DE19814791C1 - Verfahren zur Trocknung von Transport- und/oder Lagerbehältern mit radioaktiven Abfallstoffen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Trocknung von Transport- und/oder Lagerbehältern mit radioaktiven Abfallstoffen. Der Behälterinnenraum wird durch Erzeugung eines Unterdruckes im Behälterinnenraum getrocknet. Die Verdampfungsrate während der Trocknung wird ermittelt. Die nach einer Trocknungszeitspanne im Behälterinnenraum verbleibende Restfeuchte wird bestimmt. Die Unterdrucktrocknung wird bis zum Gefrieren von Restfeuchtigkeit im Behälterinnenraum durchgeführt. Aus der Abweichung der Verdampfungsrate während des Gefriervorgangs wird die im Behälterinnenraum noch verbliebene Restfeuchtigkeit bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trocknung von Transport- und/oder Lagerbehältern mit radioaktiven Ab­ fallstoffen, wobei der Behälterinnenraum durch Erzeugung eines Unterdruckes im Behälterinnenraum getrocknet wird, wobei die Verdampfungsrate während der Trocknung ermittelt wird und wobei nach einer Trocknungszeitspanne die im Be­ hälterinnenraum verbliebene Restfeuchte bestimmt wird. Die Erfindung betrifft fernerhin eine Vorrichtung zur Durchfüh­ rung dieses Verfahrens. - Die eingangs genannten Transport- und/oder Lagerbehälter werden in der Regel in Kernkraftwer­ ken naß mit bestrahlten Brennelementen beladen und an­ schließend entwässert. Die Behälter müssen einer gründ­ lichen Trocknung unterzogen werden, da im Behälter und ins­ besondere an den Brennelementen regelmäßig eine nicht hin­ nehmbare Restfeuchte verbleibt. Für die zulässige Rest­ feuchte gibt es vorgeschriebene einzuhaltende Grenzwerte. Die Unterschreitung dieser Grenzwerte muß in der Regel be­ reits bei der Behälterabfertigung im Kernkraftwerk nachge­ wiesen werden. Die durchzuführende Trocknung soll vor allem verhindern, daß in den Transport- und/oder Lagerbehältern feuchtigkeitsbedingte Korrosionen eintreten.

Bei einem aus der Praxis bekannten druckschriftlich nicht näher belegten Verfahren der eingangs genannten Art, von dem die Erfindung ausgeht, wird eine Unterdrucktrocknung durchgeführt, um die Restfeuchte aus den Behältern zu entfernen. Die Verdampfungsrate wird aus dem Druckanstieg in der Zeiteinheit bestimmt und daraus wird der Trock­ nungsabschluß, gestützt auf empirische Daten, abgeschätzt.

Hierzu ist die Kenntnis des für Gas/Dampf zur Verfügung stehenden Behältervolumens erforderlich. Im Anschluß an die Unterdrucktrocknung wird in der Regel in aufwendiger Weise die Restfeuchte mit Hilfe einer mindestens sechs Stunden andauernden zusätzlichen Messung mittels eines Feuchte­ meßgerätes (z. B. Taupunktspiegel) gemessen. Diese Maß­ nahmen haben sich grundsätzlich bewährt, jedoch sind der Unterdrucktrocknung nach diesem bekannten Verfahren Grenzen gesetzt. Bei zu intensiver Unterdrucktrocknung könnte es zum Gefrieren der im Behälter noch vorhandenen Feuchtigkeit bzw. zur Eisbildung kommen. Bei dem bekannten Verfahren wird, das Gefrieren der Feuchtigkeit aber gezielt vermie­ den, da ansonsten aufgrund der Dampfdruckbeeinflussung durch den Gefriervorgang der Trocknungsabschluß mit den bekannten Auswertungsmaßnahmen nicht mehr abgeschätzt wer­ den könnte. Der Unterdrucktrocknung sind aber auch insoweit Grenzen gesetzt, als es bei hoher Beladung des Behälters und zu langer Trocknungsdauer zu einer unzulässigen Dehnung der Brennstabhüllrohre kommen könnte und somit die Hüll­ rohrdichtigkeit gefährdet wäre. Die zulässige Dauer einer solchen Unterdrucktrocknung ist also begrenzt. Für die be­ kannte Unterdrucktrocknung wird in der Praxis eine große, einstufige Drehschieberpumpe mit auslaßseitigem Kondensator oder aber eine Kombination aus kleinen, zweistufigen Dreh­ schieberpumpen mit einem saugseitigen Kondensator einge­ setzt. Diese vorrichtungstechnischen Maßnahmen haben sich grundsätzlich bewährt, sind aber nichtsdestoweniger noch weiter optimierbar.

