DE2843346C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mit keramischem Brennstoff arbeitenden Kernreaktor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung, wie er aus der US-PS 36 77 892 bekannt ist, mit einem Reaktorkern und einem unter dem Reaktorkern angeordneten Auffangbehälter für in einem Störfall geschmolzenen Brennstoff mit einer Gruppe von nahe beieinander unter dem Reaktorkern, Seite-an-Seite angeordneten vertikalen Einsätzen auf.

Dieser Auffangbehälter dient dazu, den Brennstoff des Reaktorkerns auf­ zufangen und unschädlich zu machen, falls der Brennstoff aufgrund einer Überhitzung des Reaktors oder einer ähnlichen Störung schmelzen sollte. Bei diesem Brennstoff kann es sich bspw. um ein Gemisch von Plutonium- und Uranoxiden handeln, wie es in einem gasgekühlten, schnellen Brut­ reaktor eingesetzt wird.

Bei dem Kernreaktor nach der US-PS 36 77 892 weist der Auffangbehälter vertikale, schlitzförmige Taschen auf, die die Fragmente des Reaktor­ kerns nur sammeln und abkühlen sollen.

Bei diesem Kernreaktor muß jedoch der Auffangtrog den geschmolzenen Brennstoff im Störungsfall mittels eines Separators so aufteilen, daß keine kritischen Massen entstehen können und möglichst große Wärmemengen aus der Schmelze abgeführt werden, damit die Brennstoffschmelze nicht zu sieden beginnt; denn beim Sieden können Spaltprodukte und Plutonium- Aerosole freigesetzt werden, die dann möglicherweise in die Umgebung entweichen.

Dabei wird angestrebt, daß das geschmolzene Material möglichst schnell erstarrt, um zu verhindern, daß das heiße Material in Kontakt mit dem Sicherheitsbehälter kommen, diesen aufschmelzen und dadurch nach außen vordringen kann.

Die dabei auftretenden Wärmeleitungsprobleme werden noch dadurch ver­ größert, daß die üblicherweise verwendeten, keramischen Kernbrennstoffe äußerst schlechte Wärmeleiter sind. Es wird deshalb eine Aufteilung in möglichst viele kleine Volumina angestrebt.

Ein weiteres Problem besteht darin, das vorzeitige Erstarren der ge­ schmolzenen Brennstoffe im oberen Teil des Auffangtroges zu vermeiden. Denn dann könnte die von der erstarrenden Schmelze ausgehende Wärme­ strahlung Schäden an den übrigen Teilen des Reaktors, insbesondere des Reaktorkerns, sowie an seiner Wärmeisolierung hervorrufen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Kernreaktor der angegebenen Gattung zu schaffen, bei dem der geschmolzene Brennstoff rasch nach unten abfließen und dort erstarren kann, so daß das vor­ zeitige Erstarren des geschmolzenen Brennstoffs im oberen Bereich des Auffangtroges ausgeschlossen und eine möglichst störungsfeste Abkühlung des geschmolzenen Brennstoffs sichergestellt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Zweckmäßige Ausgestaltungen werden durch die Merkmale der Unteransprüche definiert.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen darauf, daß bei einem Schmelzen des Reaktorkerns das geschmolzene Material, insbesondere der geschmolzene Brennstoff, entlang den vertikalen Hohlräumen weitgehend ungehindert, also ohne Pfropfbildung in den unteren Teil des Auffangbe­ hälters fließen und sich dabei über alle Einsätze verteilen kann, wobei die Wärme des geschmolzenen Materials von den Platten aufgenommen wird, so daß dieses Material relativ schnell erstarrt. Das erstarrte, feste Material bildet eine große Zahl von miteinander verbundenen, unter­ kritischen Massen, so daß keine Spaltprodukte freigesetzt werden und keine Hitzeschäden am Reaktorbehälter auftreten können.

Die Platten selbst können "geopfert", also von dem geschmolzenen Material aufgeschmolzen werden, so daß sich eine aus dem Brennstoff und dem Material der Platten gemischte Schmelze ergibt; diese Mischschmelze hat eine im Vergleich mit dem Brennstoff wesentlich höhere Wärmeleit­ fähigkeit, so daß sie entsprechend schneller erstarrt.

