DE19538493A1

DE19538493A1 - Container for housing burnt out elements of nuclear power plant

Info

Publication number: DE19538493A1
Application number: DE19538493A
Authority: DE
Inventors: Frank Niedner; Karl-Heinz Rudnick; Wilfried Dr Ruehle
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Areva GmbH
Priority date: 1995-10-16
Filing date: 1995-10-16
Publication date: 1997-04-17
Anticipated expiration: 2015-10-17
Also published as: DE19538493B4

Abstract

The container for housing burnt out fuel rods from a nuclear power plant is made from a steel containing boron. The steel is made by mixing boron oxide enriched with the boron isotope <10>B with iron to produce a ferro-boron alloy which is comminuted before adding to a steel melt. The steel casting is rolled to produce sheet which is formed into the container (13) for housing the rods (14).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Neutronen absorbierenden Stahls sowie Absorberelementes, bei dem ein Borstahl hergestellt wird, aus welchem ein Absorber blech, insbesondere für einen Absorberschacht zur Aufnahme von einem Brennelement einer Kernkraftanlage, gebildet wird.The invention relates to a method for producing a Neutron absorbing steel and absorber element, at which is made of boron steel, from which an absorber sheet, especially for an absorber shaft for receiving is formed by a fuel element of a nuclear power plant.

In kerntechnischen Anlagen, wie beispielsweise Leichtwasser- Kernkraftanlagen, tritt häufig Neutronenstrahlung auf, wobei aus sicherheitstechnischen Gründen die ausgesandten Neutro nen, um einen negativen Einfluß auf die Umgebung zu vermei den, absorbiert werden. Vor allem bei einer Lagerung von ab gebrannten Brennelementen wird eine Absorption dadurch er reicht, daß diese Brennelemente von einem Neutronen absorbie renden Material umgeben werden. Aufgrund der guten thermi schen und mechanischen Belastbarkeit eignen sich hierfür Be hälter aus einem Stahl, welcher beispielsweise mit einem Neu tronen absorbierenden Material beschichtet ist oder welcher ein solches Material einlegiert enthält. Als Beschichtungs- sowie Legierungsmaterial eignet sich hierbei unter anderem Bor. In dem Artikel "B-10-Borstahl ermöglicht Kompaktlagerung von Brennelementen mit höherer Anreicherung", Siemens Service News, Dezember 1994, S. 9, Hrsg. Siemens AG, Berlin-München, ist ein Kompaktlagergestell aus einem Borstahl beschrieben.In nuclear facilities, such as light water Nuclear power plants, neutron radiation often occurs, whereby the neutrons sent for safety reasons to avoid a negative impact on the environment that are absorbed. Especially when storing from burned fuel assemblies will absorb it is enough that these fuel elements are absorbed by a neutron surrounding material. Due to the good thermi and mechanical resilience are suitable for this container made of a steel, for example with a new one tronen absorbent material is coated or which contains such a material alloyed. As a coating and alloy material are suitable among others Boron. In the article "B-10 boron steel enables compact storage of fuel elements with higher enrichment ", Siemens Service News, December 1994, p. 9, published by Siemens AG, Berlin-Munich, describes a compact storage rack made of boron steel.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Neutronen absorbierenden Stahls sowie eines Absorber elementes anzugeben, bei dem Bor in einen Stahl einlegiert wird, wodurch ein sogenannter Borstahl hergestellt wird.The object of the invention is a method for the production a neutron absorbing steel and an absorber element in which boron is alloyed into a steel is, whereby a so-called boron steel is produced.

Erfindungsgemäß wird die auf die Herstellung eines Stahls gerichtete Aufgabe dadurch gelöst, daß mit dem Borisotop B10 angereichertes Boroxid (B₂O₃) mit einem Stahl aufgeschmolzen wird, so daß ein Neutronen absorbierender Borstahl gebildet wird.According to the invention on the manufacture of a steel task solved in that with the Borisotop B10 enriched boron oxide (B₂O₃) melted with a steel is formed so that a neutron absorbing boron steel is formed becomes.

