DE1514389C3 - Transportbehälter fur verbrauchte Brennelemente von Kernreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Transportbehälter für verbrauchte Brennelemente von Kernreaktoren mit einer eingebauten Abschirmung gegen Strahlung radioaktiver Stoffe, mit einer die Abschirmung umgebenden Stahlwand, die mit Abstand von einem Schutzmantel umgeben ist, und mit einer in dem Zwischenraum zwischen dem Schutzmantel und der Stahlwand angeordneten wärmedämmenden Isolierschicht.

Aus der britischen Patentschrift 973 448 ist ein Transportbehälter bekannt, der seinen Abmessungen nach nur kleine Proben radioaktiven Materials aufnehmen kann. Er besitzt ein inneres Bleigefäß, das als Abschirmung dient und zur thermischen Isolierung von einem Hartholzkasten umgeben ist. Um einen dichten Sitz des Bleigefäßes zu erreichen, ist der Hartholzkasten mit Filz ausgekleidet. Seine Außenseite ist mit Blechen beschlagen. Dieser Transportbehälter ist von einem weiteren Stahlgefäß umgeben, das mit Distanzstücken aus Sperrholz ausgelegt ist. Für den Transport von Brennelementen, die mehrere Meter lang sein können und sehr hohe Temperaturen annehmen, ist diese Konstruktion ungeeignet. Sie ist mechanisch zu schwach und nicht in der Lage, genügend Wärme abzuleiten.

Ähnliches gilt für einen aus der belgischen Patentschrift 640 379 bekannten Transportbehälter, der drei konzentrische Blechzylinder aufweist, zwischen denen ein innerer Bleimantel und eine äußere Wärmeisolierung untergebracht sind. So ist z. B. der auf Seite 17 der Patentschrift als Vorteil genannte thermische Schutz durch die ruhende Atmosphäre im Inneren des Behälters bei einem Transportbehälter für Reaktorbrennelemente undenkbar.

Bei einem aus der USA.-Patentschrift 3119 933 bekannten Transportbehälter für Brennelemente ist dagegen überhaupt keine Wärmeisolierung vorhanden. Es gibt nur eine Abschirmung, die aus überlappend angeordneten Bleikeilen besteht und von einem inneren und äußeren Stahlmantel eingeschlossen ist. Der Wärmeübergang vom inneren zum äußeren Mantel soll durch Rippen oder Stege vermittelt werden, die für den mechanischen Halt zwischen innerem und äußerem Mantel sorgen. Da diese Rippen oder Stege aber für die von den Brennelementen ausgehende Strahlung parallel zur Abschirmung-liegen, müssen sie selbst als Abschirmung geeignet sein. Dadurch ist man auf-teure Spezialwerkstoffe festgelegt, besonders dann, wenn man Schweißverbindungen vorsieht, um einen guten Wärmeübergang zu erreichen. ;

Bei dem aus der deutschen Auslegeschrift 1 119 427 bekannten Transportbehälter für Brennelemente ist ebenfalls keine wärmedämmende Isolierschicht vorhanden. Vielmehr ist an der Grenze zwischen einem Außenmantel und der Abschirmung, die als einheitliche Bleimasse in den Außenmantel eingegossen ist, durch zusätzliche wärmeleitende Bauteile, z. B. nach innen weisende Rippen des Außenmantels, für eine möglichst hohe Wärmeleitung gesorgt. Damit soll eine als Isolierung wirkende, durch Ablösen verursachte fehlende Berührung zwischen dem Blei und dem Außenmantel ausdrücklich überbrückt werden. Die auf maximale Wärmeleitung der Rippen ausgerichtete Ausbildung ist nur durch die Berücksichtigung der Strahlung begrenzt, so daß sich die Rippen bei einem Ausführungsbeispiel nur über etwa ein Drittel der Abschirmungsdicke erstrekken.

