DE19714284C2 - Absorberelement zur Neutronenabsorption und Brennelement-Lagergestell sowie neutronenabsorbierender Werkstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Absorberelement zur Neutronenabsorption und auf ein Brennelement-Lagergestell sowie auf einen neutronenabsorbierenden Werkstoff.

Absorberelemente zur Neutronenabsorption werden beispiels­ weise zur Abschirmung von neutronenaussendenden Gegenstände gegenüber der Umwelt eingesetzt. Insbesondere werden solche Absorberelemente auf dem Gebiet der Kernenergie und dort speziell im Bereich der Brennelementelagerung eingesetzt, um in einem Brennelement-Lagerbecken eine unterkritische Neu­ tronenflußdichte zu gewährleisten und so einen unkontrol­ lierten Abbrand der Brennelemente zu verhindern. Ein aus Absorberelementen aufgebautes Lagergestell zur Zwischen­ lagerung von abgebrannten Brennelementen eines Druckwasser- oder Siedewasserreaktors in einem Brennelement-Lagerbecken einer Kernkraftanlage ist beispielsweise aus der EP 0 537 615 A1 bekannt. Um eine möglichst kompakte Lagerung der Brennelemente zu erreichen, werden Absorberelemente mit einer möglichst hohen Neutronenabsorptionsfähigkeit einge­ setzt. Die Neutronenabsorptionsfähigkeit muß dabei über das gesamte Absorberelement homogen verteilt und langzeitbestän­ dig sein.

Die Absorberelemente enthalten üblicherweise zur Neutronenab­ sorption einen gewissen Anteil von Bor, beispielsweise etwa 1 Gew.-%, das in einem metallischen Grundwerkstoff einge­ bracht ist. Der aus dem Grundwerkstoff und Bor bestehende neutronenabsorbierende Werkstoff versprödet mit zunehmender Anreicherung des Bors in dem metallischen Grundwerkstoff zu­ sehends, so daß der Werkstoff nicht mehr verarbeitbar ist. Um dieses Problem zu umgehen ist beispielsweise aus der WO 96/37 896 bekannt, zwischen zwei Blechen, die durch Stege voneinander beabstandet sind, in die zwischen den Blechen be­ stehenden Hohlräume einen neutronenabsorbierenden Stoff ein­ zubringen. Dies erfordert allerdings einen recht hohen kon­ struktiven Aufwand.

Aus der DE 44 16 362 A1 sind weiterhin verschiedene Verfahren bekannt, mit denen auf einen Grundkörper eine neutronenabsor­ bierende Oberflächenschicht aufgebracht werden können. Der Nachteil dieser Lösung ist darin zu sehen, daß die Dicke der Oberflächenschicht begrenzt ist.

Aus der EP 0 055 371 A1 ist ein Absorberelement zur Neutro­ nenabsorption zu entnehmen, bei dem eine Vielzahl von Folien aus einer amporphen Legierung, in die ein neutronenabsorbie­ render Stoff eingebracht ist, miteinander verbunden sind. Aufgrund ihrer geringen Stärke weisen die Folien nur eine sehr geringe Eigenstabilität auf. Daher werden die einzelnen Folien mit Hilfe einer Tragstruktur gehalten, die für die Stabilität des Absorberelements verantwortlich ist. Die Tragstruktur selbst trägt zur Neutronenabsorption nicht bei. Sie beansprucht jedoch Raum, der für eine besonders kompakte Lagerung von Brennelementen nachteilig ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Absorberelement zur Neutronenabsorption anzugeben, das eine hohe sowie homogen über das Absorberelement verteilte Neutronenabsorptionsfähig­ keit aufweist und das eine kompakte Lagerung von Brennelemen­ ten ermöglicht. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein kompaktes Brennelement-Lagergestell anzugeben.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Ab­ sorberelement gelöst, das eine Anzahl von Folien aus einem neutronenabsorbierenden Werkstoff aufweist, der aus einem amorphen metallischen Grundwerkstoff besteht, in dem zumin­ dest ein neutronenabsorbierendes Element eingebunden ist. Um dem Absorberelement eine hohe Eigensteifigkeit zu verleihen sind die Folien zu einem Gewebe verarbeitet, d. h. die Folien oder aus Folien gebildete Bahnen sind miteinander verwebt. Je nach Steifigkeit und Festigkeit der verwebten Folien, dem Gewebe, besteht die Möglichkeit, das Absorberelement aus diesem Gewebe herzustellen oder die verwebte Folie auf ein Traggestell oder Tragelement aufzubringen.

