Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prävention gegen Überhitzung eines Kernreaktors, die zu einer Schmelze eines im Kernreaktor vorgesehenen Reaktorkerns führen kann, in dem eine Energieerzeugung durch Spaltung von Atomkernen stattfindet und gesteuert wird.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie mit mindestens einem mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerk, das mit einer Einrichtung zur Extraktion eines in seinen Abgasen enthaltenen Gehaltes an Kohlendioxyd (C0 ₂ ) versehen ist.

Der Betrieb von Kernkraftwerken schließt ein geringes Risiko ein, dass die im Kernreaktor ablaufende Kettenreaktion von Kernspaltungen außer Kontrolle gerät. In diesen Fällen muß damit gerechnet werden, dass der Reaktorkern überhitzt wird und damit seine Fähigkeit verliert, die Kettenreaktion im Reaktorkern zu steuern. Dadurch entsteht die Gefahr eines sog. Gau, der mit den verheerenden Folgen einer weltweiten Umweltbelastung durch strahlende Bestandteile enden kann.

Dieses Risiko wird erheblich dadurch gemildert, dass der gesamte Kernreaktor und insbesondere der Reaktorkern intensiv gekühlt wird, so dass die Kettenreaktion in ihren schlimmsten Auswirkungen gedämpft wird. Eine solche Kühlung wurde in den bisher aufgetretenen Reaktorunfällen versucht, mit Hilfe großer Wassermengen herbeizuführen. Diese Wassermengen wurden durch die bei der Kettenreaktion entstehende Strahlung kontaminiert und drangen damit in die umgebenden Erdschichten und ggfs in Meerwasser ein, falls zu Kühlung des sich überhitzenden Reaktorkerns Meerwasser zur Verfügung stand. Jedenfalls konnte auf diese Weise verhindert werden, dass eine erhebliche Menge der bei der Kernspaltung entstehenden Radioaktivität in die Atmosphäre gelangte und damit große Teile der Erde erreichte.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Gefahr einer Überhitzung des Reaktorkerns und damit dessen Schmelze zu vermindern und das Auftreten von kontaminierten Partikeln aus dem havarierten Reaktor zu reduzieren. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Notfall einer drohenden Überhitzung des Reaktorkerns dieser mit verflüssigtem Kohlendioxyd (C02) gekühlt wird, das unter seinem Systemdruck auf den sich überhitzenden Reaktorkern geleitet wird, und das Kohlendioxyd aus Abgasen eines mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerks extrahiert, verflüssigt und in unmittelbarer Nachbarschaft zur schnellen Bereitstellung für Kühlungszwecke bevorratet wird.

Durch dieses Verfahren wird der bei mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerken der im Abgas enthaltene unvermeidliche Bestandteil von C0 ₂ durch die Verflüssigung so stark unterkühlt, dass eine Überhitzung des Reaktorkerns und damit dessen Schmelze verhindert werden kann. Die dabei notwendig werdenden erheblichen Mengen an C0 ₂ werden aus den Abgasen des Kraftwerkes gewonnen. Dabei besitzen moderne Kraftwerke eine hohe elektrische Leistung, die nur durch entsprechend hohen Verbrauch von fossilen Brennstoffen erreicht werden kann. Ggf. können auch mehrere Kraftwerke in der Nähe eines Kernkraftwerkes angesiedelt werden, so dass auch ein sehr erheblicher Bedarf an C0 ₂ aus den Abgasen gewonnen werden kann. Dabei ist vorgesehen, dass das umweltschädliche C0 ₂ grundsätzlich in unterirdische Lagerstätten entsprechend der geologischen Formationen eingespeichert wird, um dessen Eindringen in die Atmosphäre zu verhindern. Von dieser in sogenannte Endlagerstätten eingespeicherten Menge von Co ₂ wird ein Teil zur Verflüssigung in entsprechenden Verflüssigungsanlagen abgezweigt. Das verflüssigte Co ₂ wird in wärmeisolierten Reservoirs abgespeichert, wo es unter dem zur Verflüssigung dieses Gases notwendigen Druck steht. Diese Reservoirs sind relativ nahe an dem zu schützenden Kernkraftwerk angelegt, so dass das Gas über Rohrleitungen in die besonders gefährdeten Bereiche des Kernkraftwerks geleitet werden kann. Da auch die Rohrleitungen unter dem Druck des verflüssigten C0 ₂ stehen, genügt ein Öffnen entsprechender Notventile, um das in den Rohrleitungen stehende verflüssigte C0 ₂ auf die sich überhitzenden Teile des Reaktorkerns spritzen zu können.