Da die Platten zu einem Stapel übereinander angeordnet sind, entsteht eine extrem große Kühlfläche für die geschmolzenen Brennstoffe, so daß ihre Wärme entsprechend schnell abgeleitet werden kann. Gleichzeitig wird dafür gesorgt, daß es nicht zu einem vorzeitigen Erstarren der Schmelze im oberen Teil des Auffangtroges kommen kann.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die zerstörbaren, aufschmelzbaren Platten durch eine vertikal verlaufende Tragsäule aus hitzebeständigem Material, insbesondere Graphit, gehalten werden, so daß die Platten solange in ihrer Lage bleiben, bis sie vollständig geschmolzen worden sind. Die Tragsäulen aus dem hitzebeständigem Material gewährleisten auch die Funktion des Auffangtroges, bis die gesamte Schmelze erstarrt ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Teil-Schnittansicht längs der Linie I-I von Fig. 2 einer Ausführungsform eines Auffangbehälters für einen Kernreaktor,

Fig. 2 eine Schnittansicht längs der Linie II-II von Fig. 1,

Fig. 3 eine Teilansicht einer anderen Ausführungsform eines Auffangbehälters im Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 4,

Fig. 4 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 3 und

Fig. 5 eine in verkleinertem Maßstab dargestellte Schräg­ ansicht eines einzelnen Einsatzes der Anordnung nach Fig. 3.

Fig. 1 und 2 zeigen einen Auffangbehälter für die Verwen­ dung in einem mit einem Brennstoffgemisch von PuO₂/UO₂ arbeitenden, gasgekühlten schnellen Brutreaktor. Der Auffangbehälter enthält eine Anordnung von zahlreichen, bei­ spielsweise einhundert Einsätzen 1, von denen in Fig. 1 zwei und in Fig. 2 sieben dargestellt sind. Jeder Einsatz 1 hat eine hohle Graphitsäule 2, welche am oberen Ende eine sechseckige Plattform 3 für die Aufnahme von (nicht ge­ zeigten) Brennstoffeinheiten trägt. Die Plattform 3 ist von symmetrisch angeordneten Öffnungen 4 durchsetzt, von denen in Fig. 1 lediglich drei dargestellt sind, und wel­ che als Sitze von Brennstoffeinheiten dienen, welche zu­ sammen mit anderen von den Einsätzen 1 getragenen Einheiten den Reaktorkern bilden. Ein größerer Teil der Säulen 2 trägt jeweils ein Bündel von sieben Brennstoffeinheiten, während dreizehn über den gesamten Kern verteilte Tragsäulen jeweils ein Bündel von nur sechs Brennstoffeinheiten und in der mittigen, siebenten Position ein Steuerelement tragen. Eine solche Tragsäule ist in Fig. 1 dargestellt. Da es sich bei dem beschriebenen Beispiel um einen gasgekühl­ ten Reaktor handelt, sind der Kern und das Kühlmittel in einem Druckbehälter enthalten, welcher in diesem Falle aus Spannbeton ist und einen in Fig. 1 teilweise darge­ stellten Boden 5 hat. Die Einsätze 1 stehen auf dem Boden 5, so daß dieser das Gewicht aller Einsätze und der Brenn­ stoffeinheiten trägt.

Im unteren Bereich hat jede Tragsäule 2 eine rohrförmige Ver­ steifung 7 aus rostfreiem Stahl, mit einer am oberen Ende 8 vorhandenen Öffnung 9, welche mit der Bohrung 10 der Tragsäule 2 fluchtet und den gleichen Durchmesser hat wie diese. Das untere Ende der Versteifung 7 reicht nicht ganz bis an das untere Ende der Tragsäule 2 aus Graphit heran und sitzt auf einer an deren Innenseite geformten Stufe 11 auf. Die Tragsäule 2 ist in eine Fußplatte 12 aus Graphit einge­ paßt, welche ihrerseits auf einer mittels Kühlrohren 14 gekühlten Auskleidung 13 aus Stahl auf dem Boden 5 des Behälters ruht. Die Auskleidung 13 und der Boden 5 sind von einer Öffnung 15 durchsetzt, deren Zweck im folgenden erläutert wird.

Die Fußplatte 12 trägt einen Stapel von im dargestellten Beispiel fünfundzwanzig gußeisernen, auf die Tragsäule 2 aufgeschobenen Verlustplatten 16, welche jeweils eine große Oberfläche aufweisen und von mit ihnen einstückigen Zwischenstücken 17 in gegenseitigem Abstand gehalten sind. Anderenfalls können die Platten 16 auch aus Kupfer oder aus von dem Isotop U235 im wesentlichen befreiten Uran sein.

