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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Transport und zur Lagerung von radioaktiven Materialien, insbesondere von Reaktorbrennelementen, dadurch gekennzeichnet, dass die radioaktiven Materialien in einen hermetisch verschliessbaren, aus chemisch beständigem Material hergestellten Lagerbehälter eingeschlossen werden, dass der Lagerbehälter seinerseits in einen mechanischen, thermischen und Strahlungsschutz gewährleistenden Transportbehälter eingesetzt wird, dass letzterer zu einer Lagerstelle transportiert wird, und dass an der Lagerstelle der Lagerbehälter aus dem Transportbehälter entfernt und zur Lagerung in einem den Strahlungsschutz gewährleistenden Betonsilo eingebracht wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass nach dem Einbringen der radioaktiven Materialien ir den Transportbehälter ein Deckel auf diesen aufgesetzt und er über ein Ventil unter Vakuum gesetzt wird, dass sodann zwei zwischen dem Deckel und der Behälteröffnung sich befindliche, umlaufende Lippen miteinander verschweisst werden, das dann der Deckel zusätzlich mit dem Behälter verschraubt wird, und dass letzterer sodann mit einem Schutzgas unter Überdruck abgepresst wird.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Entfernen des Lagerbehälters aus dem Transportbehälter letzterer in einen Betonschacht versenkt wird, dass nach Abheben des Transportbehälterdeckels ein Schutzbehälter auf den Betonschacht aufgesetzt wird, und dass der Schutzbehälter unten geöffnet wird und der Lagerbehälter in den Schutzbehälter hineingehoben wird, worauf letzterer wieder geschlossen wird.
4. Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Überbringen des Lagerbehälters in den Betonsilo der mit dem Lagerbehälter beladene Schutzbehälter vom Betonschacht abgehoben und auf die Öffnung des Betonsilos aufgesetzt wird, und dass anschliessend der Lagerbehälter in den Betonsilo abgesenkt wird, worauf der Schutzbehälter entfernt und der Betonsilo durch einen Deckel verschlossen wird.
S.Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerbehälter im Betonsilo durch eine natürliche Konvektionsströmung der Luft gekühlt wird.
6. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung des Lagerbehälters Kühlluft im Kreislauf geführt wird, die durch ein Wärmerohr, welches die Wärme nach aussen abführt, abgekühlt wird.
7. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtheit des Lagerbehälters durch Überwachung der Anwesenheit des im Lagerbehälter vorhandenen Schutzgases in der Kühlluft kontrolliert wird.
8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung folgende Teile umfasst: einen Transportbehälter (17); einen in diesen einschliessbaren, hermetisch verschliessbaren Lagerbehälter (7) für die radioaktiven Materialien; einen Betonschacht (18) zur Aufnahme des Transportbehälters (17) beim Entladen des Lagerbehälters (7); einen Schutzbehälter (20) zur Aufnahme und Überführung des Lagerbehälters (7) vom Betonschacht 18 zur Lagerstelle (41) und mindestens ein Betonsilo (12) zur Aufnahme der Lagerbehälter (7) für die Lagerung.
9. Einrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der aus einem massiven Stahlzylinder (31) beste hende, aus einem Stück geschmiedete mittlere Teil (31) des Transportbehälters (17) seitlich mit Kühlrippen (34) versehen ist und der Transportbehälter an beiden Enden wegnehmbare Stossdämpfer (16) aufweist.
10. Einrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der einen rostfreien Stahlmantel (36) aufweisende Lagerbehälter (7) mit einem Deckel (1) hermetisch verschliessbar ist, dass am Deckel (1) und am Mantelflansch (38) je eine umlaufende Lippe (3) angeordnet ist, und dass diese
Lippen (3) miteinander verschweissbar sind.
11. Einrichtung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerbehälter an beiden Enden, sowie am Aussenumfang mit Rippen (4 und 5) versehen ist.
12. Einrichtung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Innern des Lagerbehälters Borstahlkästen (11) angeordnet sind zur Aufnahme der radioaktiven Materialien.
13. Einrichtung nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen den Borstahlkästen (11) mit Leichtmetall-Gusskörpern (10) aufgefüllt ist.
14. Einrichtung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (1) des Lagerbehälters zusätzlich mit dem Stahlmantel (36) verschraubbar ist, und dass der Lagerbehälter (7) mit einem Schutzgas unter Überdruck füllbar ist.
15. Einrichtung nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Betonsilo (12) mit inneren Rippen (25) versehen ist, welche zwischen die Rippen (4) des Lagerbehälters (7) hineinragen.
