DE19728978A1 - Behälter für mehrere gebrauchte Brennelemente eines Kernreaktors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen gasdicht verschließbaren Behäl­ ter für mehrere Brennelemente eines Kernreaktors, die einen quadratischen Querschnitt aufweisen und bereits bestrahlt sind. Die Erfindung betrifft ferner einen entsprechenden, gasdicht verschlossenen Behälter mit mehreren solchen Brenn­ elementen.

Um die Kosten für die Versorgung von Kernreaktoren mit fri­ schem Brennstoff zu verringern, werden der Reaktorbetrieb und die Brennelemente ständig verbessert, wodurch unter anderem die Betriebstemperatur, die Anreicherung bzw. der Abbrand und die Standzeit der Brennelemente gesteigert werden. Dadurch verändert sich auch der Zustand der Brennelemente am Ende ih­ rer Einsatzzeit. Z.B. sind die Hüllrohre der Brennstäbe stär­ ker korrodiert und ermüdet, durch einen höheren Binnendruck belastet (der Brennstoff setzt größere Mengen an gasförmigen Spaltprodukten frei) und stärkeren Veränderungen (Strahlungswachstum, Kriechen etc.) unterworfen. Auch enthält der abgebrannte Brennstoff eine ungünstigere Zusammensetzung an radioaktiven Isotopen (Plutonium- und Uranisotope, Ameri­ cium etc.), die zu einer höheren Restaktivität und Nachzer­ fallswärme führen.

Dadurch verschärfen sich die Bedingungen für die Entsorgung der unbrauchbar gewordenen Brennelemente.

Insbesondere erfordert der Strahlenschutz einen dickeren Man­ tel um den Behälter, in dem die Brennelemente aus dem Kraft­ werk transportiert und anschließend gelagert werden, jedoch darf die Ableitung der stärkeren Nachzerfallswärme nicht be­ hindert werden. Daraus kann sich auch ergeben, daß die ge­ füllten Behälter länger zwischengelagert werden müssen, bevor die Brennelemente auf die Endlagerung (z. B. in geologischen Lagern) vorbereitet werden können, und daß nicht alle in die­ sen Behältern (z. B. den bisher üblichen Castor-Behälter) vor­ gesehenen Brennelement-Positionen mit Brennelementen besetzt werden dürfen. Auch die Lagerung der Behälter unterliegt ent­ sprechenden Einschränkungen, die z. B. Naßlagerung oder Belüf­ tung erforderlich machen können.

Einen sehr großen Aufwand bedeutet die Vorbereitung auf die Endlagerung, bei der die Brennelemente dem Transport- und La­ gerbehälter am Ende der Zwischenlagerung wieder entnommen werden. Hierzu ist erforderlich, daß die Hüllrohre der Brenn­ stäbe praktisch vollständig intakt geblieben sind, z. B. müs­ sen die Lagertemperaturen niedrig gehalten werden, um eine Korrosion zu vermeiden.

Eine über Jahrzehnte hinweg sichergestellte Integrität der Hüllrohre ist auch für die Endlagerung wünschenswert oder so­ gar notwendig. Die Hüllrohre bilden dann bereits einen Konta­ minations-Schutz im Inneren des Strahlenschutzmantels bzw. Endlagerbehälters und verhindern eine unkontrollierte Anhäu­ fung des Brennstoffs, die bezüglich Neutronenphysik, Abfuhr der Nachzerfallswärme und Strahlenschutz nur mit noch größe­ ren Aufwand zu beherrschen wäre.