Aufgabe der Erfindung ist eine solche Ausbildung des eingangs genannten Transportbehälters, daß nicht nur die für den Normalbetrieb gewünschte Wärmeabfuhr gesichert ist, sondern auch die Anforderungen berücksichtigt werden, die durch Unfälle entstehen können. Um diese Anforderungen zu verdeutlichen, sei erwähnt, daß mit einem Sturz aus mehreren Metern Höhe und einem einstündigen Feuer gerechnet wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schutzmantel durch metallische Brükken definierter Wärmeleitfähigkeit mit der Stahlwand zentrierend verbunden ist. Sie sorgen einmal für eine bestimmte Wärmeabfuhr im Normalbetrieb und begrenzen andererseits zusammen mit der Isolierschicht die Wärmeaufnahme des Behälters bei einem Feuer. Deshalb braucht bei dem neuen Transportbehälter mit der durch die metallischen Brücken »einstellba-

ren« Wärmeleitfähigkeit der die Abschirmung umgebenden Isolierschicht nicht mehr mit dem Schmelzen der Abschirmung gerechnet werden. Daraus ergeben sich zahlreiche weitere Vorteile, wie später noch näher erläutert wird. Schon jetzt ist aber ersichtlich, daß die metallischen Brücken, die bei der Erfindung in einer wärmedämmenden Isolierschicht enthalten sind, nicht mit den bekannten, zur Maximierung der Wärmeabfuhr vorgesehenen Einrichtungen zu vergleichen sind, denn die größte Wärmeabfuhr ergäbe sich doch zweifellos, wenn man die wärmedämmende Isolierschicht wegließe.

Durch die metallischen Brücken kann man eine sichere Festlegung der Abschirmung gegenüber dem äußeren Schutzmantel erhalten, so daß die Brücken also auch als zentrierendes Konstruktionselement dienen. Auf Grund der großen Zahl und der gleichmäßigen Verteilung ist es möglich, neben der gleichmäßigen Wärmeübertragung auch eine so stabile Bauweise zu erhalten, daß die Wärmeisolierung selbst nichts mehr zu halten hat. Man kann so z. B. vorteilhaft die Isolierschicht aus temperaturunempfindlichen Materialien, wie Keramik, Steinwolle, Glaswolle herstellen, die nur schlecht zur Übertragung mechanischer Kräfte geeignet sind. Ferner kann die Isolierschicht zusätzlich mit einer verdampfbaren und unbrennbaren Flüssigkeit getränkt sein. Auch solche unbrennbaren Schichten sind im allgemeinen nicht zur Aufnahme mechanischer Kräfte geeignet, so daß erst im Rahmen der Erfindung Schichten dieser Art eingesetzt werden können.

In die Isolierschicht können die Wärmestrahlung reflektierende Metallbleche oder Folien eingebettet sein. Solche an sich bekannten Maßnahmen können die Temperaturverteilung und den Wärmeübergang steuern und verbessern.

Als Weiterbildung der Erfindung ist der Deckel zum Verschluß des Transportbehälters mit einer in ihrer Wärmeisolationswirkung durch metallische Verbindungselemente einstellbaren Isolierschicht versehen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sei auf die F i g. 1 und 2 verwiesen. F i g. 1 stellt eine Außenansicht eines derartigen Transportbehälters dar, während F i g. 2 den gleichen Behälter um 90° gedreht und teilweise im Querschnitt zeigt.