Die Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie ist zum Zwecke der Verflüssigung des extrahierten Kohlendioxyds mit einer Verflüssigungsanlage versehen, die über eine unter dem Druck der Verflüssigungsanlage stehende Kühlleitung die Kühlung einer in einem Reaktorkern eines Kernreaktors sich überhitzenden Schadstelle mit dem Kernreaktor über Rohrleitungen verbunden ist. Diese aus einem mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerk und einem Kernkraftwerk zusammen geschaltete Anlage besitzt den Vorteil einer relativ großen Flexibilität. Sollte sich die Gefahr einer Überhitzung des Reaktorkerns ergeben, so muss der Kernreaktor schnellstens abgeschaltet werden, so dass das mit fossilem Brennstoff betriebenen Kraftwerk mindestens einen wesentlichen Teil der Leistung übernehmen muss, die bisher vom Kernkraftwerk geliefert wurde. Der auf diese Weise steigende Bedarf an elektrischer Energie, die von dem mit fossilem Brennstoff betriebenen Kraftwerk erwartet wird, bedeutet einen erheblichen Anstieg der von dem Kraftwerk erzeugten Abgase und damit auch des in den Abgasen enthaltenen C0 ₂ . Auf diese Weise entsteht ein Synergieeffekt, der das Risiko eines Gaus erheblich herabsetzt und andererseits eine wirtschaftliche Nutzung des aus den Abgasen eines Kraftwerks extrahierten CO ₂ ermöglicht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Extraktion des CO ₂ in einem unmittelbaren Zusammenhang mit den im Kraftwerk entstehenden Abgasen vorgenommen und das CO ₂ in mindestens einem dem zu kühlenden Kernreaktor nahegelegenen Anlageteil verflüssigt und unter Druck gehalten, das außerhalb des durch die Überhitzung des Reaktorkerns entstehenden Gefahrenbereichs eines Kernkraftwerks liegt. Auf diese Weise lassen sich die notwendigen Maßnahmen der Extraktion des CO2 aus dem Abgas einerseits und die Verflüssigung des CO ₂ in einer entsprechenden Verflüssigungsanlage jeweils in die Nähe der betroffenen Kraftwerke verlegen. Dabei können die das verflüssigte CO ₂ aufnehmenden Anlageteile gegen Wärmeverlust isoliert werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Kraftwerk mit dem Kernkraftwerk verbindende Rohrleitungsnetz aus mindestens einer Rohrleitung abgezweigt, die das Kraftwerk mit einer in einer geologischen Formation liegenden Endlagerstätte verbindet. Durch die Kombination werden Anlagekosten erspart, die einerseits durch die Entsorgung des CO ₂ und andererseits durch die Anlage der C0 ₂ -Verflüssigung entstehen. Der dadurch entstehende Synergieeffekt verringert die insgesamt entstehenden Anlagekosten.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird in einem dem zu kühlenden Kernreaktor nahen aber außerhalb eines durch die drohende Überhitzung des Reaktorkerns gelegenen unmittelbaren Gefahrenbereichs der im Rohrleitungsnetz herrschende Druck des verflüssigten CO ₂ gemessen und aufgrund eines aufgenommenen Messwertes eine Steuerung des Druckes vorgenommen. Auf diese Weise ist es möglich, den Druck des verflüssigten CO ₂ und damit dessen Temperatur auf einem für die Kühlungszwecke vorgesehenen optimalen Wert zu halten.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kühlleitung mit einem in Richtung auf die durch die Überhitzung gefährdete Schadstelle ferngesteuerten Auslass versehen. Auf diese Weise kann der Strom des verflüssigten CO ₂ unmittelbar auf die die Überhitzungsgefahr erzeugende Schadstelle gerichtet werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in einem dem Kernreaktor nahegelegenen Bereich der Kühlleitung ein den in der Kühlleitung vorhandenen Druck des verflüssigten CO ₂ messender Druckmesser vorgesehen, dessen Messwert zur Steuerung eines in der Kühlleitung einzuhaltenden Mindestdruckes vorgesehen ist. Durch diesen Druckmesser wird die Kühlanlage und deren Einsatzbereitschaft ständig auf dem optimalen Niveau gehalten.

