DE102011051173A1 - Nuclear reactor for nuclear power station, has fuel rods and control rods hung as fuse, where material of fuse melts at temperature below melting temperature and above maximum permitted operating temperature of fuel rods - Google Patents

Abstract

The reactor has fuel elements or fuel rods and control rods hung as a fuse made from melting material and affixed through one or many intermediate pieces. The intermediate pieces are connected to the fuel elements/fuel rods and the control rods in a thermally conductive manner. The material of the fuse melts at temperature below melting temperature i.e. 50 degree, of fuel or the fuel rods, and above the maximum permitted operating temperature of the fuel elements or fuel rods. A tubular shaped radiation shielding cavity is formed under each fuel element or fuel rod.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft ein auf Kernspaltung beruhendes Kernkraftwerk, das gegen Kernschmelze gesichert ist.The invention relates to a nuclear fission-based nuclear power plant, which is secured against meltdown.

Stand der TechnikState of the art

Kernkraftwerke beruhen auf dem Prinzip der Umwandlung von bei der Kernspaltung freiwerdender Wärme in elektrische Energie.Nuclear power plants are based on the principle of converting heat released by nuclear fission into electrical energy.

Die Funktionsweise der hitzeerzeugenden Kernreaktoren ist weithin bekannt und vielerorts beschrieben.The operation of the heat-generating nuclear reactors is well known and described in many places.

Im Grundprinzip bestehen alle Kernreaktoren aus einer überkritischen Masse spaltbaren Materials, welches durch Steuerstäbe, die ein und ausgefahren werden können, auf einem genauen Level der Kritikalität (k = 1) gehalten wird. Weiters enthalten Kernreaktoren sogenannte Moderatoren, die die Geschwindigkeit der Neutronen herabsetzt, so daß sich der Wirkungsquerschnitt für deren Einfang durch spaltbare Atomkerne erhöht.In principle, all nuclear reactors consist of a supercritical mass of fissile material which is maintained at an exact level of criticality (k = 1) by control rods that can be retracted and retracted. Furthermore, nuclear reactors contain so-called moderators, which reduces the speed of the neutrons, so that increases the cross section for their capture by fissile atomic nuclei.

Die Steuerstäbe bestehen aus einem neutronenabsorbierenden Material, das prinzipiell auch die Möglichkeit bietet, die Kernreaktion zu stoppen und damit den Kernreaktor abzuschalten. Die sogenannte Nachzerfallswärme fällt dann aber weiterhin noch einige Zeit an.The control rods are made of a neutron-absorbing material, which in principle also offers the possibility to stop the nuclear reaction and thus shut down the nuclear reactor. The so-called Nachzerfallswärme but then still continue for some time.

Die Notfallmaßnahmen bei einem Störfall, wie er jüngst in Fukushima (Japan) auftrat, beschränken sich auf Notabschaltung (Einfahren der Steuerstäbe) und Notkühlverfahren. Es handelt sich immer um hochtechnisierte Maßnahmen, die ohne elektrische Energie nicht funktionieren. Scheitern diese Maßnahmen, so kommt es zur gefürchteten Kernschmelze, einem GAU (größter anzunehmender Unfall) oder gar Super-GAU.The emergency response to a major incident, such as that recently occurred in Fukushima, Japan, is limited to emergency shutdown (control rod retraction) and emergency cooling. These are always highly technical measures that do not work without electrical energy. Failure of these measures, it comes to the dreaded meltdown, a GAU (largest accident to be assumed) or even super-GAU.

Aufgrund dieser Hochtechnisierung der Steuerung besteht auch zusätzlich die Möglichkeit einer Cyberattacke und gewollten Kernschmelze (Terroranschlag).Due to this high technology of the control there is also the possibility of a cyberattack and intentional meltdown (terrorist attack).

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kernreaktor anzugeben, bei dem es zu keiner Kernschmelze kommen kann und der vor Cyberattacken geschützt ist.The object of the invention is to provide a nuclear reactor in which it can not come to a meltdown and is protected from cyberattacks.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.The object is solved by the features specified in the characterizing part of claim 1.

