DE19748222C1 - Verfahren zum Vorbereiten einer Endlagerung bestrahlter Brennstäbe eines Kernkraftwerks sowie Strahlenschutzbehälter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbereiten einer Endlagerung bestrahlter Brennstäbe eines Kernkraftwerks sowie einen Strahlenschutzbehälter zum Abtransport der bestrahlten Brennstäbe.

In Kernkraftwerken, insbesondere mit Siedewasserreaktoren oder Druckwasserreaktoren, wird nuklearer Brennstoff verwen­ det, der in Hüllrohren gasdicht eingeschlossen ist, wobei je­ weils mehrere solche, den Brennstoff enthaltende Brennstäbe in Strukturteilen gehalten sind und die Brennelemente bilden, die dann im Inneren eines Reaktordruckbehälters eingesetzt werden. Die radioaktive Strahlung im Inneren des Reaktor­ druckbehälters löst die Kernreaktionen aus, durch die einer­ seits der Brennstoff Energie liefert und verbraucht wird ("Abbrand des Brennelements"), andererseits neue radioaktive Strahlung (insbesondere Neutronenstrahlung) liefert, die zur Aufrechterhaltung der Kernreaktionen nötig ist. Verbraucht ein Brennelement mehr Neutronen als durch die Kernreaktionen in seinem Brennstoff entstehen, so ist dieses Brennelement abgebrannt und wird durch ein frisches Brennelement ersetzt. Dabei ist es üblich, daß zumindest einige Brennstäbe der fri­ schen Brennelemente anstelle von frischem Brennstoff oder als Zusatz zum frischen Brennstoff noch ein Neutronen absorbie­ rendes Material enthalten; nimmt die Absorptionsfähigkeit dieses Absorbermaterials mit zunehmender Bestrahlung ab (sogenanntes "abbrennbares Neutronengift"), so kann erreicht werden, daß sich ein frisches Brennelement etwa für die ganze Dauer eines Zyklus (also des Intervalls zwischen zwei Be­ triebspausen, die zum Auswechseln abgebrannter Brennelemente nötig sind) annähernd konstant verhält. Auch Stäbe, in deren Hüllrohre ein solches Absorbermaterial eingeschlossen ist, werden als "Brennstäbe" bezeichnet. Als Brennstoff wird dabei angereichertes Uranoxid oder auch wiederaufbereiteter Brenn­ stoff (hauptsächlich ein Mischoxid aus Uran und Plutonium, wie es in Wiederaufbereitungsanlagen für abgebrannten Brenn­ stoff gebildet wird) verwendet.

Brennstäbe, deren Brennstoff nicht für eine Wiederaufberei­ tung vorgesehen ist, werden in einem dreistufigen Verfahren der Endlagerung zugeführt. Die erste Stufe betrifft das Kern­ kraftwerk selbst; dabei werden die Brennelemente aus dem Re­ aktordruckbehälter entnommen, jedoch ist der Brennstoff noch so stark aktiv, daß er nicht über Land aus dem Kernkraftwerk abtransportiert werden kann, sondern erst noch unter Wasser gelagert werden muß, bis seine Restaktivität und die dabei entstehende Nachzerfallswärme (die wichtigsten "Quell-Terme") weitgehend abgeklungen sind. Aus Strahlenschutzgründen muß diese Lagerung unter Wasser in einem sogenannten "Abklingbecken" vorgenommen werden. Dazu enthalten die Ab­ klingbecken der Kernkraftwerke ein Brennelement-Lagergestell, dessen Aufbauten derart ausgebildet sind, daß darin einer­ seits eine ausreichende Kühlung und Wärmeableitung der Brenn­ stäbe, andererseits eine für den Strahlenschutz und die Si­ cherstellung eines unterkritischen Zustands erforderliche Neutronenabsorption stattfindet. Diese Aufbauten moderner La­ gergestelle bestehen aus neutronenabsorbierendem Material und bilden dabei Fächer, die jeweils ein Brennelement aufnehmen können, das darin aber nur ein so geringes seitliches Spiel hat, daß es noch einsetzbar und entnehmbar ist (sogenannte "Kompakt-La­ gergestelle").

Die Außenabmessungen von Siedewasser-Brennelementen oder Druckwasser-Brennelementen eines Kernkraftwerks sind durch die Reaktoraufbauten (insbesondere die Anordnung von Steuer­ stäben oder Steuerelementen und deren Antriebe) vorgegeben; die Fächer der Lagergestelle haben somit einen "nutzbaren Querschnitt", der gerade den Außenmaßen eines in diesem Kraftwerk verwendeten Brennelements angepaßt ist. In diesen Fächern lagern die Brennelemente mit den abgebrannten Brenn­ stäben mehrere Jahre, bis sie in ein Zwischenlager abtrans­ portiert werden können.

Die Zwischenlagerung im Zwischenlager ist die zweite Stufe bei der Entsorgung der Brennelemente und dauert etwa 50 bis 100 Jahre.

Dann sind die nuklearen Quellterme soweit abgeklungen, daß die Brennstäbe in ein Endlager gebracht werden können, z. B. in bergmännisch eingebrachte Hohlräume von Gebirgsstöcken (dritte Stufe der Entsorgung). Für diese Endlagerung sind La­ gerbehälter erforderlich, die nur noch als dauerhafte Hülle für die im abgebrannten Brennstoff enthaltenen radioaktiven Substanzen funktionieren müssen. Diese Endlagerbehälter müs­ sen daher einerseits korrosionsbeständig sein, damit der Brennstoff nicht ausgewaschen wird, falls es in dem geologi­ schen Lager zu einem Wassereinbruch (z. B. durch Grundwasser) kommen sollte; außerdem herrscht in den Hüllrohren der abge­ brannten Brennstäbe ein erheblicher Überdruck, da bereits die frischen Brennstäbe mit Helium unter großem Überdruck gefüllt werden, um beim Reaktorbetrieb die thermische Leitfähigkeit zu erhöhen, und durch die Kernreaktionen große Mengen zusätz­ licher gasförmiger Spaltprodukte entstehen; werden die Hüll­ rohre der endgelagerten Brennstäbe brüchig, so muß der Endla­ gerbehälter den aus den Hüllrohren entweichenden Gase und dem entsprechenden Überdruck standhalten. Um einen Zerfall der Hüllrohre zu vermeiden und auch Korrosion und ähnliche Bela­ stungen des Lagerbehälters zu begrenzen, werden die Brenn­ stäbe im Endlagerbehälter trocken und unter einer inerten Schutzgas-Atmosphäre gasdicht eingeschlossen.

Für Brennelemente, die nicht für die Endlagerung, sondern für eine Wiederaufbereitung des Brennstoffs vorgesehen sind, ist in DE 27 18 305 A1 und in DE 27 22 870 A1 ein Lagerbehälter vorgeschlagen worden, in den jeweils ein Brennelement einge­ setzt wird, das darin vom Wasser des Abklingbeckens gekühlt und schließlich in die Wiederaufbereitungsanlage transportiert werden kann. Die Außenabmessungen des vorge­ schlagenen Behälters sind dabei erheblich größer als die Au­ ßenabmessungen des Brennelements; für die Lagerung der in solchen Behältern eingeschlossenen Brennelemente sind in der Wiederaufbereitungsanlage Lagergestelle erforderlich, deren Fächer einen entsprechend größeren nutzbaren Querschnitt auf­ weisen.

Für das Endlager ist im Interesse eines geringen Platzbedarfs vorgeschlagen worden, die Brennelemente dort zu zerlegen und dabei die Brennstäbe von den anderen Strukturteilen der Brennelemente abzusondern. Während die abgesonderten Struk­ turteile nur eine beschränkte Radioaktivität aufweisen und ohne großen Aufwand endgelagert werden können, kann der Platzbedarf für die strahlengeschützte Endlagerung der radio­ aktiven Brennstäbe gering gehalten werden, wenn die Brenn­ stäbe zu dichtgepackten Bündeln zusammengefaßt werden, in de­ nen sie mit praktisch parallel zueinander ausgerichteten Längsachsen angeordnet sind.