Gemäß weiteren einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Kraftwerk und dem Kernkraftwerk ein Rohrleitungsnetz vorgesehen, das aus einer Rohrleitung abgezweigt wird, durch die aus den Abgasen des Kraftwerks extrahiertes CO2 in Richtung auf eine in einer geologischen Formation liegende Endlagerstätte abgeleitet wird. Dadurch können erhebliche Kosten für die Ausführung des Rohrleitungsnetzes erspart werden, da für das zur Erzeugung des verflüssigten CO ₂ benötigte CO2 und die Heranleitung des aus den Abgasen extrahierten CO ₂ das gleiche Rohrleitungsnetz zur Verfügung steht, aus dem lediglich derjenige Teil des gasförmigen CO2 abgenommen wird, der für den jeweiligen Kühlzweck erforderlich ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in einem Teil der Rohrleitung, der sich nach einer Abzweigung in Richtung auf die Endlagerstätte erstreckt, ein Ventil vorgesehen, das von dem von den Verflüssigern angeforderten Bedarf von CO ₂ gesteuert ist und das die gegebenenfalls überschießende Menge, die für die Kühlung nicht erforderlich ist, für die Ableitung von in die Endlagerstätte freigibt. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Verflüssigungsanlage ständig mit der für die Kühlzwecke notwendigen Menge an Co2 versorgt wird und andererseits ein geregelter Abfluss des Co2 in die Endlagerstätte gewährleistet ist, das für den jeweiligen Kühlzweck nicht benötigt wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kernreaktor mit mindestens einem mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerk (1 ,2) zusammengeschaltet, das mit einer Trennanlage (10,11) zur Entziehung von C0 ₂ aus seinen Abgasen versehen ist und mit der Trennanlage (10,11) Rohrleitungen (12,13) verbunden sind, die zum Transport des extrahierten C0 ₂ in eine Endlagerstätte (14,15) vorgesehen sind und die an Verzweigungspunkten mit einem Rohrleitungsnetz verbunden sind, in dem mindestens eine Kälteanlage zur Verflüssigung des gasförmigen C0 ₂ vorgesehen ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, aus denen sich bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise ergeben.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 : Eine Skizze einer Anlage bestehend aus zwei Kraftwerken und einem

Kernkraftwerk,

Fig. 2: Eine Skizze eines in Richtung auf eine Schadstelle ausgerichteten

schwenkbaren Kühlkopfes und

Fig. 3: Eine Skizze einer Anlage mit einem Wärmeübertrager und einer Energieverteilung.

