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Beschreibung zum Patentgesuch "Lagereinheit für bestrahlten Kernbrennstoff
oder anderes radioaktives Material, insbesondere in einem Kernreaktor" Die Erfindung
bezieht sich auf die Lagerung von bestrahltem Kernbrennstoff in einem Kernreaktor-Komplex.
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Bisher beruhten derartigen Einrichtungen auf einer naßen Lagerung,
bei der die Kernbrennstoffelemente von einem Kernreaktor direkt in Wasserbecken
eingetaucht wurden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die damit verbundenen Nachteile
zu beseitigen, was erfindungsgemäß erreicht wird durch eine Lagereinheit für bestrahlten
Kernbrennstoff oder anderes radioaktives Material, insbesondere in einem Kernreaktor,
die gekennzeichnet ist durch mindestens einen langgestreckten abdichtbaren Behälter
für die Aufnahme oder
-Speicherung bestrahlten radioaktiven Materials
und durch einen den Behälter umschließenden Kühlmantel, durch den ein Sekundärkühlmittel
für die Abfuhr von Wärme von der Außenseite der Behälterwand im Kreislauf geführt
werden kann.
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Vorzugsweise wird die Zerfallswärme von dem Kernbrennstoff durch
ein Primärkühlmittel, das durch Konvektion in dem Behälter umgewälzt bzw. im Kreislauf
geführt wird, auf die Behälterwandung übertragen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten
bevorzugten Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigen Fig. 1A einen Schnitt
durch einen Brennstoff-Behandlungsblock gemäß Linie IA-IA in Fig. 2A, Fig. IB einen
Schnitt gemäß Linie IB-IB in Fig. 2A, Fig. 2A einen Schnitt gemäß Linie IIA-IIA
in Fig. 1B, Fig. 2B einen Schnitt gemäß Linie IIB-IIB in Fig. 2A, Fig. 2C, 2D, 2E,
2F und 2G Schnitte gemäß den Linien: IIC-IIC, IID-IID, IIE-IIE, IIF-IIF bzw.
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IIG-IIG von Fig. 1B, Fig. 3 eine Endansicht eines Lagerbehälters,
Fig. 4A und 4B zusammengesetzt, wie in Fig. 4 gezeigt, einen Schnitt gemäß Linie
IV-IV in Fig. 3, Fig. 5A und 5B zusammengesetzt, wie in Fig. 5 gezeigt, einen Schnitt
gemäß Linie V-V in Fig. 3,
Fig. 6 einen Schnitt gemäß Linie VI-VI
in Fig. 5A, Fig. 7 einen Schnitt gemäß Linie VII-VII in Fig. 4B, Fig. 8 und 9 Schnitte
an einem in Fig. 5A gezeigten Teil, Fig. 10 einen schematischen Plan eines Kühlkreislaufes,
Fig. 11A und llB zusammengesetzt, wie in Fig. 11 gezeigt, einen Schnitt gemäß Linie
XI-XI in Fig. 12, Fig. 12 eine Draufsicht auf einen Teil eines Trocken-Zerfallbehälters,
Fig. 13 eine Ansicht auf der Linie XIII-XIII von Fig. 14B und Fig. 14A und 14B zusammengesetzt,
wie in Fig. 14 gezeigt, eine Draufsicht auf ein Ende des Trocken-Zerfallbehälters
oder -lagers.
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Fig. 1A, 1B und 2A bis 2G zeigen Einzelheiten eines Brennstoff-Behandlungsblockes,
der einen Teil eines Kernreaktorbauwerks bildet und derjenige Teil ist, in dem die
bestrahlten Kernbrennstoffteile behandelt werden.
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Der Brennstoff-Behandlungsblock enthält Einrichtungen für die Behandlung
von bestrahltem Kernbrennstoff, die grundsätzlich vier Teile umfassen: (1) die Druck-Entriegelungseinrichtung
30, (2) den Trocken-Zerfallbehälter 31,
(3) den Brennelement-Behandlungsraum
32 und (4) das Flaschen-Ladeabteil 33 mit Zuführrinnen oder -rohren von dem Brennelement-Behandlungsraum.
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Die Druck-Entriegelungseinrichtung 30, der Trocken-Zerfallbehälter
31 und der Brennelement-Behandlungsraum-32-sind in dem Block für die Behandlung
der Brennstoffeinheiten so angeordnet, daß ein direkter Zugang zu ihnen ton der
Beschickungs- oder Ladeebene für die Brennstoff-Wechselmaschine gegeben ist. Das
Flaschen-Ladeabteil 33 liegt an der Basis des Brennstoff-Behandlungsblockes und
ist-mit dem Raum 32 durch eine Rinne, Rutsche 34 oder dgl., Fig. 1A, verbunden.