16. Einrichtung nach Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerbehälter (7) im Betonsilo (12) durch Kühlluft gekühlt ist.
17. Einrichtung nach Patentanspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Betonsilo (12) ein Rohrgitter (26) zur Führung der Kühlluft angeordnet ist, dass das Rohrgitter mit einem Schutzgasdetektor (40) in Verbindung steht, und dass mittels eines Abtastkontrollgerätes (43) und durch letzteres betätigbare Ventile (44) die Kühlluft irgendeines der Betonsilo (12) selektiv dem Schutzgasdetektor (40) zuführbar ist.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Transport und zur Lagerung von radioaktiven Materialien, insbesondere von Reaktorbrennelementen, sowie eine Einrichtung zur Durchführung dieser Verfahren.
Das Verfahren wird hauptsächlich für die Zwischenlagerung bestrahlter Brennelemente vor der Wiederaufbereitung verwendet. Für die Zwischenlagerung bestrahlter Brennelemente sind schon verschiedene Lösungen vorgeschlagen worden. So ist es bekannt, die Brennelemente nass in einem Bekken zu lagern oder sie in Transportbehältern unterzubringen.
Im ersten Fall muss das Brennelementlager des Reaktors entweder zu diesem Zweck vergrössert, oder eine gleichwertige Lagereinrichtung an einem geeigneten Ort aufgebaut werden.
An solche Lager werden bezüglich Sicherheit, Überwachung und Handhabung die gleichen strengen Sicherheitsanforderungen gestellt, wie beim Reaktor selber. Im zweiten Fall gewährleisten die Transportbehälter bereits selber eine hinreichende Sicherheit. Sie werden an der Lagerstelle auch nicht geöffnet, so dass entsprechende separate Sicherheitsvorkehrungen an der Lagerstelle eingespart werden können. Müssen aber eine grössere Anzahl Brennelemente gelagert werden, so fallen die Investitionskosten der teuren Transportbehälter stark ins Gewicht.
Es sollte also eine Methode gefunden werden, welche die relativ kompakte Lagerung der abgebrannten Brennelemente gestattet, ohne dass beim Lager grosse Kosten an Einrichtungen für die Überwachung und Handhabung entstehen würden.
und ohne dass eine grosse Zahl teurer Transportbehälter benützt werden müsste.
Das erfindungsgemässe Verfahren erfüllt diese Anforde
rungen. Es zeichnet sich dadurch aus, dass die radioaktiven Materialien in einen hermetisch verschliessbaren, aus chemisch beständigem Material hergestellten Lagerbehälter seinerseits in einen mechanischen, thermischen und Strahlungsschutz gewährleistenden Transportbehälter eingesetzt wird, dass letzterer zu einer Lagerstelle transportiert wird, und dass an der Lagerstelle der Lagerbehälter aus dem Transportbehälter entfernt und zur Lagerung in einem den Strahlungsschutz gewährleistenden Betonsilo eingebracht wird.
Da die Brennelemente nicht einzeln gehandhabt werden müssen, sondern quasi in vorverpackter Form, vorzugsweise hermetisch eingeschweisst im rostfreien Stahlzylinder zum Lager transportiert und hier aufbewahrt werden, ist die Aktivitätsüberwachung wesentlich einfacher.
Diese vereinfachten Lagerbehälter können leicht und preisgünstig hergestellt werden, da sie die sicherheits- und strahlungstechnischen Anforderungen während des Transportes für sich allein nicht erfüllen müssen. Für den Transport werden sie im Transportbehälter verpackt, der die sicherheitstechnischen Anforderungen optimal erfüllt. Die Brennelemente werden also in der Nähe des Reaktors in die Lagerbehälter gefüllt, worauf letztere vorzugsweise verschweisst werden und ihrerseits in die Transportbehälter geladen werden.
Nach dem Transport ins Zwischenlager werden die Transportbehälter geöffnet, damit die Lagerbehälter ausgeladen und zum eigentlichen Lagerort, einem Betonsilo, gebracht werden können. Während dieser Manipulation muss der Lagerbehälter mit einem provisorischen Strahlenschutzschild versehen werden, was zweckmässigerweise durch Verwendung eines Schutzbehälters gewährleistet wird.
Die Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens umfasst folgende Teile: einen Transportbehälter; einen in diesen einschliessbaren, hermetisch verschliessbaren Lagerbehälter für die radioaktiven Materialien; einen Betonschacht zur Aufnahme des Transportbehälters beim Entladen des Lagerbehälters; einen Schutzbehälter zur Aufnahme und Überführung des Lagerbehälters vom Betonschacht zur Lagerstelle und mindestens ein Betonsilo zur Aufnahme der Lagerbehälter für die Lagerung.