Werden die Brennstäbe in einem wärmeleitenden Schutzgas gela­ gert, so wird eine weitere Hüllrohrkorrosion vermieden, die nicht nur das Rohr zerstört, sondern auch die Wärme behin­ dert. Jedoch dürfen die noch entstehenden Spaltprodukte auch nicht zu einem gefährlich hohen Binnendruck in den Brennstä­ ben führen. Zwischen der Endlagerung und dem Zustand, in den die frischen Brennelemente durch den Einsatz im Reaktor ver­ setzt werden, besteht also eine Wechselwirkung, die unter Um­ ständen bereits zu Beschränkungen führt, die bei der Planung und dem Einsatz der Brennelemente im Reaktor berücksichtigt werden müssen. Dies gilt vor allem, wenn der Abbrand der Brennelemente noch über die heute bereits üblichen Werte hin­ aus gesteigert wird, um bei der Bereitstellung des Brenn­ stoffs die Menge und Kosten des Brennstoffs (bezogen auf die gewinnbare elektrische Energie) zu senken.

Vor allem führt diese Wechselwirkung dazu, daß die Entsor­ gungskosten bereits heute ein Vielfaches der Bereitstellungs­ kosten beträgt. Werden durch Optimierung der Brennelemente und des Reaktorbetriebs Bereitstellungskosten eingespart, so können dadurch eventuell wesentlich höhere Kosten für die Entsorgung notwendig werden.

In der "Fachsitzung Entsorgung" der "Jahrestagung Kerntech­ nik" (Mannheim, 1996) ist unter dem Titel "Entsorgung moder­ ner, betriebsoptimierter LWR-Brennelemente" eine frühe Ein­ kapselung ("early encapsulation") der Brennelemente vorge­ schlagen. Dabei wird diese Wechselwirkung dadurch unterbro­ chen, daß die Brennelemente bereits im Brennelemente-Becken des Kraftwerks einzeln in jeweils einen mit wärmeleitendem Schutzgas gefüllten Behälter (Kapsel) gasdicht verschlossen werden, der die Funktion einer kontaminierungssicheren, gut wärmeleitenden und gegen chemische Einflüsse und Druck stabi­ len Hülle auch dann übernehmen kann, wenn die Hüllrohre wäh­ rend der Endlagerung defekt werden.

Gegenüber den bekannten Transport- und Lagerbehältern, die jeweils Gebinde von etwa 10 bis 40 Brennelemente aufnehmen, erhöht sich zwar der Aufwand, der im Kraftwerk nötig ist, um die Brennelemente jeweils einzeln einzukapseln, zu trocknen, unter Schutzgas zu setzen und zu verschließen. Jedoch sind Gewicht und Volumen dieser Kapseln leichter zu handhaben als bei den üblichen Behältern, zumal die vorhandenen Installa­ tionen auf Gewichte vom Zwei- bis Dreifachen eines Druckwas­ ser-Brennelementes ausgelegt sind oder leicht ausgelegt wer­ den können. Die leichteren und kleineren Siedewasser-Brenn­ elemente bereiten noch weniger Schwierigkeiten. Dem Mehrauf­ wand im Kraftwerk stehen erhebliche Einsparungen bei der Vor­ bereitung zur Endlagerung gegenüber, da die Kapseln nicht mehr geöffnet sondern wie fabrikneue Brennelemente gehandhabt werden, wobei auch bezüglich der Raumausnutzung im Endlager eine größere Flexibilität besteht.

Vor allem gestattet dieses Konzept der "Early Encapsulation", die Versorgung und den Betrieb des Reaktors zu optimieren, ohne von den Bedingungen der Endlagerung beschränkt zu sein.

Weitere Einzelheiten der Konstruktion und/oder der Handhabung der bei der Early Encapsulation verwendeten Behälter (Kapseln) ergeben sich aus den nicht-vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldungen 196 14 547.3, 196 14 548.1, 196 14 550.3, 196 14 553.8, 196 32 072.0, 196 32 678.8, 197 21 148.8, 197 21 466.5 und 197 22 138.6. Die Lehren dieser Dokumente lassen sich weitgehend mit der vorliegenden Erfindung kombinieren und gehören zum Inhalt dieser Beschreibung, ohne hier wieder­ holt zu werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Entsorgung un­ brauchbar gewordener Brennelemente, insbesondere Siedewasser- Brennelemente, noch weiter zu vereinfachen.