Durch die amorphe Struktur des metallischen Grundwerkstoffes kann im Vergleich zu einer kristallinen Struktur ein wesent­ lich höherer Anteil des neutronenabsorbierenden Elementes eingebracht werden, ohne daß die Eigenschaften des neutronen­ absorbierenden Werkstoffes hinsichtlich der Verarbeitbarkeit wesentlich beeinträchtigt werden. Insbesondere kann ein hoher Anteil erreicht werden, ohne daß der neutronenabsorbierende Werkstoff versprödet. Die amorphe Struktur ermöglicht zudem eine sehr homogene Verteilung der neutronenabsorbierenden Elemente.

Infolge des höheren Anteils des neutronenabsorbierenden Elementes im neutronenabsorbierenden Werkstoff sind im Ver­ gleich zu bisher bekannten, nicht amorphen neutronenabsorbie­ renden Werkstoffen zur Neutronenabsorption dünnere Schichten aus diesem Werkstoff bei gleicher Neutronenabsorptionsfähig­ keit ausreichend. Daher wird bei gleicher Wanddicke des Werkstoffes eine wesentlich höhere Neutronenabsorption er­ zielt. Desweiteren ist die homogene Verteilung des neutronen­ absorbierenden Elementes in dem Werkstoff durch seine Einbin­ dung in die amorphe, also glasartige Struktur des metalli­ schen Grundwerkstoffes gewährleistet.

Weiterhin haben die Folien aus dem neutronenabsorbierendem Werkstoff die Vorteile, dass sie eine hohe Elastizität auf­ weisen und dass sie sich leicht verarbeiten lassen. Die Folie wird durch ein Verfahren hergestellt, bei dem eine Schmelze einen metallischen Grundwerkstoff und zumindest ein neutro­ nenabsorbierendes Element aufweist. Diese Schmelze wird schockartig, d. h. sehr schnell abgekühlt, so daß der in der flüssigen Schmelze bestehende ungeordnete Zustand quasi eingefroren wird und sich ein amorpher Werkstoff bildet, in dem das neutronenabsorbierende Element eingebunden ist. Bei dem schockartigen Abkühlen der Schmelze wird dabei die Folie hergestellt, die zum Aufbau des Absorberelementes verwendet wird. Die auf diese Weise hergestellte Folie bietet eine hohe Elastizität und eine einfache Verarbeitbarkeit.

Vorteilhafterweise ist der metallische Grundwerkstoff korro­ sionsbeständig, so daß das Absorberelement einem flüssigen oder gasförmigen Medium ausgesetzt werden kann, ohne daß sich seine Eigenschaften ändern. Als korrosionsbeständiger Grund­ werkstoff bietet sich insbesondere eine Chrom-Nickel-Legie­ rung an.

Zur Neutronenabsorption wird vorteilhafterweise in den Grund­ werkstoff Bor eingebracht. Im Vergleich zu herkömmlichen neutronenabsorbierenden Werkstoffen mit einem kristallinen Grundwerkstoff kann in einen amorphen metallischen Grund­ werkstoff ein um den Faktor 3 bis 4 größerer Anteil von natürlich vorkommendem Bor eingebracht werden, so daß eine ebenfalls etwa um den Faktor 3 bis 4 höhere Absorptions­ wirkung erzielt wird. Bei gleichem Neutronenabsorptions­ querschnitt kann der neutronenabsorbierende Werkstoff daher auch um den gleichen Faktor schwächer oder dünner gewählt werden. Weitere spezielle Maßnahmen zur Verbesserung der Absorptionsfähigkeit des Werkstoffes sind daher nicht zwin­ gend notwendig.

