DE19757843C1 - Lagerbehälter für die Zwischen- und/oder Endlagerung abgebrannter Brennelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Lagerbehälter für die Zwischen- und/oder Endlagerung abgebrannter Brennelemente, insbesondere unverdichteter abgebrannter Brennelemente, wo­ bei zumindest ein Brennelement in dem Lagerbehälter ange­ ordnet ist, wobei die die Brennelemente umgebenden Hohl­ räume mit einem Verfüllmaterial ausgefüllt sind.

Grundsätzlich ist es bekannt, in einem Lagerbehälter für die Zwischen- und/oder Endlagerung angeordnete unverdich­ tete abgebrannte Brennelemente sowie die die Brennelemente umgebenden Hohlräume mit gut rieselfähigen Stoffen, wie beispielsweise Quarzsand oder anderen Neutronen- und Gamma­ strahlung absorbierenden Materialien, wie z. B. Borcarbid, zu verfüllen (DE 31 07 505 A1, GB 1 105 957). Es ist auch bekannt, diese Verfüllung mit flüssigen Metallen, bei­ spielsweise Blei, durchzuführen. Diese bekannten Verfüllun­ gen dienen in erster Linie dazu, um von außen auf den La­ gerbehälter bzw. die Brennelemente einwirkenden Kräfte ab­ zufangen und somit die Brennelemente vor der Zerstörung zu schützen. Andererseits ist es erforderlich, eine wirksame Neutronenabschirmung an dem Lagerbehälter sicherzustellen sowie aus den Brennelementen austretende Zerfallsprodukte bzw. Radionuklide abzufangen. Insbesondere bei Brennele­ menten mit hohen Neutronen-Quellstärken ist eine effektive Neutronenabschirmung erforderlich.

Bekannt ist es auch (EP 224 743 B1), in radioaktiven Abwäs­ sern vorhandene Kationen an Mineralen der Crandallit-Gruppe in sehr schwer löslicher Form zu binden und einer Endlage­ rung zuzuführen. Die geschilderten Abschirmungsprobleme sind hierdurch bisher aber nicht beeinflußt worden.

Bei dem bekannten Lagerbehälter der eingangs genannten Art (DE 195 45 761 A1), von dem die Erfindung ausgeht, sind die Brennelemente in einer Schüttung eines Verfüllmaterials an­ geordnet, das im wesentlichen aus Zeolith und/oder Aktiv­ kohle besteht. Zeolith und Aktivkohle sollen dabei nicht- oder leichtflüchtige Radionuklide, insbesondere radioakti­ ves Jod, Cäsium und Strontium, absorbieren. Die Aktivkohle soll fernerhin als Neutronenmoderator fungieren. Die Schüt­ tung soll außerdem als mechanischer Puffer gegen von außen einwirkenden Kräfte dienen. Vorzugsweise wird der Schüttung außerdem beispielsweise Metallgrieß beigemischt, um die Wärmeleitfähigkeit der Schüttung zu erhöhen, damit ein effektives Abführen der Nachzerfallswärme der Brennelemente erreicht wird. Der bekannte Lagerbehälter zeichnet sich durch den Nachteil aus, daß sowohl die Neutronenabsorption als auch die Neutronenmoderation sowie die Aktini­ denabsorption der Schüttung zu wünschen übrig läßt. Dies führt dazu, daß bei dem bekannten Lagerbehälter weitere aufwendige Abschirmungsmaßnahmen getroffen werden müssen und beispielsweise eine entsprechend dicke Behälterwandung verwirklicht werden muß, um eine ausreichende Abschirmungs­ wirkung zu erzielen. Die Fertigung dieser Lagerbehälter ist material- und kostenaufwendig. Im übrigen nehmen die bekannten Lagerbehälter aufgrund der relativ dicken Außen­ wandungen ein verhältnismäßig hohes und damit nachteil­ haftes Lagervolumen ein.

Demgegenüber liegt der Erfindung das technische Problem zu­ grunde, einen Lagerbehälter der eingangs genannten Art an­ zugeben, der im Hinblick auf die Neutronenabsorption, die Neutronenmoderation sowie die Aktinidenabsorption allen An­ forderungen genügt und nichtsdestoweniger wenig aufwendig ausgebildet werden kann.

Zur Lösung dieses technischen Problems lehrt die Erfindung einen Lagerbehälter der eingangs genannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, daß das Verfüllmaterial 2 bis 6 Ge­ wichtsanteile eines Neutronenabsorbers, 5 bis 10 Gewichts­ anteile eines Neutronenmoderators und 74 bis 88 Gewichtsan­ teile eines Aktinidenabsorbers aufweist.