Der wichtigste Bestandteil der erfindungsgemässen Einrichtung ist der Lagerbehälter. Er muss, zusammengefasst, die folgenden Bedingungen erfüllen: - einfach und billig sein - hermetisch verschliessbar und nichtrostend sein - im Transportbehälter Platz haben - mit einem temporären Strahlungsschutzschild versehen werden können - die Wärmeabgabe an die Umgebung gewährleisten
Nachfolgend wird anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Transportbehälter mit darin untergebrachtem Lagerbehälter,
Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II durch den Transportbehälter und den Lagerbehälter gemäss Fig. 1,
Fig. 3 schematisch den Transportbehälter, der für das Entladen des Lagerbehälters vorbereitet wird,
Fig. 4 schematisch den in einen Betonschacht hineingesetzten Transportbehälter und den auf letzteren aufgesetzten Schutzbehälter,
Fig. 5 schematisch das Herausheben des Lagerbehälters aus dem Transportbehälter und das Hineinziehen des Lagerbehälters in den Schutzbehälter,
Fig. 6 schematisch den auf den zylindrischen Silo des Zwischenlagers aufgesetzten Schutzbehälter und das Absenken des Lagerbehälters,
Fig. 7 schematisch den im Zwischenlager untergebrachten Lagerbehälter,
Fig.
8 schematisch eine andere Ausführungsvariante eines Zwischenlagers mit darin plazierten Lagerbehälter,
Fig. 9 einen Querschnitt durch einen Silo mit darin platzierten Lagerbehälter und
Fig. 10 einen Heliumdetektor zur Kontrolle der Dichtheit der Lagerbehälter.
Der in der Fig. 1 dargestellte Transportbehälter 17 besteht aus einem massiven Stahlzylinder 31, der eine hinreichende Abschirmung gegenüber Gammastrahlen gewährleistet. Der Transportbehälter 17 wird in einem Stück geschmiedet, so dass zwischen dem Stahlzylinder 31 und dem Behälterboden 32 nur eine einzige Schweissnaht 33 erforderlich ist.
Ausserhalb des Stahlzylinders 31 sind Kühlrippen 34 angeordnet. Der Transportbehälter 17 ist mit einem sabotagesicheren und dicht schliessenden Deckel 19 verschlossen. Zur Handhabung des Behälters 17 sind an verschiedenen Stellen Tragzapfen 35 angebracht und an beiden Enden des Behälters 17 sind abnehmbare Stossdämpfer 16 montiert.
Beim beschriebenen Transportbehälter handelt es sich um eine Ausführung, die normalerweise mit 12 Brennelementen beladen werden kann. Im vorliegenden Fall wird jedoch der Transportbehälter mit einem Lagerbehälter beladen. Dieser Lagerbehälter 7 weist einen rostfreien Stahlmantel 36 auf für sieben Druckwasserreaktorbrennelemente. Die Wanddicke des Mantels beträgt etwa 15mm. Der Deckel 1 des Lagerbehälter 1 ist mittels Schrauben 2 auf dem Mantel befestigt. Die vorstehenden Lippen 3 zwischen dem Deckelflansch 37 und dem Mantelflansch 38 sind miteinander verschweisst. Über die Länge des Lagerbehälters sind Rippen 4 angebracht, die die Wärmeabgabe an die Transportbehälter beziehungsweise an die Umgebung gewährleisten. Am Boden 39 und am Deckel 1 sind Stahlrippen angeschweisst, die versteifend wirken und ebenfalls der Wärmeabgabe dienen.
Alle Rippen 4, 5 wirken ausserdem zusätzlich als Stossdämpfer bei einem Unfall.
Während des Verschweissens der Lippen 3 ist der Deckel 1 noch nicht am Mantel 36 angeschraubt, damit die Schraubenbolzen 2 die Schweissung nicht behindern. Nach Aufsetzen des Deckels 1 wird der Behälter 7 zuerst durch das Ventil 6 evakuiert. Der Aussendruck presst den Deckel 1 auf den Mantelflansch 38. Eine Dichtung 9 hilft das Vakuum aufrechtzuerhalten.
Nach dem Verschweissen der Lippen 3 werden die Schrauben 2 angebracht und angezogen. Der Behälter wird mit Helium bei einem Druck von ca. 7 atü abgepresst und die Dichtheit des Behälters wird mit Helium-Detektoren 40 (Fig.
