Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückkühlung eines mit abgebrannten Brennelementen beladenen Behälters zum Transport und/oder zur Lagerung der Brennelemente. - Transport- und/oder Lagerbehälter, die mit abgebrannten Brennelementen beladen werden, erfahren üblicherweise eine mehr oder weniger starke Erwärmung. Vor der weiteren Handhabung müssen diese Behälter daher zunächst auf geringere Temperaturen abgekühlt werden. Diese Abkühlung wird im Rahmen der Erfindung als Rückkühlung bezeichnet.
Bei dem aus der Praxis bekannten Verfahren der eingangs genannten Art, von dem die Erfindung ausgeht, wird der mit den bestrahlten Brennelementen beladene Behälter über eine Rückkühleinrichtung kontinuierlich mit Kühlwasser befüllt. Um die Abkühlung zu beschleunigen, muss der Behälter ausserdem im Brennelement-Wasserbecken angeordnet werden. Der aufgrund der hohen Temperaturen im Behälter entstehende Wasserdampf bzw. die im Behälter entstehenden Gase werden in der Regel aus dem Behälter mit Überdruck abgeführt. Aufgrund der hierbei entstehenden hohen Dampfdrücke wird die angeschlossene Rückkühleinrichtung erheblichen thermischen Belastungen ausgesetzt. Dementsprechend muss im Rahmen der bekannten Massnahmen die Rückkühleinrichtung relativ aufwändig und voluminös ausgeführt sein.
Die Effektivität der Wärmeabfuhr lässt bei dem bekannten Verfahren zu wünschen übrig. Dies ist unter anderem darauf zurückzuführen, dass bei der kontinuierlichen Befüllung mit Kühlwasser die dem Behälterinneren durch das Kühlwasser entzogene Wärme zunächst auf die Behälterwände übertragen wird, welche Behälterwände aber ebenfalls gekühlt werden sollen. Im Ergebnis kann die Wärme nur langsam aus dem Behälter abgeführt werden. Um für die Handhabung des Behälters ausreichend niedrige Temperaturen zu erzielen, muss weiterhin in aufwändiger Weise Kühlwasser über eine bis auf den Behälterboden reichende Tauchlanze kontinuierlich eingeführt werden. Ausserdem können im Rahmen der bekannten Massnahmen anfallende Dämpfe und Gase nur durch aufwändig gestaltete Einrichtung kontrolliert aufgefangen bzw. abgefördert werden.
Im Ergebnis lässt das bekannte Verfahren im Hinblick auf eine schnelle und effektive Wärmeabfuhr aus dem Behälter zu wünschen übrig und ist zudem nur in aufwändiger Weise führbar.
Demgegenüber liegt der Erfindung das technische Problem zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem auf verhältnismässig einfache und wenig aufwändige Weise die Behälter schnell und effektiv abgekühlt werden können.
Zur Lösung dieses technischen Problems lehrt die Erfindung ein Verfahren zur Rückkühlung eines von mit abgebrannten Brennelementen beladenen Behälters zum Transport und/oder zur Lagerung der Brennelemente, wobei mittels einer gasfördernden Pumpeinrichtung ein Unterdruck in dem Behälter erzeugt wird, wobei Kühlwasser aus einem Wasserreservoir über eine Rückkühleinrichtung in den Behälter eingeführt wird, und wobei der im Behälter gebildete Wasserdampf kontinuierlich abgezogen und ausserhalb des Behälters auskondensiert wird. - Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird der Behälter während der Rückkühlung bereits an seinem für die Abfertigung vorgesehenen Lagerplatz angeordnet.
Zweckmässigerweise wird das Brennelement-Wasserbecken des Reaktors als Wasserreservoir eingesetzt und Kühlwasser aus diesem Wasserbecken über die Rückkühleinrichtung in den Behälter eingeführt. Vorzugsweise wird Kühlwasser mit einer Temperatur von ungefähr 40 DEG C in den Behälter eingeführt. Bei dem Kühlwasser handelt es sich zweckmässigerweise um möglichst weitgehend entgastes Wasser. - Es versteht sich, dass im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens auch mehrere Behälter gleichzeitig der Rückkühlung unterworfen werden können und an die Rückkühleinrichtung und/oder die Pumpeinrichtung mehrere Behälter gleichzeitig angeschlossen sind. Insoweit umfasst Patentanspruch 1 auch ein Verfahren zur Rückkühlung mehrerer mit abgebrannten Brennelementen beladener Behälter.