Bei einem anderen aus der Praxis bekannten druckschriftlich nicht näher belegten Verfahren wird mit einer Unterdruck­ trocknung der Behälter gearbeitet und ein Behälter wird dabei kontinuierlich mit einem Spülgas unter Unterdruck gespült. Bei dem Spülgas handelt es sich vorzugsweise um ein Intertgas, bevorzugt Helium. Als Spülgas können auch Luft oder Stickstoff eingesetzt werden. Im Vergleich zu der oben beschriebenen Unterdrucktrocknung wird mit diesem Verfahren eine verbesserte Wärmeabfuhr aus dem Behälterin­ nenraum erzielt. Die Verfahrensweise ist allerdings auf­ wendig. Im übrigen beeinträchtigen die kontinuierlich zugeführten Inertgase den Wirkungsgrad von Kondensatoren in der eingesetzten Vorrichtung. Auch dieses Verfahren hat sich grundsätzlich bewährt, ist aber nichtsdestoweniger optimierbar.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem eine effektive Trocknung in relativ kurzer Zeit erzielt werden kann und mit dem ein funktionssicherer Nachweis der im Behälter verbliebenen Restfeuchtigkeit bzw. Restwas­ sermenge und eine zuverlässige Aussage über den erreichten Trocknungsgrad ohne zusätzliche aufwendige Messung möglich ist.

Zur Lösung dieses technischen Problems lehrt die Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die Unterdrucktrocknung bis zum Ge­ frieren von Restfeuchtigkeit im Behälterinnenraum durchge­ führt wird und daß aus der Abweichung der Verdampfungsrate während des Gefriervorgangs die im Behälterinnenraum noch verbliebene Restfeuchtigkeit bestimmt wird. - Bei dem er­ findungsgemäßen Verfahren wird also ein Gefrieren der Rest­ feuchtigkeit im Behälterinnenraum gezielt in Kauf genommen bzw. herbeigeführt. Im Vergleich zu den eingangs beschrie­ benen Maßnahmen findet beim erfindungsgemäßen Verfahren keine kontinuierliche Spülung des Behälterinnenraum mit Inertgas statt.