Zwei mit fossilen Brennstoffen betriebene Kraftwerke (1,2) sind über ein Rohrleitungsnetz (3) mit einem Kernkraftwerk (4) verbunden. Die mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerke (1 ,2) erzeugen bei der Verbrennung Rauchgase, die über Schornsteine (7,8) in eine die Kraftwerke (1 ,2) umgebende Umgebung (9) abgegeben werden. Ein Teil der von den Kraftwerken (1 ,2) abgegebenen Rauchgase besteht aus Kohlendioxyd (C0 ₂ ). Dieses Gas beeinträchtigt die Umwelt auf besondere Weise, so dass es vor dem Eintreten der Rauchgase (5,6) in die Umgebung (9) in einer Trennanlage (10,11) dem übrigen Rauchgas (5,6) entzogen wird. Dieses CO2 wird über Rohrleitungen (12,13) von den Kraftwerken (1 ,2) abgeleitet. Um zu verhindern, das das CO2 nach seiner Ableitung aus den Kraftwerken (1 ,2) dennoch in die Umgebung (9) eindringen kann, wird es in einer möglichst nahegelegenen Endlagerstätte (14,15) eingelagert, die sich in einer geologischen Formation (16) befindet.

Das Kernkraftwerk (4) befindet sich in einer nicht allzu großen Entfernung von den beiden Kraftwerken (1 ,2), so dass es mit diesen durch das Rohrleitungsnetz (3) verbunden werden kann. Dieses Rohrleitungsnetz (3) zweigt an Verzweigungspunkten (17,18) von Rohrleitungen (12,13) ab. Hinter den Verzweigungspunkten (17,18) liegen in Flussrichtung zwei Kälteanlagen (19,20), in denen das gasförmige CO2 verflüssigt wird. Das flüssige CO2 fließt sodann über das Rohrleitungsnetz (3) in Richtung auf das Kernkraftwerk (4). Innerhalb des Rohrleitungsnetzes (3) befindet sich das CO2 in verflüssigter Form. Um es in diesem verflüssigten Zustand zu erhalten, sind sowohl die Kälteanlagen (19,20) als auch das Rohrleitungsnetz (3) wärmeisoliert. Die Kälteanlagen (19,20) und auch das Rohrleitungsnetz (3) sind mit Wärmeisolierungen (21 ,22) umgeben.

Das Kernkraftwerk (4) besteht aus zwei Kernreaktoren (23,24), von denen jeder einen Reaktorkern (25,26) besitzt. In diesem Reaktorkern wird die Wärmeenergie erzeugt, die zum Aufheizen eines Wärmeträgers beispielsweise Wasser benutzt wird. Das aufgeheizte Wasser 27, 28 bzw. der sich aus diesem entwickelnde Dampf wird zum Antrieb von nicht dargestellten Turbinen benutzt, die der Stromerzeugung dienen.

Zu diesem Zwecke finden im Reaktorkern (25,26) Kernspaltungen statt, die die zum Aufheizen des Wassers (27,28) notwendige Energie erzeugen. Diese Kernspaltungen werden im Reaktorkern (25,26) gesteuert, um zu verhindern, dass die Kernspaltung zu einer nicht kontrollierten Kettenreaktion ausufert und dadurch eine Explosion verursacht, die zu einer weltweiten Verseuchung mit strahlenden Partikeln führen kann. Eine Beschädigung des Reaktorkerns (25,26) beispielsweise durch eine Überhitzung kann daher zu einer Reaktorkatastrophe führen. Sollte daher in einem Kernkraftwerk (4) durch eine fehlerhafte Handhabung oder durch äußere Einflüsse die Überhitzung eines Reaktorkerns (25,26) drohen, so muss in jedem Falle schnellstens versucht werden, diese Überhitzung zu vermeiden. Zur Kühlung des Reaktorkerns wurden daher bei früheren Gelegenheiten große Was- sermengen eingesetzt, die einerseits nicht zum erhofften Kühlungseffekt führten und andererseits den Kernreaktor in einem kontaminierten Zustand verließen. Damit konnte durch eine Wasserkühlung nicht die erhoffte Abhilfe von einer Verseuchung der Umgebung (9) geschaffen werden.