Die dichteste Packung wird erreicht, wenn die Stäbe in einem "triangulären Muster" über den Querschnitt verteilt werden. Während die Brennstäbe im Brennelement in quadratischen Ma­ schen eines Abstandhalter-Gitters sitzen, in dem sie etwa 3 mm Abstand voneinander haben und zueinander senkrechte Reihen und Spalten bilden, sitzen sie bei einem "triangulären Mu­ ster" so dicht beieinander, daß die Brennstäbe einer Reihe sich gegenseitig berühren und auch die Brennstäbe berühren, die in einer benachbarten Reihe sitzen und gegenüber den Brennstäben der ersten Reihe derart versetzt sind, daß die Mittelachsen der Brennstäbe jeweils in den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks sitzen. Für eine derartige, raumspa­ rende Endlagerung der Brennstäbe ist es also erforderlich, die Brennstäbe von dem quadratischen Muster, in dem sie im Brennelement im Abstand voneinander gehalten sind, in das dicht gepackte, trianguläre Muster umzusetzen ("Dichtsetzen"). Derartige Dichtsetzeinrichtungen sind be­ reits vorgeschlagen worden (EP 0 193 041 A1, DE 37 40 146 A1, EP 0 351 710 A1, DE 88 09 388 U1, wobei teilweise Brennstab- Wechselmaschinen benutzt werden, die die Brennstäbe einzeln aus dem Brennelement herausziehen und in das Bündel einset­ zen, teilweise aber auch alle Brennstäbe eines Brennelements gleichzeitig aus dem Verband des Brennelements herauslösen und in einen entsprechenden Behälter einsetzen. In diesem Be­ hälter sind die Brennstäbe dann in trockenem Zustand unter das Schutzgas gesetzt und durch einen geeigneten gasdichten Verschluß (z. B. mittels gasdicht verschweißter Deckel) abge­ schlossen.

Das Dichtsetzen und gasdichte Verpacken der Brennstäbe kann in der trockenen Atmosphäre einer Anlage am Endlager oder an einem trockenen Zwischenlager erfolgen, es sind aber auch Verfahren und Kapseln vorgeschlagen worden, bei denen das Dichtsetzen, Trocknen und Verschweißen unter Wasser in einem Naßlager erfolgen kann (z. B. DE 32 42 878 A1, DE 32 26 986 C2).

In den US-Patentschriften 4,714,583; 4,943,410; 4,775,507 und 4,744,940 wird eine Vorrichtung beschrieben, mit der die Brennstäbe aus einem Brennelement heraus und durch einen Trichter in einen Behälter gezogen werden, wobei der gegen­ seitige Abstand der Brennstäbe beim Passieren des Trichters kontinuierlich verringert wird, bis die Brennstäbe sich be­ rühren. Dies ist für Brennelemente vorgesehen, die bereits solange gelagert waren, daß ihre Reaktivität praktisch abge­ klungen ist.

Für den Transport über Land, also vom Kernkraftwerk zum Zwi­ schenlager und vom Zwischenlager in die Endlagerstelle, muß außerdem ein Transportbehälter verwendet werden, der als Strahlenschutzbehälter ausgeführt ist, also einen dicken Man­ tel besitzt, der für die Endlagerung nicht mehr benötigt wird. Bisher wird in Deutschland davon ausgegangen, daß meh­ rere Brennelemente nach ihrer Lagerung im Abklingbecken des Kernkraftwerks in einen solchen Strahlenschutzmantel einge­ setzt, in diesem Mantel zum Zwischenlager transportiert und von dort nach Ablauf der Lagerzeit ins Endlager abtranspor­ tiert werden, wo sie aus dem Strahlenschutzmantel wieder her­ ausgenommen werden. Das Dichtsetzen ist also erst für die dritte Stufe vorgesehen und erfolgt dann im Endlager. Die er­ wähnten Dichtsetzverfahren und Dichtsetzmaschinen erlauben es allerdings, das Dichtsetzen bereits im Abklingbecken des Kernkraftwerks vorzunehmen.

Die zur Zeit verfügbaren Transport- und Lagerbehälter sind allerdings aufgrund ihrer Auslegung nur in der Lage, so viele Brennelemente aufzunehmen, daß die durch den Strahlenschutz­ mantel austretende Strahlendosis und Wärme zugelassene Höchstgrenzen nicht überschreitet, wobei auch eine Maximal­ temperatur der Brennelemente nicht überschritten werden darf. Dies bedeutet einerseits, daß die Restaktivität und die Nach­ zerfallswärme der Brennelemente durch entsprechend lange La­ gerung im Abklingbecken bereits herabgesetzt sein müssen, an­ dererseits der Strahlenschutzbehälter dicke Wände und ein entsprechend hohes Gewicht aufweisen muß.

Man kann also sagen, daß die Entsorgung abgebrannter Brenn­ elemente aufwendig und teuer ist, wobei die Bereitstellung des nötigen Lagerraumes für die Brennelemente im Abklingbec­ ken und im Zwischenlager, der Transport der abgebrannten Brennelemente und die dafür erforderlichen Strahlenschutzmän­ tel sowie die Vorbereitung für die Endlagerung und die Be­ reitstellung des Endlagers selbst entscheidende Faktoren sind. Gelingt es, durch größere Anreicherung des Brennstoffs den nutzbaren Energieinhalt eines Brennelements und damit dessen "Abbrand" und Einsatzzeit zu steigern, so braucht nach jedem Betriebszyklus des Reaktors nur eine geringere Anzahl von abgebrannten Brennelementen ersetzt zu werden. Dies er­ scheint vorteilhaft, um die Gesamtkosten der Brennstoff-Ent­ sorgung zu senken.

Solche Brennelemente mit stärkerer Anreicherung und höherem Abbrand weisen aber nach der üblichen Lagerzeit noch eine hö­ here Restaktivität und Nachzerfallswärme auf, so daß die Transportbehälter mit stärkeren Strahlenschutzmänteln und Einrichtungen zur verbesserten Wärmeabfuhr ausgelegt werden müssen, falls nicht die Zahl der darin aufgenommenen Brenn­ elemente reduziert werden soll. Hinzu kommt, daß es an sich vorteilhaft wäre, die Brennelemente bereits vor ihrem Ab­ transport aus dem Kernkraftwerk in gasdicht abgeschlossene, mit Inertgas gefüllte, druckfeste Kapseln einzuschließen, die später nicht mehr geöffnet zu werden brauchen, dafür aber je­ weils nur ein einzelnes Brennelement (in Sonderfällen bis zu drei Brennelemente) aufnehmen können. Ein mit solchen massi­ ven Kapseln gefüllter Strahlenschutzmantel hat aber rasch das zulässige Gewicht erreicht. Trotzdem kann eine solche frühe Kapselung ("Early Encapsulation") der Brennelemente, die ein Umsetzen von Brennstäben in Endlagerbehälter im Endlager überflüssig macht, bereits vor ihrem Abtransport aus dem Kernkraftwerk vorteilhaft sein - besonders bei Brennelementen mit hohem Abbrand, da die Brennstäbe nach einer so langen Ab­ brandzeit derart stark beansprucht sein können, daß sie unter Umständen in der langen Lagerzeit ihre Funktion als dichte Barriere und mechanische Tragstruktur für den Brennstoff ver­ lieren können; die Brennstäbe sollten daher bereits für die Zwischenlagerung mit einer neuen Barriere und Tragstruktur (also einer Kapsel) versehen werden.

Eine metallische Kapsel, die für jedes Brennelement diese Funktionen bereits im Abklingbecken übernehmen kann, kann zwar so konstruiert werden, daß im Strahlenschutzbehälter günstigere Bedingungen für die Ableitung der Nachzerfalls­ wärme und die Beständigkeit gegen Überdruck im Fall defekter Hüllrohre gesichert ist. Jedoch können diese Vorteile nicht ausgenutzt werden, da die Grenzen für das zulässige Gewicht des gefüllten Strahlenschutzbehälters (z. B. eine Gewichts­ grenze von 125 t für die zulässige Last in den Material­ schleusen der Kraftwerke) und die höheren Quellterme dazu zwingen, die Zahl der gekapselten Brennelemente zugunsten des Gewichts der Kapselwände und eines verstärkten Strahlen­ schutzmantels zu verringern.