Zweckmäßigerweise sind die einzelnen Bestandteile des Ver­ füllmaterials vollständig miteinander vermischt. Insoweit ist vorzugsweise das Verfüllmaterial als im wesentlichen homogene Mischung im Lagerbehälter enthalten. Das Ver­ füllmaterial wird zweckmäßigerweise als möglichst dichte Schüttung in den Lagerbehälter eingebracht. Dabei sind die Hohlräume, in die das Verfüllmaterial eingefüllt wird, im wesentlichen vollständig von dem Verfüllmaterial ausge­ füllt.

Eine bevorzugte Ausführungsform, der im Rahmen der Erfin­ dung besondere Bedeutung zukommt, ist dadurch gekennzeich­ net, daß die Hohlräume zwischen Brennelementen und Behäl­ terwandung sowie die Hohlräume zwischen den Brennelementen mit dem Verfüllmaterial ausgefüllt sind. Es werden also im wesentlichen alle Freiräume zwischen den Brennelementen und zwischen den Brennelementen und der Lagerbehälterwandung ausgefüllt. - Eine weitere Ausführungsform, der im Rahmen der Erfindung ebenfalls besondere Bedeutung zukommt, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelemente in zumindest einem Primärbehälter angeordnet sind, daß der Primärbehäl­ ter in einen Sekundärbehälter eingestellt ist und daß die Hohlräume zwischen Primärbehälteraußenwandung und Sekundär­ behälterinnenwandung mit dem Verfüllmaterial ausgefüllt sind. Zweckmäßigerweise sind dabei auch in dem zumindest einen Primärbehälter die Hohlräume zwischen den Brennele­ menten und der Primärbehälterwandung sowie die Hohlräume zwischen den Brennelementen mit dem Verfüllmaterial ausge­ füllt. Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß mehrere derar­ tiger verfüllter Primärbehälter in einen Sekundärbehälter eingestellt werden und alle Zwischenräume zwischen den Primärbehältern sowie zwischen den Primärbehältern und der Sekundärbehälterwandung mit dem Verfüllmaterial ausgefüllt sind.

Vorzugsweise weist das Verfüllmaterial zusätzlich ein Metallpulver und/oder Metallgranulat zur Wärmeableitung auf. Zweckmäßigerweise werden auch diese Metallbestandteile im wesentlichen vollständig mit den übrigen Bestandteilen des Verfüllmaterials vermischt. Es wird vorzugsweise ein Metall hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet. Es liegt im Rah­ men der Erfindung, daß das Metallpulver und/oder Metallgra­ nulat aus Kupfer besteht. Dadurch, daß vorzugsweise alle Freiräume zwischen den Brennelementen mit dem Verfüllma­ terial ausgefüllt werden, wird der Wärmeaustausch durch Strahlung innerhalb der Brennelemente und innerhalb des Lagerbehälters unterbunden. Das zugesetzte gut wärmelei­ tende Metallpulver und/oder Metallgranulat kann dies aus­ gleichen und die Wärme effektiv ableiten. Andererseits wird durch die relativ hohe Dichte des Metalls, vorzugsweise des Kupfers, eine gute Selbstabschirmung der Brennelemente erreicht, was dazu beiträgt, daß die Abschirmdicke der Lagerbehälterwandung reduziert werden kann. Vorzugsweise weist das Verfüllmaterial 5 bis 10 Gewichtsanteile des Metallpulvers und/oder Metallgranulates auf.

Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird Bor­ carbid als Neutronenabsorber eingesetzt. Vorzugsweise wird Titanhydrid als Neutronenmoderator eingesetzt. Nach bevor­ zugter Ausführungsform ist als Aktinidenabsorber ein Mine­ ral der Crandallit-Gruppe eingesetzt. Hierbei handelt es sich um Phosphat-Mineralien, die sich insbesondere für eine Aktinidenabsorption eignen. Zweckmäßigerweise ist als Akti­ nidenabsorber ein lateritisches Phosphat eingesetzt. - Zweckmäßigerweise weist das Verfüllmaterial die folgende Zusammensetzung auf:

Neutronenabsorber, vorzugsweise Borcarbid: 2 bis 6 Gew.-%, Neutronenmoderator, vorzugsweise Titanhydrid: 5 bis 10 Gew.-% und Aktinidenabsorber, vorzugsweise Mineral der Crandallitt-Gruppe: 74 bis 88 Gew.-%.