Die Erfindung sieht einen gasdicht verschließbaren Behälter zum Transport und/oder zur Lagerung mehrerer Brennelemente vor, die einen quadratischen Querschnitt aufweisen und be­ reits bestrahlt sind. Der Behälter hat dabei einen praktisch rechteckigen Querschnitt, der durch mindestens eine Innen­ wand, die an ihren beiden Seiten an gegenüberliegenden Sei­ tenwänden des Behälters befestigt sind, in mehrere praktisch gleich große quadratische Fächer zur Aufnahme jeweils eines einzigen Brennelements aufgeteilt ist. Die Seitenwände des Behälters, die Innenwände und die Seiten der aufzunehmenden Brennelemente sind dabei praktisch parallel zueinander ausge­ richtet und jedes Fach ist mindestens an einer Seitenwand des Behälters angeordnet.

Der rechteckige Querschnitt des Behälters ermöglicht eine kompakte Einlagerung der Brennelemente. Da jedes Brennelement an einer Seitenwand des Behälters angeordnet ist, kann die Nachzerfallswärme über diese Seitenwand auch dann abfließen, wenn der Behälter nur mit einem Schutzgas verhältnismäßig niedrigen Drucks und entsprechend niedrigerer Wärmeleitung gefüllt ist. Im Behälter ist also kein hoher Druck erforder­ lich, dem nur eine verhältnismäßig dicke Behälterwand stand­ halten würde. Die Wände können daher verhältnismäßig dünn ausgebildet werden und sind außerdem durch die an den Seiten­ wänden befestigten Innenwände davor geschützt, durch einen ansteigenden Behälterdruck (z. B. durch Freisetzung von Spalt­ gasen aus dem Inneren defekter Brennstäbe) verbogen und de­ fekt zu werden. Dadurch ist das Gewicht des Behälters be­ grenzt und der Behälter kann auch dann noch verhältnismäßig einfach gehandhabt werden, wenn er mit mehreren Brennelemen­ ten beladen ist.

Der Querschnitt eines Faches ist dabei nur geringfügig brei­ ter als ein Brennelement (mindestens schmäler als das 1,5-fa­ che eines Brennelements). Siedewasser-Brennelemente weisen eine Breite auf, die unter 160 mm liegt; die Breite der qua­ dratischen Fächer liegt dann z. B. unter 18 bis 20 cm, so daß selbst verbogene Brennelemente noch Platz haben, jedoch wenig Platz verschenkt wird. Insbesondere ist vorgesehen, daß alle Fächer nur in einer Reihe liegen, d. h. der Behälter hat zwei schmale Seitenwände, deren Breite geringfügig größer ist als die Breite eines einzelnen Brennelements, und zwei breitere Seitenwände, an denen die Innenwände befestigt sind. Die Breite der breiteren Seitenwände beträgt dabei vorteilhaft etwa ein ganzzahliges Vielfaches der Breite der schmalen Sei­ tenwände.

Zum Schutz vor radioaktiver Strahlung können die Innenwände Teile aus einem Material tragen, das radioaktive Strahlung absorbiert; insbesondere können die Innenwände auch ganz aus solchem Material bestehen. Bevorzugt ist ein Material, das eine hohe Neutronenabsorption besitzt, z. B. borierter Stahl. Dadurch wird die Rest-Reaktivität des Brennelements herabge­ setzt.

Die Innenwände enden vorzugsweise im Abstand unterhalb eines Deckels, der an einem Ende des Behälters aufsetzbar ist. Da­ durch wird Raum geschaffen für die Kopfteile der Brennele­ mente oder für Halterungen dieser Kopfteile; in jedem Fall braucht der Behälter an diesem Ende nicht mehr durch Innen­ wände verstärkt zu werden und durch eine Verkürzung der In­ nenwände kann Material und Gewicht eingespart werden. Zur Ge­ wichtseinsparung ist es auch vorteilhaft, wenn die Wände nicht auf ihrer ganzen Länge durchgehend ausgebildet sind, sondern Fenster aufweisen oder auf andere Weise unterbrochen sind.