Werden also gegenüber den Brennelementen, die bisher für die Entsorgung angefallen sind, bei neuen Brennelementen der Ab­ brand und die Standzeit in dem Maß gesteigert, wie dies ge­ genwärtig vorgesehen ist, so bieten sich für die spätere Ent­ sorgung abgebrannter Brennelemente dieses neuen Typs zwei Al­ ternativen an: Entweder wird die Lagerzeit im Abklingbecken z. B. um sieben Jahre verlängert und die Quellterme klingen dann etwa auf den gleichen Wert wie bei den bisher zum Ab­ transport vorgesehenen Brennelementen ab, oder die Brennele­ mente werden nach einer kürzeren Zeit, in der ihre Quellterme noch nicht auf die bisher üblichen Werte abgeklungen sind, in entsprechend stärkere und wirksamere Strahlenschutzbehälter eingesetzt und abtransportiert. Beide Möglichkeiten erfordern jedoch, die Zahl der in einem Strahlenschutzbehälter abtrans­ portierbaren Brennelemente zu verringern, so daß mit einer vorgegebenen Zahl von Brennelement-Transporten die Lagerge­ stelle in den Abklingbecken der Kernkraftwerke nur teilweise geleert werden können. Im ersten Fall bedeutet die verlängerte Lagerzeit, daß die Brennstäbe defekt werden können und die erwähnten Kapseln (als Barriere und mechanische Halterung) benötigen, deren Gewicht aber die Zuladung der Strahlen­ schutzbehälter (und somit die Anzahl der gleichzeitig trans­ portierbaren Brennelemente) verringert. Im zweiten Fall er­ fordern die höheren Quellterme der Brennelemente Strahlen­ schutzbehälter mit stärkeren und schwereren Schutzmänteln, so daß sich deren zulässige Zuladung ebenfalls verringert. In beiden Fällen werden sich daher die Brennelement-Lagerge­ stelle allmählich füllen und einen Engpaß bilden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen und einen solchen Engpaß zu vermeiden.

Die Erfindung benutzt dabei in zweifacher Weise das Zerlegen der Brennelemente und das Umsetzen der Brennstäbe vom quadra­ tischen Muster, in dem sie im Abstand voneinander über den Querschnitt der Brennelemente verteilt sind, in ein dichtge­ packtes Muster, z. B. ein trianguläres Muster, oder allgemei­ ner ein Muster, in dem sich die Brennstäbe gegenseitig berüh­ ren oder jedenfalls einen deutlich geringeren Abstand vonein­ ander haben als im unzerlegten Brennelement:

• - Erstens werden die Brennstäbe bereits vor der Lagerung im Abklingbecken umgesetzt, um in den Lagergestellen den Quer­ schnitt der Fächer, die eigentlich auf die Aufnahme der Brennelemente selbst ausgelegt sind, besser auszunutzen, nämlich nur noch für die Lagerung der dichtgepackten Brenn­ stäbe. Dadurch wird auf einfache Weise die Kapazität der bereits vorhandenen Lagergestelle besser ausgenutzt.
• - Zweitens benötigen die dichtgepackten Bündel wesentlich we­ niger Volumen im Strahlenschutzbehälter als in dem Fall, in dem diese Brennstäbe in den Brennelementen belassen und die Brennelemente in den Strahlenschutzbehälter eingesetzt wer­ den. Dadurch können auch Brennstäbe, deren radioaktiven und thermischen Terme über den Quelltermen der bisher für den Abtransport vorgesehenen Brennelemente liegen, wegen des geringeren Volumens mit einem wesentlich dickeren Strahlen­ schutzmantel umgeben werden, ohne daß dadurch das Gewicht des Strahlenschutzmantels steigt. Trotzt der höheren Quell­ terme ist dabei durch den dickeren Mantel ein ausreichender Strahlenschutz gegeben.

Nachteilig erscheint hierbei, daß im Lagerbecken zusätzliche Arbeiten für das Dichtsetzen der Stäbe nötig werden. Nach der Erfindung werden die Stäbe jedoch in Einsätze der Lagerge­ stelle umgesetzt, die verhältnismäßig dünnwandig und so aus­ gebildet sind, daß sie die Kühlung der Stäbe durch das Wasser des Abklingbeckens nicht behindern, aber zusammen mit dem dichtgesetzten Stabbündel als Einheiten in den Strahlen­ schutzbehälter eingesetzt und auch für die Endlagerung ver­ wendet werden können.

Die Erfindung geht daher von einem Kernkraftwerk mit einem Abklingbecken und einem darin angeordneten Lagergestell aus, das Fächer mit einem Querschnitt aufweist, der dem Quer­ schnitt je eines Brennelements des Kraftwerks angepaßt ist. Die Endlagerung von bestrahlten Brennstäben dieses Kernkraft­ werks wird dadurch vorbereitet, daß die Brennstäbe aus dem Reaktordruckbehälter entnommen und zunächst - bis zum Ab­ transport in ein Zwischenlager - in den Fächern dieses Brenn­ element-Lagergestells gelagert werden, wobei im Stand der Technik jeweils vollständige Brennelemente, die diese Brenn­ stäbe enthalten, entnommen und in die Fächer des Lagerge­ stells eingesetzt werden. Vor dem abschließenden Abtransport der Brennstäbe ins Endlager werden diese Brennstäbe von den Strukturteilen des Brennelements abgesondert und zu dichtge­ packten Bündeln zusammengestellt, die in wenigstens einen Strahlenschutzbehälter eingesetzt werden, wo sie in trockenem Zustand unter einer gasdicht abgeschlossenen Schutzgas-Atmo­ sphäre gehalten werden. In diesen dichtgepackten Bündeln sind die abgebrannten Brennstäbe mit zueinander praktisch paralle­ len Längsachsen und ohne Abstand (oder jedenfalls in geringe­ rem Abstand als in den unzerlegten Brennelementen) angeord­ net; vorzugsweise sind sie in einem triangulären Muster über den Bündelquerschnitt verteilt.

Gemäß der Erfindung wird bei diesem Verfahren die Aufgabe da­ durch gelöst, daß die aus dem Reaktordruckbehälter entnomme­ nen Brennstäbe bereits vor dem Lagern im Abklingbecken zu den dichtgepackten Bündeln zusammengefaßt werden und jedes Bündel in jeweils einen eigenen Einsatz eingesetzt wird, dessen Au­ ßenmaße dem Querschnitt eines Fachs des Lagergestells eng an­ gepaßt ist. Die mit den Brennstäben gefüllten Einsätze werden dann in den einen (oder mehrere) Strahlenschutzbehälter ein­ gesetzt.

Dabei kann vorteilhaft jeder Einsatz nach der Lagerung im Ab­ klingbecken in eine eigene Kapsel eingesetzt werden, deren Inneres getrocknet, mit der Schutzgas-Atmosphäre gefüllt und gasdicht verschlossen wird. Anschließend werden diese Kapseln in den wenigstens einen Strahlenschutzbehälter eingesetzt. Dabei ist bevorzugt jede Kapsel als ein Druckbehälter ausge­ bildet und die Kapseln werden in einen gemeinsamen Strahlen­ schutzbehälter eingesetzt. Eine solche Kapsel ist also nur auf ihre Funktion als Barriere für die radioaktiven Stoffe ausgelegt, die aus den Brennstäben austreten können, wenn de­ ren Hüllrohre undicht werden und der Überdruck in den Hüll­ rohren sich in die Kapsel hinein ausgleicht. Darüber hinaus können Kapseln verwendet werden, deren metallische Wände aus Borstahl oder einem anderen, Neutronen absorbierenden Mate­ rial bestehen. Dadurch wird zwar der Schutzmantel des Strah­ lenschutzbehälters nur entlastet, ohne überflüssig zu werden, jedoch kann dadurch sichergestellt werden, daß trotz der dichtgepackten Anordnung der Brennstäbe kein kritisches Volu­ men entstehen kann.

