DE1146209B

DE1146209B - Transportbehaelter fuer radioaktive, Zerfallswaerme erzeugende Stoffe, insbesondere fuer verbrauchte Brennelemente aus Reaktoranlagen

Info

Publication number: DE1146209B
Application number: DES70943A
Authority: DE
Inventors: Hermann Kuester
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1960-10-21
Filing date: 1960-10-21
Publication date: 1963-03-28

Description

Transportbehälter für radioaktive, Zerfallswärme erzeugende Stoffe, insbesondere für verbrauchte Brennelemente aus Reaktoranlagen Die Erfindung betrifft einen Transportbehälter für radioaktive, Zerfallswärme erzeugende Stoffe, insbesondere für verbrauchte Brennelemente, die im Inneren eines vorzugsweise zylindrischen Teils aus die Strahlung abschirmendem Werkstoff untergebracht sind, mit einem Zwischenraum zwischen dem Zylinder und der Behälterwand und mit einem auf Grund natürlicher Konvektion zirkulierenden Kühlmittel. Die Abschirmung ist vorzugsweise aus Blei. Die aus Atomreaktoranlagen nach einer gewissen Betriebszeit ausgebauten Brennelemente sind stark radioaktiv und erzeugen Nachzerfallswärme. Nach längerer Lagerung müssen sie häufig, beispielsweise zur Aufarbeitung, mit der Bahn oder auf Schiffen über weite Strecken transportiert werden. Hierfür sind Transportbehälter bekannt, die beispielsweise einen mit Blei ummantelten, die Brennelemente aufnehmenden Innenraum enthalten und die Nachzerfallswärme nach dem Wärmetauscherprinzip mittels eines primären und eines sekundären Kühlmittelkreislaufes abführen. Der Sekundärkreis ist fast immer an Rippenrohre gebunden, die außerhalb des stoß- und fallsicheren Transportbehälters liegen und infolgedessen einer Beschädigung ausgesetzt sind, so daß Kühlmittelverluste eintreten können. Die Wärme nur durch Leitung abzuführen ist äußerst schwierig, weil sich Blei, das meistens als Abschirmung verwendet wird, nach dem Gießen nicht so behandeln läßt, daß es eine homogene Verbindung mit dem Innen- und Außenmantel des Behälters eingeht. Vielmehr werden zwischen Innen- oder Außenmantel und der Bleiabschirmung Luftspalte entstehen, die den Wärmeübergang stark beeinträchtigen.
Bei einer weiteren, bekannten Ausführung sind die verbrauchten Brennelemente im Inneren eines Hohlzylinders angeordnet, der in vier Kammern unterteilt und unmittelbar von einem dicht anliegenden Bleimantel umgeben ist. Zwischen dem Bleimantel und einem äußeren Stahlbehälter befindet sich ein Zwischenraum, der ebenso wie der Hohlzylinder mit Wasser gefüllt ist. Bei diesem Behälter sind jedoch zusätzliche Schutzmaßnahmen erforderlich, da die Strahlung zwar in radialer Richtung abgeschirmt ist, in axialer Richtung aber ungehindert austreten kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Kühlmedium im Inneren eines vollkommen abgeschirmten Transportbehälters ohne Verwendung von Außenkühlern nach dem Thermosiphonsystem umlaufen zu lassen. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß an den Enden eines aus dem zylindrischen Teil, einem Deckel und einem Boden gebildeten, die Strahlung abschirmenden Innenbehälters Kanäle angeordnet sind, die den Zwischenraum mit dem Innenraum des Innenbehälters verbinden. Das Kühlmittel, das im Innenraum von den Brennelementen Wärme aufnimmt und dadurch einen Auftrieb erfährt, strömt durch die oberen Verbindungskanäle nach außen in den Raum zwischen der Abschirmung und der Behälterinnenwand, gibt dort Wärme ab und fällt infolge des sich ändernden spezifischen Gewichtes nach unten, um durch die unteren Verbindungskanäle wieder in den Innenraum einzutreten.
Zur Verbesserung der Wärmeabgabe an die Außenluft ist es zweckmäßig, die Außenfläche des Transportbehälters mit Kühlrippen zu versehen. Für die Aufnahme der radioaktiven Stoffe sind geschlossene Hülsen vorgesehen, die wegen des besseren Wärmeüberganges mit einem Kühlmedium gefüllt sind. Verseuchtes Kühlmittel aus den Hülsen kann also nicht in das im Inneren des Transportbehälters zirkulierende Kühlmittel gelangen. Die Verbindungskanäle bestehen aus mehreren Abschnitten, die winkelig so aneinanderstoßen, daß eine in den Kanälen entstehende Streustrahlung an der freien Ausbreitung gehindert ist.