Nach bevorzugter Ausführungsform, der im Rahmen der Erfindung besondere Bedeutung zukommt, wird eine für andere Einsatzzwecke bereits vorhandene Pumpeinrichtung zur Erzeugung des Unterdrucks und zum Abziehen des Wasserdampfes eingesetzt. Vorzugsweise wird eine zum Zwecke der Trocknung der Behälter ohnehin vorhandene Pumpeinrichtung zur Erzeugung des Unterdrucks und zum Abziehen des Wasserdampfes eingesetzt. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine als Unterdruckquelle dienende Pumpeinrichtung, die im Rahmen einer aus DE-PS 3 200 331 bekannten Befüllanlage für Transport- und/oder Lagerbehälter mit radioaktiven Abfallstoffen zur Trocknung bzw. Vakuumtrocknung der radioaktiven Abfallstoffe eingesetzt wird.
Vorzugsweise wird vor und während des Rückkühlvorganges ein Unterdruck in dem Behälter erzeugt. Zweckmässigerweise wird der Druck in dem Behälter gesteuert und/oder geregelt, und zwar vorzugsweise so, dass der Druck im Behälter während des gesamten Rückkühlvorgangs unterhalb von 1 bar liegt. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung beträgt der Druck bzw. Dampfdruck im Behälter zwischen 0,1 und 0,4 bar, bevorzugt zwischen 0,1 und 0,3 bar. Es versteht sich, dass ausser dem in dem Behälter gebildeten Wasserdampf auch alle anderen in dem Behälter vorhandenen bzw. gebildeten Gase über die Pumpeinrichtung abgezogen werden.
Vorzugsweise wird der aus dem Behälter abgezogene Wasserdampf mithilfe des Kühlwassers aus dem Wasserreservoir auskondensiert. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung, der im Rahmen der Erfindung besondere Bedeutung zukommt, wird der Wasserdampf in einem Mischkondensator auskondensiert. Mischkondensator meint eine Einrichtung, bei der der zu kondensierende Wasserdampf mit dem Kühlwasser gleichsam vermischt wird. Vorzugsweise wird der Wasserdampf in dem Mischkondensator im Gegenstrom zu dem Kühlwasser geführt. Zweckmässigerweise wird der auskondensierte Wasserdampf dem Wasserreservoir und/oder dem Behälter wieder zugeführt. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird der kondensierte und mit dem Kühlwasser vermischte Wasserdampf dem Wasserreservoir und dem Behälter als Kühlwasser wieder zugeführt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass eine besonders effektive und schnelle Kühlung eines mit Brennelementen beladenen Behälters erreicht werden kann, wenn in dem Behälter ein Unterdruck erzeugt wird und hierdurch der in dem Behälter entstehende Wasserdampf gleichsam kontinuierlich abgepumpt wird. Hierdurch findet in einem relativ kurzen Zeitraum eine überraschend hohe Wärmeabfuhr statt, indem durch Erzeugung des Unterdruckes die Verdampfungswärme gleichsam unmittelbar abtransportiert wird und der Behälter dadurch gekühlt wird. Der Kühlvorgang wird ohne wesentliche Verzögerungen zunächst am Boden des Behälters in Gang gesetzt und erfasst mit kontinuierlich steigendem Wasserstand allmählich alle Bereiche der Behälterwände und der in dem Behälter angeordneten Gegenstände.
Zwischen dem Kühlwasser und den zu kühlenden Oberflächen stellt sich verhältnismässig schnell ein weitgehender Temperaturausgleich ein. Im Ergebnis wird eine sehr schnelle und effektive Kühlung des Behälters mit verhältnismässig wenig aufwändigen Mitteln erreicht. Gegenüber dem eingangs geschilderten Stand der Technik ergibt sich zudem der Vorteil, dass der Behälter zur Kühlung nicht im Brennelement-Wasserbecken des Reaktors angeordnet werden muss, sondern aufgrund der im Rahmen der Erfindung erzielten effektiven Kühlung bereits an seinem für die Abfertigung vorgesehenen Platz angeordnet sein kann. Ein mit Brennelementen mit maximaler Nachzerfallsleistung beladener üblicher Transport- und/oder Lagerbehälter kann mit dem erfindungsgemässen Verfahren in etwa 10 Stunden auf Temperaturen von 60 DEG C abgekühlt werden.