Es kann auch vorteilhaft sein, jede Kapsel in einen eigenen Strahlenschutzbehälter einzusetzen. Ein solcher Strahlen­ schutzbehälter kann z. B. ein sogenannter "Overpack" sein, z. B. ein mehrschaliger Behälter, der sowohl eine metallische Schale als auch eine Schale aus Baustoff (z. B. Beton) und/oder Kunststoffolien aufweisen kann, die besonders ab­ schirmend auf radioaktive Strahlen (vor allem Neutronen) wirkt. Durch Verschweißen einer dieser Schalen kann eine zu­ sätzliche Barriere für den Austritt von radioaktiven Gasen in die Umgebung oder den Eintritt von Wasser in die Kapsel ge­ schaffen werden. Während die Kapsel selbst bei der Endlage­ rung nicht mehr geöffnet zu werden braucht, kann der Over­ pack, der als Strahlenschutzbehälter für den Transport der Kapsel gedient hat und im Endlager nicht mehr benötigt wird, entfernt werden. Die Kapsel hat dabei bevorzugt einen quadra­ tischen Innenquerschnitt entsprechend dem Außenquerschnitt der Einsätze, kann aber auch rund sein, wobei ihr Innendurch­ messer praktisch der Diagonale eines Einsatzes entspricht. Ein solcher Overpack (Strahlenschutzbehälter) umgibt bevor­ zugt die jeweils in ihn eingesetzte Kapsel möglichst eng, d. h. seine Innenmaße sind praktisch gleich den Außenmaßen der von ihm umgebenen Kapsel.

Es kann aber auch vorteilhaft sein, jeweils mehrere Einsätze gemeinsam in einen Strahlenschutzbehälter einzusetzen, wobei diese Strahlenschutzbehälter dann die eingesetzten Einsätze möglichst eng umgibt (mindestens so eng, daß keine dem Quer­ schnitt eines weiteren Einsatzes entsprechende Zwischenräume entstehen). Der Strahlenschutzbehälter mit den eingesetzten Einsätzen wird dann getrocknet, mit dem Schutzgas gefüllt und gasdicht verschlossen. Dabei kann es vorteilhaft sein, die Einsätze durch ein Haltegestell in Schächten zu halten, deren Innenmaße jeweils den Außenmaßen der Einsätze entsprechen.

Man kann aber auch Einsätze verwenden, deren Konstruktion ein nachträgliches gasdichtes Verschließen erlaubt. Dann werden mehrere Einsätze einzeln getrocknet, mit Schutzgas gefüllt und gasdicht verschlossen. Diese Mehrzahl von Einsätzen wird dann gemeinsam in den Strahlenschutzbehälter eingesetzt. Auch in diesem Fall umgibt der Strahlenschutzbehälter die einge­ setzten Einsätze möglichst eng; es entstehen keine Hohlräume, in denen ein weiterer Einsatz Platz hätte.

Es können z. B. auch Einsätze verwendet werden, die bereits Teile (z. B. die Seitenwände) einer für die "Early Encapsulation" geeigneten Kapsel bilden. Dabei muß nur durch Öffnungen (z. B. einen siebartigen Boden) der für die Kühlung im Ab­ klingbecken erforderliche Zutritt von Wasser sichergestellt sein. Nach der Abklingzeit werden dann diese Löcher dauerhaft verschlossen, das Wasser durch Schutzgas ausgetauscht und ein gasdicht sitzender, druckbeständiger Deckel befestigt. Diese getrockneten und verschlossenen Einsätze werden dann in einen oder mehrere Strahlenschutzbehälter eingesetzt.

Beim Abtransport der Brennstäbe aus dem Kernkraftwerk ist ein erfindungsgemäß mit den bestrahlten Brennstäben gefüllter Strahlenschutzbehälter auf die Gegebenheiten des Kernkraft­ werks abgestimmt, nämlich auf die Abmessungen der Brennele­ mente, die durch die Konstruktion des Reaktors vorgegeben sind und auch die Fächer des Lagergestells im Abklingbecken des Kraftwerks bestimmen. Im die bestrahlten Brennstäbe ent­ haltenden Strahlenschutzbehälter sind mehrere Einsätze vor­ handen, die mit bestrahlten Brennstäben gefüllt sind, wobei diese Brennstäbe in den Einsätzen einander berühren oder je­ denfalls einen Abstand haben, der geringer ist der klein­ ste Abstand zwischen Brennstäben in den Brennelementen selbst. Die Einsätze weisen einen Außenquerschnitt auf, der dem Innenquerschnitt der Fächer des Brennelement-Lagerge­ stells eng angepaßt ist.

Die Einsätze im Strahlenschutzbehälter sind von einem gemein­ samen Strahlenschutzmantel umgeben, wobei das Innere des Strahlenschutzmantels möglichst gut ausgenutzt ist. Da in der Regel die Brennelemente einen quadratischen Querschnitt ha­ ben, haben in diesen Fällen auch die Einsätze einen entspre­ chend quadratischen Querschnitt; eine hohe Raumausnutzung entsteht, wenn auch der Strahlenschutzmantel einen entspre­ chend quadratischen Querschnitt aufweist. Allerdings können auch runde Querschnitte des Strahlenschutzbehälters vorteil­ haft sein, um eine hohe Beständigkeit gegenüber dem Binnen­ druck zu erhalten. Auch dann sitzen die Einsätze möglichst dicht beieinander; alle Hohlräume, in denen Raum für einen Einsatz wäre, sind auch als entsprechende Position für einen Einsatz ausgenutzt. Vorteilhaft sind im Strahlenschutzmantel noch Einbauten vorhanden, die schachbrettartig verteilte Schächte zum Aufnehmen der Einsätze bilden und die Ableitung der Nachzerfallswärme erhöhen. Diese Einbauten können aus ab­ sorbierendem Metall (z. B. Borstahl) bestehen.

Als Folge der erfindungsgemäßen Zerlegung der Brennelemente und raumsparenden Anordnung der Brennstäbe und Einsätze hat z. B. ein Strahlenschutzbehälter, der die Brennstäbe von 20 Brennelementen enthält, einen wesentlich geringeren Innen­ querschnitt als ein Strahlenschutzbehälter, der Platz für die Aufnahme von 20 unzerlegten Brennelementen bieten würde. Für die Abschirmung der Strahlung dieser Brennstäbe ist zwar eine gewisse Wandstärke des Strahlenschutzmantels erforderlich, jedoch führt eine derartige Wandstärke bei dem geringeren In­ nenquerschnitt des erfindungsgemäßen Strahlenschutzbehälters zu einem Gesamtgewicht, das im gefüllten Zustand unter der Gewichtsgrenze (z. B. 125 t) liegt, die durch die Tragfähig­ keit der im Reaktor installierten Anlagen gegeben ist. Ein entsprechend abgeschirmter Strahlenschutzbehälter für 20 unzerlegte Brennelemente würde diese Gewichtsgrenze über­ schreiten.

Ferner sind die Brennstäbe in dem erfindungsgemäßen Strahlen­ schutzbehälter von einem praktisch wasserfreien und inerten Schutzgas umgeben, wobei dieses Schutzgas gasdicht im Strah­ lenschutzbehälter eingeschlossen ist. Dadurch ist einerseits eine Barriere für den Austritt von radioaktiven Stoffen aus den Brennstäben und für den Zutritt von Wasser zu den Brenn­ stäben gegeben, andererseits sind die Hüllrohre der Brenn­ stäbe vor Korrosion geschützt.

Vorteilhaft berühren sich diese Brennstäbe in den Einsätzen oder sind wenigstens in einem triangulären Muster angeordnet.

