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Vorrichtung zur Absicherung von Kernreaktoren bei Unfällen Die Erfindung
betrifft eine Vorrichtung zur Absicherung und Einschliessung von Kernreaktoren,
insbesondere für den Ball von Reaktorunfällen zwecks Verhütung der Freisetzung radioaktiver
Stoffe in die Umgebung.
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Das öffentliche Interesse verlangt Absicherung von Kernreaktoren gegen
Unfälle und die dabei auftretenden wirklichen oder vermeintlichen Gefahren für die
Umgebung mit einem besonders hohen Wirkungsgrad der erreichten Sicherheit und Zuverlässigkeit.
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Obwohl in den USA bisher noch kein Leistungsreaktor durchgegangen
ist, wird nach wie vor die Annäherung an lOO0oige Zuverlassigkeit angestrebt, um
Menschen und andere Lebewesen in der Reaktorumgebung vor Strahlungsschäden zu schützen.
Die weitere annäherung an ziege Zuverlässigkeit ist dabei allgemeines Ziel der Erfindung
Nun
ist allerdings ein atombombenartige Explosion eines Leistungsreaktors mit hoher
thermischer oder neutronischer Rnergie nicht zu befürchten. Die hierfür erforderlichen
Bedingungen im Core und der Brennstoffkonzentration werden in der Regel vermieden.
Immerhin führt aber ein plötzlicher Reaktivitätsanstieg im Oore zu einem sofortigen
Temperaturanstieg, der eine blitzartige Verdampfung des Kühlmitells und einen vorübergehenden
Ueberdruck zur Folge hat. Ist der Überdruck gross genug, so kann bei Überschreiten
der Festigkeitstoleranzen des eingesetzten Materials ein Bruch im Primärkühlsystem,
z. B. im Reaktordruckgefäss und den Primärkreisleitungen mit entsprechendem Kühlmittelverlust
eintreten. Dabei wird zunächst Dampf freigesetzt. Ein Austritt radioaktiven Materials
ist zu befürehten, wenn auch die Hilfskühlung des Core aussetzt und die freiwerdende
Energie des nicht mehr gekühlten Brennstoffs so gross ist, dass die Brennstoffumhüllung
schmilzt oder uf sonstige Weise beschädigt wird. In diesem Falle wird dns redioaktive
Material niht vor oder während sondern nach dem ½.stritt des verdampften Kühlmittels
freigesetzt. Um nun eine Verseuchung der Umgebung mit Spaltstoffen und etwaige Zerstörungen
durch die freiwerdende Dampfenergie zu verhindern, werden Kernreaktoren in einem
für etwaige Unfälle geeigneten nebäude untergebracht, in dem insbesondere das Reaktordruckgefäss
und die Leitungen in der Nähe von und ohne hydrostatisches Gefälle mit einem Wasserbehälter
in einem zentral angeordneten und hermetisch verschlossenen Trockenschacht untergebracht
sind. Beim Auftreten eines Bruchs bricht der in den Drockenschacht strömende Dampf
eine oder mehrere Bruchsoheiben und
gelangt in den Wassertank. Das
Wasser absorbiert die kinetische und thermische Energie des Dampfes, wobei der Dampf
sofort ohne nennenswerten vorübergehenden Überdruck kondensiert wird.
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Gleichzeitig werden etwaige Spaltprodukte von dem Wasser ebenfalls
absorbiert und können nicht aus dem Reaktorgehäuse austreten.
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Als weitere Sicherheitsmassnahme wird auch noch eine zweite Umschliessung
vorgesehen, die etwa doch aus dem ersten Gehäuse austretende Spaltstoffe zurückhält.
rufgabe der Erfindung ist die weitere Verbesserung dieser Si--cherheitsvorrichtungen
mit weiterer Annäherung an 100%ige Zuverlässigkeit, insbesondere zur Berücksichtigung
sowohl kleiner, langssmer, wie auch plötzlicher, stärkerer Dampf- und Spaltstoffausbrüche
bei weiterer Herabsetzung auftretender Überdrücke und weiterer Verringerung etwaiger
Leckage.