Zur weiteren Verbesserung der Neutronenabsorptionsfähigkeit darüber hinaus ist es insbesondere vorteilhaft, mit B10 ange­ reichertes Bor zu verwenden. Das mit dem Borisotop B10 ange­ reicherte Bor besitzt gegenüber dem natürlich vorkommenden Bor eine höhere Neutronenabsorptionsfähigkeit, so daß die Dicke des neutronenabsorbierenden Werkstoffes bei gleicher Neutronenabsorptionsfähigkeit gegenüber einem Werkstoff mit natürlich vorkommendem Bor weiter verringert werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der neutronen­ absorbierende Werkstoff eine Kombination von neutronen­ absorbierenden Elementen auf. Neben dem Bor bzw. mit dem Borisotop B10 angereicherten Bor bieten sich hierfür des weiteren insbesondere Gadolinium, Hafnium oder Cadmium sowie die Lanthanoide, d. h. die Elemente mit der Ordnungszahl zwi­ schen 58 und 71, an.

Es ist weiterhin von Vorteil, die Folie auf ein Tragelement, beispielsweise ein Blech, aufzubringen. Das Tragelement gewährleistet hierbei die Formbeständigkeit und Festigkeit des Absorberelementes und die Folie dient der Neutronen­ absorption. Als besonders geeignet erweist sich hierfür eine Schichtstruktur oder auch Sandwich-Bauweise, bei der eine Folie oder mehrere Folien und ein Tragelement alternierend aufeinanderfolgen, d. h. die Folie oder mehrere Lagen von Folien sind zwischen Tragelementen bzw. ein Tragelement ist zwischen Folien angeordnet.

Die auf ein Brennelement-Lagergestell bezogene Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Brennelement-Lager­ gestell mit einem Absorberelement, das eine Anzahl von Folien aus einem neutronenabsorbierenden Werkstoff aufweist, der aus einem amorphen metallischen Grundwerkstoff besteht, in dem zumindest ein neutronenabsorbierendes Element eingebunden ist. Die Folien sind zu einem Gewebe verarbeitet. Durch die amorphe Struktur ist eine erhöhte Einbringung eines neutro­ nenabsorbierenden Elementes möglich, wodurch die Absorptions­ fähigkeit erhöht wird. Dies in Verbindung mit der durch die verwebten Folien bedingten hohe Eigenstabilität ermöglicht den Aufbau eines kompakten und platzsparenden Lagergestells.

Ein amorpher neutronenabsorbierender Werkstoff mit Bor oder mit dem Borisotop B10 angereichertes Bor als das neutronenab­ sorbierendes Element weist gegenüber einem entsprechenden kristallinen Werkstoff mehrere Vorteile auf, wie beispiels­ weise eine erhöhte Biegsamkeit oder Elastizität und eine erhöhte Festigkeit, da der Werkstoff auch mit höherem Boran­ teil weniger versprödet. Das natürlich vorkommende Bor bietet sich insbesondere an, da es zum einen einen ausreichend hohen Absorptionsquerschnitt aufweist und zum anderen einfach und relativ kostengünstig zu erhalten ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Ausführungsbei­ spiele der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte schematische Ansicht eines Aus­ schnittes aus einer Absorptionsstruktur, die durch eine kreuzweise Anordnung von ineinander greifenden plattenförmigen Absorberelementen aufgebaut ist.