Bevorzugt bildet jeder Einsatz im Strahlenschutzbehälter eine gasdicht verschweißte Kapsel. Der gasdichte Abschluß der Kap­ seln wird allerdings erst vorgenommen, nachdem der mit den Brennstäben gefüllte Einsatz dem Lagergestell entnommen ist; für die Lagerung der mit den Brennstäben gefüllten Einsätze in den Fächern des Lagergestells sind diese Kapseln noch un­ verschlossen, d. h. sie enthalten zumindest Öffnungen, durch die das Wasser des Abklingbeckens Zutritt zu den lagernden Brennstäben hat, um deren Kühlung sicherzustellen. So kann z. B. eine solche Kapsel einen zunächst oben offenen Kapselkörper mit einem siebartigen Boden besitzen, dem erst nach der Ent­ nahme aus dem Lagergestell ein gasdicht abschließender Boden und Deckel aufgeschweißt wird.

Es sind aber auch korbartige Einsätze mit den Außenabmessun­ gen der Brennelemente möglich, die erst am Ende der Lagerzeit in den Strahlenschutzbehälter eingesetzt werden. Außerdem ist es möglich, daß jeder Einsatz in einer eigenen Kapsel sitzt, die diesen Einsatz eng umschließt. Bei dieser Anordnung kann es vorteilhaft sein, daß jede Kapsel in dem Strahlenschutzbe­ hälter einzeln gasdicht verschlossen ist.

Außerdem kann es vorteilhaft sein, in einem gemeinsamen Strahlenschutzbehälter Brennstäbe abzutransportieren, die eine unterschiedlich lange Zeit im Abklingbecken gelagert ha­ ben, also sich in ihren nuklearen und thermischen Quelltermen stark unterscheiden. Eine derart gemischte Füllung kann dann die erforderlichen Grenzwerte für die Quellterme einhalten und trotzdem zum Abtransport nur kurzzeitig gelagerter Brenn­ stäbe (also zur Entsorgung erst kürzlich ausgewechselter Brennelemente) dienen.

So kann z. B. ein Einsatz, der bei einem der letzten Brennele­ ment-Wechsel mit den Brennstäben zerlegter Brennelemente ge­ füllt wurde, zusammen mit Einsätzen in den Strahlenschutzbe­ hälter eingesetzt werden, die mit Brennstäben aus wesentlich länger zurückliegenden Betriebszyklen gefüllt sind. Auf diese Weise können Lagergestelle, in denen nach dem bisherigen Stand der Technik unzerlegte Brennelemente bereits längere Zeit gelagert sind, allmählich von diesen alten Brennelemen­ ten befreit werden, um die dann frei werdenden Fächer für die Lagerung dichtgepackter Stab-Bündel zu nutzen.

Außerdem können auch die Strahlenschutzbehälter so gefüllt werden, daß sich in ihren zentralen Bereichen Brennstäbe mit kurzer Lagerzeit (also hohen Quelltermen) befinden, an ihren peripheren Bereichen aber ausschließlich, überwiegend oder jedenfalls in nennenswerter Anzahl Brennstäbe mit langer La­ gerzeit, die dann einen zusätzlichen Strahlenschutz gegen die hohen Quellterme in den zentralen Bereichen darstellen.

Den gleichen Gedanken kann man auch für die Zusammensetzung einzelner jeweils in einem Einsatz angeordneter Bündel anwen­ den.

So kann z. B. ein Einsatz nach einem Betriebszyklus zunächst teilweise mit Brennstäben aus noch ungelagerten Brennelemen­ ten und teilweise mit Brennstab-Attrappen gefüllt werden. Ein derart dichtgepackter Einsatz wird dann im Lagergestell gela­ gert, bis nach einem späteren Betriebszyklus die Attrappen gezogen und durch Brennstäbe ersetzt werden, die aus diesem späteren Zyklus und erst dann entnommenen Brennelementen stammen.

Diese und andere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen angegeben.

Anhand von mehreren Figuren und Ausführungsbeispielen werden Weiterbildungen der Erfindung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Querschnitt durch ein Fach eines Brennelement-Lagergestells mit einem nach dem Stand der Technik darin gelagerten Brennelement;

Fig. 2 ein Schema des Verfahrensablaufs im Reaktor und Abklingbecken eines Kernkraftwerks;

Fig. 3 das von Brennstäben gebildete Muster in unzerlegten Brennelementen;

Fig. 4 ein von den Brennstäben gebildetes Muster bei hexagonal-dichtester Packung (trianguläres Muster);

Fig. 5, 6 zwei andere trianguläre Muster;

Fig. 7 einen korbähnlichen Einsatz für ein dichtgepacktes Bündel von Brennstäben;

Fig. 8 einen Querschnitt durch einen Strahlenschutzbehäl­ ter mit vier gefüllten Einsätzen;

Fig. 9 einen Querschnitt durch einen als Kapsel ausgebil­ deten und in einen eigenen Strahlenschutzbehälter eingesetzten Einsatz;

Fig. 10 einen Querschnitt durch ein mit Teil-Einsätzen ge­ fülltes Fach eines Lagergestells;

Fig. 11 einen Querschnitt durch einen teilweise gefüllten Einsatz; und

Fig. 12, 13 einen Querschnitt durch einen Strahlenschutzbe­ hälter mit Brennstäben aus verschiedenen Be­ triebszyklen des Reaktors.

In Fig. 1 ist ein Fach 1 eines Brennelement-Lagergestells 2 sehr schematisch dargestellt, wobei die nutzbare Breite d des Faches durch die Breite der Brennelemente gegeben ist, auf die die Reaktoreinbauten dieses Kernkraftwerks ausgelegt sind. Dabei ist in Fig. 1 auch ein Brennelement 3 mit den Brennstäben 4, einem Abstandhalter 5 und (im Fall eines Druckwasser-Brennelements) Führungsrohren 6 angedeutet, das praktisch ohne ein seitliches Spiel in diesen Fächern 1 sitzt. Es muß lediglich sichergestellt sein, daß auch ein leicht verbogenes Brennelement noch fernbedient von oben in diese Fächer des Brennelement-Lagergestells 2 einsetzbar ist.

Dieses Lagergestell 2 ist im Abklingbecken 10 (Fig. 2) des Kernkraftwerks angeordnet und bisher für die Lagerung abge­ brannter, aber unzerlegter Brennelemente bestimmt. Die für den Betrieb des Reaktors benötigten Brennelemente sitzen in einem Reaktordruckbehälter 12, der im Reaktorbecken 14 des Reaktors unter Wasser sitzt. Abklingbecken 10 und Reaktorbec­ ken 14 sind durch einen wassergefüllten Verbindungskanal 16 miteinander verbunden.

Am Ende eines Betriebszyklus des Reaktors wird der Deckel des Reaktordruckbehälters 12 geöffnet und mittels einer Brennele­ ment-Wechselmaschine 18, die an einer Laufschiene 20 verfahrbar ist, werden abgebrannte Brennelemente ent­ nommen und in das Abklingbecken 10 transportiert.

In dem Schritt A wird jedes dem Reaktordruckbehälter 12 ent­ nommene, abgebrannte Brennelement 3 zerlegt, um die Brenn­ stäbe von den Strukturteilen des Brennelements abzusondern und in einen bereitgestellten Einsatz 22 umzusetzen. Dies kann durch eine der eingangs erwähnten Dichtsetzmaschinen ge­ schehen, wobei die Brennstäbe nunmehr zu Bündeln zusammenge­ faßt werden, in denen sich die Brennstäbe gegenseitig berüh­ ren (oder zumindest einen geringeren Abstand haben als im Brennelement 3 selbst).

Im Schritt B werden die gefüllten Einsätze 24 in die Fächer des Lagergestells 2 eingesetzt. Dort lagern sie mehrere Jahre, wobei die Brennstäbe von dem Wasser des Abklingbeckens 10 gekühlt werden.

