DE19740817A1 - Vorrichtung zum Abschirmen einer Fluid-Wanddurchführung gegen hochenergetische elektromagnetische Strahlung, Kernstrahlung oder Korpuskularstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abschirmen einer Fluid-Wanddurchführung gegen hochenergetische elektro­ magnetische Strahlung, Kernstrahlung oder Korpuskularstrah­ lung.

Die Nachbehandlung von ausgebrannten Brennelementen aus Kernkraftwerken geschieht u. a. in sog. "heißen Zellen", d. h. in Abschnitten von kerntechnischen Anlagen, die gegen nach außen dringende Neutronen- und Gammastrahlung abgeschirmt sind. In solchen heißen Zellen befinden sich in der Regel Maschinen zum Nachbehandeln der Brennelemente sowie Beleuch­ tungseinrichtungen. Die dadurch in den heißen Zellen er­ zeugte Wärme und die Restwärme der abgebrannten Brennele­ mente muß durch entsprechende Lüftungs-Wanddurchführungen nach außen abgeführt werden.

Die Wände der heißen Zelle haben typischerweise eine Dicke von 150 cm und bestehen aus Beton bzw. Stahlbeton. Die Anlagen zur Belüftung der heißen Zellen befinden sich typi­ scherweise außerhalb der heißen Zellen selbst.

Um zu verhindern, daß Neutronen- oder Gammastrahlung durch die Lüftungs-Wanddurchführungen nach außen dringt, wurden diese bisher mit Knicken ausgebildet. Die stets ge­ radlinig propagierende Strahlung trifft somit auf den Beton der Wand und wird dort absorbiert.

In neuerer Zeit wurden die Durchführungen auch gerade und ohne Knicke durch die Wände geführt. Die Durchführungen haben dabei typischerweise einen Durchmesser von 50 bis 75 cm. In den Durchführungen befinden sich dann sog. Abschirm­ schrauben. Die Abschirmschrauben bestehen aus Eisen und wei­ sen mehrere Windungen über der Länge der Durchführung auf. Sie sind damit in der Lage, Gammastrahlung zu absorbieren.

Ein grobes Maß für den Absorptionswirkungsquerschnitt für Gammastrahlung ist die Dichte des zum Abschirmen verwen­ deten Materials. Der verwendete Beton hat eine Dichte im Be­ reich von 2,35 g/cm³. Wird Eisen mit seiner Dichte von etwa 7,8 g/cm³ verwendet, so müssen die Schneckengänge etwa ein Drittel des Raums der Durchführung ausfüllen. Entsprechend werden die Dicke der Schraubengänge sowie die Ganghöhe bzw. die Anzahl der Windungen in der Durchführung gewählt.

Derartige Eisen-Schrauben sind allerdings nicht geeig­ net, Neutronenstrahlung zu absorbieren. In heißen Zellen zur Behandlung abgebrannter Brennelemente tritt jedoch stets eine gemischte Strahlung aus Gamma- und Neutronenstrahlung auf. Die Neutronen sind dabei hochenergetisch. Damit die Neutronenstrahlung effektiv absorbiert werden kann, müssen die Neutronen zunächst abgebremst werden. Dieser Vorgang wird auch als Moderation oder Thermalisierung von heißen Neutronen bezeichnet. Besonders geeignet dafür ist Wasser­ stoff. Als sehr wasserstoffhaltiger Festkörper hat sich Po­ lyethylen (PE) für die Neutronen-Moderation bewährt. Auch boriertes PE bzw. Graphit sind geeignet.

Da die Eisen-Schrauben Neutronen kaum absorbieren, wur­ den bisher am Ausgang von Lüftungs-Durchführungen größere Blöcke aus PE angebracht, die die Neutronen nach Verlassen der Durchführung thermalisieren und absorbieren.

Die PE-Blöcke beanspruchen viel zusätzlichen Raum. Fer­ ner wiegen die Eisen-Schrauben bis zu 2 Tonnen. Entsprechend aufwendig sind ihre Herstellung, ihr Transport und ihre Mon­ tage.

