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Dokumentenidentifikation DE102004033701B4 23.08.2007
Titel Vorrichtung zur Schadensbegrenzung bei einem Atomreaktor
Anmelder P.M.C. Projekt Management Consult GmbH, 61250 Usingen, DE
Erfinder Keth, Ulrich G., Dipl.-Ing., 61250 Usingen, DE
Vertreter Patentanwälte Knoblauch und Knoblauch, 60322 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 13.07.2004
DE-Aktenzeichen 102004033701
Offenlegungstag 16.02.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.08.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.08.2007
IPC-Hauptklasse G21C 9/016(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schadensbegrenzung bei einem Atomreaktor mit einer unterhalb des Atomreaktors angeordneten Auffangfläche, die als dreidimensionale geometrische Anordnung eine Vielzahl von Auffangbehältern aufweist, wobei die Auffangbehälter an Tiefpunkten der Auffangfläche angeordnet sind, die durch Erhebungen voneinander getrennt sind.

Eine derartige Vorrichtung ist aus US 5 349 615 bekannt, die unterhalb eines Druckbehälters des Reaktors angeordnet ist. Die Vorrichtung weist einen Auffangbehälter mit mehreren zylinderförmigen Auffangeinheiten auf, die mit einem gemeinsamen Deckel auf der dem Druckbehälter zugewandten Seite abgedeckt sind. Gelangt bei einem Schadensfall Kernschmelze auf den Deckel der Vorrichtung, schmilzt der Deckel und wird für die Kernschmelze durchlässig. Die Kernschmelze gelangt dann in die zylinderförmigen Auffangeinheiten, die in einem Becken lagern, das mit Wasser gefüllt ist. Die Kernschmelze wird einerseits durch das die Vorrich tung umgebende Wasser im Becken gekühlt und andererseits wird über einen Belag, beispielsweise aus Keramik, der an der Innenseite der Auffangeinheiten angeordnet ist, zusätzlich Wärme abgeführt.

US 4 045 284 zeigt eine Vorrichtung zur Schadensbegrenzung bei einem Atomreaktor, die den Reaktor umschließt und unterhalb des Reaktors einen Raum aufweist, von dem aus Kanäle abzweigen. In einem Fehlerfall des Atomreaktors fließt Kernschmelze unter Gravitationseinfluß in den Raum unterhalb des Reaktors und teilt sich dort auf in die Kanäle, die wiederum zu jeweils einem Auffangbehälter führen. In jedem Kanal ist ein Einsatz mit einer chemischen Substanz angeordnet, wobei sich der Einsatz auflöst, sobald er mit Kernschmelze in Kontakt kommt und somit die chemische Substanz freisetzt. Diese chemische Substanz vermischt sich mit der Kernschmelze, so daß Kernreaktionen vermindert werden. In den Auffangbehältern ist ein Steuermaterial vorhanden, wobei ein Schmelzmittelstab jeden Auffangbehälter verschließt. Auf diese Weise wird die Kernschmelze weiter gekühlt, indem sie zunächst den Schmelzmittelstab auflöst und dann mit dem Steuermaterial in Verbindung kommt.

Atomreaktoren, die auch als Kernreaktoren bezeichnet werden können, dienen als Wärmequelle in elektrischen Kraftwerken. Sie haben den Vorteil, daß sie keine fossilen Brennstoffe verbrauchen, was im Hinblick auf die abnehmenden Ölreserven auf der Erde günstig ist. Darüber hinaus haben sie praktisch keine Abgasemissionen, so daß die Luft bei der Erzeugung von elektrischer Energie nicht verschmutzt wird.

Allerdings ist der Betrieb von Atomreaktoren mit Risiken behaftet. Aus diesem Grund werden an die Sicherheit von Atomreaktoren erhöhte Anforderungen gestellt. Damit möchte man von vornherein das Auftreten von Unfällen vermeiden.

Der größte anzunehmende Unfall (GAU) bei Atomkraftwerken wird beschrieben durch das Versagen aller Kühlsysteme und das unkontrollierte Abschmelzen der Brennelemente und Moderatoren. Dies führt letztendlich zu einem Durchschmelzen des Bodens des Reaktorgefäßes. Die sich dann bildende Masse der Kernschmelze, die aus Brennstäben, dem Material des Reaktorgefäßes und Moderatoren sowie sonstigen mitschmelzenden Materialien besteht, liegt dann über der sogenannten kritischen Masse. In dieser Situation werden während des Spaltungsprozesses mehr Neutronen freigesetzt als absorbiert. Aus diesem Grund erhitzt sich diese Kernschmelze ständig weiter. Letztendlich wird sie den Betonboden des Reaktorgebäudes durchschmelzen und nach einer theoretischen Annahme erst im Erdmittelpunkt zur Ruhe kommen.