Im Schritt C ist dargestellt, daß am Ende dieser Lagerzeit die mit Brennstäben gefüllten Einsätze 24 in eine Einfüllsta­ tion 26 überführt werden, in der jeder Einsatz in eine Kapsel 28 eingesetzt wird, die anschließend mit einem trockenen, inerten Schutzgas gefüllt und gasdicht verschlossen wird. Diese Arbeiten geschehen aus Gründen der Abschirmung unter Wasser, z. B. unter einer in das Wasser versenkten, gasgefüll­ ten Glocke 29. Anschließend werden im Schritt D mehrere sol­ che gasdicht verschweißten Kapseln 30 in einen Strahlen­ schutzbehälter 32 eingesetzt, der ebenfalls mit Schutzgas ge­ füllt und verschlossen wird. Es ist allerdings auch möglich, auf den Schritt C zu verzichten und die gefüllten Einsätze 24 direkt in den Strahlenschutzbehälter 32 einzusetzen, erst dort zu trocknen und den mit Schutzgas gefüllten Behälter dann zu verschließen. In diesem Fall ist der Strahlenschutz­ behälter 32 zur Aufnahme der ungekapselten Einsätze ausge­ legt.

Abschließend wird der verschlossene Strahlenschutzbehälter 32 durch ein schweres Hebewerk 34 aus dem Wasser des Abklingbec­ kens herausgehoben und durch eine Materialschleuse 36 aus dem Kraftwerk entfernt (Schritt E). Abweichend von Fig. 2 kann der Strahlenschutzbehälter 32 auch außerhalb des Abklingbec­ kens mit dem Schutzgas gefüllt und verschlossen werden.

Um das Muster zu veranschaulichen, das durch das Dichtsetzen der aus den Brennelementen geschobenen oder gezogenen Stäbe entsteht, sei zunächst ein Druckwasser-Brennelement betrach­ tet, dessen Brennstäbe in 16 Reihen und 16 dazu senkrechten Spalten angeordnet ist. 20 dieser Brennstab-Positionen sind von Führungsrohren besetzt, so daß das Brennelement 236 Stäbe enthält. In Fig. 3 sind schematisch zwei solche nebeneinander ange­ ordnete Brennelemente angedeutet, wobei mit R1 und R16 jeweils die Eckbrennstäbe jeder Reihe bzw. Spalte bezeichnet sind. Die Breite d1 des Brennelements beträgt 22,3 cm, der Durchmesser eines Brennstabs 1,075 cm. Entsprechend steht für die Lagerung des Brennelements bzw. des Einsatzes mit den ab­ gesonderten Brennstäben auch in den Fächern des Lagergestells praktisch nur eine Breite d1 zur Verfügung.

In Fig. 4 ist der Idealfall einer hexagonal-dichtesten Pac­ kung der Brennstäbe dargestellt. Dabei haben auf der Breite von d1 gerade 19 Brennstäbe Platz, die nebeneinander in einer Reihe n1 angeordnet sind, die sich über 20,43 cm erstreckt. Bei hexagonal-dichtester Packung schließt sich daran eine Reihe n2 aus weiteren 19 Stäben an, die jeweils um eine halbe Brennstab-Breite versetzt sind. Bei 22 solcher Reihen ergibt sich insgesamt ein Bündel mit einer Querschnittsfläche von 20,96 cm Breite und 20,63 cm Höhe, in dem 418 Stäbe angeord­ net sind. Es hängt von dem Verbiegungszustand der Stäbe, der Arbeitsweise und den Kräften der Dichtsetzmaschine sowie der Wandstärke des das Bündel aufnehmenden, korbförmigen Einsat­ zes 38 ab, ob die in Fig. 4 gezeigte hexagonal-dichteste Packung in den Einsatz eingesetzt werden kann, der in einem Fach des Lagergestells noch Platz findet. In diesem Idealfall wird die Kapazität des Lagergestells durch die Lagerung der Einsätze mit den dichtgesetzten Stäben um 77% ge­ genüber dem bisherigen Verfahren erweitert, bei dem die unzerlegten Brennelemente im Lagergestell zwischengelagert werden.

Ein anderes Beispiel eines Kernkraftwerks ist auf Brennelemente mit 17 × 17 Brennstab-Positionen ausgelegt, von denen 25 Positionen mit Führungsrohren besetzt sind. Ein Brennelement dieses Types besitzt z. B. eine Breite von 21,4 cm bei einem Brennstab- Durchmesser von 0,955 cm. Werden entsprechend Fig. 5 jeweils 13 Reihen n von jeweils 22 Brennstäben und 12 Reihen n' mit jeweils 21 Brennstäben nebeneinander angeordnet, so ergibt sich im Ideal­ fall von 538 unverbogenen Brennstäben ein Bündelquerschnitt von 21,01 cm × 20,8 cm. Würde man dieses Bün­ del in eine Kapsel einsetzen, die anschließend gasdicht ver­ schlossen wird und einem Überdruck der Gase aus den Brennstä­ ben standhalten müßte, so würde eine derartige Kapsel eine Wandstärke von mindestens etwa 0,6 cm besitzen; der für die Lagerung der Brennstäbe verfügbare Querschnitt würde dadurch derart verringert, daß bereits im Idealfall 46 Stäbe heraus­ genommen werden müßten, um eine hexagonal-dichteste Packung zu erreichen.

Bei einer Anordnung nach Fig. 6 mit 25 Reihen (N1 bis N25) aus jeweils 21 Stäben (S1 bis S21) dagegen ergibt sich im Idealfall ein Bündel aus 525 Stäben mit einem Bündelquer­ schnitt von 20,53 cm × 20,8 cm, also ein Querschnitt, der noch genügend Platz für einen dünnwandigen Einsatz läßt, der korbähnlich ausgeführt ist.

Ein derartiger korbähnlicher Einsatz 40 ist in Fig. 7 ge­ zeigt, wobei nur einige der eingesetzten Brennstäbe 41 ange­ deutet sind. Die Seitenwände des Einsatzes 40 tragen große Fenster 42 und der Boden 43 ist perforiert, damit das Wasser des Abklingbeckens die Brennstäbe umspülen und kühlen kann. Aus dem gleichen Grund sind auch Aussparungen 44 an den unte­ ren Kanten des korbähnlichen Einsatzes 40 vorgesehen. Um den Einsatz mit den Brennstäben besser greifen und in den Strah­ lenschutzbehälter einsetzen zu können, sind entsprechend pro­ filierte Handhabungselemente 45 vorgesehen.

Fig. 8 zeigt einen Strahlenschutzbehälter 50, der hier zur Aufnahme von insgesamt 4 Einsätzen 52 ausgelegt ist. Die Ein­ sätze 52 sind mit Brennstäben 54 gefüllt, die hier in einer quadratisch-dichten Packung angeordnet sind. Diese quadra­ tisch-dichte Packung besteht aus 529 Brennstäben, die hier in 16 parallelen und 16 dazu senkrechten Spalten angeordnet sind und jeweils einen Durchmesser von 9,14 mm haben. Die Brenn­ stäbe, die aus einem Brennelement des Typs 17 × 17 mit einer Brennelement-Breite von 21,4 cm stammen, berühren sich dabei gegenseitig.

Jeder Einsatz 52 sitzt dabei in einem Schacht, der von sich kreuzenden, die Einsätze 52 eng umgebenden Stahlplatten 56 gebildet wird. Die von diesen Platten gebildete Haltestruktur ist eng von einem Strahlenschutzmantel 58 umgeben, der mit Stickstoff gefüllt, eine gasdicht verschweißte Innenausklei­ dung aus Metall 55 enthält und außen Gußmaterial 59 trägt.

Natürlich kann der Strahlenschutzmantel zur Vergrößerung sei­ ner Oberfläche und Wärmeabgabe mit Kühlrippen versehen sein. Als Material kommen alle, bisher für Strahlenschutzmäntel von Brennelement-Transportbehältern verwendeten Materialien in Frage. Der Behälter nach Fig. 8 faßt in seinen 4 Einsätzen mehr Brennstäbe als in 8 Brennelementen des entsprechenden Types vorhanden sind. Ein Behälter, der 8 unzerlegte Brennelemente aufnehmen würde, müßte ein entspre­ chend größeres Innenvolumen besitzen, aber etwa die gleiche Wanddicke des Strahlenschutzmantels 58 aufweisen, um eine ausreichende Abschirmung des strahlenden Inventars zu ermög­ lichen. Ein solcher Strahlenschutzbehälter für unzerlegte Brennelemente würde nicht nur ein größeres Volumen, sondern vor allem ein erheblich höheres Gewicht aufweisen.