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Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung zur Absicherung und Einschliessung
ton Kernreaktoren der Erfindung gelöst, in der eine erste Zelle einen den Reaktor
einschliessenden Trockenschicht (11) bildet, oberhalb derselben mit einem hydrostatischen
Druckgefälle eine zweite, eine Flüssigkeit aufnehmende Zelle (12) und unterhalb
derselben unter hydrostatischem Druckabfall eine dritte, ebenfalls eine Flüssigkeit
aufnehmende, über eine Leitung (15) mit dem Trockenschacht verbundene Zelle (14)
angeordnet ist, wobei durch geeignete Ventilmittel oder
dergl. bei
Ubersteigen eines Grenzdrucks in der eraten Zelle diese mit der zweiten Zelle verbunden
wird.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass der weitere
Flüssigkeitstank auch kleinere, langsame Leckagen bzw. die dabei freiwerdenden Energien
absorbiert. Ausserdem ist die zweite Zelle mit einem im einem von dem Reaktorgebäude
gebildeten Sammelraum und damit einem sehr grossen Gasvolumen verbunden, so dass
ein nach einem Unfall erfolgendes Fluten des Trockenschachts mit der in der zweiten
Zelle befindlichen Flüssigkeit keinen nennenswerten Druckanstieg im ReaktorgebEude
zur Folge hat.
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Weitere günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung können
der folgenden eingehenderen Beschreibung entnommen werden.
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Die Zeichnung zeigt die Vorrichtung zur Absicherung eines Eernreaktors
im Längsschnitt.
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Aus der Zeichnung ersieht man eine primäre Baueinheit 9 zur Absicherung
und Einschliessung eines Reaktors. Das ReaktordruckgefAss lO ist in einer ersten,
einen Trockenschacht 11 bildenden Bauzelle untergebracht. Die Seitenzellen oder
-kammern lla und llb nehmen Zubehör, z. B, Leitungen, Umlaufpumpen, Regelgeräte
und dergl. auf und stehen mit der Hauptzelle bzw.
dem Trockenschacht
11 in Verbindung. Als Reaktor kom#men z. 3.
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.Siedewasser- Druckwasser- oder Dampfüberhitzerreaktoren in Frage.
Eine zweite, eine Flüssigkeit, z. B. Wasser enthaltende Zelle oder ein Tank 12 ist
mit einem hydrostatischen Druckgefälle oberhalb des Trockenschachts 11 vorgesehen
und ist z. B. in die miteinander verbundenen Tanks 12a, 12b unterteilt, die mit
in den Gassammelraum des Reaktorgebäudes führenden Auslässen versehen sind tbvgl.
die Pfeile 18).
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Eine dritte, ebenfalls eine Flüssigkeit, z. 3. Wasser enthaltende
Zelle 14 ist z. B. in Form einer Ringkammer mit einem hydrostatischen Druckgefälle
unterhalb des Trockenschachts 11 angeordnet und ebenfalls mit einem in den Gassammelraum
35a des Reaktorgebäudes führenden Auslass (vgl. Pfeil 19) versehen.
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Der obere, in der Nähe des Reaktordruckgefässes 10 befindliche Teil
des Trockenschachts 11 ist durch die Leitung 15 mit der dritten Zelle bzw. dem Tank
14 verbunden.
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Die Leitungen 16a, 16b führen von dem Oberteil der Seitenkammern
lla, lib in die Kammer 12 und sind dort mit den für einen bestimmten kritischen
Grenzdruck ausgelegten Bruchscheiben 17a, 17b versehen. Wird dieser Druck überschritten,
so zerreiben die Scheiben und über die hergestellte Verbindung der Zellen 11 und
12 strömt zunächst Dampf in die Zelle 12. Anschliessend fliesst Wasser von der Zelle
12 in die Zelle 11 und flutet das Druckgefäss 10. Das Flüssigkeitsvolumen der Zelle
bzw. des Tanks 12 muss dem der Zellen 11, lla, llb gleich und gunstigerweise
gross
genug sein und eine genügend tiefe Temperatur aufweisen, um ohne Verdampfung und
übermässigen Druckaufbau die gesamte freigesetzte und im Reaktorcore verbliebene
Energie aufzunehmen. Durch Fluten des Trockenschachts 11 unter Abfluss aus der schliesslich
entleerten Zelle 12 wird dem Reaktorgebäude 35a lediglich ein dem Trockenschacht
vor dem Fluten entsprechendes Volumen hinzugefügt, so dass der Enddruck im Reaktorgebäude
sehr niedrig ist.