Grundlegender Gedanke der Erfindung ist die Verwendung selbstregelnder Maßnahmen, die völlig ohne elektrischen Strom auskommen und nicht einmal ein Eingreifen des Menschen erfordern!The basic idea of the invention is the use of self-regulating measures that manage completely without electricity and do not even require human intervention!

Verwendet wird hierzu die allgegenwärtig immer vorhandene Schwerkraft und das ebenfalls von elektrischer Energie völlig unabhängige Schmelzen von Schmelzsicherungselementen.For this purpose, the omnipresent ever-present gravity and also completely independent of electrical energy melting of fuse elements is used.

Hierzu sieht die Erfindung vor, die im wesentlichen senkrecht angeordneten Brennelemente (oder/und Brennstäbe), die sich nach Stand der Technik ortsfest im Reaktorkern befinden, an Schmelzsicherungen aufzuhängen/zu befestigen, die thermisch gut leitend mit den Brennelementen (oder Brennstäben) verbunden sind und somit in etwa deren Temperatur aufweisen. Bevorzugt ist die Schmelzsicherung an der Oberseite der Brennelemente (oder Brennstäbe) befestigt, da diese Stelle am schnellsten überhitzt, wenn sie nicht mehr von Flüssigkeit bedeckt ist.For this purpose, the invention provides for the substantially vertically arranged fuel elements (and / or fuel rods), which are located in the reactor core according to the prior art, to suspend / attach fuses that are thermally well conductive connected to the fuel assemblies (or fuel rods) and thus have approximately their temperature. Preferably, the fuse is attached to the top of the fuel assemblies (or fuel rods) because this location is most rapidly overheated when it is no longer covered by liquid.

Diese Schmelzsicherungen weisen einen solchen Schmelzpunkt bzw. Schmelzbereich auf, daß sie schon lange vor einem Schmelzen der Brennelemente durchschmelzen! Es ist sinnvoll, diese Schmelztemperatur mindestens etwa 50°C unterhalb der Schmelztemperatur der Brennelemente (bzw. Brennstäbe) zu wählen.These fuses have such a melting point or melting range that they melt through long before melting of the fuel! It is useful to choose this melting temperature at least about 50 ° C below the melting temperature of the fuel assemblies (or fuel rods).

Unterhalb jedes einzelnen Brennelementes (oder Brennstabes) oder einer kleinen unterkritischen Gruppe von Brennelementen (oder Brennstäben) befindet sich dann ein mit stabiler Wand umgebener Hohlraum, in den das Brennelement (der Brennstab/die Brennstäbe) hineinfallen. Bevorzugt ist dieser Hohlraum mit einer Strahlenabschirmung umgeben und außerdem flüssigkeitsgefüllt. Als Flüssigkeit eignet sich besonders Wasser, eventuell mit Zusätzen, z. B. Borverbindungen. Die Brennelemente (Brennstäbe) fallen vorzugsweise auf ein Polster.Below each individual fuel assembly (or fuel rod) or a small subcritical group of fuel assemblies (or fuel rods) is then a cavity surrounded by a stable wall into which the fuel assembly (fuel rod (s)) falls. Preferably, this cavity is surrounded by a radiation shield and also filled with liquid. As a liquid is particularly suitable water, possibly with additives, eg. B. boron compounds. The fuel elements (fuel rods) preferably fall on a cushion.

Weiterhin ist der Hohlraum bevorzugt von so viel Masse (z. B. Erdboden, Beton, aber auch Wasser ist möglich) umgeben, daß die noch freiwerdende Nachzerfallswärme von dieser Masse gefahrlos aufgenommen bzw. an noch weiter außen liegende Masse thermisch weitergeleitet werden kann.Furthermore, the cavity is preferably surrounded by so much mass (eg ground, concrete, but also water is possible) that the decay heat still released can be safely absorbed by this mass or forwarded thermally to an even further mass.