Fig. 2 eine schematische Skizze eines schachtförmigen Ab­ sorberelementes aus dem neutronenabsorbierenden Werkstoff

Fig. 3 ebenfalls eine schematische Skizze eines schacht­ förmigen Absorberelementes, bei dem der neutronen­ absorbierende Werkstoff auf ein Tragelement aufge­ bracht ist

Fig. 4 eine schematische Ansicht einer mit sich selbst verwobenen Folie aus dem neutronenabsorbierenden Werkstoff

Fig. 5 in einer schematischen Aufsicht ein Brennelemente- Lagergestell.

Gemäß der Fig. 1 bilden vier plattenförmige Absorberele­ mente 2 einen Teil einer Absorptionsstruktur 4. Die vier Absorberelemente 2 sind dabei derart miteinander kreuzweise verschränkt, daß sie einen Absorberschacht 6 mit einer recht­ eckigen Grundfläche bilden. Durch dieses kreuzweise Inein­ andergreifen der Absorberelemente 2 werden die Seiten des Absorberschachtes 6 jeweils von einem Absorberelementen 2 gebildet. Ein einzelnes Absorberelement 2 kann daher gleich­ zeitig mehrere Absorberschächte 6 jeweils an einer Seite begrenzen. Für das kreuzweise Ineinandergreifen, oder auch Verschränken der Absorberelemente 2 sind diese in nicht näher dargestellter Weise in regelmäßigen Abständen über einen Teilbereich ihrer Länge mit Schlitzen versehen, die es erlauben zwei Absorberelemente 2 miteinander zu verschränken, so daß sie durch ein gegenseitiges Ineinandergreifen an den Schlitzen einen Teil einer stabilen Absorptionsstruktur 4 bilden.

Das Absorberelement 2 weist ein plattenförmiges Tragelement 8 auf, auf dessen beiden Seiten eine Folie 10 aus neutronenabsorbierendem Werkstoff aufgebracht ist. Der neu­ tronenabsorbierende Werkstoff weist einen amorphen metalli­ schen Grundwerkstoff auf, in den ein neutronenabsorbierendes Element eingebunden ist. Als metallischer Grundwerkstoff eig­ net sich insbesondere eine Chrom-Nickel-Legierung. Und als neutronenabsorbierendes Element eignet sich insbesondere Bor. Aufgrund des Herstellungsprozesses weist die hergestellte Folie 10 eine Dicke zwischen etwa 20 µm und 70 µm auf. Wegen der guten Verarbeitbarkeit der Folie 10 besteht eine Vielzahl von Möglichkeiten, diese Folien auf das Tragelement 8 aufzubringen.

Das Tragelement 8 ist beispielsweise ein Blech von wenigen Millimetern Dicke. Die Folie 10 kann auf dieses Blech durch Schweißen, beispielsweise Stumpf- oder Rollenschweißen sowie Elektronenstrahl- und Laserschweißen, befestigt werden. Die Wärmeeinwirkung ist dabei allerdings begrenzt, insbesondere zeitlich oder örtlich, so daß der neutronenabsorbierende Werkstoff nicht von der amorphen Phase in die kristalline Phase übergeht und dadurch versprödet. Die Folie 10 kann des weiteren auch mechanisch auf das Tragelement 8 befestigt werden, beispielsweise durch Klemmen, Prägen, Einwalzen, Stauchen oder durch Fügevorgänge wie Nieten oder Heften. Dabei können je nach Anforderung an die Neutronenab­ sorptionsfähigkeit des Absorberelementes 2 mehrere Lagen der Folie 10 übereinander auf das Tragelement 8 aufgebracht werden. Alternativ zu dem Aufbringen der Folie 10 auf dem Tragelement 8 kann die Folie 10 oder können mehrere Lagen der Folie 10 zwischen zwei Tragelementen 8 in einer Schicht­ struktur oder auch Sandwich-Bauweise angeordnet werden. Hierzu zählt z. B. die Anordnung einer Folie 10 oder mehrerer Folien 10 zwischen Tragelementen 8 oder die Anordnung eines Tragelementes 8 zwischen Folien 10, sowie das Aufeinanderfolgen von mehreren Schichten von Tragelementen 8 und Folien 10.