Im Hinblick auf die hohe Kältekapazität des flüssigen C0 ₂ kann damit gerechnet werden, dass im Falle einer Überhitzung des Reaktorkerns (25,26) dessen Kühlung mit verflüssigtem CO2 dazu führt, dass die gefürchtete Kernschmelze nicht eintritt, die zu einer Zerstörung sämtlicher Funktionen führt, die der intakte Reaktorkern (25,26) besitzt. Auf diese Weise könnte erreicht werden, dass auch die Steuerung der im Reaktorkern (25,26) ablaufenden Kettenreaktion funktionsfähig bleibt.

Die Kühlung mit flüssigem C0 ₂ setzt voraus, dass das bei der Kühlung entstehende gasförmige C0 ₂ abgesaugt und beispielsweise über die Rohrleitungen (12,13) in die Endlagerstätte (14,15) entsorgt wird. Da die dazu notwendige Absaugung des gasförmigen CO2 insbesondere unter dem Gesichtspunkt der im Kernreaktor (23,24) entstandenen Havarie nur mit großem Aufwand erfolgen kann, wird alternativ für eine Kühlung der Kernreaktoren (23,24) mit einem umweltverträglichen Kältemittel gesorgt. Dieses Kältemittel (38) befindet sich in einem Vorratsbehälter (36). Es wird im Wärmeübertrager (37) auf die Temperatur des flüssigen CO2 heruntergekühlt. Dabei durchfließt das flüssige C0 ₂ eine im Wärmeübertrager (37) angeordnete Kühlschlange (39). Diese wird auf ihrer Außenseite von dem abzukühlenden Kältemittel (38) umströmt, das sich auf diese Weise abkühlt und im gekühlten Zustand den Wärmeübertrager (37) durch eine Verbindungsleitung (40) verlässt. An deren Ende (41) ist an einem Schwenkgelenk (30) ein Sprühkopf (42) vorgesehen, der auf seinem Umfang mit Spritzdüsen (43,44,45) versehen ist. Diese Spritzdüsen besitzen unabhängig voneinander steuerberare Verschlußschieber (46,47,48), so dass je nach der Lage einer aufgetretenen Schadstelle (31) ein aus einer Spritzdüse (44) austretender Kühlstrahl (49) auf ein den Kernreaktor umgebendes Gehäuse (50) gerichtet werden kann. Zur Steuerung des Kühlpfads (49) sind auf dem Reaktorkern (25, 26) Tempe- ratursensoren (51) angebracht, über die nicht nur die genaue Lage der Schadstelle (31) feststellbar ist, sondern auch die im Bereich der Schadstelle (31) herrschende Temperatur. Entsprechend diesen Angaben wird der Kühlstrahl (49) bemessen. Im Falle einer großflächigen Ausdehnung der Schadstelle (31) kann der Sprühkopf (42) über das Schwenkgelenk (30) so verschwenkt werden, dass mehrere Spritzdüsen (43,44, 45) jeweils ihren Kühlstrahl (49) auf die Schadstelle (31) richten. Zu diesem Zwecke werden die entsprechenden Verschlußschieber (46,47,48) geöffnet, so dass das durch die Verbindungsleitung (40) herbeiströmende Kältemittel (38) durch einen Auslass (52) im Schwenkgelenk (30) in den Sprühkopf (42) eintreten und aus diesem versprüht werden kann.

Das durch die Kühlschlange (39) durch den Wärmeübertrager (37) hindurchtretende flüssige CO2 erwärmt sich auf Grund des sekundärseitig durch den Wärmeübertrager (37) hindurchtretende abzukühlende Kältemittel (38), so dass es gasförmig den Wärmeübertrager (37) verlässt und über die Rohrleitung (12) in Richtung auf die Endlagerstätte (14,15) abgeführt wird. Dadurch wird verhindert, dass das CO2 mit der Umgebung (9) in Berührung kommt.