An Hand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Transportbehälter; Fig.2 zeigt einen Teilquerschnitt entlang der Linie II-11. Nach Fig.1 besteht der Transportbehälter aus einem aufrecht stehenden, beispielsweisezylindrisehenAußenbehälter 1, einem Deckel 2 und einem Innenbehälter, der im wesentlichen aus einem Boden 3, einem hohlzylindrischen Teil 4 und einem dem Deckel 2 zugeordneten Teil 5 zusammengesetzt ist. Der Behälter 1 und der zugehörige Deckel 2 sind z. B. aus Stahl, der als Abschirmung dienende Innenbehälter ist vorzugsweise aus Blei. In dem abgeschirmten Innenraum 6 steht auf einem am unteren Ende des Hohlzylinders 4 vorgesehenen ringförmigen Absatz 7 ein schirmständerartiger Einsatz 8 mit Halterungen 9. Die Brennelemente sind in Hülsen 10, beispielsweise aus Aluminium, eingesetzt, die zur Verbesserung des Wärmeüberganges mit einem Kühlmedium, z. B. Wasser, gefüllt sein können und mit Kappen 11 dicht verschlossen sind. Die mit Brennelementen gefüllten Hülsen stehen aufrecht auf dem Einsatz B in den Halterungen 9 und können mit Hilfe des Einsatzes nach Abnahme des Behälterdeckels 2 (einschließlich der Deckelabschirmung 5) in den Innenraum 6 eingebracht oder aus ihm herausgezogen werden. Zu diesem Zweck ist der Einsatz mit einer die Hülsen überragenden Stange 12, mit beispielsweise rohrförmigem Querschnitt, versehen, an der eine Tragöse 13 befestigt ist. Die Deckelabschirmung 5 ist seitlich mit Führungsrippen 18 versehen, axial beweglich im Behälterdeckel 2 angeordnet und so bemessen, daß zwischen seiner Oberfläche und der Innenfläche des Behälterdeckels 2 ein Zwischenraum 19 entsteht. Durch die bewegliche Anordnung der Deckelabschirmung 5 kann sich der zylindrische Teil 4 nach oben ausdehnen. Auf der Innenseite des Absehirmungsbodens 3 und der Deckelabschirmung 5 ist ein in den Innenraum 6 ragender Mittelteil 14 bzw. 15 vorgesehen, der jeweils von einer ringförmigen Rinne 16 bzw. 17 umgeben ist. Zwischen den Endflächen des zylindrischen Teils 4, die der Form der Ringrinne 16 bzw. 17 angepaßt sind, und dem Abschirmungsbodens 3 und der Deckelabschirmung 5 ist ein in den system 20 bzw. 21 angeordnet, das in mehrere auf verschiedenen, winkelig aneinanderstoßenden Flächen angeordnete Abschnitte unterteilt ist, beispielsweise das Kanalsystem 20 in drei Abschnitte 22, 23, 24. Im Abschnitt 24 und im Teilabschnitt 23 b sind, wie Fig. 2 zeigt, abgewinkelte Stege 25 aus Blei derart eingesetzt, daß Kanäle 26 mit beispielsweise rechteckigem Querschnitt gebildet sind. Die Abschnitte 22 und 23 a sind dagegen nicht mit Stegen versehen. Das Kanalsystem 21 ist analog aufgebaut. Eine etwa in die Kanäle 26 eindringende Streustrahlung wird durch die Stege abgeschwächt, absorbiert und so an der freien Ausbreitung gehindert. Der Außendurchmesser des zylindrischen Teiles 4 ist wesentlich kleiner als der Innendurchmesser des Außenbehälters 1. Der Hohlzylinder 4 ist koaxial in den Außenbehälter 1 eingesetzt, so daß zwischen den beiden Behältern ein Zwischenraum 27 gebildet ist. Dieser Zwischenraum 27 ist durch die Kanalsysteme 20 und 21 mit dem Innenraum verbunden. Der Innenraum 6 und der Zwischenraum 27 sind so weit mit einem Kühlmittel gefüllt, daß das Kanalsystem 21 mit Sicherheit noch mit dem Kühlmittel ausgefüllt ist. Im Zwischenraum 19 über dem Spiegel der Kühlflüssigkeit muß sich zur Begrenzung des Innendruckes wegen der Kühlflüssigkeitsexpansion Luft befinden. Der Flüssigkeitsspiegel wird durch im Deckel 2 angeordnete Ventile (nicht dargestellt) eingestellt. Eines der Ventile dient auch zur Druckentlastung. Das im Innenraum 6 befindliche Kühlmittel nimmt die von den Brennelementen abgegebene Wärme auf und steigt infolge des sich ändernden spezifischen Gewichtes in das obere Kanalsystem 21. Von hier aus strömt es nach außen an den Behälteraußenmantel, an den es die Wärme abgibt, und durch das Kanalsystem 20 und die Durchlässe 28 im Einsatz 8 zurück in den Innenraum. Die äußere Mantelfläche des Transportbehälters 1 und die Oberfläche des Behälterdeckels 2 sind zur besseren Abführung der Wärme an die Außenluft mit Kühlrippen 29 bzw. 30 versehen.