Gemäß der Fig. 2 wird der Absorberschacht 6 aus einem einzi­ gen Absorberelement 2 gebildet. Der Absorberschacht 6 weist keine weitere Stützstruktur wie z. B. ein Tragelement 8 auf, sondern wird durch eine Anzahl von Lagen der Folie 10 gebil­ det. Damit der Absorberschacht 6 im Ganzen eine ausreichende Stabilität aufweist wird die Anzahl der Lagen der Folie 10 eigenstabilisiert. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß zur Herstellung des Absorptionsschachtes 6 die Folie 10 um einen in der Fig. 2 gestrichelt dargestellten Dorn 12, der die Grundform des Absorberschachtes 6 aufweist, in mehreren Lagen, beispielsweise kreuzweise, gewickelt wird. Nach der Umwicklung des Dornes 12 wird die Folie 10 bzw. die Lagen der Folie 10 stabilisiert, d. h. miteinander verbunden. Nach der Stabilisierung kann der Dorn 12 aus dem dann selbst­ tragenden Absorberschacht 6 mit ausreichender Festigkeit und Steifigkeit herausgenommen werden. Das Stabilisieren der An­ zahl der Lagen der Folie 10 kann ähnlich wie das Befestigen der Folie 10 auf dem Tragelement 8 durch Schweißen, durch me­ chanische Umformvorgänge, durch mechanische Fügevorgänge oder durch eine Kombination aus diesen Möglichkeiten erreicht werden.

Gemäß der Fig. 3 wird der Absorberschacht 6 ebenfalls durch ein einziges Absorberelement 2 gebildet. Das Absorberele­ ment 2 umfaßt hierbei ein Tragelement 8, insbesondere ein Traggerüst oder Traggitter, auf dem eine Anzahl von Lagen der Folie 10 aufgebracht ist. Ein solches Traggitter, das im we­ sentlichen aus einer Anzahl miteinander verbundener Stre­ ben 14 besteht, hat als Vorteil Gewichts- und Material­ einsparungen gegenüber einem aus Vollmaterial bestehenden Tragelement 8. Anstatt des Traggitters können als Trag­ element 8 beispielsweise aber auch zu einem Schacht geformte oder miteinander verschränkte Bleche verwendet werden.

Neben den bereits erwähnten Möglichkeiten, ein Anzahl von La­ gen der Folie 10 mit sich selbst zu verbinden und somit zu stabilisieren, nämlich das Schweißen, das mechanische Umfor­ men und das mechanische Fügen, bietet sich als weitere Mög­ lichkeit das ineinander Verweben von Bändern 16 oder Bahnen der Folie 10 an, wie es beispielhaft in der Fig. 4 darge­ stellt ist. Eine solche in der Fig. 4 dargestellte Webstruk­ tur 17 weist Längsbänder 16a und Querbänder 16b auf. Längs­ bänder 16a und Querbänder 16b verlaufen jeweils weitgehend parallel in einer Längsrichtung bzw. in einer Querrichtung. In der Fig. 4 sind zur besseren Übersicht nur in eine Rich­ tung verlaufende Querbänder 16b angedeutet. Zusätzlich zu diesen Querbändern 16b können weitere, in einer zweiten Quer­ richtung verlaufende Querbänder 16b in diese Webstruktur 17 eingebunden werden, so daß zum einen die Steifigkeit der Web­ struktur 17 erhöht wird und zum anderen die Gefahr des Auftretens von Lücken zwischen den einzelnen Bändern 16 verringert wird.