Anschliessend sind keine weiteren Rückkühlungsmassnahmen mehr erforderlich. - Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zu Grunde, dass im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens eine ohnehin bereits vorhandene Pumpeinrichtung, die insbesondere zur Trocknung der Behälter verwendet wird, zur Erzeugung des Unterdrucks eingesetzt werden kann. Diese Ausführungsform des Verfahrens zeichnet sich durch Einfachheit und geringen Aufwand aus. Mit der bereits vorhandenen Pumpeinrichtung kann ohne aufwändige Anpassungsmassnahmen das erfindungsgemässe Verfahren erfolgreich durchgeführt werden.
Im Einzelnen bestehen im Rahmen der Erfindung mehrere Möglichkeiten der weiteren Ausführung und Gestaltung. Vorzugsweise wird der Rückkühlvorgang über die Geschwindigkeit der Kühlwassereinführung in den Behälter und/oder die Einstellung des mit der Pumpeinrichtung erzeugten Unterdruckes gesteuert und/oder geregelt. Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert.
Es zeigen in schematischer Darstellung:
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens,
Fig. 2 die Temperatur verschiedener Behälterbereiche als Funktion der Zeit für das weiter unten erläuterte Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 die Temperatur der Brennelemente als Funktion der Zeit,
Fig. 4 den Dampfdruck in dem Behälter als Funktion der Zeit,
Fig. 5 den Füllstand des Kühlwassers in dem Behälter als Funktion der Zeit.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Rückkühlung eines von mit abgebrannten Brennelementen beladenen Behälters 1 zum Transport und/oder zur Lagerung der Brennelemente, dargestellt. Kühlwasser wird aus einem Wasserreservoir 2, das im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 das Brennelement-Wasserbecken des Reaktors ist, über eine Rückkühleinrichtung 3 in den Behälter 1 über die Zuführungsleitung 4 kontinuierlich eingeführt. Bereits vor Einführung des Kühlwassers wird mittels der gasfördernden Pumpeinrichtung 5 der Behälter 1 und die Rückkühleinrichtung 3 über die Abführleitung 6 und die Verbindungsleitung 7 evakuiert, sodass zunächst noch im Behälter vorhandene Gase abgepumpt werden.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird eine ohnehin vorhandene Pumpeinrichtung 5 eingesetzt, die bereits für die Trocknung des Behälters 1 einge setzt wurde. Vorzugsweise weist die Pumpeinrichtung 5 zwei nicht dargestellte Drehschieberpumpen zur Erzeugung des Unterdruckes auf. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist lediglich ein Behälter 1 der Einfachheit halber dargestellt. Es versteht sich, dass auch eine Mehrzahl von beispielsweise nebeneinander angeordneten Behältern 1 an die Rückkühleinrichtung 3 bzw. die Pumpeinrichtung 5 angeschlossen werden können. Der oder die Behälter können an einem für die Abfertigung bzw. den Weitertransport der Behälter bestimmten Platz angeordnet werden und müssen im Gegensatz den eingangs geschilderten bekannten Massnahmen zur Kühlung nicht in dem Wasserreservoir 2 bzw. Brennelement-Wasserbecken des Reaktors aufgestellt werden.
Während der Einführung des Kühlwassers über die Zuführungsleitung 4 in den Behälter 1 wird weiterhin mittels der Pumpeinrichtung 5 ein Unterdruck in dem Behälter 1 und der Rückkühleinrichtung 3 erzeugt. Dabei wird der in dem erwärmten Behälter 1 gebildete Wasserdampf kontinuierlich abgezogen. Es versteht sich, dass auch andere in dem Behälter 1 gebildete Gase gleichzeitig abgezogen werden. Der Wasserdampf wird in dem als Gegenstrom-Mischkondensator ausgebildeten Kondensator 8 mithilfe des Kühlwassers aus dem Wasserreservoir 2 auskondensiert. Hierzu wird der über die Abführleitung 6 in den Kondensator 8 eingeleitete Wasserdampf im Gegenstrom zu dem über die Kühlwasserleitung 9 in den Kondensator 8 eingeführten Kühlwasser geführt. Das Kühlwasser wird dem Kondensator 8 über eine Kühlwasserpumpe 10 aus dem Wasserreservoir 2 zugeführt.