Eine Kühlung der Kernschmelze ist derzeit wohl nicht beherrschbar. Das Einspritzen von Wasser würde zur sofortigen Entstehung von Knallgas führen und das Reaktorkontainnent weiter gefährden. Eine Kühlung würde nur helfen, wenn sie rechtzeitig eingeleitet wird. Dies setzt aber voraus, daß die Kühlsysteme noch funktionsfähig sind, was bei der Definition des GAU ausgeschlossen worden ist. Wenn also ein derartiger GAU, der auch als "Chinasyndrom" bezeichnet wird, eingetreten ist, kann man nur noch auf einen glücklichen Ausgang hoffen. Aktive Maßnahmen, um den Schaden zu begrenzen, sind derzeit nicht vorstellbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Atomreaktor in einem Schadensfall das sogenannte Chinasyndrom zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Schadensbegrenzung bei einem Atomreaktor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Volumen eines jeden Auffangbehälters kleiner ist als das Volumen der kritischen Masse einer sich im Atomreaktor bildenden Kernschmelze und die Auffangbehälter unterschiedliche Tiefen aufweisen

Mit der Auffangfläche sorgt man dafür, daß die Kernschmelze in eine Vielzahl von kleineren Massen aufgeteilt wird. Jede Masse liegt dann unterhalb der sogenannten kritischen Masse, so daß die Kernreaktion über kurz oder lang zum Erliegen kommt. Ohne entsprechende Kernspaltung entsteht aber keine weitere Wärme, so daß sich die Kernschmelze nicht weiter aufheizt, sondern im Laufe der Zeit abkühlt. Das Abkühlen kann sich durchaus über einen längeren Zeitraum von mehreren Monaten oder sogar Jahren erstrecken. Der Schaden wird also nur begrenzt, nicht jedoch beseitigt. Die Auffangfläche ist dabei eine dreidimensionale geometrische Anordnung, bei der die flüssige Kernschmelze unter Wirkung der Schwerkraft in die einzelnen Auffangbehälter verteilt wird. Dadurch, daß die Kernschmelze in unkritische Massen aufgeteilt wird, stellt man vor dem Unfall eine Maßnahme zur Verfügung, die bei Auftreten des Unfalls die Folgen abmildert. Der Reaktor ist nach dem Unfall zwar unbrauchbar. Größere Schäden werden aber vermieden. Dadurch, daß die Auffangbehälter unterschiedliche Tiefen aufweisen, ergibt sich eine zusätzliche Maßnahme, um den Abstand der einzelnen Kernschmelzenmassen zu erhöhen.

Vorzugsweise ist die Auffangfläche so profiliert, daß von jedem Punkt der Oberfläche eine unter dem Einfluß der Schwerkraft fließende Flüssigkeit nur in einen Auffangbehälter gelangt. Man stellt also sicher, daß von jedem Punkt der Auffangfläche die Kernschmelze in einen Auffangbehälter abfließen kann und zwar nur in einen Auffangbehälter. Damit wird wiederum sichergestellt, daß die Auffangfläche über kurz oder lang frei von Kernschmelze ist und sich in jedem Auffangbehälter nur eine vorbestimmte maximale Masse von Kernschmelze ansammeln kann, die unkritisch ist. Wenn nun die Auffangbehälter im Erdboden angeordnet sind, dann spielt die erhöhte Temperatur, die die Kernschmelze noch hat, keine größere Rolle mehr. Eine Beeinträchtigung der Umwelt durch erhöhte Temperatur wird klein gehalten.

Vorzugsweise weist mindestens ein Auffangbehälter ein mit zunehmender Tiefe zunehmendes Gefälle auf. Dies führt dazu, daß sich die Kernschmelze beim Abfließen beschleunigt und sozusagen auseinanderzieht. Dies wiederum führt zu einer schnellen Verminderung der kritischen Masse und damit zu einem schnellen Beenden der Kettenreaktion, die letztendlich die Wärmeerzeugung in der Kernschmelze am Laufen hält. Sobald die Kettenreaktion beendet ist, beispielsweise dadurch, daß sich die Kernschmelze zu einem langgezogenen Strang auseinandergezogen hat, ist die größte Gefahr gebannt.