Jede Platte 16 hat im wesentlichen sechseckige Grundriß­ form mit an den Ecken gebildeten, bogenförmigen Ausschnit­ ten 18, welche zusammen senkrechte Durchlässe 18 a be­ grenzen (Fig. 2). Die Ausschnitte der oberen sieben Plat­ ten sind größer als die der übrigen, und zwei darunter angeordnete Platten haben Ausschnitte, deren Abmessungen abgestuft von denen der größeren zu denen der kleineren Ausschnitte überleiten. Der für die Aufnahme des nieder­ geschmolzenen Kerns verfügbare Raum besteht somit aus den Zwischenräumen zwischen den Rändern der Platten 16 einan­ der benachbarter Einsätze 1, aus den Zwischenräumen zwi­ schen einander benachbarten Platten 16 der einzelnen Ein­ sätze 1 und aus den sich abwärts verjüngenden, durch die Ausschnitte geformten Durchlässen 18 a, welche mit den Zwischenräumen zwischen den Platten strömungsverbunden sind. Jede Platte 16 kann einen in Fig. 1 für eine Platte gestrichelt dargestellten, Neutronen absorbierenden Ein­ satz 16 a enthalten. Dieser kann etwa aus Bor bestehen und ist vollständig von Metall umgeben.

Die rohrförmige Versteifung 7 des in Fig. 1 gezeigten Einsatzes 1 umgibt einen zu den Steuereinrichtungen des Reaktors gehörigen, langen Stab 24. Dieser erstreckt sich aufwärts durch die Bohrung 10 der Säule 2 in den Reaktor­ kern hinein und abwärts durch die Öffnung 15 des Bodens 5 hindurch zu (nicht gezeigten) Betätigungseinrichtungen, welche vorzugsweise in einer Kammer innerhalb des Druck­ gehäuses untergebracht sind. Die rohrförmige Versteifung 7 umgibt ferner eine von Wasser durchströmte Kühlschlange 19, deren Zuleitung 20 und Rückleitung 21 ebenfalls durch die Öffnung 15 des Bodens 5 hindurch zu einem außerhalb des Druckbehälters angeordneten (nicht gezeigten) Wärmetau­ scher od. dergl. verlaufen. In einer anderen Ausführungs­ form kann jede Tragsäule 2 auch zwei Kühlschlangen enthalten. Der übrige Teil des Innenraums der Versteifung 7 ist mit metallischem Kupfer 25 aufgefüllt, welches der Wärmeleitung von den Platten 16, der Tragsäule 2 und der Versteifung 7 zur Kühlschlange 19 dient und außerdem eine Sicherung gegen das Undichtwerden der Kühlschlange 19 darstellt.

Ferner hat die Tragsäule 2 einen Abweiserkegel 22 von einer der der Platten 16 entsprechenden Grundrißform und -größe, welcher an den Ecken ebenfalls Ausschnitte 18 aufweist. Der Raum zwischen den einen kleineren Durchmesser aufwei­ senden Teilen der Tragsäulen 2 bildet zweckmäßig eine Einlaß­ kammer 23 für das zum Kühlen des Reaktors verwendete Gas, von welcher aus dieses dann aufwärts durch den Reaktor­ kern strömt.

In dem unwahrscheinlichen Falle, daß die Brennstoffein­ heiten niederschmelzen, kann das geschmolzene Material durch die Öffnungen 4 in die Einlaßkammer 23 und von dieser aus entlang den Durchlässen 18 a zum Boden des Auffangtrogs fließen. Dabei umströmt es die Platten 16 und wird von diesen bis zum Erstarren abgekühlt, so daß ein Sieden des Materials und die dadurch bewirkte Freisetzung von Spalt­ produkten und Plutonium-Aerosolen vermieden wird. Die erstarrte Masse wächst dabei von unten nach oben. Die Wärmekapazität der Platten 16 wird durch Wärmeübertragung zur Kühlschlange 19 und durch das Schmelzen der Platten 16 selbst vergrößert, wobei sich das geschmolzene Metall gleichmäßig mit dem geschmolzenen Reaktormaterial ver­ mischt und damit die Wärmeleitfähigkeit verbessert. Die Fußplatte 12 aus Graphit schützt die Auskleidung 13 des Bodens vor der Berührung mit dem zunächst schmelzflüssigen Material. Außerdem wird über die Kühlrohre 14 Wärme abge­ führt, um das Durchbrennen des Druckbehälterbodens zu ver­ hüten. In dem Auffangtrog wird die erstarrte Masse dann sicher in unterkritischen Einzelmengen zurückgehalten.