Im Inneren dieses Transportbehälters befindet sich das verbrauchte Brennelement 1. Es hängt in diesem Beispiel an einem Kopfstück 11, das wenigstens teilweise mit Blei 31 zur Abschirmung gefüllt ist und sich auf entsprechenden Flächen des Behältereinsatzes 41 aus Stahl abstützt. Durch Schrauben 12 ist es mit diesem starr verbunden. Der innere Hohlraum 21 des Transportbehälters, in dem das Brennelement 1 sitzt, wird von einem Stahlrohr 2 gebildet. Außerhalb dieses Hohlraumes 21 befindet sich die Bleiabschirmung 3, die nach außen hin wiederum von einem Stahlmantel 4 umschlossen ist. Dieser Stahlmantel 4 ist mit dem Einsatz 41 des Transportbehälters gasdicht verschweißt und wird unter Belassung eines Zwischenraumes von einem ebenfalls stählernen Schutzmantel 5 umgeben. Der Zwischenraum zwischen diesen beiden Mänteln 4 und 5 ist dabei mit Isolierstoff, wie z. B. Glaswolle oder Steinwolle, gefüllt. Der Abstand wird in mechanischem Sinn durch Verbindungselemente 7 bzw. 71, die die Gestalt von Stahllaschen oder von Bolzen haben, gewährleistet. Sie sind mit den beiden zu verbindenden Wänden verschweißt. Im Falle der Verbindungslaschen 7 wird zunächst die Schweißverbindung zu dem Außenmantel 4 hergestellt und dann der Schutzmantel 5 übergeschoben. An den Berührungsstellen mit der Verbindungslasche 7 ist dieser Schutzmantel mit einem Schlitz versehen, der anschließend durch eine Schweißnaht, die auch das Verbindungsglied 7 erfaßt, verschlossen wird. Im Falle der Verbindungsbolzen kann so vorgegangen werden, daß diese im

ίο Preßsitz in Außenmantelbohrungen eingeschoben und anschließend mit den Bohrungen des Schutzmantels 5, durch die sie eingeführt wurden, verschweißt werden.
Am oberen Ende des Behälters sind seitlich kräftige Tragzapfen 42 eingesetzt. Sie sind z. B. zur Verringerung der Wärmeleitung hohl und mit dem Außenmantel 4 verschweißt. Nach oben ist der Behälter mit einem Deckel 8 verschlossen, der in seinem Inneren ebenfalls wieder eine Isolierschicht 83 enthält. Er stützt sich über die Teile 81 gegenüber dem Oberteil 41 ab. In diesen Teilen sind außerdem die Befestigungsbolzen 82 geführt.

Die Isolation des Transportbehälters hat die Eigenschaft, daß ihr Wärmeleitwert nicht wesentlich mit der Temperatur ansteigt im Gegensatz zur äußeren Wärmeübergangszahl des Schutzmantels, die bei einem Schadensfeuer gegenüber derjenigen bei Normaltemperatur vor allem infolge der Wärmestrahlung den 20 bis 60-fachen Wert erreicht. Der Wärmeleitwert der Isolationsschicht wird mit Hilfe der Verbindungselemente 7 bzw. 71 so eingestellt, daß das Blei 3 innerhalb des Behälters im Falle eines Brandes seine Schmelztemperatur nicht erreicht. Hieraus ergibt sich bei Normaltemperatur ein relativ kleiner Temperaturabfall in der Isolierung in der Größenordnung von beispielsweise 20° C, der die Kühlung der Brennelemente selbst nicht nennenswert beeinträchtigt, insbesondere nicht bei einem gasförmigen Kühlmittel. .

Durch den kräftigen Schutzmantel 5 aus Stahl, der unter Umständen noch mit nicht dargestellten Versteifungsrippen versehen sein kann, die gleichzeitig auch als Kühlflächen mitwirken können, ist dafür Sorge getragen, daß die Isolierschicht nicht durch eine Beschädigung während des Sturzes großflächig weggerissen wird. Auch bei örtlich sehr großen seitlichen Drücken infolge eines Sturzes bleibt die Isolierfähigkeit des Isoliermaterials 6 erhalten. Durch die Verbindungselemente 7 bzw. 71 und auch durch die nicht dargestellten eingebauten Reflexionsfolien ist die Isoliermasse so gehaltert, daß sie auch bei großen Transporterschütterungen nicht zusammensackt und größere Flächen freigibt.

Durch die gasdichte Schweißkonstruktion des Außenmantels sowie des Schutzmantels kann ein derartiger Transportbehälter auch leicht dekontaminiert werden. Da bei einem Schadensfeuer im Isolierraum 6 ein großer Druck entstehen kann, ist eine nicht dargestellte Bersteinrichtung vorgesehen, z.B.

in Gestalt einer Platzmembrane, die dafür sorgt, daß dieser Überdruck keine schädlichen Ausmaße annehmen kann. Die Isolierung des Deckels 8 überlappt die Isolierung des Transportbehälters, so daß eine größere Wärmeleitung an dieser Stelle vermieden wird.