Vorzugsweise weisen die Auffangbehälter einen Abstand zueinander auf, der größer ist als die mittlere freie Weglänge eines Neutrons der Kernschmelze. Mit anderen Worten ist der Abstand zwischen Auffangbehältern so groß gewählt, daß sich zwischen benachbarten Auffangbehältern eben keine Kettenreaktion ausbilden kann. Der kritische Abstand läßt sich leicht ausrechnen.

Vorzugsweise sind Auffangbehälter mit einem moderierenden Material versehen. Das moderierende Material "bremst" die in der Kernschmelze vorhandenen Neutronen und trägt dazu bei, daß die Kettenreaktion der Kernspaltung schneller zum Erliegen kommt. Die Gefahr, daß sich Neutronen aus den Auffangbehältern herausbewegen, ist damit zwar nicht beseitigt. Diese Neutronen haben im Mittel aber eine geringere Energie, so daß die Gefahr, daß sie mit Kernschmelzenmassen aus benachbarten Auffangbehältern eine neue Kettenreaktion auslösen, ganz erheblich vermindert wird.

Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das moderierende Material in der Wand der Auffangbehälter angeordnet ist. Dort steht es dann an der richtigen Position zur Verfügung.

Vorzugsweise enthält das moderierende Material Borsand. Borsand ist ein Material, das einerseits zu einer ausreichenden Energieverminderung der Neutronen führt, andererseits aber auch in ausreichenden Mengen zur Verfügung steht.

Vorzugsweise weist die Auffangfläche eine hitzefeste Beschichtung auf. Die Kernschmelze kann durchaus eine Temperatur von mehreren 1000°C haben. Durch die hitzefeste Beschichtung wird dafür gesorgt, daß die Form der Auffangfläche auch nach dem Auftreffen der Kernschmelze erhalten bleibt.

Hierbei ist bevorzugt, daß die Beschichtung eine Keramik oder Glas aufweist. Keramiken und Gläser lassen sich mit ausreichender Temperaturbeständigkeit herstellen.

Vorzugsweise ist die Summe der Volumina aller Auffangbehälter größer als das maximale Volumen der Kernschmelze. Man sieht also "Reservevolumina" vor, so daß auch in ungünstigen Fällen sichergestellt werden kann, daß die Kernschmelze vollständig aufgenommen werden kann.

Auch ist von Vorteil, wenn die Auffangfläche in regelmäßige Vielecke, insbesondere Sechsecke, aufgeteilt ist. Der Abstand zwischen einem Auffangbehälter und der Grenze zum benachbarten Auffangbehälter kann dann klein gehalten werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Atomreaktors mit Auffangfläche,

2 eine Draufsicht auf die Auffangfläche und

3 einen Schnitt III-III nach 2.

1 zeigt schematisch einen Atomreaktor 1 mit einem Reaktorgefäß 2, das über einer Auffangfläche 3 angeordnet ist. Das Reaktorgefäß 2 ist hierbei auf Stützen 4 gelagert, so daß ein gewisser Abstand zwischen dem Reaktorgefäß 2 und der Auffangfläche 3 vorhanden ist.

Die Auffangfläche 3 ist nun in den 2 und 3 näher beschrieben. Wie aus der Draufsicht auf die Auffangfläche 3 in 2 zu erkennen ist, ist die Auffangfläche 3 gebildet durch eine Vielzahl von regelmäßigen Sechsecken 5, die, wie dies aus 3 zu erkennen ist, an Erhebungen 6 aneinanderstoßen. Von jeder Erhebung 6 gibt es ein Gefälle in einen Auffangbehälter 7. Jede fließfähige Masse, also auch eine flüssige Kernschmelze, die auf die Auffangfläche 3 gelangt, fließt unter der Wirkung der Schwerkraft in die Auffangbehälter 7 ab.

Die Auffangbehälter 7 sind dabei in die Auffangfläche 3 integriert, d.h. die Auffangfläche 3 geht in die Auffangbehälter 7 über. Hierbei ist die Auffangfläche 3 so profiliert, daß die Auffangbehälter 7 mit zunehmender Tiefe ein zunehmendes Gefälle aufweisen. In einem in Schwerkraftrichtung unteren Bereich haben die Auffangbehälter 7 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine praktisch vertikale Umfangswand.

Die Form der Auffangbehälter 7 kann von der dargestellten Zylinderform abweichen. Wichtig ist, daß das Volumen eines Auffangbehälters 7 so begrenzt ist, daß darin nur eine Masse der Kernschmelze aufgenommen werden kann, die kleiner ist als die kritische Masse der Kernschmelze. Eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion innerhalb eines Auffangbehälters 7 ist dabei nicht mehr möglich. Der Auffangbehälter 7 kann dabei durchaus eine abweichende Form aufweisen, beispielsweise die Form eines Kegels, einer Flasche, einer Pyramide oder einer anderen Form. Es ist auch möglich, daß im Auffangbehälter 7 mehrere Teilabschnitte gebildet werden, die durch Engstellen voneinander getrennt sind (nicht dargestellt).