Ähnliche Probleme ergeben sich allgemein bei der Ab­ schirmung von Fluid-Durchführungen in Kernkraftwerken und sonstigen Bereichen, in denen hochenergetische elektroma­ gnetische Strahlung, Kernstrahlung oder Korpuskularstrahlung auftritt. Gleiches gilt für Durchführungen von sonstigen Medien, wie beispielsweise Elektrokabeln.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Abschirmvorrichtung der eingangs genannten Art hinsichtlich ihres Platzbedarfs sowie ihrer Herstellung und Montage zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die gattungsgemäße Vor­ richtung gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von scheibenför­ migen Abschirmelementen, die in der Fluid-Wanddurchführung räumlich derart angeordnet sind, daß sie die Strahlung auf­ fangen, während die Wanddurchführung für das Fluid durch­ lässig bleibt; wobei jedes Abschirmelement mindestens ein für jedes Abschirmelement einzeln zu wählendes, die Strah­ lung absorbierendes Material aufweist und wobei Anzahl und Form der Abschirmelemente so gewählt sind, daß sich eine ge­ wünschte Abschirmcharakteristik für die Strahlung in der Wanddurchführung ergibt.

Die erfindungsgemäße Abschirmvorrichtung ist modular aus einzelnen Abschirmelementen aufgebaut. Sie kann somit aus verschiedenen Einzelteilen gefertigt, in einfacher Weise transportiert und eingebaut und auch zu einem späteren Zeit­ punkt ohne weiteres geändert werden.

Das Material der einzelnen Abschirmelemente kann nach den Erfordernissen der gewünschten Abschirmcharakteristik gewählt werden. Bei gemischter Strahlung, zu deren Abschir­ mung die Erfindung vor allen Dingen vorgesehen und bevorzugt geeignet ist, wird man einzelne Abschirmelemente jeweils aus Materialien formen, die einzelne Komponenten der Strahlung optimal absorbieren. Aus der gemeinsamen Anordnung der ver­ schiedenen Abschirmelemente ergibt sich dann insgesamt die gewünschte Abschirmcharakteristik. Die einzelnen Abschirme­ lemente können selbst wiederum aus verschiedenen Materialien zusammengesetzt sein. Kombinationen beider Arten von Abschirmelementen sind gleichermaßen möglich. Es kann somit jede beliebige Zusammenstellung von zur Absorption geeigne­ ten Materialien eingesetzt werden. Auf diese Weise können die Kosten für die Abschirmmaterialien und damit für die Abschirmvorrichtung optimiert werden.

Auch bereits bestehende Fluid-Durchführungen können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestattet werden. Fer­ ner kann letztere bei einer Änderung der auftretenden Strah­ lung entsprechend angepaßt werden.

Eine Anordnung der einzelnen Abschirmelemente kann bei­ spielsweise darin bestehen, daß die in Form von Paneelen ausgebildeten Abschirmelemente versetzt hintereinander ange­ ordnet sind.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die scheibenförmigen Abschirmelemente als achsensenkrechte Schraubensegmente ausgebildet. Die Schraubensegmente weisen eine einheitliche Form auf und werden jeweils um einen vor­ gegebenen Winkel gegeneinander versetzt entlang ihrer Achse in der Wanddurchführung hintereinander angeordnet. Im Ergeb­ nis ergibt sich dadurch eine schraubenförmige Abschirmvor­ richtung.

Man erhält somit eine Abschirmvorrichtung, deren Form der der Eisen-Schrauben sehr nahe kommt. Durch die Verwen­ dung von einzelnen Schraubensegmenten kann die Steigung der Abschirmschraube verändert werden. Somit können, auch bei sich ändernden Bedingungen, der Fluid-Durchsatz und die Ab­ schirmwirkung optimal aufeinander abgestimmt werden. Die einheitlich ausgebildeten Schraubensegmente sind herstel­ lungstechnisch besonderer günstig.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Figuren schematisch dargestellt sind. Im einzelnen zeigt:

Fig. 1 eine axiale Schnittansicht einer Wanddurchführung mit einer erfindungsgemäßen Abschirmvorrichtung;

Fig. 2 ein zweiblättriges Schraubensegment;

Fig. 3 ein dreiblättriges Schraubensegment;

Fig. 4 ein vierblättriges Schraubensegment.

Die folgenden Ausführungsbeispiele sind für Lüftungs-Wand­ durchführungen von heißen Zellen geeignet.

Die abgebrannten Brennelemente in heißen Zellen emit­ tieren eine gemischte Strahlung. Zum überwiegenden Teil emittieren sie Gammastrahlung. Hinzukommt ein geringerer An­ teil an Neutronenstrahlung. Aufgrund der in den heißen Zel­ len befindlichen Maschinen sowie der Restwärme der abge­ brannten Brennelemente müssen die heißen Zellen mit Hilfe von Lüftungs-Durchführungen und außen liegenden Ventilatoren gekühlt werden. Die Lüftungsdurchführungen sind in den etwa 150 cm dicken Stahlbetonwänden der heißen Zellen ausgebil­ det. Sie haben einen Durchmesser von 50 bis 75 cm und ver­ laufen gradlinig.