Ein Behälter, der mit bestrahlten Brennelementen von quadra­ tischem Querschnitt beladen, mit inertem Gas gefüllt und gas­ dicht verschweißt ist, besitzt nach der erfindungsgemäßen Lö­ sung einen praktisch rechteckigen Querschnitt, wobei jedes Brennelement unmittelbar benachbart zu zwei Seitenwände des Behälters angeordnet ist und die Seitenwände des Behälters und der Brennelemente praktisch parallel zueinander ausge­ richtet sind. Jedes Brennelement gibt also eine Nachzerfalls­ wärme direkt über eine Seitenwand des Behälters nach außen ab.

Dies läßt an sich noch einen quadratischen Behälter-Quer­ schnitt mit vier quadratischen Brennelementen zu. Ein mit mehr als vier Brennelementen beladener Behälter dürfte ohne­ hin in der Regel bereits sehr schwierig zu handhaben sein, außerdem ist ohnehin auch eine Beschränkung des eingeschlos­ senen Spaltmaterials zweckmäßig. Daher erscheinen selbst Be­ hälter mit mehr als zwei Positionen für Siedewasser-Brennele­ mente nicht immer vorteilhaft, und bei manchen Druckwasser- Brennelementen kann es sogar erforderlich werden, überhaupt auf Behälter, die mit mehreren Brennelementen gefüllt sind oder gefüllt werden können, zu verzichten. Für diesen Fall empfehlen sich vielmehr bereits vorgeschlagene druckfeste Be­ hälter mit rundem Querschnitt. Bei zwei oder drei Brennele­ ment-Positionen führt die Erfindung dazu, daß die Brennele­ mente in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind und der Behälter zwei schmalere Seitenflächen mit einer Breite auf­ weist, die geringfügig größer ist als die Querschnitte der Brennelemente.

Vorteilhaft enthält der beladene Behälter Innenwände, die an gegenüberliegenden Seitenwänden des Behälters befestigt sind und den Querschnitt des Behälters in praktisch gleich große quadratische Fächer unterteilen, in denen jeweils höchstens ein Brennelement angeordnet ist. Ein solches Fach braucht dann nur geringfügig größer zu sein als das darin angeordnete Brennelement. Das Brennelement weist allgemein zwei Seiten auf, deren Breite etwa ein ganzzahliges Vielfaches einer Breite ist, die geringfügig größer ist als die Breite der quadratischen Brennelemente, insbesondere von Siedewasser- Brennelementen.

Wie bereits erwähnt wurde, weisen die Innenwände bevorzugt ein Neutronen-absorbierendes Material auf. Zur Materialein­ sparung kann es vorgesehen sein, die Innenwände im Abstand unterhalb eines auf ein Ende des Behälters aufgeschweißten Deckels enden zu lassen und/oder die Innenwände in ihrer Längsrichtung durch Fenster oder andere Aussparungen zu un­ terbrechen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden mehrere Ausfüh­ rungsbeispiele anhand von 12 Figuren näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen gasdicht verschweißten Behälter;

Fig. 2 den beladenen Behälter vor dem Verschweißen;

Fig. 3 und 4 Querschnitte durch den Behälter (ohne die Brennelemente);

Fig. 5 bis 7 Beispiele einer metallurgischen und/oder me­ chanischen Befestigung der Innenwände an den Seitenwänden des Behälters;

Fig. 8 einen quadratischen Behälter (ohne Deckel und Brennelemente);

Fig. 9 und 10 Querschnitte durch den Behälter nach Fig. 8;

Fig. 11 und 12 eine Außenansicht und einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform des Behälters.

In Fig. 1 ist eine schmalere Seitenwand 2 und eine breitere Seitenwand 3 eines Behälters 1 dargestellt, der an seinem oberen Ende durch einen aufgesetzten und verschweißten Deckel 4 und an seinem unteren Ende durch einen angeschweißten Boden 5 gasdicht verschlossen ist. Der Behälter 1 trägt ein Profil 6, an dem der Behälter angehoben werden kann. Der Behälter ist mit einem inerten Schutzgas gefüllt.