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Durch eine weitere, an ihrem oberen Ende mit der Bruchscheibe 21 verschlossenen
und an ihrem unteren Ende an das DruckOefass 10 angeschlossenen Leitung 20 wird
unter Umgehung der Zelle 11 beim Bruch der Scheibe 21 die Verbindung zwischen dem
Druckgefäss 10 und dem Tank 12 hergestellt.
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Im unteren Teil der Primärbaueinheit 9 ist eine Kemmer 24 mit einer
Pumpe 23 vorgesehen, durch die das im Tank 12t befindliche Wasser unter Durchlauf
durch den Wärmeaustauscher 27 in den Tank 24 gepumpt werden kann. Zum Ausgleich
des Flüssigkeitsstandes zwischen Tank 12 und Schacht 11 werden durch eine den Boden
des Tanks 12 bildende Kuppel 30 die Leitungen 31a und 31b geführt, deren gegenüberliegende
Enden in den Tank bis unter den Flüssigkeitsspiegel ragen und mit den Bruchscheiben
32a, 32b verschlossen sind. Durch die Verbindungsrohre 33a, 33b sind die Leitungen
32a, 32b mit dem obersten Teil der Leitungen 16a, 16b verbunden.
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Der gesamte Primärbauteil 9 wird von dem den Sekundäreinschliessungsteil
35 bildenden und einen Gassammelraum 35a begrenzenden Reaktorgebäude hermetisch
umschlossen. Er besteht aus einem inneren, undurchlässigen Schalenteil 36 und einem
von diesem im Abstand angeordneten äusseren Betonschalenteil 37. Zwischen beiden
liegt der Sammelraum 38, in dem durch die Pumpe 39 mit dem in den Sekundärbauteil
35 ragenden Auspuff ein Vakuum hergestellt werden kann. Die Dampfleitunge 40 des
Primärkreises und; die Speisewasserleitung 41 sind über die Hochdruckdichtungen
42 und 43 durch die Betonwand des Primärbauteils 9 geführt. Unter dem Druckgefäss
10 sind die Antriebsmittel 45 für die Regel stäbe zur Einstellung der gewünschten
Reaktorleistung angebracht.
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Unter normalen Betriebsbedingungen beträgt der Normaldruck des Reaktordruckgefässes
etwa 70 kg/cm² und mehr, und der Trockenschacht 11 nebst den Seitenkammern lla,
llb ist durch die Bruchscheiben 17a, 17b von dem Tank 12.abgeschlossen. Der Tank
12 (12a, 12b) ist dabei mit einer ausreichenden Flüssigkeitsmenge gefüllt, um im
Bedarfsfall den Trockenschacht 11 und die Seitenkammern lla, llb bis zur Höhe der
Leitungen 15 aufzufüllen.
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Der Tank 14 ist ebenfalls mit Flüssigkeit gefüllt. Da sich die zeitung
lc mit ihrem oberen Ende an einem oberhalb des Tanks 14 liegenden hydrostatischen
Gefällepunkt befindet, kann nach
dem Barometerprinzip Torricellis
keinerlei vakuum oder Saugkraft aus der obersten Offnung der Leitung 15 Wasser aus
dem Tank 14 über die Leitung 15 in den Trockenschacht 11 absaugen.
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Bei Auftreten einer nur geringfügigen Leckstelle, z. B. im Primärkühei
slauf (Druckgefäss 10, Dampfleitungen 20, 40) steigt der Druck in dem Trockenschacht
11 und den Seitenkammern lla und llb langsam an, In diesem Falle bietet die Leitung
15 den einzigen, nicht durch eine Bruchscheibe blockierten Druckentlastungsweg.
