nicht abgeschlossen, sondern geht in einen Abflußkanal 3 über, der in die unterhalb der Sicherheitshülle 2 angeordnete Schmelzgrube führt. Die dadurch notwendige Öffnung der Sicherheitshülle 2 ist mit einem Rdngzuganker 22 versehen, so daß die Festigkeit dieses Bauteils von dieser Durchbrechung nicht beeinflußt wird.In contrast to known constructions, the reactor cavity 12 is not closed at the bottom, but merges into a drainage channel 3, which enters the melting pit located below the safety envelope 2 leads. The opening of the security envelope 2 which is necessary as a result is provided with a longitudinal anchor 22, see above that the strength of this component is not affected by this opening.

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Der Abflußkanal 3 ist mit einer wasserfreien, feuerfesten Ausmauerung 23 aus Keramikelementen ausgekleidet, damit beim Durchfließen der Reaktorschmelze kein Wasser frei werden und damit in der Sicherheitahülle 2 ein erhöhter Dampfdruck entstehen kann. Wie bereits erwähnt, mündet der Abflußkanal 3 in die eigentliche Schmelzgrube 4, die mit einer wassergekühlten Stahlwand ausgekleidet ist. Innerhalb dieser Schmelzgrube trifft die Kernschmelze zunächst auf einen Verteilkegel 42, ebenfalls aus wasserfreiem, feuerfesten Material. Dieser Kegel 42 liegt auf einem wannenförmigen mit wasserfreien Stoffen, wie Keramik, Basalt, Asbest o.a. gefüllten Schmelzabsorberbett 43, dessen Außenwandung wieder aus Stahl besteht. Dieses Schmelzabsorberbett 43 ist auf einem keramischen Trag-■ sockel 44 gelagert, der auf dem Wannenboden 41 direkt aufsitzt und mit im wesentlichen radialen Ausbreitungsschlitzen für die eventuell durchdringende Kernschmelze versehen ist.The drainage channel 3 is lined with a water-free, refractory lining 23 made of ceramic elements, so that no water is released when the reactor melt flows through and thus in the safety envelope 2 an increased vapor pressure can arise. As already mentioned, the drainage channel 3 opens into the actual Smelting pit 4, which is lined with a water-cooled steel wall. Inside this melting pit the core melt first hits a distribution cone 42, also made of anhydrous, refractory Material. This cone 42 lies on a trough-shaped enamel absorber bed 43 filled with anhydrous substances such as ceramics, basalt, asbestos or the like, the outer wall of which is again made of steel. This melt absorber bed 43 is on a ceramic support ■ Mounted base 44, which rests directly on the tank bottom 41 and has essentially radial expansion slots for the core melt that may penetrate through is provided.

Oberhalb des Schmelzabsorberbettes 43 ist dann noch ein kragenförmiges, wassergekühltes stählernes Strahlungsschild 45 angeordnet, das die Strahlungwärme von der umgebenden Betonstruktur abhält.Above the melt absorber bed 43 is then a collar-shaped, water-cooled steel radiation shield 45 arranged, which keeps the radiant heat from the surrounding concrete structure.

Die im Falle des höchst unwahrscheinlichen hypothetischen Unfalles entstehende, bereits eingangs erwähnte, Schmelze fließt durch den Abflußkanal 3 aus dem Einflußbereich des Sumpfwassers 14 in die Schmelzgrube 4 ab· Zur Vermeidung eines Kontaktes der Kernschmelze mit normalem hydratisierten Beton werden die Ausflußstrukturen, also insbesondere der Ausflußkanal 3 mit großtechnisch herstellbaren feuerfesten Keramiken ausgekleidet, z.B. mit Feuerbeton, Asbest o.a. Unterhalb dieses Abflußkanals 3 gelangt die Kernschmelze aufIn the case of the highly improbable hypothetical accident, already mentioned at the beginning, Melt flows through the drainage channel 3 from the area of influence of the sump water 14 into the melt pit 4 ab · To avoid contact of the meltdown with normal hydrated concrete, the outflow structures, so in particular the outflow channel 3 is lined with refractory ceramics that can be produced on a large scale, E.g. with refractory concrete, asbestos, etc. Below this drainage channel 3, the core melt arrives