10) kontrolliert. Der Überdruck im mit Helium gefüllten Behälter wird belassen und über das Füllventil 6 wird ein Abschlussdeckel 8 aufgeschweisst. Der unter Druck stehende Lagerbehälter 7 ist damit hermetisch verschlossen.
Sollte der Lagerbehälter wieder geöffnet werden, sei es weil er undicht geworden ist oder weil die Brennelemente der Wiederaufbereitung zugeführt werden sollen, so werden die beschriebenen Operationen in der umgekehrten Reihenfolge ausgeführt. Der Verschlussdeckel 8 wird nach dem Abschleifen der Schweissnaht entfernt, der Heliumdruck aus dem Behälter abgelassen und das Vakuum hergestellt. Anschliessend werden die Schrauben 2 entfernt und die Lippenschweissung 3 wird abgeschliffen.
Da der Lagerbehälter selber keinen hinreichenden Schutz gegen die Gamma-Strahlen gewährleistet, müssen alle Operationen beim Verschluss und beim Öffnen fernbedient erfolgen können.
Im Lagerbehälter sind die Brennelemente mit Borstahlkästen 11 umgeben. Normalerweise ist der Lagerbehälter immer trocken, aber der Abstand zwischen den Kästen 11 und ihr Borgehalt gewährleisten die hinreichende Unterkritikalität auch beim Füllen mit Wasser. Der Raum zwischen den Kästen 11 ist mit scheibenförmigen Aluminium-Gusskörpern 10 aufgefüllt. Diese Aluminium-Gusskörper geben der Konfigura tion beim Unfall eine grosse Stabilität, sie bremsen etwas die schnellen Neutronen, absorbieren etwas von den Gammastrahlen und leiten die Nachzerfallswärme der Brennelemente an die Lagerbehälterwandung ab.
Das Beladen und das Verschliessen des Lagerbehälters muss in geschützten und kontrollierten Räumen vorgenommen werden, am besten unmittelbar in der Nähe des Reaktors. Hier müssen auch die notwendigen fernbedienbaren Geräte vorhanden sein. Die Abmessungen des Lagerbehälters für sieben Druckwasserreaktorbrennelemente sind so gewählt, dass er im üblichen Transportbehälter, der normalerweise für 12 Brennelemente Platz hat, gerade hineinpasst. Der Lagerbehälter wird also in den Transportbehälter geladen und zum Zwischenlager transportiert. Während des Transportes werden alle sicherheitstechnischen Vorschriften und Anforderungen, wie mechanische Festigkeit, thermische Eigenschaften und Strahlungsschutzbedingungen vom Transportbehälter erfüllt.
Das eigentliche Zwischenlager besteht aus einer Betonplatte 41, in welche zylindrische Vertiefungen, die Silos 12 für die Lagerbehälter 7 eingelassen sind (Fig. 6, 7). Die Innenwände der Silos 12 sind zweckmässig mit einer Stahlauskleidung umhüllt.
Die Kühlung der Lagerbehälter erfolgt durch freie Konvektion der Umgebungsluft. Die Zufuhr der Frischluft erfolgt durch Kanäle 13 unterhalb der Lagerposition. Die erwärmte Luft steigt durch Schikanen 14, welche das Austreten der Gammastrahlen verhindern, durch den Betondeckel 15 ins Freie.
Die verschiedenen Stufen für das Entladen des Lagerbehälters aus dem Transportbehälter bis zum Plazieren im Zwischenlager sind in den Figuren 3 bis 6 veranschaulicht. Nach der Entfernung der Stossdämpfer 16 und der Deckelbefestigung wird der Transportbehälter 17 in einen Betonschacht 18 hinuntergelassen (Fig. 4). Jetzt wird der Deckel 19 abgehoben und aus dem Silo entfernt, so dass der Schutzbehälter 20 auf den Transportbehälter 17 gestellt werden kann. Nach seitlichem Herausziehen des Versclrlussschiebers 21 aus dem Schutzbehälter 20, wird eine Hebeplatte 2, die im Innern des Schutzbehälters angeordnet ist, hinuntergelassen und durch Drehen mit den Hebelaschen 23 des Lagerbehälters 7 verhenkt. Der Lagerbehälter 7 wird in den Schutzbehälter 20 hochgezogen und der Verschlussschieber 21 wieder hineingestossen.
Der Schutzbehälter 20 schützt hinreichend gegen die Strahlung aus dem Lagerbehälter 7, so dass er aus dem Betonschacht 18 gehoben werden kann. Der Schutzbehälter wird dann zur Lagerstelle transportiert. Dort angelangt, wird er über die Öffnung des Silos 12 auf einen Zwischenring 24 abgesetzt. Der Verschlussschieber 21 wird wieder herausgezogen und der Lagerbehälter 7 in den Silo 12 hinuntergelassen (Fig.