Die Bänder 16 der Webstruktur 17 sind derart angeordnet, daß beispielsweise ein Längsband 16a abwechselnd über und unter aufeinanderfolgenden Querbändern 16b geführt wird. D. h. ein solches Längsband 16a wird über ein erstes Querband 16b geführt, um anschließend unter das nächste Querband 16b hindurch geführt zu werden und anschließend über das nächste Querband 16b wieder darüber usw.. Zwei nebeneinander angeordnete Längsbänder 16a verlaufen dabei beispielsweise wechselseitig über bzw. unter ein Querband 16b, das sie ge­ meinsam kreuzen. In anderen Worten: Während ein erstes Längs­ band 16a über ein Querband 16b verläuft, verläuft das neben dem ersten Längsband 16a angeordnete zweite Längsband 16a unter dem gleichen Querband 16b. Eine in dieser Weise durch Bänder 16 aufgebaute Webstruktur kann natürlich in gleicher Weise durch Bändergruppen aufgebaut sein, d. h. durch Bänder 16, die zu einer gemeinsamen Gruppe zusammengefaßt sind. In anderen Worten: Die beschriebene Webstruktur läßt sich auch dadurch aufbauen, daß an die Stelle der einzelnen Bänder 16 Gruppen von nebeneinander oder übereinander angeordneten Bändern 16 treten.

Entsprechend der Fig. 5 bilden die Absorberelemente 2 Absor­ berschächte 6. Die Absorberschächte 6, von denen in der Fig. 5 drei zu sehen sind, sind jeweils diagonal einander ge­ genüberliegend angeordnet, so daß sich ein schachbrettartiges Muster ergibt. Die Absorberschächte 6 sind an ihren Ecken über Verbindungselemente 18 miteinander verbunden, so daß ein stabiles Brennelement-Lagergestell 20 gebildet ist, bei dem zwischen den Absorberschächten 6 jeweils Zwischenschächte 22 bestehen, die die gleiche Größe wie die Absorberschächte 6 aufweisen. Durch diese Anordnung können sowohl in den Absor­ berschächten 6 als auch in den Freischächten 22 Brennelemente eingelagert werden. Diese Anordnung gewährleistet eine kom­ pakte Lagerung von beispielsweise abgebrannten Brennelementen einer Kernkraftanlage, beispielsweise einer Siedewasser- oder Druckwasserreaktor-Anlage, in einem Brennelemente-Lager­ becken.

Claims (9)

1. Absorberelement (2), das eine Anzahl von Folien (10) aus ei­ nem neutronenabsorbierenden Werkstoff aufweist, der aus einem amorphen metallischen Grundwerkstoff besteht, in dem zumindest ein neutronenabsorbierendes Element eingebunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fo­ lien (10) zu einem Gewebe verarbeitet sind.

2. Absorberelement (2) nach Anspruch 1, bei dem der Grundwerk­ stoff korrosionsbeständig ist.

3. Absorberelement (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem der Grundwerkstoff eine Chrom-Nickel Legierung ist.

4. Absorberelement (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das neutronenabsorbierende Element Bor ist.

5. Absorberelement (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das neutronenabsorbierende Element mit dem Borisotop B10 angereichertes Bor ist.

6. Absorberelement (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der neutronenabsorbierende Werkstoff eine Kombination von neutronenabsorbierenden Elementen aufweist.

7. Absorberelement (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Gewebe auf ein Tragelement (8) aufgebracht ist.

8. Absorberelement (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem eine Mehrzahl von Geweben und Tragelementen (8) in einer Schichtstruktur alternierend aufeinanderfolgen.

9. Brennelement-Lagergestell mit einem Absorberelement, das eine Anzahl von Folien (10) aus einem neutronenabsorbierenden Werkstoff aufweist, der aus einem amorphen metallischen Grundwerkstoff besteht, in dem zumindest ein neutronenabsorbierendes Element eingebunden ist dadurch gekennzeichnet, daß die Fo­ lien (10) zu einem Gewebe verarbeitet sind.