Die auf die Herstellung eines Absorberelementes gerichtete Aufgabe wird dadurch gelöst, daß aus dem mit angereichertem Boroxid hergestellten Borstahl das Absorberelement gebildet wird.The directed towards the production of an absorber element Task is solved in that from the enriched with Boron oxide produced boron steel formed the absorber element becomes.

Vorzugsweise wird das Boroxid mit einem vorgegebenen Anteil an Eisen zu einer Ferrobor-Legierung (Fe_xB_y) aufgeschmolzen und nach Erstarrung zerkleinert, die zerkleinerte Ferrobor- Legierung mit einem Stahl, insbesondere vorgegebener Güte, zu einem Borstahl aufgeschmolzen, und anschließend der Borstahl zu dem Absorberelement verarbeitet.The boron oxide is preferably melted to a ferroboron alloy (Fe _x B _y ) with a predetermined proportion of iron and comminuted after solidification, the comminuted ferroboron alloy is melted to a boron steel with a steel, in particular a predetermined grade, and then the boron steel processed the absorber element.

Mit dem Verfahren ist es auf einfache und kontrollierte Weise möglich über den Zwischenschritt der Erzeugung eines Ferro bors das Borisotop B10 in einer vorgegebenen hohen Konzentra tion und mit einer homogenen Verteilung in einen Stahl einzu bringen. Hierdurch wird ein Borstahl gewonnen, der sich be sonders zur Herstellung von Absorberschächten zur Aufnahme von Brennelementen eignet, beispielsweise eines Druckwasser- Kernreaktors. Hierbei ist eine kompakte Lagerung der Brenn elemente möglich, die beispielsweise eine Anreicherung bis zu etwa 4,2% des Uranisotops 235 aufweisen. Durch einen hohen Anteil des Borisotops B10 wird bei einem niedrigen Gesamt anteil des Bors im Borstahl ein hohes Absorptionsvermögen erreicht, ohne daß die mechanischen und chemischen Eigen schaften, insbesondere die Verarbeitungseigenschaften des Borstahls, negativ beeinflußt werden.With the procedure, it is simple and controlled possible via the intermediate step of creating a ferro bors the Borisotop B10 in a predetermined high concentration tion and with a homogeneous distribution in a steel bring. This produces a boron steel that is especially for the production of absorber shafts for admission of fuel elements, for example a pressurized water Nuclear reactor. Here is a compact storage of the focal elements possible, for example an enrichment up to about 4.2% of the uranium isotope 235. By a high Portion of the Borisotope B10 is at a low total proportion of boron in boron steel has a high absorption capacity achieved without the mechanical and chemical properties , especially the processing properties of the Borstahl, are adversely affected.

Vorzugsweise wird das angereicherte Boroxid nicht angerei chertem, d. h. natürlichem Boroxid, vor oder während der Mi schung mit dem Eisen zugesetzt. Das Boroxid ist vorzugsweise hochangereichert, wobei der Anteil des Borisotops B10 an dem Gesamtanteil an Bor in dem Boroxid bis zu 95 Gew.-% betragen kann. Dieses hochangereicherte Boroxid kann mit natürlichem Boroxid so vermischt werden, daß ein wohldefinierter Anteil des Borisotops B10 an dem gesamten Boranteil eingestellt wird.The enriched boron oxide is preferably not enriched chertem, d. H. natural boron oxide, before or during the Wed. added with the iron. The boron oxide is preferred highly enriched, the share of the Borisotope B10 in the Total boron in the boron oxide can be up to 95% by weight can. This highly enriched boron oxide can be mixed with natural Boron oxide are mixed so that a well-defined proportion of the Borisotope B10 on the total boron content becomes.