6). Die Hebeplatte 22 wird durch Verdrehen entkoppelt und der Schutzbehälter 20 wird zusammen mit dem Zwischenring 24 entfernt. Letzterer dient dazu, den Lagerbehälter beim Absinken in den Silo zu führen.
Die Position des Lagerbehälters 7 im Silo 12 wird durch Längsrippen 25a der Auskleidung 25 gesichert, welche die im Beton entstehende Wärme an die Luftströmung abgeben. Die restliche im Beton entstehende Wärme wird durch zusätzliche frei zirkulierende Kühlluft in den Kanälen 28 an die Umgebung abgegeben. Das Kühlsystem verhindert einen unzulässigen Temperaturanstieg und die damit verbundene Dehydration des Betons.
Eine Umweltbelastung durch das Zwischenlager ist auf drei verschiedene Arten möglich: durch direkte Strahlung, durch Undichtheit der Brennstoffumhüllung kombiniert mit Beschädigung oder Undichtheit der Lagerbehälter und durch Aktivierung der Kühlluft durch die schnellen Neutronen.
Gegen die direkte Strahlung (primäre Gammastrahlung, Neutronenstrahlung und sekundäre Gammastrahlung nach Neutroneneinfang) bildet die dicke Betonwand mit Borzusatz eine hinreichende Barriere. Die Dichtheit der Lagerbehälter wird durch das Überwachungssystem mit Heliumdetektoren kontrolliert. Die Aktivierung der Luft kann weitgehend ungefährlich gehalten werden, wenn die Staubfreiheit der kalten Zuluft gewährleistet ist. Somit können keine Staubpartikel am Lagerbehälter abgelagert, dort aktiviert und wieder von der Kühlluft mitgerissen werden.
Das Zwischenlager inklusive die Krananlagen können mit einer gewöhnlichen Halle überdeckt werden, welche den freien Austritt der Warmluft nicht behindern, aber den gewöhnlichen Schutz gegen atmosphärische Bedingungen (Seitenwinde mit Staubzufuhr, Regen, Schnee) gewährleisten soll. Die massive Betonkonstruktion des Zwischenlagers bietet gegen alle mechanischen Einwirkungen (Erdbeben, Flugzeugabsturz usw.) hinreichend Schutz.
Wie bereits erwähnt worden ist, wird die Dichtheit der Lagerbehälter mit einem Heliumdetektor kontrolliert. Ein Gitter 26 von Plasticrohren ist über die Betondeckel 15 der Betonsilo 12 verlegt. Je eine Abzweigung aus den Rohren in beiden Richtungen dringt in die Luftaustrittsöffnungen der Betondek kel 15 hinein, ohne aber den freien Luftaustritt zu beeinträchtigen. Ein zentrales Sauggebläse 27 sorgt für ständigen Unterdruck in den Rohren.
Ein Abtastkontrollgerät 43 öffnet periodisch der Reihe nach je eines der Ventile 44 gegen die Saugpumpe 27 des Heliumdetektors 40 hin. Innerhalb eines Abtastzyklus kann somit ein defekter Lagerbehälter festgestellt werden. Ein solcher Behälter muss aus dem Silo entfernt werden und zum Be- bzw.
Entladeort zurücktransportiert werden. Leckage aus einem Lagerbehälter bedeutet noch keinen Aktivitätsaustritt, da im Zwischenlager unbeschädigte Brennelemente gelagert sind.
Die Heliumfüllung der Lagerbehälter schliesst jede chemische Beschädigung der Brennelemente während der Lagerzeit aus.
Der Brennstoff ist somit durch eine doppelte mechanische Barriere geschützt. Die zweite rein mechanische Barriere kann jedoch leicht zu einer weiteren Barriere gegen Stoffaustausch ausgebaut werden. Bei dieser Variante gemäss Fig. 8 sind die Luftkanäle im Deckel 15 weggelassen. Der Kühlluftstrom des Lagerbehälters, zusammen mit der Kühlluft des Betons aus den Kanälen 28 zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf.
Die Rückkühlung erfolgt in zusätzlichen vertikalen Schächten 29 mit vertikalen Wärmerohren 30 mit oben angeordneten Wärmeaustauschern 45. Der Austritt der zirkulierenden Luft in die über dem Lager befindliche Werkhalle wird durch die Absauggebläse 27 des einen Unterdruck erzeugenden Leckageüberwachungssystems vermieden.