Da sich die radioaktiven Stoffe in geschlossenen Hülsen 10, beispielsweise aus Aluminium, befinden, kann das Kühlmittel aus den Hülsen nicht in den Kühlmittelkreislauf gelangen. Dadurch ist eine Verseuchung des zirkulierenden Kühlmittels verhindert. Zur Vermeidung elektrochemischer Vorgänge im Inneren des Transportbehälters ist es zweckmäßig, den Boden 3, den zylindrischen Teil 4 und den Deckel 5 der Abschirmung mit einer vollkommen dichten Hülle 31, 32, 33, beispielsweise aus Stahl, zu umgeben. Am Mantel des Außenbehälters sind oberhalb des Schwerpunktes Tragbolzen 34 angeordnet, so daß der Behälter beim Absetzen und Umsetzen stets nur in senkrechter Lage transportiert werden kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Transportbehälter für radioaktive, Zerfallswärme erzeugende Stoffe, insbesondere für verbrauchte Brennelemente aus Reaktoranlagen, die im Inneren eines vorzugsweise zylindrischen Teils aus die Strahlung abschirmendem Werkstoff untergebracht sind, mit einem Zwischenraum zwischen dem Zylinder und der Behälterwand und mit einem auf Grund natürlicher Konvektion zirkulierenden Kühlmittel, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden eines aus dem zylindrischen Teil (4), einem Deckel (5) und einem Boden (3) gebildeten, die Strahlung abschirmenden Innenbehälters Kanäle (20, 21) angeordnet sind, die den Zwischenraum (27) mit dem Innenraum (6) des Innenbehälters verbinden (Fig.1).
2. Transportbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (5) des Innenbehälters abnehmbar ist.
3. Transportbehälter - nach Anspruch 2; dadurch gekennzeichnet, daß für die Aufnahme der Stoffe verschließbare Hülsen (10,11) vorgesehen sind. 4. Transportbehälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Hülsen (10, 11) auf einem schirmständerartigen Einsatz (8) aufrecht nebeneinander angeordnet sind. 5. Transportbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Behältermantelfläche mit Kühlrippen (29) versehen ist. 6. Transportbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen und unteren Verbindungskanäle (20, 21) durch je ein in mehrere Abschnitte unterteiltes Kanalsystem ersetzt sind. 7. Transportbehälter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (22, 23, 24) der Kanalsysteme (20, 21) auf verschiedenen, winkelig aneinanderstoßenden Flächen angeordnet sind. B. Transportbehälter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens an der an den Zwischenraum (27) angrenzenden Fläche (24) durch Anordnung von abgewinkelten Stegen (25) aus strahlenabsorbierendem Material Kanäle (26) mit rechteckigem Querschnitt gebildet sind. 9. Transportbehälter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (25) in mehreren aufeinanderfolgenden Abschnitten angeordnet und jeweils dort abgewinkelt sind, wo die verschiedenen Flächen aneinanderstoßen. 10. Transportbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel der Abschirmung (5) axial beweglich im Behälterdeckel (2) angeordnet ist. 11. Transportbehälter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Behälterdeckel (2) und seiner Abschirmung (5) ein Zwischenraum (19) gebildet ist, der betriebsmäßig mit Luft gefüllt ist. In. Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 492 046, 526 733, 1034 282; deutsche Auslegeschriften Nr.1078 701,1021515; »Atompraxis«, Bd. 2, 1956, S. 272 bis 274; »Atomkernenergie«, 5. Jahrgang, 1960, H.
4, S.144 bis 147; »VDI-Zeitschrift«, Bd.101, 1959, S. 1751 bis 1767; Bericht KAPL-M-BBB-2 des Office of Technical Services, U
S. Departement of Commerce, Washington, vom 17.1.1958; Bericht DP-357 Metallurgy and Ceramics vom Januar 1959; »Industrial Radioactive Waste Disposal«, April 1959, S.1739.