Der Gesamtanteil des Bors in dem Ferrobor wird vorzugsweise auf 10 Gew.-% bis 25 Gew.-%, insbesondere 18 Gew.-%, einge stellt. Hierdurch wird gewährleistet, daß bei einer weiteren Zumischung des Ferrobors zu einem Stahl vorgegebener Güte der daraus entstehende Borstahl eine hinreichende Duktilität be sitzt.The total proportion of boron in the ferroboron is preferred to 10% by weight to 25% by weight, in particular 18% by weight poses. This ensures that with another Mixing of the ferro boron into a steel of specified quality the resulting boron steel has sufficient ductility sits.

Der Anteil des Borisotops B10 im Ferrobor wird vorzugsweise auf 10 Gew.-% bis 40 Gew.-%, insbesondere 25 Gew.-%, einge stellt. Der Anteil wird je nach Anwendungsfall, insbesondere je nach dem geforderten Absorptionsvermögen, eingestellt. Insbesondere bei Verwendung der Absorberbleche in einem Ab sorberschacht zur Aufnahme von Brennelementen hängt dieser Anteil des Borisotops B10 von der Zusammensetzung der Brenn elemente und deren gewünschter Lagerdichte ab.The proportion of the Borisotope B10 in the ferroborus is preferred to 10% by weight to 40% by weight, in particular 25% by weight poses. The percentage will vary depending on the application, in particular depending on the required absorbency. Especially when using the absorber plates in an Ab Sorb shaft for receiving fuel elements depends on this Share of Borisotope B10 from the composition of the focal elements and their desired storage density.

Der Gesamtanteil des Bors in dem Absorberblech wird vorzugs weise auf 1 Gew.-% bis 4 Gew.-%, insbesondere 1,6 Gew.-%, eingestellt. Hierdurch wird eine gut verarbeitbare Legierung hergestellt, in der das Bor homogen verteilt ist.The total proportion of boron in the absorber sheet is preferred point to 1% by weight to 4% by weight, in particular 1.6% by weight, set. This makes it an easily processable alloy manufactured in which the boron is distributed homogeneously.

Das angereicherte Boroxid sowie das natürliche Boroxid werden vorzugsweise in Pulverform dem Eisen oder unmittelbar dem Stahl beigemischt. Hierdurch ist bereits in dem Ferrobor auf besonders einfache Art und Weise eine homogene Verteilung des Borisotops B10 erreichbar. Um ebenfalls in dem Borstahl eine homogene Borverteilung zu erreichen, wird das Ferrobor in ei ne Vielzahl von Teilen zerkleinert, welche mit dem Stahl in einem Schmelzofen verschmolzen werden.The enriched boron oxide as well as the natural boron oxide are preferably in powder form the iron or directly Steel added. This is already in the ferrobor particularly simple way a homogeneous distribution of the Borisotops B10 reachable. In order also in the boron steel To achieve homogeneous boron distribution, the ferroboron is in egg shredded a large number of parts, which with the steel in be melted in a melting furnace.

Mehrere aus dem Borstahl hergestellte Absorberbleche werden vorzugsweise zu einem das Absorberelement bildenden Absorber schacht zusammengefügt. Solche Absorberschächte finden bevor zugt Anwendung in Brennelement-Lagergestellen zur Lagerung von abgebrannten Brennelementen von Leichtwasserreaktoren, insbesondere Druckwasserreaktoren und Siedewasserreaktoren. Aufgrund der Anreicherung mit dem Borisotop B10 ist die Ab sorptionsfähigkeit dieser Absorberschächte so erhöht, daß sie sich besonders gut für eine kompakte Lagerung von Brennele menten eignen.Several absorber sheets made of boron steel are used preferably to an absorber forming the absorber element manhole assembled. Such absorber shafts find before used in fuel storage racks for storage spent fuel elements from light water reactors, especially pressurized water reactors and boiling water reactors. Due to the enrichment with the Borisotop B10, the Ab sorption capacity of these absorber shafts increased so that they is particularly good for compact storage of Brennele ment.

Ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines Neutronen absorbierenden Absorberelements besteht darin, daß das ange reicherte Boroxid unmittelbar mit dem Stahl aufgeschmolzen und die erstarrte Schmelze zu dem Absorberelement verarbeitet wird. Hierdurch entfällt eine Herstellung des Zwischenproduk tes Ferrobor und eine Zerkleinerung dieses Zwischenproduktes, welches dem Stahl zugemischt wird. Das Absorberelement kann bevorzugt aus einem oder mehreren Absorberblechen gebildet werden, was durch einfache kontrollierbare Schweißvorgänge erfolgen kann.An alternative method for producing a neutron absorbent absorber element is that the ange enriched boron oxide immediately melted with the steel and processed the solidified melt to the absorber element becomes. This eliminates the need to manufacture the intermediate product tes ferroboron and a comminution of this intermediate, which is added to the steel. The absorber element can preferably formed from one or more absorber sheets become what through simple controllable welding processes can be done.

In der Zeichnung wird das Verfahren zur Herstellung eines Neutronen absorbierenden Absorberelementes näher erläutert.In the drawing, the process for producing a Neutron absorbing absorber element explained in more detail.

Die einzige Figur zeigt den Herstellungsprozeß eines Absor berelementes 1 in Form eines Absorberschachtes 3 zur Aufnahme eines Brennelementes 14 einer Siedewasser- oder Druckwaser- Kernkraftanlage. Der Herstellungsprozeß läßt sich in die mit I bis IV bezeichneten Verfahrensschritte unterteilen. In ei nem weiteren Verfahrensschritt V wird aus einer Mehrzahl von Absorberelementen 1, den Absorberschächten 3, ein Kompakt lagergestell 13 für abgebrannte Brennelemente 14 gebildet. In dem Verfahrensschritt I wird Boroxid, insbesondere in Pulver form, bereitgestellt, welches mit dem Borisotop B10 angerei chert ist. Hierin beträgt der Anteil des Borisotops B10 an dem gesamten Boranteil bis zu 95 Gew.-%. In dem Verfahrens schritt II wird das angereicherte Boroxid mit natürlichem Boroxid, dessen Anteil an dem Borisotop B10 bei ca. 18,3 Gew.-% liegt, sowie mit Eisen in einem Mischer 5 ge mischt. Es können auch noch weitere Substanzen bereits in diesem Verfahrensschritt beigefügt werden. Das natürliche Boroxid liegt hierbei ebenfalls in Pulverform vor. Das Eisen kann beispielsweise in Form von Eisenspänen beigemischt wer den. Die in dem Mischer 5 hergestellte Mischung aus Eisen und Boroxid hat beispielsweise bereits einen Anteil von 25% Borisotop B10 an dem Gesamtanteil des Bors. Die Mischung wird in einem Ofen 6 aufgeschmolzen, so daß eine homogene Vertei lung des Bors erreicht wird. Die erstarrte Schmelze bildet ein Ferrobor (Fe_xB_y) mit beispielsweise einem Boranteil von 18 Gew.-%. Dieses Ferrobor wird zerkleinert und in einen Behälter 7 abgefüllt. Hierdurch läßt sich das Ferrobor auch über eine größere Distanz transportieren. Eine Weiterver arbeitung an einem anderen Ort ist dadurch gegeben.The single figure shows the manufacturing process of an absorber berelementes 1 in the form of an absorber shaft 3 for receiving a fuel element 14 of a boiling water or compressed water nuclear power plant. The manufacturing process can be divided into the process steps labeled I to IV. In a further method step V, a compact storage rack 13 for spent fuel elements 14 is formed from a plurality of absorber elements 1 , the absorber shafts 3 . In process step I, boron oxide, in particular in powder form, is provided, which is enriched with the Borisotop B10. The proportion of boronotope B10 in the total boron fraction is up to 95% by weight. In the process step II, the enriched boron oxide is mixed with natural boron oxide, the proportion of which in the borosotope B10 is approximately 18.3% by weight, and with iron in a mixer 5 . Further substances can also be added in this process step. The natural boron oxide is also in powder form. The iron can be added, for example, in the form of iron filings. The mixture of iron and boron oxide produced in the mixer 5 , for example, already has a borosotope B10 content of 25% of the total boron content. The mixture is melted in an oven 6 so that a homogeneous distribution of the boron is achieved. The solidified melt forms a ferrobor (Fe _x B _y ) with, for example, a boron content of 18% by weight. This ferrobor is crushed and filled into a container 7 . As a result, the ferrobor can also be transported over a greater distance. This enables further processing at another location.