Für eine optimale Abschirmung muß eine ausreichende Menge an die Strahlung absorbierendem Material in den Lüf­ tungs-Wanddurchführungen angeordnet sein. Andererseits soll­ te der Strömungswiderstand für die Luft möglichst gering sein, so daß eine Luftkühlung der heißen Zellen mit mög­ lichst geringem Energieaufwand möglich ist.

Im folgenden wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Die in ei­ ner Wanddurchführung 1 angeordnete Abschirmvorrichtung hat insgesamt eine schraubenförmige Gestalt. Dies minimiert den Strömungswiderstand für die durchströmende Luft. Die Ab­ schirmvorrichtung ist aus einzelne scheibenförmigen Ab­ schirmelementen 2 und 3 aufgebaut, die also die Form von Schraubensegmenten aufweisen. Die Abschirmelemente 2 beste­ hen aus Eisen, um Gammastrahlung zu absorbieren, und die Ab­ schirmelemente 3 aus Polyethylen (PE), um Neutronen zu ther­ malisieren und zu absorbieren.

Die einzelnen Abschirmelemente 2 und 3 sind auf einer zentralen Achse 4 der Wanddurchführung hintereinander ange­ ordnet.

In den Fig. 2 bis 4 sind beispielhaft mögliche Formen der Schraubensegmente gezeigt. Die Form der Schraubenseg­ mente ist keineswegs auf die gezeigten Beispiele gemäß den Fig. 2 bis 4 beschränkt. Vorteilhafterweise sollten die Schraubensegmente jedoch stets eine zentrale Nabe 5 aufwei­ sen, damit sie zentrisch auf die Achse 4 gesteckt werden können.

Vor allem ist bei der Auswahl der Schraubensegmente auf eine ausreichende Abschirmwirkung zu achten. Muß etwa ein Drittel des Raums der Wanddurchführung 1 mit absorbierendem Material gefüllt sein, so müssen die Flächen der Blätter oder Flügel eines einzelnen Schraubensegments zusammengenom­ men etwa einen Flächeninhalt haben, der einem Drittel des Querschnitts der Wanddurchführung 1 entspricht Werden die Abschirmelemente aus stärker absorbierendem Material gefertigt, so kann ihre Fläche entsprechend kleiner gewählt und somit der Strömungswiderstand für die Luft auf­ grund des größeren freien Querschnitts verringert werden.

Es ist nämlich auch auf einen möglichst kleinen Strö­ mungswiderstand für die durch die Durchführung strömende Luft zu achten. Dies führt dazu, daß die Anzahl der Windun­ gen der Schnecke möglichst gering sein sollte.

Die Anzahl der Windungen, die die schraubenförmige Ab­ schirmvorrichtung aufweisen sollte, ist jedoch dadurch nach unten begrenzt, daß auch ein unter einem sehr ungünstigen, schrägen Winkel durch die Wanddurchführung 1 laufendes Gam­ maquant oder Neutron zwingend eine hinreichende Abschirmung erfahren muß. Ferner muß die Abschirmcharakteristik über dem Querschnitt der Durchführung 1 gleichmäßig sein.

Daraus ergibt sich, daß bei Verwendung von zweiblättri­ gen Schraubensegmenten diese so angeordnet werden, daß die Abschirmvorrichtung insgesamt mindestens eine volle Windung vollzieht. Bei einem dreiblättrigen Schraubensegmenten gemäß Fig. 3 ergibt sich ebenfalls mindestens eine volle Windun­ gen. Bei einem vierblättrigen Schraubensegment gemäß Fig. 4 ergibt sich mindestens eine Dreiviertelwindung.

Betrachtet man die hintereinander liegenden Abschirm­ elemente, so zeigt die schraubenförmige Abschirmvorrichtung den Anblick einer Wendeltreppe, d. h. die einzelnen Abschir­ melemente mit ihren rechteckigen Kanten weisen an ihren win­ kelversetzten Übergängen jeweils eine Stufe auf. Um den Strömungswiderstand für Luft weiter zu verringern, können die Abschirmelemente an ihren Kanten abgeschrägt werden, so daß die Abschirmvorrichtung insgesamt eine glatte, stufen­ freie Oberfläche hat. Dabei sollte allerdings die Masse der Schraube gleich bleiben, um die Abschirmwirkung nicht zu vermindern.