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einen ebenfalls aus wasserfreier Keramik aufgebauten Verteilkegel 42, der die ausfließende Schmelze auf ein ebenfalls wasserfreies Schmelzabsorberbett 43 verteilt. Neben dieser Verteilereigenschaft wirkt dieser Kegel zusätzlich als Strahlungsschirm zur Absenkung des Energietransportes aus der Schmelzgrube 4 in den Sicherheitsbehälter 2.a distribution cone 42, also made of anhydrous ceramic, which distributes the outflowing melt to a also anhydrous melt absorber bed 43 distributed. This cone acts in addition to this distribution property additionally as a radiation shield to lower the energy transport from the melting pit 4 into the Security container 2.

Das Schmelzabsorberbett ist z.B. mit körnigem Basalt, Feuerbeton, Asbest o.a. gefüllt. Die Kernschmelze, die eine wasserähnliche Viskosität aufweist, dringt in die Poren dieser Schüttung ein und wird zunächst unter Verbrauch der Wärmekapazitäten des Schüttbettes abgekühlt. Anschließend wird auch das Schüttbett selbst schmelzen und die dazu benötigte Schmelzwärme wird wiederum der Kernschmelze entzogen und kühlt diese weiter ab.The enamel absorber bed is filled, for example, with granular basalt, refractory concrete, asbestos, etc. The meltdown, which has a viscosity similar to water, penetrates into the pores of this bed and is initially cooled while consuming the heat capacities of the bulk bed. Then the bed itself is also made melt and the heat of fusion required for this is in turn withdrawn from the core meltdown and cools it further down.

Gleichzeitig wird auch die stählerne Wanne des Schmelzabsorberbettes 43 aufgelöst und die Schmelze gelangt über die in einem keramischen Tragsockel 44 eingearbeiteten Ausbreitungsschlitze auf den Boden 41 der Schmelzgrube 4. Dieser Boden ist, wie auch die Seitenwände, mit einer Wasserkühlung versehen, so daß in Anbetracht der inzwischen abgesenkten Temperaturen der Kernschmelze keine weitere Temperaturerhöhung derselben mehr eintreten kann und diese vielmehr durch ständige Kühlung schließlich erstarrt. Dieser Vorgang wird durch das bereits erwähnte kragenförmige Strahlungsschild 45, das ebenfalls wassergekühlt ist, unterstützt. At the same time, the steel tub of the melt absorber bed is also used 43 dissolved and the melt passes over the incorporated in a ceramic support base 44 Spreading slots on the floor 41 of the melting pit 4. This floor, like the side walls, is provided with a water cooling, so that in view of the meanwhile lowered temperatures the meltdown, no further temperature increase of the same can occur and this rather through constant cooling eventually solidified. This process is facilitated by the aforementioned collar-shaped radiation shield 45, which is also water-cooled, supports.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Auffangeinrichtung die Kernschmelze mit Sicherheit aus dem Bereich des Reaktor-In summary, it can be said that the inventive construction of the collecting device Meltdown with certainty from the area of the reactor