Solange sich der Durchfluss in geringen Grenzen hält und die Kapazität der Leitung
15 nicht übersteigt, wird der gesamte Überdruckdampf im Tank 14 kondensiert und
absorbiert. Die aus den Zellen 11, lla und llb verdrängte Luft steigt in Blasen
durch den Tank 14 und gelangt in den mit dem Sekundärbauteil 35 gebildeten Raum.
Bei normal verlauf ender langsamer Leckage enthält der in den Tank 14 fliessende
Dampf gar kein oder nur wenig radioaktives Material, das von dem im Tank befindlichen
Wasser ohne Schwierigkeit absorbiert wird.
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Zur Verbesserung der Absorption saurer Spaltprodukte kann ein Alkali
in den Tank gegeben -werden.
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Im Gegensatz zur langsamen Leckage stehen bei plötzlich auftretenden
grösseren Ausbrüchen thermischer Energie des im Druckgefäss 10 befindlichen Core
zwei Druckentlastungswege zur Verfügung.
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Der erste Druckentlastungsweg über die Leitung 20 ist dann wichtig,
wenn der Druckanstieg durch Kühlmittelschwund, d. h. blitzartige Verdampfung nicht
gress genug ist, um einen Bruch im Primärsystem zu erzeugen. Nach Erreichen des
vorbestimmten kritischen Grenzdrucks bricht hier die am Ende der Leitung 20 im Tank
12b befindliche Scheibe, und der gestaute Dampf und anschliessend etwaige Spaltprodukte
fliessen in den Tank. Hier werden sie sofort durch das Wasser absorbiert. Da das
Druckgefäss nur Dampf und keine Luft enthält und der gesamte Dampf kondensiert und
die Energie durch das in den Tanks 12a, 12b befindliche Wasser absorbiert wird,
ist der Druckanstieg gering oder praktisch Null. Nach der Druckentlastung des Druckgefässes
10 fliesst das Wasser aus dem oberhalb des hydrostatischen Druckgefälles angeordneten
Tank 12 mit seiner eigenen Schwerkraft zurück und flutet den Core unter sofortiger
Absorption der Wärmeenergie. Gleichzeitig spült der Strom etwaige Spaltprodukte,
in das Druckgefäss 10 zurück.
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Ist dagegen der Druckaufbau so gross, dass ein Bruch in dem Primärsystem
entsteht, so wird bei Erreichen des entsprechenden Grenzdrucks in den Schacht 11
und den Seitenkammern lla, 11b ein zweiter Druckentlastungsweg geschaffen. Hierzu
werden die Bruchscheiben 17a, 17b und 32a, 32b im Hinblick auf den Aufbau des Primärbauteils
9 entsprechend ausgelegt. Der gleiche Grenzdruck führt also zum Bruch der Scheiben
17a, 17b und 32a, 7)2b. Der u. U. eintretende Bruch der Scheiben 21 ist dabei für
die Wirkungsweise ohne Belang.
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Ein geringer Teil Dampf und Luft wird durch die Leitung 15 gepresst
und von dem Wasser im Tank 14 unter Erhöhung seiner Temperatur absorbiert. Die Hauptmasse
strömt jedoch durch die Leitungen 16a, 16b und beim Bruch der Scheibe 21 auch durch
die Leitung 20 in den Tank 12b. Dort wird der Dampf kondensiert, die Wärmeenergie
absorbiert, und die Luft in den Sekundärbauteil 35 abgelassen.
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Nach der Austreibung von Dampf und Luft werden der Trockenschacht
11 und die Seitenkammern lla, 11b durch das aus dem Tank 12 abfliessende Wasser
geflutet, das gleichzeitig auch etwaige rädioaktive Stoffe mit spült und damit deren
Verfliichtigung verhindert. Di.e durch Wasserabfluss aus dem Tank 12 eintretende
Volumenänderung ist der anfänglich in den Sekundärbauteil 35 abgelassenen Luftmene
gleich, d. h. die i.m Trockenschacht 11 befindliche Luft rird durch das Wasser aus
dem Tank 12 verdrängt bzw. umgekehrt, so dass im Sekundärbauteil 35 nur ein geringfügiger,
vorübergehender Druckanstieg zu verzeichnen ist. Auch nach Abschluss des Austauschvorgangs
ist der Druckanstieg gering bzw. fehlt gänzlich, da das im Raum 35a befindliche
Gasvolumen im Vergleich zu der eintretenden Luftmenge sehr gross ist. Wird der TroclNenschacht
unter einem Vakuum gehalten, so wird nach Abschl.uss des Aus-tallschvorgangs ein
leicht negativer Druck gemessen.