Die Auffangbehälter 7 weisen einen Abstand A voneinander auf, der größer ist als die mittlere freie Weglänge eines Neutrons der Kernschmelze. Die einzelnen unterkritischen Massen, die in den einzelnen Auffangbehältern 7 aufgenommen ist, können also nicht so miteinander in Wechselwirkung treten, daß eine erneute selbsthaltende Kettenreaktion in Gang kommt. Vielmehr können die einzelnen Neutronen, auch wenn sie aus einem Auffangbehälter 7 herauskommen, praktisch nur die in dem "eigenen" Auffangbehälter 7 befindliche Kernschmelze beaufschlagen.

Die Auffangbehälter 7 können weiterhin ein moderierendes Material aufweisen, beispielsweise in ihrer Wand. Dieses moderierende Material kann beispielsweise durch Borsand gebildet sein oder Borsand aufweisen. Ein derartiges moderierendes Material bremst die freien Neutronen weiter ab, so daß eine Kettenreaktion über kurz oder lang zum Erliegen kommt.

Die Auffangbehälter 7 weisen, wie dies aus 3 hervorgeht, auch unterschiedliche Tiefen auf. Wenn man davon ausgeht, daß die Auffangbehälter nicht vollständig durch Kernschmelze gefüllt werden, sondern nur bis zu einer Aufnahmetiefe T, dann ist der Abstand zwischen benachbarten Volumina 8 der Kernschmelze weiter vergrößert.

Die Auffangfläche 3 trägt eine hitzefeste Beschichtung, insbesondere aus Keramik oder Glas. Eine derartige Beschichtung hat darüber hinaus den Vorteil, daß die Kernschmelze schneller abfließen kann.

Wenn sich die flüssige Kernschmelze nicht ganz gleichmäßig über die Auffangfläche 3 verteilt, ist es sinnvoll, Reservevolumina vorzusehen. Mit anderen Worten ist die Summe der Volumina aller Auffangbehälter 7 größer als das maximale Volumen der Kernschmelze.

Sollte es also zu einem Durchbrennen des Reaktors kommen, dann entsteht zwar eine flüssige Kernschmelze. Diese Kernschmelze wird aber in die einzelnen Auffangbehälter 7 so abgefüllt, daß jeweils nur eine unkritische Masse entsteht. Damit ist die Kernschmelze kontrolliert deaktiviert worden. Der Reaktor 1 ist zwar unbrauchbar. Es ist auch davon auszugehen, daß Radioaktivität austritt. Ein Durchschmelzen des Kerns bis zum Erdmittelpunkt mit unabsehbaren Folgen wird jedoch verhindert.


Anspruch[de]
Vorrichtung zur Schadensbegrenzung bei einem Atomreaktor mit einer unterhalb des Atomreaktors angeordneten Auffangfläche, die als dreidimensionale geometrische Anordnung eine Vielzahl von Auffangbehältern aufweist, wobei die Auffangbehälter an Tiefpunkten der Auffangfläche angeordnet sind, die durch Erhebungen voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen eines jeden Auffangbehälters (7) kleiner ist als das Volumen der kritischen Masse einer sich im Atomreaktor (1) bildenden Kernschmelze und die Auffangbehälter (7) unterschiedliche Tiefen aufweisen. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangfläche (3) so profiliert ist, daß von jedem Punkt der Oberfläche eine unter dem Einfluß der Schwerkraft fließende Flüssigkeit nur in einen Auffangbehälter (7) gelangt. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Auffangbehälter (7) ein mit zunehmender Tiefe zunehmendes Gefälle aufweist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangbehälter (7) einen Abstand (A) zueinander aufweisen, der größer ist als die mittlere freie Weglänge eines Neutrons der Kernschmelze. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangbehälter (7) mit einem moderierenden, die in der Kernschmelze vorhandenen Neutronen bremsenden Material versehen sind. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das moderierende Material in der Wand der Auffangbehälter (7) angeordnet ist. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das moderierende Material Borsand enthält. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangfläche (3) eine hitzefeste Beschichtung aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Keramik oder Glas aufweist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Volumina aller Auffangbehälter (7) größer ist als das maximale Volumen der Kernschmelze. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangfläche (3) in regelmäßige Vielecke (5), insbesondere Sechsecke, aufgeteilt ist.






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