Bei dem Hohlraum unter dem Brennelement (Brennstab/den Brennstäben) kann es sich um ein einfaches unten dicht und druckfest verschlossenes Rohr handeln.The cavity below the fuel assembly (fuel rod / fuel rods) may be a simple down-tight and flameproof sealed tube.

Bevorzugt vergrößert sich der Abstand der Hohlräume zueinander nach unten hin (sie divergieren voneinander), so daß ein großer Raumbereich mit diesen Hohlräumen durchsetzt ist. Die Hohlräume divergieren vorzugswesie ohne Knicke (also „differenzierbar”). Der große Raumbereich ist mit Masse umgeben, die die Nachzerfallswärme aus den einzelnen Hohlräumen aufnimmt. Die Neigung der Hohlräume zur Senkrechten beträgt bevorzugt maximal 45°, damit Brennelemente (Brennstäbe) trotz Reibung an der Wand der Hohlräume noch sicher allein durch die Schwerkraft zum Boden des Hohlraumes durchrutschen.Preferably, the distance between the cavities increases towards one another towards the bottom (they diverge from one another), so that a large spatial area is interspersed with these cavities. The cavities diverge vorzugswesie without kinks (ie "differentiable"). The large space area is surrounded by mass, which absorbs the decay heat from the individual cavities. The inclination of the cavities to the vertical is preferably a maximum of 45 °, so that fuel (fuel rods) despite friction on the wall of the cavities still slip through the force of gravity alone to the bottom of the cavity.

Der Durchmesser der Hohlräume ist so bemessen, daß die Brennstäbe beim Durchrutschen auch in gekrümmten Bereichen der Hohlräume genug Spiel haben und nicht festklemmen.The diameter of the cavities is so dimensioned that the fuel rods when slipping even in curved areas of the cavities have enough clearance and not clamped.

Bei einer anderen Ausführung der Erfindung werden auch die Steuerstäbe von oben senkrecht in den Reaktorkern eingesenkt und weisen am oberen Ende eine solche Schmelzsicherung auf. Steigt die Temperatur zu hoch, schmilzt die Schmelzsicherung und die Steuerstäbe fallen von selbst in den Reaktorkern, wo sie den Reaktor ohne die Notwendigkeit einer Steuerung von außen abschalten. Im Gegensatz zu den Brennstäben befinden sich unterhalb der Steuerstäbe keine Hohlräume. Die Steuerstäbe werden durch einen unteren Anschlag in der idealen, für eine schnelle Notabschaltung notwendigen Position gestoppt. Die Steuerstäbe fallen bevorzugt auf ein Polster.In another embodiment of the invention, the control rods are sunk vertically from above into the reactor core and have at the upper end of such a fuse. If the temperature rises too high, the fuse will melt and the control rods will automatically fall into the reactor core, shutting off the reactor without the need for external control. In contrast to the fuel rods, there are no cavities below the control rods. The control rods are stopped by a lower stop in the ideal position required for a quick emergency stop. The control rods preferably fall on a cushion.

Die Erfindung beseitigt die Gefahr einer Kernschmelze, einer der Hauptgefahren der Kernenergie, einfach und selbstregelnd.The invention eliminates the risk of meltdown, one of the major hazards of nuclear energy, simply and self-regulating.

Claims (9)