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Wenn eine völlig bestrahlte Brennstoffanordnung von dem Reaktorkern
entfernt worden ist, wird sie von einer nicht gezeigten Brennstoff-Wechselmaschine
zu der Druck-Entriegelungseinrichtung 30 in dem Raum 32 gebracht. Der Behandlungsraum
32 ist über Zugangsöffnungen durch die Decke des Raumes, die in der Zeichnung jedoch
nicht gezeigt sind, zugänglich.
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Im Raum 32 wird die Brennstoff-Stopfeneinheit der Anordnung entfernt
und eine Zerfall-Lagerstopfeneinheit, die stets in der Brennstoff-Wechselmaschine
als Not-Abschirmstopfen für ein Reaktor-Standrohr mitgeführt wird, an der Brennstoff-Trag-
und -verschlußeinrichtung der Anordnung angebracht Die Gründe für den Wechsel der
Stopfeneinheiten auf diese Weise sind erstens, die Kosten für die Zufuhr zusätzlicher
Brennstoff-Stopfeneinheiten über diejenigen hinaus, die für die Reaktoren und die
Instandhaltung erforderlich sind, zu sparen, und zweitens, die Länge der zu lagernden
Einheit zu verringern, was die Kosten für die Trocken-Zerfall-Lagerrohre reduziert.
Die Brennstoff-Wechselmaschine nimmt dann die bestrahlte Brennstoffträger-/Zerfall-Lagerstopfeneinheit
zu dem Zerfall-Lager 31, wo sie zuerst einen 100-tägigen, zerfallenen Brennstoffträger-/
Zerfall-Lager-Abschirmstopfen heraushebt und diesen durch
die Brennstoffträger-/
Zerfall-Lager-Stopfeneinheit mit noch nicht zerfallenem Kernbrennstoff ersetzt.
Die Brennstoff-Wechselmaschine erfaßt dann den Brennstoffträger mit völlig zerfallenem
Kernbrennstoff und senkt ihn in den Brennelement-Behandlungsraum 32 ab zur Demontage
und zur Beseitigung der zerfallenen Brennstoffelemente über die Rinne oder Rutsche
34 in das Flaschen-Ladeabteil 33, wo der zerfallende Kernbrennstoff in eine Transportflasche
oder einen Transportbehälter geladen wird zum Abtransport von der Station.
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Fig. 1A, IB und 2A bis 2G zeigen auch noch andere Einrichtungen in
dem Behandlungsblock für den Kernbrennstoff, jedoch nur aus Gründen der Vollständigkeit,
da sie für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt notwendig
sind.
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Das Trocken-Zerfall-Lager 31 besteht aus 90 einzelnen Wassermantel-Duckbehältern
1, von denen jeder hier als eine Trocken-Lagerbehältereinheit bezeichnet wird. Die
Behälter sind in 18 Gruppen von 5 Einheiten angeordnet.
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Wenn sie in Betrieb sind, wird jede Einheit durch einen nicht gezeigten
Reaktor-Standrohrverschluß abgedichtet, an dessen Unterseite ein Beton-Abschirmstopfen
angebracht ist. Diese Anordnung ist die oben erwähnte Zerfall-Lager-Stopfeneinheit.
Der Brennstoffträger hängt beim Transport von der Unterseite der Zerfall-Lager-Stopfeneinheit
herab, mit der er durch eine Zinkenkupplung verbunden ist. In dem Zerfall-Lager
wird der Brennstoffträger sodann durch einen Lagerstuhl 2, Fig. 4B, von unten her
abgestützt unter Entlastung der Kupplung und der Haltestange.
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Die Druckrohre 1 werden mit Kohlendioxidgas bei Reaktordruck gefüllt.
Die Kühlung des Brennstoffträgers erfolgt durch natürlichen Kreislauf des Kohlendioxidgases
durch
den Träger und abwärts durch den von der Graphithülse des Brennstoffträgers und
einem Druckrohr la, das ein Teil der Einheit 1 ist, gebildeten Ringraum, während
die Wärme von den Wandungen des Druckrohres durch Zirkulation von Wasser aufwärts
durch einen das Rohr la umschließenden Wassermantel 3 abgeführt wird. Das Wasser
in dem Wassermantel 3 steht normalerweise unter atmosphärischem Druck.