Bei einer Kapsel nach Fig. 9 ist davon ausgegangen, daß jeder einem Fach des Brennelement-Lagergestells entnommene, mit den bestrahlten Brennstäben besetzte Einsatz 61 in einen eigenen Strahlen­ schutzbehälter 60 eingesetzt ist, der in diesem Fall als "Overpack" 63 für eine runde, den Einsatz 61 umgebende Kapsel 62 ausgebildet ist. Die das inerte Schutzgas enthaltende, gasdicht verschweißte Kapsel 62 weist dabei in ihrem Inneren entsprechende Halterungsstrukturen 64 auf, die einen Aufnah­ meschacht quadratischen Querschnitts für den Einsatz 61 bil­ den. In diesem Fall ist von einem Siedewasser-Brennelement mit quadratischem Querschnitt und einer Seitenlänge von 13,96 mm ausgegangen. Dabei kann es sich z. B. um einen Typ "10 × 10 - 9" handeln, bei dem 9 Brennstab-Positionen im Zentrum von einem zentralen Wasserrohr eingenommen werden, um das 91 Stäbe mit einem Außendurchmesser von 10,05 mm schachbrettar­ tig angeordnet sind. Die Anordnung der Brennstäbe kann dabei entsprechend Fig. 6 aus 15 Reihen von jeweils 13 nebeneinan­ der angeordneten Stäben bestehen und somit 195 Stäbe umfas­ sen. Bei unverbogenen Stäben umfaßt das dichtgepackte Bündel einen Bündelquerschnitt von 135,7 mm × 131,9 mm. Dieser Bün­ delquerschnitt nimmt also mindestens an einer Seite nicht die volle Breite des Einsatzes ein, sondern läßt einen geringen Spalt frei. Dies führt aber lediglich dazu, daß das zunächst in hexagonal-dichtester Packung eingesetzte Bündel im Innern des Einsatzes etwas auseinanderfällt (bzw., daß die Stäbe beim Einsetzen nicht geradegebogen werden müssen, sondern et­ was verbogen bleiben können).

Ferner ist in Fig. 10 ein Querschnitt durch ein Fach eines Brennelement-Lagergestells 70 gezeigt, dessen Fächer wiederum einen Querschnitt haben, der dem Querschnitt der Brennele­ mente dieses Kernkraftwerks angepaßt ist. Als Einsatz wird hier jedoch ein Verbund von vier Teil-Einsätzen 72a, 72b, 72c und 72d benutzt, wobei jeder Teil-Einsatz als Korb oder als (später gasdicht zu verschließende) Kapsel ausgebildet sein kann. Diese Aufteilung des Einsatzes in Teil-Einsätze ist vor allem dann vorteilhaft, wenn beim Umsetzen der Brennstäbe aus den Brennelementen an sich ungeteilte Einsätze, die jeweils ein ganzes Fach des Lagergestells einnehmen, gefüllt werden, aber noch Brennstäbe übrig bleiben, die keinen ungeteilten Einsatz mehr vollkommen ausfüllen.

In Fig. 10 sind die Teil-Einsätze 72a und 72b vollständig mit Brennstäben ausgefüllt, während jedoch im Teil-Einsatz 72c ein Füllkörper 74 eingesetzt ist, der einen Teil der Brennstab-Positionen im Bündel ausfüllt, und der Teil-Einsatz 72d vollkommen unbesetzt ist. Erst nach einem weiteren Be­ triebszyklus ist vorgesehen, den Teil-Behälter 72d sowie das vom Füllkörper 74 eingenommene Volumen mit abgebrannten Brennstäben zu füllen.

Bisher wurde davon ausgegangen, daß die Brennelement-Lagerge­ stelle der Kraftwerke nicht verändert werden. Es kann aber auch der Fall auftreten, daß in einem Kernkraftwerk aufgrund zunehmender Knappheit des Lagervolumens neue Brennelement-La­ gergestelle eingesetzt werden, deren Fächer dem Brennelement- Typ des Kraftwerks derart angepaßt ist, daß ein Fach mehrere dicht nebeneinander eingesetzte Brennelemente aufnimmt. Für den Querschnitt durch ein solches Fach ergibt sich dann eben­ falls die Konfiguration nach Fig. 10, wobei dann aber jedes der Bezugszeichen 72a, 72b, 72c und 72d nicht zu einem Einsatz, sondern zu einem Brennelement führen und die Fachbreite die doppelte Brennele­ ment-Breite betragen müßte. Auch in diesem Fall können an­ statt dieser Brennelemente dann Einsätze mit dichtgepackten Brennstab-Bündeln verwendet werden, die auf die gleiche Weise dem Querschnitt der Fächer angepaßt sind. Soweit im Zusammen­ hang mit den Figuren und der Erfindung also angegeben ist, daß der Querschnitt der Fächer im Brennelement-Lagergestell an den Querschnitt eines Brennelements des Kernkraftwerks an­ gepaßt ist, ist darunter zu verstehen, daß die für das Ein­ setzen von Brennelementen in das Fach nutzbare innere Breite des Faches praktisch gleich der einfachen, doppelten oder dreifachen Breite des Brennelements ist, wobei sich Abwei­ chungen von dieser Gleichheit nur dadurch ergeben, daß es noch möglich sein muß, die entsprechende Anzahl von Brennele­ menten nebeneinander in das Fach einzusetzen. Das gleiche gilt bei der Formulierung, daß der Außenquer­ schnitt der genannten Einsätze dem Querschnitt des Faches an­ gepaßt ist: Der Einsatz für ein Fach kann aus Teileinsätzen bestehen, deren Breite praktisch gleich der ganzen, halben oder gedrittelten Breite des Faches ist, wobei aber die ent­ sprechende Anzahl der Teileinsätze dicht nebeneinander in dem Fach einsetzbar sein müssen.

In Fig. 11 ist eine vorteilhafte Verwendung der bereits er­ wähnten Füllkörper dargestellt: Nach einem ersten Betriebszy­ klus werden Brennelemente entnommen und zerlegt, wobei deren Brennstäbe 80 jeweils zusammen mit Brennstab-Attrappen 81 (die hier einen hexagonalen Querschnitt haben) zu dichtge­ packten Bündeln zusammengestellt, in Einsätze 82 eingesetzt und im Lagergestell gelagert werden. In dieser Packung sind die einzelnen Brennstäbe fest in ihren Einsätzen gehalten. Nach einem zweiten, späteren Betriebszyklus können daher die Attrappen (z. B. einzeln mittels einer Brennstab-Wechselma­ schine) gezogen und durch Brennstäbe ersetzt werden, die aus erst nach einem zweiten Betriebszyklus dem Kern entnommenen und zerlegten Brennelementen stammen.

In Fig. 12 sind solche "jüngeren" Brennstäbe 90 besonders markiert und in ihren Einsätzen 91 mit bereits länger gela­ gerten Brennstäben 92 gemischt. Eine solche Mischung ist vorteilhaft, um Brennstoff aus unterschiedlich abgebrannten Brennelementen für die Entsorgung vorzubereiten.

Gegenwärtig sind einige der jeweils den Brennelementen ange­ paßten Fächer der Lagergestelle in der Regel mit bereits be­ strahlten und gelagerten Brennelementen gefüllt und verbrau­ chen daher kostbaren Lagerplatz. Es ist in solchen Fällen möglich, mindestens einem dieser gelagerten Brennelemente Brennstäbe zu entnehmen und ebenso auch wenigstens einem dem Reaktorkern zusätzlich entnommenen, aber noch ungelagerten Brennelement Brennstäbe zu entnehmen und dann aus den beiden Gruppen von Brennstäben dichtgepackte Bündel zusammenzustel­ len und in Einsätze einzusetzen, die dann entweder im Lager­ gestell gelagert oder gleich in Strahlenschutzbehälter einge­ setzt werden.

Im ersten Fall haben die Einsätze Außenabmessungen, die den Fächern des Lagergestells angepaßt sind, im zweiten Fall kön­ nen die Abmessungen frei gewählt bzw. den Gegebenheiten von gerade verfügbaren Strahlenschutzbehältern angepaßt werden.