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sumpfes 14 entfernt wird. Weiterhin sind durch die Verwendung wasserfreier Keramiken Oxidation und Wasserstoffbildung innerhalb der Kernschmelze praktisch ausgeschlossen. Der Wärmeeintrag in den Sicherheitsbehälter 2 aus der Kernschmelze durch Wärmeleitung ist relativ gering. Die Nachwärmeleistung der Kernschmelze, die sich in der Schmelzgrube 4 befindet, kann ohne besondere Kühlung des Reaktorsicherheitsbehälters 2 abgeführt werden, die Rückwirkung der Kernschmelze auf diesen Behälter ist gering. Der bereits erwähnte Schmelzabsorber 43 kann dabei so ausgelegt werden, daß sein Rückhaltevermögen für die Kernschmelze mehrere Stunden beträgt, so daß die Kühlung der Wandung 41 der Schmelzgrube mit Sicherheit in Gang gesetzt werden kann.swamp 14 is removed. Furthermore, the use of water-free ceramics prevents oxidation and the formation of hydrogen practically impossible within the meltdown. The heat input into the containment 2 from the core meltdown by conduction is relatively low. The residual heat output of the meltdown that is located in the melting pit 4, the reactor containment 2 can be discharged without special cooling the impact of the meltdown on this container is minimal. The already mentioned enamel absorber 43 can be designed so that its retention capacity for the core meltdown is several hours, so that the cooling of the wall 41 of the melting pit can be set in motion with certainty.

Die Kühlleitungen können dabei von außen über transportierbare Pumpen mit Flußwasser bzw. in der Nähe liegendem Oberflächenwasser versorgt werden, unter Umständen kann auch hier ein Kühlkette aufgebaut werden, welche die Nachwärmeleistung der Kernschmelze über Naturumlauf im Kühlturm des Reaktors abzugeben vermag. Selbstverständlich wäre auch der Einsatz von Wärmeröhren möglich, wie er bereits eingang zum Stand der Technik erwähnt wurde. Somit kann durch die vorstehend beschriebene Auffangeinrichtung die Umgebung einer Kernreaktoranlage auch bei einem derart schweren Reaktorunfall unbeeinflußt gehalten werden.The cooling lines can be connected from the outside via transportable pumps with river water or in the vicinity Surface water are supplied, under certain circumstances a cold chain can also be set up here, which the residual heat output of the core meltdown is able to dissipate via natural circulation in the cooling tower of the reactor. Of course It would also be possible to use heat pipes, as already mentioned at the beginning of the state of the art was mentioned. Thus, the environment of a nuclear reactor plant can through the collection device described above can be kept unaffected even in the event of such a severe reactor accident.

1 Figur1 figure

4 Patentansprüche4 claims

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Claims

Nuclear reactor plant, consisting of the reactor core enclosed in a pressure vessel, which consists of a large number of constructed of fuel assemblies and stored within a concrete cavern, steam generators and others Auxiliary equipment within a pressure-resistant steel / concrete safety envelope and a collection device below the reactor cavern for the melting point in the event of a highly unlikely accident Reactor core, characterized in that this device consists of a die Safety envelope (2) penetrating, with anhydrous, refractory ceramic elements (23) lined, vertical Drainage channel (3) and a melting pit (4) arranged below it «

2. Nuclear reactor plant according to claim 1, characterized in that the safety envelope

(2) perforated for the drainage channel (3) and with a ring tie rod (22) to ensure the necessary Strength is provided.

3. Nuclear reactor plant according to claim 1 and 2, characterized in that the melting pit (4) a water-cooled, steel wall (41) and a water-cooled, steel one arranged above it Has radiation shield (45).

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4. Kernreaktoranlage nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sohmelzgrube (4) folgende, innere Einbauten besitzt:4. Nuclear reactor plant according to claims 1 to 3, characterized in that the Sohmelzgrube (4) has the following internal fixtures:

a) direkt unterhalb des Abflußkanals einen feuerfesten Verteilkegel (42)a) a refractory distribution cone (42) directly below the drainage channel

b) darunter ein wannenförmiges, mit wasserfreien Stoffen, wie Keramik, Basalt, Asbest und ähnlichem, ge-b) underneath a tub-shaped, with anhydrous substances such as ceramics, basalt, asbestos and the like, fülltes Schmelzabsorberbett (43)filled melt absorber bed (43)

c) darunter einen keramischen Tragsockel (44), der mit im wesentlichen radialen Ausbreitungsseklitzenc) including a ceramic support base (44) with essentially radial expansion slots für die eventuell durchdringende Kernschmelze versehen ist.is provided for any penetrating core meltdown.

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