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Die Oberseite jeder Einheit gleicht einem Reaktor-Standrohr, und
die Brennstoff-Wechselmaschine hat direkten Zugang zu jeder Einheit. Die Rohre sind
in dem gleichen Gitterabstand wie die Reaktorstandrohre angeordnet, was einen angemessenen
Raum für die Rohrbehandlung ergibt und auch zufriedenstellend ist aus Betrachtungen
hinsichtlich des kritischen Verhaltens. Zusätzlich vereinfacht es die Einstellung
der Brennstoff-Wechselmaschine, wenn sie bestrahlten Kernbrennstoff in die Lagerrohre
lädt, und es vereinfacht auch das Setzen von Anschlägen für die Brennstoff-Wechselmaschine
an den Lagereinrichtungen für den bestrahlten Kernbrennstoff.
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Alle Gas- und Wasseranschlüsse zu den Rohren sind von der Beschickungsebene
her zugänglich. An den Lagerrohren gibt es nichts, daß nicht gewartet werden kann,
während der Lagerraum bis zu seinem vorgesehenen Fassungsvermögen mit Brennstoffträgern
mit bestrahltem Kernbrennstoff angefüllt ist.
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Der Lagerraum ist so bemessen, daß die Brennstoffträger eine Zerfallzeit
von 100 Tagen haben. Hierfür sind 85 Lagerbehältereinheiten vorgesehen. Zusätzliche
5 Behälter dienen Instandhaltungs- und Testzwecken.
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Jede Trocken-Lagerbehältereinheit umfaßt einen oberen Verschluß-Aufnahmeteil
4 und ein äußeres Rohr 6,
das in Verbindung mit dem Rohr 1a den
Wassermantel 3 bildet.
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Entmineralisiertes Wasser fließt über eine Einlaßeinrichtung 7a zu
dem Boden des Wassermantels 3 durch ein Rohr 7, das zwischen dem Druckrohr la und
dem äußeren Rohr 6 abwärts führt. Das Wasser fließt dann aufwärts rings um das Druckrohr
la und tritt über eine Auslaßeinrichtung 7b neben dem Wassereinlaß 7a aus. Ein zweites,
zur Basis des Druckrohres führendes Rohr 8 ist aufwärts geführt durch den Wassermantel
zu einem Auslaß 9 an der Oberseite. Dies dient der hydraulischen Untersuchung der
Rohre bei der Wartung. Ein Abfallbehälter 10 ist am Boden jeder Einheit 1 angeordnet
und trägt den oben erwähnten Lagerstuhl 2. Es kann vorzuziehen sein, einen Stoßdämpfer
am unteren Ende jedes Rohres vorzusehen.
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Die Einlaß- und Auslaßeinheiten 7a und 7b sind beide ähnlich ausgebildet,
wobei Einzelheiten in Fig. 8 und 9 gezeigt sind, obgleich diese Darstellungen nur
für die Einlaßeinheit 7a mit entsprechenden Bezugszeichen versehen sind.
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Jede Lagereinheit geht durch ein Verschlußrohr in dem oberen Betonschild
11 des Zerfall-Lagerraumes hindurch und hängt von einer Sitzfläche in diesem Verschlußrohr,
durch Halter gesichert, herab. Die Oberseite jeder Einheit befindet sich unmittelbar
unter der Beschickungsseitenebene. Einzelne Abschirmdeckel sind über der Oberseite
jeder Lagerbehältereinheit angebracht, die nicht nur als Abschirmung während-der
Hin- und Wegbewegung der Brennstoffträger zu und von dem Lagerraum dienen, sondern
auch als Beschußsperre beim Versagen der Verschlußeinheit.
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Jeder Deckel besteht aus einem achteckigen "Meehanite"-Gußstück 15,
d.h. aus einem Gußstück aus Gußeisen besonders
hoher Festigkeit,
dessen Basis auf der Lagerbehältereinheit 1 sitzt, während die Oberseite über die
Verschlußeinheit hervorragt. Diese Deckel sind an der Lagerbehältereinheit durch
zwei Verriegelungen gesichert, von denen eine bei 15a in Fig. llA gezeigt ist und
die gedreht werden für den Eingriff in einen Schlitz in der Lagerbehältereinheit.
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Auf diesen Gußstücken sitzen quadratische Stahlplatten 16 zur Vervollständigung
der Abschirmung. Es ist unmöglich, diese Platten 16 einzupassen, wenn das Gußstück
nicht an der Lagerbehältereinheit verriegelt ist, und es ist ebenso unmöglich, Anhebe-Augenbolzen
in dem Gußstück anzubringen, wenn es nicht verriegelt ist.
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Wie bereits oben ausgeführt, sind die Lagerbehälter in Gruppen von
fünf Behältern angeordnet, in Lagen eine über bzw. an der anderen, wie bei 31a in
Fig. 12 angedeutet. Entmineralisiertes Wasser von der Hauptringleitung der Reaktorstation
wird zu jeder Einheit durch Nebensammelrohre 20, 21 geführt, die zwischen den Behälterreihen
verlaufen. Diese werden von einer Hauptverteilerleitung 22 versorgt, die in einer
Rinne oder einem Graben entlang der Seite des Lagerraumes verlegt ist. Die Rücklauf-Sammelleitung
23 ist ähnlich in einem Graben oder einer Rinne an der gegenüberliegenden Seite
des Lagerraumes angeordnet.