Die in Fig. 3 bis 5 dargestellte Ausführungsform hat einen ähnlichen Aufbau wie die in Fig. 1 und 2 gezeigte, mit einer Anzahl von Einsätzen 11, welche jeweils eine Säule, eine Plattform, Sitzöffnungen, eine rohrförmige Verstei­ fung, eine Fußplatte, eine Kühlschlange, eine Kupfer­ füllung und eine Stange für die Steuerung des Reaktors enthalten. Die genannten Teile sind mit den gleichen Bezugs­ zeichen bezeichnet wie in Fig. 1 und 2. Jeder Einsatz 11 enthält hier jedoch nur dreizehn sechseckige Verlustplat­ ten 30, welche an den Ecken jeweils einen Ausschnitt 31 haben und unter Zwischenlage einer Zwischenplatte 32 auf der Fußplatte 12 gestapelt sind. Die Platten 30 sind mittels Zwischenstücken 33 aus Graphit in gegenseitigen Abständen gehalten und von einem sechseckigen Mantel 34 aus rost­ freiem Stahl umgeben. Dieser hat in dem einen kleineren Durchmesser aufweisenden Bereich der Tragsäule 2 große Zugriff­ öffnungen 35 und ist mit seinen oberen und unteren Enden an die Plattform 3 bzw. an die auf der Fußplatte 12 ruhende Zwischenplatte 32 angepaßt. Der Raum für die Aufnahme von niedergeschmolzenem Kernmaterial ist hier der Innenraum des Mantels 34, welcher sich an benachbarten Mänteln in Anlage befindet, d. h. also der Zwischenraum zwischen den Platten 30 und die von den Ausschnitten 31 gebildeten Durchlässe.

Claims (6)

1. Mit keramischem Brennstoff arbeitender Kernreaktor

• a) mit einem Reaktorkern, und
• b) mit einem Auffangbehälter für in einem Störfall geschmolzenen Brennstoff mit einer Gruppe von nahe beieinander unter dem Reak­ torkern Seite an Seite angeordneten, vertikalen Einsätzen,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• c) jeder Einsatz (1) weist
  • c1) eine vertikal verlaufende Tragsäule (2) aus hitzebeständigem Material, und
  • c2) einen vertikal angeordneten Stapel von horizontalen Platten (16) aus durch den geschmolzenen Brennstoff aufschmelzbarem Material auf;
• d) die Platten (16) sind durch die Tragsäule (2) gehalten und ver­ tikal im Abstand voneinander angeordnet, so daß eine Vielzahl von sich horizontal erstreckenden Zwischenräumen zwischen den Platten (16) entsteht; und
• e) die äußeren Umfänge der Platten (16) benachbarter Einsätze (1) sind voneinander so beabstandet, daß in vertikaler Richtung lang­ gestreckte Hohlräume (18 a) gebildet werden.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (16) im wesentlichen sechseckig sind und zur Bildung der langge­ streckten, sich verjüngenden Hohlräume (18 a) ausgeschnittene Ecken haben, und daß die Tragsäule (2) aus Graphit besteht und hohl ist, eine von einem Kühlmittel durchströmte Rohrschlange (19) enthält und eine obere Plattform (3) zum Abstützen der Brennstoffeinheiten des Reaktorkerns aufweist.

3. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Platten (16) aus Gußeisen, Kupfer und/oder aus Uran bestehen, das im wesentlichen kein Isotop U235 enthält.

4. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (16) jeweils eine Masse (16 a) aus einem Neutronen absorbierenden Material enthalten.

5. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Kühlmittel durchströmte Rohrschlange (19) jedes Ein­ satzes (1) in eine Kupfermasse (25) eingebettet ist, die zur Wärme­ ableitung zwischen den Platten (16), der Tragsäule (2) aus Graphit und der Kühlschlange (19) dient.