Die drei Kraftwerke (1 ,2,;4) sind über Verbindungsleitungen (53,54,55,56) miteinander verbunden. In jeder der Verbindungsleitungen (53,55,56) ist jeweils ein Leistungsmessgerät (57,58,59) geschaltet, mit dem jeweils festgestellt werden kann, welche elektrische Leistung das jeweilige Kraftwerk (1 ,2, ,4) abgibt. Die Verbindungsleitungen (53,54,55,56) sind mit einer Schaltwarte (60) verbunden, in der die Verbindungsleitungen (53,54,55,56) über Schalter (61 ,62) miteinander verbunden sind. Solange sämtliche Kraftwerke (1 ,2;4) die jeweils von ihnen gewünschte elektrische Leistung abgeben, wird diese durch Überlandleitungen (63,64,65,66) abgeleitet. Sollte sich jedoch an den Leistungsmessgeräten (57,58,59) ablesen lassen, dass eines der Kraftwerke (1 ,2,;4) die von ihm gewünschte Leistung nicht erbringt, so wird die Abgabe von elektrischer Leistung von den anderen beiden Kraftwerken übernommen. Zu diesem Zwecke sind automatisch betätigte Leistungsverteiler (67,68,69) vorgesehen, die dafür sorgen, dass die von den drei Kraftwerken (1 ,2,;4) erwartete Gesamtleistung eingehalten werden kann. Das aufgetretene Leistungsdefizit wird von den intakten Kraftwerken übernommen.

Um die Kühlung des Reaktorkerns (25,26) und darüber hinaus des gesamten Kernreaktors (23,24) auf die wesentlichen Punkte zu intensivieren, besitzt das in den Kernreaktor (23,24) hineinführende Ende (29) des Rohrleitungsnetzes (3) ein in jegliche Richtungen schwenkbares Schwenkgelenk (30), das mit Hilfe eines für diese Zwecke programmierten, nicht dargestellten Roboters auf eine durch Überhitzung bedrohte Schadstelle (30) gelenkt werden kann. Auf diese Weise soll erreicht werden, dass diese Schadstelle (30) soweit gekühlt wird, dass der im Reaktorkern (25,26) vorhandene Steuerungsteil funktionsfähig bleibt.

Zu diesem Zwecke sind im Kernreaktor (23,24) nicht dargestellte Wärmemelder vorgesehen, die anzeigen, an welcher Stelle Überhitzungsgefahr besteht. In der Rohrleitung (12,13) sind Durchflussmengenmesser (32,33) vorgesehen, die mit einer nicht dargestellten Mengensteuerung verbunden sind. Bei einem hohen Bedarf an flüssigem C0 ₂ erhalten die Flussmengenmesser (32, 33) von den Kälteanlagen (29,30) jeweils einen Steuerungsimpuls (34, 35), der den Abfluss von gasförmigem CO2 in Richtung auf die Endlagerstätte (14, 15) verkleinert und damit einen entsprechend höheren Bedarf der Kälteanlagen (19,20) deckt. Auf diese Weise kann einem im Reaktorkern (25,26) angewachsenen Kühlungsbedarf Rechnung getragen werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Kraftwerke (1 , 2) die Produktion von elektrischer Energie des Kernkraftwerkes (4) übernehmen müssen, das im Hinblick auf seine Havarie der von ihm erwarteten Leistungsabgabe nicht gerecht werden kann. Im Hinblick auf die gewachsene Leistungsabgabe der Kraftwerke (1 , 2) liefern diese auch eine größere Menge an C0 ₂ , so dass sich die Funktionen der Kraftwerke (1 , 2) und des Kernkraftwerks (4 gegenseitig ergänzen.

Das verflüssigte C0 ₂ wird nicht nur verwendet, um Kühlungsaufgaben am havarierten Kernkraftwerk (4) zu übernehmen, sondern besitzt darüber hinaus auch weitergehende Betriebsfunktionen, beispielsweise Kühlung des aus den Turbinen austretenden Dampfes und des die elektrische Energie erzeugenden Generators sowie Klimatisierung von Betriebsräumen.