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Die Haupt-Einlaß- und Auslaß-Wasser-Sammelleitungen 22, 23 sind an
den Stellen 24, 25 verdoppelt, damit jeweils eine für Reparaturzwecke isoliert werden
kann, ohne daß dadurch die Kühlung des Zerfall-Lagerraumes gestört wird. Die Nebensammelrohre
zu den Lagerbehältereinheiten sind nicht doppelt ausgebildet, da eine Gruppe von
fünf Behältern von Brennstoff befreit und dann das Wasser ab= gestellt werden kann.
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Alle mit jeder Gruppe von fünf Einheiten verbundenen Ventile sind
neben den Haupt-Sammelrohren angeordnet, wie gezeigt, und keine Ventile sind mit
den einzelnen Lagerbehältereinheiten verbunden.
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Die Wasserdurchflußmenge in jedem Lagerbehälterrohr ist so groß,
daß jedes Lagerbehälterrohr einen Brennstoffträger aufnehmen kann, wobei die mit
der Zeit abzuführende Zerfallwärme von dem Reaktor weggeführt wird. Die Temperatur
des Gases in jeder Behältereinheit wird durch doppelte Thermoelemente (nicht gezeigt)
überwacht, die unterhalb der Zerfall-Lager-Stopfeneinheiten angeordnet sind, wobei
die Anschlüsse zu diesen durch Druckdichtungen in den Verschlußeinheiten aufwärtsführen.
Die Temperaturmessungen werden kontinuierlich dem datenverarbeitenden Kommandogerät
in dem Haupt-Steuerraum der Reaktorstation eingegeben.
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Eine Gasleitung 26 ist an jede Behältereinheit angeschlossen zum
Ausgleichen der Druckverluste, die von Leckstellen an den Verschlußeinheiten und
vom Abkühlen des Gases entsprechend der Verringerung der von dem Brennstoffträger
abgegebenen Zerfallwärme herrühren.
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Rückschlagventile sind in dieser Leitung für jede Gruppe von fünf
Lagerbehältereinheiten angebracht zur Verhinderung einer Druckentlastung des ganzen
Lagers durch einen größeren Bruch in einem Rohr. Doppel- oder Zwillings-Sicherheitsventile
sind an jeder Gruppe angebracht und führen in eine Entlüftungsleitung.
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Das Gas in dem Lager wird kontinuierlich abgekühlt, ausgenommen wenn
ein frischer Brennstoffträger eingesetzt wird. In diesem Falle wird das Gas in dem
Lagerbehälterrohr während des Absenkens des Brennstoff trägers von der Brennstoff-Wechselmaschine
ausreichend erwärmt, um einen
Überdruck und ein Blasen der Sicherheitsventile
nach dem Abdichten des Lagerbehälterrohres zu verhindern.
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Die Lagerbehältereinheiten sind für eine mindestens 30-jährige Lebensdauer
ausgelegt und eine Wartung dürfte nicht erforderlich sein. Wenn es jedoch erforderlich
werden sollte, eine der Einheiten zu entfernen, so kann dies erreicht werden ohne
Entfernen von Brennstoff von den verbleibenden Lagerbehältereinheiten durch vollständiges
Überfluten des Beton-Lagerraumes oder der Betonkammer, der bzw. die das Lager enthält.
Dies ist annehmbar auch aus der Sicht des kritischen Verhaltens. Wenn es bis zu
etwa 30 cm von der Oberseite der Kammer- oder Lagerraumdecke eingefüllt ist, wird
eine ausreichende Abschirmung von dem Wasser erhalten, damit ein leeres Zerfallrohr
von dem Lagerraum herausgehoben werden kann. Für eine Druckuntersuchung der Lagerbehälterrohre
wird eine Gruppe von fünf Einheiten über diejenigen hinaus, die sonst erforderlich
sind, zugegeben. Die fünf Einheiten würden dann von Kernbrennstoff befreit und von
den Haupt-Kühlwasser-Sammelleitungen und von den Gasleitungen isoliert, druckentlastet
und mit Leitungswasser angefüllt sowie von Hand auf Druck gepumpt werden.
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Statt Rohre mit zwangsweisem Kreislauf für jede Lagerbehältereinheit
zu verwenden, wäre es auch möglich, die einzelnen Lagerbehälterrohre durch Einsetzen
in ein gemeinsames Wasserbecken zu kühlen.
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- Patentansprüche -