In dem Verfahrensschritt III wird das Ferrobor in einem Schmelzofen 8 mit einem Stahl einer vorgegebenen Zusammenset zung aufgeschmolzen. Je nach Anforderung, insbesondere bei Verwendung in einem Brennelement-Lagergestell 13, wird ein entsprechend für kerntechnische Anlagen zugelassener Stahl verwendet. Es ist ebenfalls möglich, das Ferrobor unmittelbar nach der Herstellung in dem Ofen 6 dem Schmelzofen 8 zuzufüh ren. Alternativ kann dem Schmelzofen 8 neben dem Stahl auch unmittelbar angereichertes Boroxid zugeführt werden. In die sem Fall würde der Verfahrensschritt II entfallen. Die Schmelze aus dem Stahl und dem Ferrobor wird in einen Erstar rungstiegel 9 geführt, welcher eine überwiegend längliche Ausdehnung hat. Das in dem Erstarrungstiegel 9 gewonnene Rohmaterial wird in einer Walzvorrichtung 10 in Blechform gewalzt und anschließend in einer Schneidevorrichtung 11 zu Absorberblechen 2 einer vorgegebenen Größe geschnitten. Diese Absorberbleche 2 bestehen nunmehr aus einem Borstahl, welcher beispielsweise einen Borgehalt von 1,6 Gew.-% aufweist, wobei 25% des Bors aus dem Borisotop B10 bestehen.In process step III, the ferrobor is melted in a melting furnace 8 with a steel of a predetermined composition. Depending on the requirement, in particular when used in a fuel assembly storage rack 13 , a steel which is approved for nuclear plants is used. It is also possible to feed the ferroboron to the melting furnace 8 immediately after production in the furnace 6. Alternatively, the enriched boron oxide can also be supplied to the melting furnace 8 in addition to the steel. In this case, process step II would be omitted. The melt of the steel and the ferroboron is fed into a starter crucible 9 , which has a predominantly elongated expansion. The raw material obtained in the solidification crucible 9 is rolled in sheet form in a rolling device 10 and then cut into absorber sheets 2 of a predetermined size in a cutting device 11 . These absorber sheets 2 now consist of a boron steel which, for example, has a boron content of 1.6% by weight, 25% of the boron consisting of the Borisotop B10.

In einem Verfahrensschritt IV werden vier Absorberbleche 2 mittels einer Schweißvorrichtung 12 an ihren Ecken zu einem Absorberschacht 3 zusammengeschweißt. Dieser Absorberschacht 3 stellt somit ein Neutronen absorbierendes Absorberelement 1 dar, welches insbesondere der Abschirmung und Lagerung von abgebrannten Brennelementen einer Kernkraftanlage dient.In a process step IV, four absorber sheets 2 are welded together at their corners to form an absorber shaft 3 by means of a welding device 12 . This absorber shaft 3 thus represents a neutron absorbing absorber element 1 , which is used in particular to shield and store spent fuel elements of a nuclear power plant.

In einem Verfahrensschritt V werden die Absorberelemente 1, die Absorberschächte 3, zu einem Kompaktlagergestell 13 zu sammengefügt. Es ist ebenfalls möglich, das Kompaktlager gestell 13 bereits unmittelbar aus den Absorberblechen 2 herzustellen. Durch die hohe Absorptionsfähigkeit der Absorberelemente 1 kann in unmittelbar benachbarte Absorber schächte 3 jeweils ein abgebranntes Brennelement 14 einge lagert werden (Kompaktlagerung).In a method step V, the absorber elements 1 , the absorber shafts 3 , are assembled to form a compact storage rack 13 . It is also possible to produce the compact bearing frame 13 directly from the absorber sheets 2 . Due to the high absorption capacity of the absorber elements 1 , a spent fuel element 14 can be stored in directly adjacent absorber shafts 3 (compact storage).