Kernreaktor eines Kernkraftwerkes, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelemente oder Brennstäbe oder/und die Steuerstäbe über ein oder mehrere Zwischenstücke aus einem schmelzenden Material als Schmelzsicherung aufgehängt/befestigt sind, wobei diese Zwischenstücke mit den Brennelementen/Brennstäben bzw. Steuerstäben thermisch leitend verbunden sind, und wobei das schmelzende Material der Schmelzsicherung bei einer Temperatur schmilzt, die deutlich unterhalb der Schmelztemperatur des Brennelementes oder Brennstabes, aber oberhalb der maximalen erlaubten Betriebstemperatur der Brennelemente oder Brennstäbe liegt.Nuclear reactor of a nuclear power plant, characterized in that the fuel elements or fuel rods and / or the control rods are hung or fixed via one or more intermediate pieces of a melting material as a fuse, these intermediate pieces are thermally conductively connected to the fuel / fuel rods or control rods, and wherein the melting material of the fuse melts at a temperature that is well below the melting temperature of the fuel assembly or fuel rod, but above the maximum allowable operating temperature of the fuel assemblies or fuel rods. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schmelzende Material bei einer Temperatur schmilzt, die mindestens 50°C unterhalb der Temperatur liegt, bei der das Brennelement oder der Brennstab zu schmelzen beginnt.Nuclear reactor according to claim 1, characterized in that the melting material melts at a temperature at least 50 ° C below the temperature at which the fuel element or fuel rod begins to melt. Kernreaktor nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich unterhalb des Kernreaktors unterhalb jedes Brennelementes oder Brennstabes, oder unterhalb mehrerer nur eine unterkritische Masse bildenden Anzahl von Brennelementen oder Brennstäben, ein strahlungsabschirmender Hohlraum befindet, in den die Brennelemente oder Brennstäbe fallen, sobald die Schmelzsicherung aus schmelzendem Material aufgrund von einer Überhitzung des Brennelementes oder Brennstabes geschmolzen ist.Nuclear reactor according to at least one of claims 1 and 2, characterized in that below the nuclear reactor below each fuel element or fuel rod, or below a plurality of only a subcritical mass forming number of fuel assemblies or fuel rods, a radiation-shielding cavity is located, in which the fuel elements or fuel rods fall as soon as the fuse of melting material has melted due to overheating of the fuel element or fuel rod. Kernreaktor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich unterhalb der Steuerstäbe Abstandshalter befinden, die die Steuerstäbe in einer optimalen neutronenabsorbierenden Position halten, sobald die Schmelzsicherungen aus schmelzendem Material, die die Steuerstäbe gegen ein Herabfallen sichern, aufgrund von einer Überhitzung des Reaktorkerns geschmolzen sind und die Steuerstäbe nach unten gefallen sind.Nuclear reactor according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that below the control rods are spacers which hold the control rods in an optimal neutron absorbing position as soon as the fuses of melting material which secure the control rods against falling due to overheating of the reactor core have melted and the control rods have fallen down. Kernreaktor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume unterhalb des Kernreaktors im wesentlichen rohrförmig gestaltet sind.Nuclear reactor according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the cavities are designed substantially tubular below the nuclear reactor. Kernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume unterhalb des Reaktors nach unten divergierend auseinanderstreben, wobei aber die Neigung der Hohlräume 45° zur Senkrechten nicht übersteigt, um ein gutes Durchrutschen allein aufgrund der Schwerkraft zu gewährleisten.Nuclear reactor according to claim 5, characterized in that the cavities diverge divergently downwards below the reactor, but the inclination of the cavities does not exceed 45 ° to the vertical in order to ensure good slipping solely on account of gravity. Kernreaktor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume mindestens in ihrem unteren Bereich, und dabei die herabgefallenen Brennelemente oder Brennstäbe überdeckend, mit Flüssigkeit gefüllt sind.Nuclear reactor according to at least one of Claims 1 to 6, characterized in that the cavities are filled with liquid at least in their lower region, and thereby covering the fallen fuel elements or fuel rods. Kernreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit neutronenabsorbierender als reines Wasser ist.Nuclear reactor according to claim 7, characterized in that the liquid is neutron absorbing than pure water. Kernreaktor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume von so viel wärmeleitender Masse umgeben sind, daß sie die Nachzerfallswärme der Brennelemente oder Brennstäbe aufnehmen kann, ohne daß die Hohlräume oder Brennelemente oder Brennstäbe zerstört werden.Nuclear reactor according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that the cavities are surrounded by so much thermally conductive mass that they can absorb the Nachzerfallswärme the fuel or fuel rods, without the cavities or fuel or fuel rods are destroyed.