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Nach einem Bruch des Primärsystems und Fluten des Schachts 11 ist
der Druck in dem Sekundärbauteil 35 somit praktisch der gleiche wie ##vor dem Bruch
z. B. des Reaktordruckgefässes 10.
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Infolgedessen fehlt eine zur Austreibung radioaktiver Stoffe durch
die Schalenteile 36 oder 37 genügende Druckkraft. über dies werden etwaige Leckgase
aus dem Sammelraum 38 zwischen den Schalen 36, 37 in den Bauteil 35 zurückgepumpt.
Von dortkönnen sie durch (nicht gezeigte) bekannte Mittel abgetrennt werden.
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Es kann u. U. der Fall eintreten, dass nur Dampf im Trockenschacht
11 zurückbleibt, der kondensiert. In diesem Yall würde aus den Seitenkammern lla,
llb in den Kuppelteil 30 oberhalb des obersten Teils der Leitung 15 Wasser gesaugt,
das sodann durch die Leitung 15 in den Tank 14 abfliessen würde. Um nun den Wasserspiegel
im Schacht 11 bis auf die Höhe des obersten .Endes der Leitung 15 einzustellen,
einen weiteren Anstieg aber zu verhindern, sind die Leitungen fla, 31b und 33a,
33b vorgesehen. Diese verbinden über die Kuppel 30 den oberen Teil des Trockenschachts
11 bzw. der Leitungen 16a, 16b mit dem Tank 12.
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Beim Bruch der Scheiben.17a, 17b, 32a, 32b und Fluten des Schachts
11 nebst Seitenkammern 11a, llb über die Leitungen 16a, 16b wird in die Leitungen
31a, 31b in den oberen Schachtteil unterhalb der Kuppel 30 Luft gesaugt, sobald
der Wasserspiegel im Tank 12 unter die Leitungsöffnungen mit den Bruchscheiben
32a,
32b gesunken ist. Die Luftzufuhr beseitigt ein durch Dampfkondensation etwa entstandenes
Vakuum und terhindert den Austritt etwaiger Spaltstoffe aus dem Schacht 11.
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Wie erwähnt, fliesst eine geringe Menge Dampf und Wasser durch die
Leitung 15 in den Tank 14 und erhitzt das darin enthaltene Wasser Ferner tritt eine
starke Erhitzung des aus dem Tank 12 abfliessenden und grosse Wärmeenergiemengen
absorbierenn Wassers ein. Zur Kühlung und Umwälzung vom Tank 14 in den Tank 12 ist
daher ein Pump- und Wärmeaustauschsystem vorgesehen. In der Kammer 24 ist eine Pumpe
23 über die Ansaugleitung 25 mit dem Tank 14 und über die Förderleitung 26 mit einem
Wärmeaustauscher 27 verbunden. Das Wasser fliesst somit durch den Wärmeaustauscher
und die Leitung 28 in den Tank 12b zurück.
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Die zur Löschung eines Reaktorunfalls erforderliche Wassermenge muss
die gesamte Reaktorenergie unter Temperaturanstieg nicht über den Verdampfungspunkt
aufnehmens Durch die Pumpanlage wird Wasser aus dem Tank 14 gepumpte abgekühlt und
fliesst in den Tank 12 und, nach Eintritt eines Reaktorunfalls von dort in die Seitenkammern
lla, 11b und den Schacht 11. Dort verdrängt es unter teilweiser Durchmischung erhitztes
Wasser, das über die Leitung 15 in den Tank 14 zurückfliesst. Ein neuer Kreislauf
kann beginnen. Der beschleunigte Kühlvorgang ermöglicht einen frühzeitigen Zugang
zum Reaktorgebäude zwecks Vornahme der erforderlichen Reparaturen.