Die Erfindung zeichnet sich durch ein Verfahren zur Herstel lung eines Absorberelements, insbesondere zur Absorption von Neutronen, welche von abgebrannten Brennelementen einer Kern kraftanlage ausgesandt werden, aus, bei dem in einen Stahl Bor einlegiert wird, welches einen erhöhten Anteil an dem Borisotop B10 aufweist. Dieses angereicherte Bor läßt sich unmittelbar durch Zugabe von angereichertem Boroxid in die Schmelze des Stahls einbringen. Bevorzugt wird allerdings das angereicherte Boroxid zuerst mit Eisen zu einem Ferrobor mit einem hohen Boranteil von beispielsweise über 15% herge stellt. Hierdurch ist eine gute Überwachbarkeit des Herstel lungsprozesses und eine Überprüfbarkeit des Anteils an dem Borisotop B10 gewährleistet. Die Erfindung gibt zudem an, einen Borstahl derart herzustellen, daß in einem Stahl vor gegebener Güte mit dem Borisotop B10 angereichertes Boroxid einlegiert wird.The invention is characterized by a method of manufacture tion of an absorber element, in particular for the absorption of Neutrons, which are from spent fuel elements of a nucleus Power plant are sent out, in which in a steel Boron is alloyed, which is an increased proportion of the Borisotop B10. This enriched boron can be immediately by adding enriched boron oxide to the Introduce the melt of the steel. However, this is preferred enriched boron oxide first with iron to form a ferrobor a high boron content of, for example, over 15% poses. This makes it easy to monitor the manufacturer development process and a verifiability of the share in the Borisotop B10 guaranteed. The invention also states to produce a boron steel in such a way that in a steel before given boron oxide enriched with Borisotop B10 is alloyed.

Claims

1. Method for producing a neutron absorbing Steel, in which boron oxide enriched with the Borisotop B10 (B₂O₃) melted with a steel and thus a neutron absorbent boron steel is formed.

2. A method for producing a neutron absorbing absorber element ( 1 ), in which boron oxide (B₂O₃) enriched with the Borisotop B10 is melted with a steel to form a boron steel and the absorber element ( 1 ) is formed from the boron steel.

3. The method according to claim 2, in which boron oxide (B₂O₃) enriched with the borosotope B10 is mixed with a predetermined proportion of iron, this mixture is melted to ferroboron (Fe _x B _y ), crushed after solidification and melted with the steel to form the boron steel becomes.

4. The method of claim 3, wherein the proportion of boron in the ferroboron to 10% by weight to 25% by weight, in particular 18 wt .-%, is set.

5. The method according to any one of claims 3 or 4, wherein the Share of borototope B10 in the total boron share in the Ferroboron to 10% by weight to 40% by weight, in particular 25% by weight, is set.

6. The method of claim 2, wherein the enriched Boron oxide is brought together directly with the steel.

7. The method according to any one of the preceding claims, in which the enriched boron oxide additionally with non-enriched Boron oxide is mixed.

8. The method according to any one of the preceding claims, in which the enriched boron oxide is highly enriched, in particular up to a proportion of 95% by weight of the Borisotope B10 in the total boron content.

9. The method according to any one of the preceding claims, in which the proportion of boron in the boron steel to 1% by weight to 4% by weight, in particular 1.6% by weight.

10. The method according to any one of the preceding claims, at to which the enriched boron oxide is introduced in powder form.

11. The method according to one in which the boron steel is processed into a plurality of absorber plates (2), from which a one absorber shaft (3) is forming the absorber element (1), in particular for receiving a abge burning fuel element of a nuclear power plant formed of the preceding claims.