Zur zeichnerischen Darstellung ist der Behälter aufgebrochen und zeigt, daß er durch Innenwände 10, 11 in drei gleich große, quadratische Fächer 12, 13 und 14 unterteilt ist. Da­ bei ist nur im Fach 14 ein aufgebrochener Teil eines Siede­ wasser-Brennelements erkennbar, während in den Fächern 12 und 13 diese Brennelemente zur besseren Darstellung weggelassen sind. Mit 15 sind die Schweißnähte gekennzeichnet, mit denen die Seitenwände an den Innenwänden befestigt sind.

In Fig. 2 läßt jedoch der abgehobene Deckel 6 erkennen, daß die Brennelemente 16, 17, 18, deren obere Enden üblicherweise einen Griff 19 tragen, von oben in die Fächer einsetzbar sind, bevor der Deckel aufgesetzt und verschweißt wird. Die Querschnitte der Fig. 3 und 4 zeigen, daß der Kasten 20 am oberen Ende (Ebene III-III) und auch am unteren Ende nicht durch Innenwände verstärkt ist (Fig. 3). Dazwischen (Ebene IV-IV, Fig. 4) verstärken die Innenwände 10, 11, die aus Ab­ sorberblech (borierter Stahl) gefertigt sind, die Kastenwän­ de, wie anhand der Schweißnähte 15 erkennbar ist.

Die Breite der Brennelemente 16, 17, 18 beträgt etwa 15 cm, die Breite a des Fachs 14 bzw. der schmäleren Seitenwand 2 (an der Innenseite gemessen) beträgt etwa 18 cm. Da die Fä­ cher 12, 13, 14 praktisch gleich groß sind, ist die Breite der breiteren Seitenwand 3 bei einer Anzahl n von nebeneinan­ der angeordneten Fächern durch n.a + (n - 1).d gegeben, also - bis auf die geringfügige Dicke d der Innenwände - praktisch ein ganzzahliges Vielfaches.

Nach Fig. 5 kann die Schweißnaht 15 eine stumpf auf einer Seitenwand 30 aufstehende Innenwand 31 metallurgisch verbin­ den. Gemäß Fig. 6 kann eine Seitenwand 32 des Behälters ei­ nen Schlitz aufweisen, an den der seitliche Rand einer Innen­ wand 33 hindurch nach außen ragt und verschweißt ist. Die überstehenden Enden können nachträglich abgetragen werden. Alternativ oder zusätzlich können die Seitenwände auch mecha­ nisch befestigt sein. Entsprechend trägt nach Fig. 7 eine Behälter-Seitenwand 34 auf einer Seite Schienen 35, 36, in die ein profilierter Rand 37 einer Seitenwand (z. B. seitliche Lappen, die alternierend nach rechts und links abgebogen sind) eingreift.

Fig. 8 zeigt einen Kasten mit quadratischem Querschnitt. Wie anhand der Querschnitte in den Ebenen IX-IX (Fig. 9) bzw. X-X (Fig. 10) zeigt und auch anhand der Schweißnähte 41, 42 am Kasten 40 der Fig. 8 erkennbar ist, sind zwar auch bei dieser quadratischen Form jeweils die gegenüberliegenden Sei­ tenflächen durch Innenwände 43, 44 verstärkt, jedoch ist da­ bei z. B. die Innenwand 43 in mehrere Teilwände unterteilt, die als einzelne Streifen jeweils die beiden gegenüberliegen­ den Wände verbindet. In den Zwischenräumen zwischen diesen Streifen erstrecken sich Streifen, die als Teile der Innen­ wand 44 senkrecht zur Innenwand 43 stehen und ebenfalls durch entsprechende Unterbrechungen getrennt sind.

Fig. 11 zeigt einen Kasten 50 mit nebeneinanderliegenden, gleichgroßen, ungefähr quadratischen Fächern 51, wobei diese Fächer durch Innenwände 53, 54 gebildet sind, die an der In­ nenseite des Kastens 50 angeschweißt sind. Diese Innenwände 53, 54 sind gemäß Fig. 12 Bleche, die nur an ihren Seiten­ kanten durchgehend ausgebildet sind, jedoch fensterartige Ausschnitte 55 aufweisen.