Aus montagetechnischen Gründen können die einzelnen Schraubensegmenten auf ihrer einen Seite mit einem Vorsprung und auf ihrer anderen Seite mit einer komplementären Ausneh­ mung versehen sein. Vorsprung und Ausnehmung sind dabei so angeordnet, daß sich beim Hintereinandersetzen der Schrau­ bensegmente und Einführen der Vorsprünge in die Ausnehmungen benachbarter Schraubensegmente der vorgegebene Winkelversatz zwischen den einzelnen Schraubensegmenten ergibt. Eine spä­ tere Änderung der Schraubensteigung ist dann allerdings schwieriger.

Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmög­ lichkeiten gegeben. So kann abweichend von den Fig. 2 bis 4 mit Schraubensegmenten gearbeitet werden, die einblättrig ausgebildet sind, also lediglich einen einzigen, von der zentralen Achse abstehenden Flügel aufweisen. Ferner be­ steht, abweichend von Fig. 1, die Möglichkeit, einige oder alle Schneckensegmente aus einem Verbundmaterial herzustel­ len, bei dem sich Blech und PE-Schichten abwechseln. Nach den Ausführungsbeispielen sind die Schraubensegmente auf ei­ ne zentrale Achse aufgesteckt. Dies stellt ohne Frage die einfachste Möglichkeit dar und läßt eine problemlose Vor- Ort-Montage zu. Möglich hingegen ist es durchaus, die ein­ zelnen Schraubensegmente als Paket zu stapeln und an ihren Blättern miteinander zu verbinden. Die Verbindung kann zwi­ schen benachbarten Schraubensegmenten erfolgen. Denkbar sind auch am Schraubenumfang angeordnete Stangen, auf die die Schraubensegmente aufgefädelt werden.

Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, die schei­ benförmigen Abschirmelemente in Form von Paneelen über dem Querschnitt und über der Länge der Wanddurchführung zu ver­ teilen. Diese Art der Anordnung eignet sich auch für nicht­ geradlinige Wanddurchführungen. Allerdings bieten sich dann erhebliche montagetechnische Schwierigkeiten. Vorteilhafter ist es daher, mit geradlinigen Wanddurchführungen zu arbei­ ten und die Abschirmvorrichtung aus Schneckensegmenten auf­ zubauen. Dabei muß die geradlinige Wanddurchführung nicht in einem Stück vollständig durch die Wand hindurchgehen. Denk­ bar sind beispielsweise auch zwei von beiden Wandseiten aus­ gehende Röhren, die sich bis zur Wandmitte erstrecken und gegeneinander versetzt sind, wobei eine wandparallele Röhre die erforderliche Verbindung herstellt.

Die Montage der Abschirmvorrichtung kann, wie bei einer gegossenen Schnecke, im Werk erfolgen. Vorteilhafter ist es, die Vorrichtung vor Ort zu montieren, gegebenenfalls direkt innerhalb der Wanddurchführung.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Abschirmen einer Fluid-Wanddurchfüh­ rung gegen hochenergetische elektromagnetische Strahlung, Kernstrahlung oder Korpuskularstrahlung,
gekennzeichnet durch
eine Mehrzahl von scheibenförmigen Abschirmelementen (2, 3), die in der Fluid-Wanddurchführung (1) räumlich derart angeordnet sind, daß sie die Strahlung auffangen, während die Wanddurchführung für das Fluid durchlässig bleibt;
wobei jedes Abschirmelement (2, 3) mindestens ein für je­ des Abschirmelement einzeln zu wählendes, die Strahlung ab­ sorbierendes Material aufweist und
wobei Anzahl und Form der Abschirmelemente so gewählt sind, daß sich eine gewünschte Abschirmcharakteristik für die Strahlung in der Wanddurchführung (1) ergibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Abschirmelemente Eisen, Borstahl oder Blei zum Absorbieren von Gamma-Strahlung sowie Po­ lyethylen (PE), vorzugsweise boriertes PE, zum Abbremsen hochenergetischer Neutronen aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß die scheibenförmigen Abschirmelemente (2, 3) als ach­ sensenkrechte Schraubensegmente ausgebildet sind; und
daß die Schraubensegmente zur Bildung einer Abschirm­ schraube jeweils um einen vorgegebenen Winkel gegeneinander versetzt entlang ihrer Achse in der Wanddurchführung (1) hintereinander angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubensegmente mehrblättrig ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kanten der Schraubensegmente in Schrauben­ gangrichtung angeschrägt sind.