Das mit dem auskondensierten Wasserdampf vermischte Kühlwasser wird nach dem Austritt aus dem Kondensator 8 über die Förderpumpe 11 in einem ersten Teilstrom über die Zuführleitung 4 dem Behälter 1 zugeführt. Ein zweiter Teilstrom des mit dem kondensierten Wasserdampf vermischten Kühlwassers wird in das Wasserreservoir 2 zurückgeführt. Der Behälter 1 füllt sich während des Rückkühlvorganges allmählich mit Kühlwasser. Aus dem Behälter 1 abgezogene Gase und eventuell in dem Kondensator 8 nicht kondensierter Wasserdampf werden über die Verbindungsleitung 7 mit der Pumpeinrichtung 5 aus dem Kondensator 8 abgezogen. Dabei wird das Gasgemisch über einen Nachkondensator 12 geführt, um in dem Gasgemisch verbliebenen Wasserdampf zu kondensieren, da die Pumpeinrichtung in der Regel nur eine begrenzte Dampfverträglichkeit aufweist.
In einem der Pumpeinrichtung 5 nachgeschalteten Emissionskondensator 13 werden noch vorhandene Dampfanteile auskondensiert und die abgezogenen Gase mit eventuell noch verbleibenden Dampfanteilen über die Abluftleitung 14 einem Abluftsystem zugeführt. - Nachfolgend wird das erfindungsgemässe Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:
Ausführungsbeispiel
Das erfindungsgemässe Verfahren wurde mit der in Fig. 1 dargestellten und oben erläuterten Vorrichtung durchgeführt. Es wurde ein mit maximaler Nachzerfallsleistung von 21 kW beladener üblicher Behälter zum Transport von bestrahlten Brennelementen eingesetzt. Kühlwasser wurde mit einer Temperatur von 40 DEG C in einer Menge von 20 l/min in den Behälter eingeführt. Die Umgebungstemperatur betrug 27 DEG C. Das für die Aufnahme des Kühlwassers zur Verfügung stehende freie Volumen des Behälters wies einen Wert von 4,4 m<3> auf. Die für den Kontakt mit dem Kühlwasser zur Verfügung stehende freie Fläche im Behälter betrug 1,32 m<2>. In Fig. 2 ist der Temperaturverlauf während des Rückkühlvorgangs über einen Zeitraum von 9 Stunden dargestellt.
Die ausgezogene Kurve A gibt den Temperaturverlauf für den Primärdeckel des Behälters, die gestrichelte Kurve B den Temperaturverlauf für die Behälterwandung und die strichpunktierte Kurve C den Temperaturverlauf für den Behälterboden in dem genannten Zeitraum wieder. Es ist erkennbar, dass in etwa 10 Stunden eine Abkühlung des Behälters auf eine Temperatur um etwa 60 DEG C erzielt werden kann. Fig. 3 zeigt den Temperaturverlauf der Brennelemente für die ersten drei Stunden der Rückkühlung. In Fig. 4 ist der Dampfdruck in dem Behälter in den ersten drei Stunden der Rückkühlung dargestellt. Im Behälter wurde stets ein Druck unterhalb von 1 bar und somit ein Unterdruck aufrechterhalten. Das Maximum der Kurve gemäss Fig. 4 liegt knapp unterhalb 1 bar. Zu dem entsprechenden Zeitpunkt war die Abführleitung 6 des Behälters 1 vorübergehend geschlossen.
In Fig. 5 zeigt die ausgezogene Kurve den Füllstand des Behälters mit Kühlwasser über den Zeitraum von 9 Stunden. - Im Ergebnis wird eine verhältnismässig schnelle und effektive Abkühlung des Behälters erzielt. Zusätzliche Nachkühlmassnahmen sind nicht erforderlich und der Behälter steht für die weitere Handhabung bzw. den Weitertransport zur Verfügung.