Auf ähnliche Weise können auch andere Brennstäbe mit unter­ schiedlichem Abbrand gemischt werden, z. B. Brennstäbe, die nach unterschiedlichen Betriebsdauern im Reaktorkern einge­ setzt Waren. Durch eine Mischung von Brennstäben unterschied­ licher Restaktivität erhält man eine erhöhte Flexibilität beim Abtransport der Brennstäbe.

Bei dem in Fig. 13 dargestellten Strahlen­ schutzbehälter 98 sind zwar in jedem einzelnen Einsatz 95, 96 je­ weils nur Brennstäbe 97, 97a ungefähr gleichen Abbrandes und gleicher Betriebsdauer zusammengefaßt, jedoch sind die Ein­ sätze 95 mit Brennstäben 97, die eine höhere Restaktivität besitzen, im zentralen Bereich des Strahlenschutzbehälters 98 angeordnet, Einsätze 96 mit den Brennstäben niedrigerer Rest­ aktivität in peripheren Bereichen. Die Einbauten 99 und die dichtgepackten gut wärmeleitenden Einsätze führen auch zu ei­ ner ausreichenden Abfuhr der Nachzerfallswärme.

Claims (19)

1. Verfahren zum Vorbereiten einer Endlagerung von bestrahl­ ten Brennstäben aus einem Kernkraftwerk, in dem Brennelemente (3) aus Kernbrennstoff und/oder Absorbermaterial enthaltenden Brennstäben (4) und die Brennstäbe im Abstand voneinander haltenden Strukturteilen (5) einer radioaktiven Strahlung im Inneren eines Reaktordruckbehälters (12) ausgesetzt werden, wobei die Brennstäbe (4)

• 1. aus dem Reaktordruckbehälter (12) unter Wasser in Fächern, deren Querschnitt der Brennelemente (3) angepaßt ist, ei­ nes in einem Abklingbecken (10) des Kernkraftwerks ange­ ordneten Brennelement-Lagergestells (2) bis zum Abtrans­ port in ein Zwischenlager gelagert werden, und
• 2. die Brennstäbe (4) vor dem abschließenden Abtransport ins Endlager von den Strukturteilen (5) des Brennelements ab­ gesondert und in dichtgepackten Bündeln in wenigstens ei­ nen Strahlenschutzbehälter (32) eingesetzt werden, in dem sie im trockenen Zustand unter einem gasdicht abgeschlos­ senen Schutzgas gehalten werden,

dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Reaktordruckbehälter (12) entnommenen Brennstäbe bereits vor der Lagerung im Abklingbecken (10) zu den dichtgepackten Bündeln zusammengefaßt werden und jedes Bündel in jeweils ei­ nen eigenen, dem Querschnitt eines Fachs des Brennelement-La­ gergestells (2) angepaßten Einsatz (22) eingesetzt wird, und die mit Brennstäben gefüllten Einsätze (22, 24) in den wenig­ stens einen Strahlenschutzbehälter (32) eingesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abge­ sonderten Brennstäbe in den Bündeln mit zueinander parallelen Längsachsen angeordnet und in einem triangulären Muster über den Bündelquerschnitt verteilt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenn­ stäbe derart zu den Bündeln zusammengefaßt werden, daß sich die Brennstäbe eines Bündels gegenseitig berühren.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ein­ satz (22) nach der Lagerung im Abklingbecken in eine eigene Kapsel eingesetzt wird, das Innere der Kapsel getrocknet und mit dem Schutzgas gefüllt wird, die Kapseln gasdicht ver­ schlossen und anschließend in wenigstens einen Strahlen­ schutzbehälter eingesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kap­ sel in einen eigenen Strahlenschutzbehälter eingesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strah­ lenschutzbehälter einen Strahlenschutzmantel enthält, der die Kapsel eng umgibt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kap­ sel als Druckbehälter ausgebildet ist und die Kapseln in ei­ nen gemeinsamen Strahlenschutzbehälter eingesetzt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strah­ lenschutzbehälter einen Strahlenschutzmantel enthält, der die eingesetzten Kapseln eng umgibt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einsätze in einen gemeinsamen Strahlenschutzbehälter einge­ setzt werden, der die eingesetzten Einsätze eng umgibt, und daß der Strahlenschutzbehälter getrocknet, mit dem Schutzgas gefüllt, und gasdicht verschlossen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ sätze als Kapseln mit Öffnungen ausgebildet sind, daß mehrere Kapseln einzeln getrocknet und mit Schutzgas gefüllt werden, daß die Öffnungen der gefüllten Kapseln gasdicht verschlossen werden und daß die geschlossenen Kapseln dann in einen ge­ meinsamen Strahlenschutzbehälter eingesetzt werden, der die eingesetzten Einsätze eng umgibt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Einsätze des Strahlenschutzbehälters eingesetzten Brennstäbe Brennelementen mit unterschiedlichen Standzeiten entnommen sind.

12. Verfahren zum Vorbereiten von bestrahlten Brennstäben für eine Endlagerung, wobei aus einer ersten Gruppe von Brennele­ menten, die dem Kern eines Reaktors nach einem ersten Be­ triebszyklus entnommen sind, und aus einer zweiten Gruppe von Brennelementen, die dem Kern des Reaktors nach einem zweiten, späteren Betriebszyklus entnommen sind, Brennstäbe entnommen und zu dichtgepackten Bündeln zusammengefaßt werden, die Bün­ del in einem Abklingbecken des Reaktors in Einsätze einge­ setzt und die Einsätze in wenigstens einen Strahlenschutzbe­ hälter eingesetzt und aus dem Abklingbecken abtransportiert werden, wobei die Brennstäbe vor ihrem Abtransport getrocknet und unter ein inertes, gasdicht im Strahlenschutzbehälter eingeschlossenes Schutzgas gesetzt werden.

13. Bestrahlte Brennstäbe enthaltender Strahlenschutzbehälter zum Abtransport von Brennstäben aus einem Kernkraftwerk, das Brennelemente mit im Abstand voneinander gehaltenen Brennstä­ ben und ein Abklingbecken mit einem Brennelement-Lagergestell enthält, das Fächer mit einem Querschnitt aufweist, der dem Querschnitt der Brennelemente dieses Kernkraftwerks angepaßt ist, mit folgenden Merkmalen:

• a) die bestrahlten Brennstäbe sind in mehrere Einsätze ein­ gesetzt und darin so gehalten, daß sich die Brennstäbe eines Einsatzes gegenseitig berühren oder jedenfalls ei­ nen Abstand voneinander haben, der kleiner ist als der kleinste Abstand von Brennstäben in einem unzerlegten Brennelement,
• b) die Einsätze weisen einen Außenquerschnitt auf, der dem Innenquerschnitt der Fächer des Brennelement-Lagerge­ stells angepaßt ist;
• c) die Einsätze sind von einem gemeinsamen Strahlenschutz­ mantel eng umgeben und so dicht nebeneinander angeordnet, daß sich keine Zwischenräume ergeben, in denen ein weite­ rer Einsatz Platz hat;
• d) die Brennstäbe sind von einem wasserfreien Schutzgas um­ geben; und
• e) das Schutzgas ist gasdicht im Strahlenschutzbehälter ein­ geschlossen.

14. Behälter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Einsatz die Brennstäbe in einem triangulären Muster über den Querschnitt des Einsatzes verteilt sind.

15. Behälter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ sätze in Schächten eines von dem Strahlenschutzmantel umgebe­ nen Haltegerüsts eingesetzt sind.

16. Behälter nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ein­ satz als eine gasdicht verschweißte Kapsel ausgebildet ist.

17. Behälter nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ein­ satz von einer eigenen Kapsel umgeben ist, deren Innenabmes­ sungen dem auf die Abmessungen eines Fachs des Brennelement- Lagergestells angepaßten Außenquerschnitt des Einsatzes ent­ spricht.

18. Behälter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kap­ sel gasdicht verschlossen ist.

19. Behälter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kap­ seln in Schächten eines vom Strahlenschutzmantel umgebenen Haltegerüsts eingesetzt sind.