Diese Transportbehälterkonstruktion mit dem einstellbaren Wärmeleitvermögen der Isolationsschicht 6 gewährleistet nicht nur das Fcstbleiben der Blei-

schicht auch bei sehr hohen Außentemperaturen, da der Außenmantel 4 des Transportbehälters weit unterhalb der Schmelztemperatur des Bleies verbleibt, vielmehr erreichen auch die Brennstäbe des eingesetzten Brennelementes und damit deren Hüllrohre die sogenannte Fehlertemperatur nicht, bei der die Hüllrohre durch den wachsenden Innendruck der Spaltgase über ihre Festigkeitsgrenze hinaus beansprucht werden.

Da der Behälter auch bei einem Feuer nicht verändert wird, braucht er zur Sicherung der Wärmeabfuhr später keine besondere Wartung. Da auch, wie bereits erwähnt, das Blei nicht zum Schmelzen kommt, kann sogar eine gewisse Deformation der bleigefüllten Abschirmung bei einem eventuellen Absturz zugelassen werden. Dadurch werden wesentliche Einsparungen an einem Stoßrahmen möglich, in dem dieser Transportbehälter normalerweise gelagert wird und der nicht besonders dargestellt ist.

Da das Blei nicht schmilzt, kann außerdem auf die bei anderen Ausführungsformen bekannten Ausdehnungsräume verzichtet werden. Weiterhin kann die Isolationsschicht 6 mit einer verdampfbaren und unbrennbaren Flüssigkeit, wie z.B. Wasser, getränkt werden. Hierdurch wird die Wärmeleitung im Normalbetrieb in günstiger Weise erhöht. Das Wasser nimmt außerdem bei einem Schadensfeuer einen großen Teil der von außen eindringenden Wärme auf und verdampft durch die Platzmembranen. Anschließend herrschen die gleichen Verhältnisse, wie sie vorbeschrieben wurden.

Die äußere und innere Form eines derartigen Transportbehälters muß nicht zylinderförmig sein, es werden selbstverständlich dem jeweiligen Verwendungszweck angepaßte Formen Verwendung finden, wobei auch mehrere Schichten aus Stahl, Blei und Isolationsstoffen vorgesehen sein können. Allen gemeinsam ist jedoch wenigstens eine spezielle, in ihrem Wärmeleitwert "eingestellte Wärmeisolation-

ao schicht außerhalb der Bleiabschirmung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Transportbehälter für verbrauchte Brennelemente von Kernreaktoren mit einer eingebauten Abschirmung gegen Strahlung radioaktiver Stoffe, die mit Abstand von einem Schutzmantel umgeben ist, und mit einer in dem Zwischenraum zwischen dem Schutzmantel und der Stahlwand angeordneten wärmedämmenden Isolierschicht, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzmantel (5) durch metallische Brücken (7) definierter Wärmeleitfähigkeit mit der Abschirmung (3) oder mit einer die Abschirmung (3) umgebenden Stahlwand (4) zentrierend verbunden ist.

2. Transportbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücken (7) die Abschirmung (3) gegenüber einem äußeren Schutzmantel (5) zentrieren.

3. Transportbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (3) von einer Stahlwand (4) umschlossen ist, an der durch die wärmedämmende Isolierschicht (6) verlaufende Trageinrichtungen (42) angreifen.

4. Transportbehälter nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (6) aus temperaturunempfindlichen Materialien, wie Keramik, Steinwolle, Glaswolle, besteht.

5. Transportbehälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (6) . mit einer verdampfbaren und unbrennbaren Flüssigkeit getränkt ist.

6. Transportbehälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Isolierschicht (6) die Wärmestrahlung reflektierende Metallbleche oder Folien eingebettet sind.

7. Transportbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (8) zum Verschluß des Transportbehälters mit einer in ihrer Wärmeisolationswirkung durch metallische Verbindungselemente einstellbaren Isolierschicht (83) versehen ist.

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