Abweichend von den Figuren sind bevorzugt in den Behältern nur zwei Brennelemente nebeneinander angeordnet.

Claims (14)

1. Gasdicht verschließbarer Behälter (1) für Transport und Lagerung mehrerer Brennelemente (16, 17, 18), die einen qua­ dratischen Querschnitt aufweisen und bereits bestrahlt sind, gekennzeichnet durch einen praktisch rechteckigen Querschnitt des Behälters (1), der mindestens eine Innenwand (10), die an ihren beiden Seitenkanten an ge­ genüberliegenden Seitenwänden (3) des Behälters (1) befestigt ist, in mehrere praktisch gleich große quadratische Fächer (12, 13, 14) zur Aufnahme jeweils eines einzigen Brennele­ ments (14, 15, 16) aufgeteilt ist, wobei zwei Seitenwände (2, 3) des Behälters, die an gegenüberliegenden Seitenwänden befestigten Innenwände (10, 11) und zwei Seiten jeweils auf­ zunehmenden Brennelements (16, 17, 18) praktisch zueinander parallel ausgerichtet und alle Fächer mindestens an einer Seitenwand des Behälters angeordnet sind.

2. Behälter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei schmale Sei­ tenwände (2) mit einer Breite, die geringfügig größer ist als die Breite eines einzelnen Brennelements (14), und zwei brei­ teren Seitenwänden (3), an denen die Innenwände (10, 11) be­ festigt sind.

3. Behälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der breiteren Seitenwände (3) etwa ein ganzzahliges Vielfa­ ches der Breite der schmaleren Seitenfläche (2) ist.

4. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Quer­ schnitte der Fächer an Brennelemente mit einer Breite unter 160 mm angepaßt sind.

5. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen­ wände (10, 11) ein Neutronen-absorbierendes Material aufwei­ sen.

6. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen­ wände (10, 11) im Abstand unterhalb eines an einem Ende des Behälters aufsetzbaren Deckels (19) enden.

7. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen­ wände (10, 11, 42, 43, 53, 54) in Längsrichtung unterbrochen sind.

8. Gasdicht verschlossener Behälter (1) mit mehreren darin unter einem inerten Gas eingeschlossenen Brennelementen (14), die einen quadratischen Querschnitt besitzen und bereits be­ strahlt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Quer­ schnitt des Behälters (1) praktisch rechteckig ist, jedes Brennelement (14) unmittelbar benachbart zu zwei Seitenwänden (2, 3) des Behälters angeordnet ist und die Seitenwände (2, 3) des Behälters und die Seiten der Brennelemente prak­ tisch zueinander parallel ausgerichtet sind.

9. Behälter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelemente (14, 15, 16) in einer Reihe nebeneinander ange­ ordnet sind und der Behälter zwei schmalere Seitenflächen (2) mit einer Breite aufweist, die geringfügig größer ist als die Querschnitte der Brennelemente (14, 15, 16).

10. Behälter nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelemente (14, 15, 16) einen quadratischen Querschnitt mit einer Breite unter 160 mm aufweisen.

11. Behälter nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Quer­ schnitt des Behälters (1) durch Innenwände (10, 11), die an gegenüberliegenden Seitenwänden des Behälters metallurgisch und/oder mechanisch befestigt sind, in praktisch gleich große quadratische Fächer (12, 13, 14) unterteilt ist, in denen je­ weils höchstens ein Brennelement (14, 15, 16) angeordnet ist.

12. Behälter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen­ wände (10, 11) ein Neutronen-absorbierendes Material aufwei­ sen.

13. Behälter nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen­ wände (10, 11) im Abstand unterhalb eines an einem Ende des Behälters aufgeschweißten Deckels (6) enden.

14. Behälter nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen­ wände (10, 11) in Längsrichtung unterbrochen sind.