Zweckmäßigerweise weist das Verfüllmaterial außerdem 5 bis 10 Gew.-% des Metallpulvers und/oder Metallgranulates, vor­ zugsweise aus Kupfer, auf. - Es versteht sich, daß sich die Gewichtsprozent-Angaben in jeder ausgewählten Mischung zu 100 Gew.-% addieren.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein Ver­ füllmaterial dieser Zusammensetzung zum einen eine besonders effektive Neutronenabschirmung, das heißt Neutronenmoderation und Neutronenabsorption, bedingt. Zum anderen wird zugleich eine sehr effektive Aktinidenab­ sorption erreicht. Selbst wenn Beschädigungen des Lagerbe­ hälters beim Transport oder bei der Lagerung auftreten, werden die Aktiniden weitgehend vollständig festgehalten und imobilisiert. Überraschenderweise werden mit diesem Verfüllmaterial alle Arten von Zerfallpro­ dukten oder Radionukliden vollständig im Lagerbehälter zurückgehalten. Durch die sehr effektive Abschirmung wird der beachtliche Vorteil erreicht, daß zu­ sätzliche aufwendige Abschirmungen am Lagerbehälter nicht erforderlich sind und insbesondere die Abschirmdicke der Lagerbehälterwandung relativ gering ausgeführt werden kann. Im Ergebnis können somit die erfindungsgemäßen Lagerbehäl­ ter einfach und wenig aufwendig ausgebildet werden und das Volumen der Lagerbehälter kann in vorteilhafter Weise durch Einsatz des erfindungsgemäßen Verfüllmaterials reduziert werden. Zugleich wird mit dem Verfüllma­ terial erreicht, daß von außen auf den Lagerbehälter und die Brennelemente einwirkende Kräfte wirksam abgefangen werden und die Brennelemente somit vor Zerstörungen durch diese äußeren Kräfte geschützt werden. Überraschenderweise zeichnet sich die Zusammensetzung des Verfüllmaterials außerdem durch eine hervorragende che­ mische Verträglichkeit aus. Unerwünschte chemische Reaktio­ nen laufen nicht ab. Die erläuterten Vorteile werden ins­ besondere erzielt, wenn in dem Verfüllmaterial Substanzen eingesetzt werden, die in den Patentansprüchen 7 bis 10 be­ ansprucht sind. Als besonders vorteilhaft hat sich auch ein Zusatz von Kupferpulver und/oder Kupfergranulat bewährt. Durch die im wesentlichen dichte Verfüllung des Lagerbehäl­ ters mit dem Verfüllmaterial ist das für eindringendes Wasser zur Verfügung stehende Volumen nur sehr gering, so daß die Bildung thermischer Neutronen in vorteilhafter Weise weitgehend ausgeschlossen ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläu­ tert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Lagerbehälter in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 ein Querschnitt A-A durch den Gegenstand nach Fig. 1,

Fig. 3 den Gegenstand nach Fig. 1 in einer anderen Ausfüh­ rungsform,

Fig. 4 einen Querschnitt B-B durch den Gegenstand nach Fig. 3.

Die Figuren zeigen einen Lagerbehälter 1 für die Zwischen- und/oder Endlagerung abgebrannter unverdichteter Brennele­ mente 2. Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 sind die Brennelemente 2 in einem Korbgitter 3 angeordnet, das in den Lagerbehälter 1 eingestellt ist. Die die Brennele­ mente 2 umgebenden Hohlräume sind mit einem Verfüllmaterial 4 ausgefüllt. Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 sind die Hohlräume zwischen den Brennelementen 2 und der Behälterwandung 5 sowie die Hohlräume zwischen den Brennelementen 2 mit dem Verfüllmaterial 4 ausgefüllt.

Ein Lagerbehälter gemäß Fig. 1 und 2 wird vorzugsweise wie folgt mit dem Verfüllmaterial 4 befüllt:

Der Lagerbehälter 1 wird im Reaktor mit den Brennelementen 2 beladen, wonach ein Primärdeckel 6 auf den Lagerbehälter 1 aufgebracht wird. Durch eine Öffnung 7 in dem Primär­ deckel 6 wird der Innenraum des Lagerbehälters zunächst ge­ trocknet. Dann wird vorzugsweise über die gleiche Öffnung 7 das Verfüllmaterial 4 in den Innenraum des Lagerbehälters 1 eingebracht. Hierzu ist zweckmäßigerweise eine geeignete Befüllvorrichtung und eine Dosiereinrichtung vorgesehen. Um eine möglichst dichte Packung des Verfüllmaterials 4 zu er­ zielen, wird vorzugsweise der Lagerbehälter 1 bei der Be­ füllung auf eine vibrierende Unterlage gestellt. Mit der genannten und nicht dargestellten Dosiereinrichtung kann der Befüllungsgrad des Lagerbehältes 1 kontrolliert werden. Nach der Befüllung wird die Öffnung 7 zweckmäßigerweise verschlossen und daraufhin wird der Lagerbehälter 1 mit einem Sekundärdeckel 8 dicht und dauerhaft verschweißt. Ein auf diese Weise verfüllter Lagerbehälter 1 hält funktions­ sicher allen mechanischen Beanspruchungen stand, die beim Transport und/oder bei der Zwischenlagerung und/oder bei der Endlagerung auftreten. Im Ausführungsbeispiel nach den Figuren besteht das Verfüllmaterial aus Borcarbid, Titan­ hydrid, lateritischem Phosphat und Kupferpulver.

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lagerbehälters 1. Bei dieser Ausführungs­ form sind die Brennelemente 2 in einem Primärbehälter 9 an­ geordnet. Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und 4 ent­ spricht der Primärbehälter dem Lagerbehälter 1, der in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist und ist dieser Primärbehälter 9 auf die gleiche beschriebene Weise verfüllt worden. Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, daß bei dieser Ausführungsform der Primärbehälter 9 lediglich die Brennelemente 2 aufnimmt, ohne mit dem Verfüllmaterial 4 befüllt zu sein. Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und 4 ist der Primärbehälter 9 in einen Sekundärbehälter 10 eingestellt. Die Hohlräume zwischen Primärbehälteraußenwandung 11 und Sekundärbehälterinnenwan­ dung 12 sind mit dem Verfüllmaterial 4 ausgefüllt. Insbesondere in Fig. 4 ist erkennbar, daß der zylindrische Ringraum 13 zwischen Primärbehälteraußenwan­ dung 11 und Sekundärbehälterinnenwandung 12 vollständig mit dem Verfüllmaterial 4 ausgefüllt ist. Aufgrund der sehr effektiven Abschirmung bzw. Absorption durch das Verfüllmaterial 4 kann die Sekundärbehälterwan­ dung relativ dünn ausgeführt werden, wie es in Fig. 4 ange­ deutet wurde.

Claims (10)

1. Lagerbehälter (1) für die Zwischen- und/oder Endlagerung abgebrannter Brennelemente (2), insbesondere unverdichteter abgebrannter Brennelemente (2), wobei zumindest ein Brennelement (2) in dem Lagerbehälter (1) angeordnet ist, wobei die die Brennelemente (2) umgebenden Hohlräume mit einem Verfüllmaterial (4) ausgefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfüllmaterial (4) 2 bis 6 Gewichtsanteile eines Neutronenabsorbers, 5 bis 10 Gewichtsanteile eines Neutro­ nenmoderators und 74 bis 88 Gewichtsanteile eines Aktini­ denabsorbers aufweist.

2. Lagerbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume zwischen den Brennelementen (2) und der Behälterwandung (5) sowie die Hohlräume zwischen den Brennelementen (2) mit dem Verfüllmaterial (4) ausgefüllt sind.

3. Lagerbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelemente (2) in zumindest einem Primärbehälter (9) angeordnet sind, daß der Primärbehälter (9) in einen Sekundärbehälter (10) eingestellt ist und daß die Hohlräume zwischen Primärbehälteraußenwandung (11) und Sekundärbehäl­ terinnenwandung (12) mit dem Verfüllmaterial (4) ausgefüllt sind.

4. Lagerbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfüllmaterial (4) zusätzlich ein Metallpulver und/oder Metallgranulat zur Wärmeableitung aufweist.

5. Lagerbehälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallpulver und/oder Metallgranulat aus Kupfer be­ steht.

6. Lagerbehälter nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfüllmaterial (4) 5 bis 10 Ge­ wichtsanteile des Metallpulvers und/oder Metallgranulates aufweist.

7. Lagerbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Borcarbid als Neutronenabsorber einge­ setzt ist.

8. Lagerbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Titanhydrid als Neutronenmoderator ein­ gesetzt ist.

9. Lagerbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Aktinidenabsorber ein Mineral der Crandallit-Gruppe eingesetzt ist.

10. Lagerbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Aktinidenabsorber ein lateritisches Phosphat eingesetzt ist.