Nach bevorzugter Ausführungsform, der im Rahmen der Erfin­ dung besondere Bedeutung zukommt, wird der Behälterinnen­ raum nach einer vorgegebenen Trocknungszeitspanne mit Heli­ umgas befüllt und anschließend wieder ein Unterdruck zur Trocknung erzeugt. Zweckmäßigerweise findet die Befüllung mit Heliumgas nach dem Gefrieren der Restfeuchtigkeit statt. Insoweit liegt es im Rahmen der Erfindung, daß alternierend eine Unterdrucktrocknung bis zum Gefrieren der Restfeuchtigkeit, anschließend eine Heliumbefüllung und daraufhin gegebenenfalls wieder eine Unterdrucktrocknung bis zum Gefrieren, usw. fort, durchgeführt wird. Nach der Heliumgasbefüllung verbleibt das Heliumgas zweckmäßiger­ weise für eine vorgegebene Zeitspanne, vorzugsweise etwa eine Stunde, in dem Behälter, bevor wieder mit der Unter­ drucktrocknung begonnen wird. Die Befüllung mit Heliumgas dient zur Wärmezufuhr und somit zur Steigerung der Trocknungsgeschwindigkeit. Nach der Befüllung mit Helium kann das im Behälterinnenraum verbliebene Wasser Wärme auf­ nehmen (sogenanntes Akkumulieren), welche Wärme bei der nachfolgenden Unterdrucktrocknung in Verdampfungswärme um­ gesetzt wird, wodurch der Trocknungsvorgang beschleunigt wird. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird der Behälter mit Helium bis zu einem Druck von etwa 100 hPa befüllt. Zweckmäßigerweise weist das zur Befüllung des Behälters eingesetzte Helium eine Reinheit von mindestens 99,996% auf. Im Gegensatz zu den eingangs erläuterten be­ kannten Maßnahmen wird nicht kontinuierlich sondern lediglich in bestimmten Zeitabständen mit Inertgas bzw. Helium geflutet bzw. gespült. - Die Verfahrensweise mit Heliumgasbefüllung zeichnet sich durch den Vorteil aus, daß Einschränkungen der Unterdrucktrocknungszeit auch für hochbeladene Behälter nicht bestehen. Mit anderen Worten kann das erfindungsgemäße Verfahren ohne zusätzliche Maßnahmen auch bei solchen Behältern angewendet werden, die aufgrund ihrer Beladung nur eine begrenzte Zeit unter Vakuum bzw. Unterdruck gehalten werden dürfen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine zu­ verlässige Aussage über den erreichten Trocknungsgrad bzw. eine funktionssichere Bestimmung der im Behälter verblie­ benen Restfeuchtigkeit bzw. Restwassermenge möglich ist, wenn erfindungsgemäß ein Gefrieren von Restfeuchtigkeit im Behälterinnenraum gezielt herbeigeführt wird. Mit anderen Worten kann genau festgestellt werden, zu welchem Zeitpunkt die Trocknung tatsächlich abgeschlossen ist. Erfindungs­ gemäß wird die Verdampfungsrate während der Unterdruck­ trocknung bestimmt. Die Verdampfungsrate kann dabei zweck­ mäßigerweise entweder durch Druckmessung oder durch Messung der Pumpenförderleistung ermittelt werden. - Während der Unterdrucktrocknung nimmt die Verdampfungsrate zunächst annähernd linear ab. Im Verlaufe der Unterdrucktrocknung findet aufgrund des Entzugs von Verdampfungswärme ein Gefrieren der Restfeuchtigkeit bzw. des Restwassers im Behälterinneren statt. Während des Gefriervorgangs bleibt der Dampfdruck des Wassers konstant. Dadurch entsteht in dem vorher im wesentlichen linearen Verlauf der Verdamp­ fungsrate gleichsam eine Stufe. Aus diesem Verlauf der Ver­ dampfungsrate kann die eingefrorene Wassermenge ermittelt werden und somit die im Behälterinneren noch verbliebene Restfeuchtigkeit bestimmt werden. Im einzelnen kann die eingefrorene Wassermenge bestimmt werden, indem man die während des Einfrierens abgeführte Dampfmenge mit dem Ver­ hältnis der Verdampfungswärme zur Schmelzwärme multipli­ ziert. Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß zur Messung der Verdampfungsrate mit Hilfe eines Testgasstromes eine Kalibrierung durchgeführt wird. - Von besonderem Vorteil ist, daß zur Ermittlung des Restfeuchtegehaltes im Behälterinnenraum die Kenntnis des "freien" Behälter­ volumens nicht erforderlich ist.

Im Ergebnis ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine einfache, wenig aufwendige und zugleich sehr effektive Trocknung des Behälterinnenraums möglich. Die vorgeschrie­ benen Grenzen der Restfeuchte für Transport- und/oder La­ gerbehälter können ohne weiteres eingehalten werden.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche da­ durch gekennzeichnet ist, daß der Behälterinnenraum über eine Saugleitung an eine Wälzkolbenpumpe angeschlossen ist, daß der Wälzkolbenpumpe für eine erste Stufe der Unter­ drucktrocknung ein Kondensator nachschaltbar ist und daß der Wälzkolbenpumpe bei Unterschreitung eines vorgegeben Druckes für eine zweite Stufe der Unterdrucktrocknung eine Drehschieberpumpe nachschaltbar ist. - Vorzugsweise ist der Drehschieberpumpe ein Kondensator nachgeschaltet.

Von besonderer Bedeutung ist im Rahmen der Erfindung der Einsatz der genannten Wälzkolbenpumpe. Da die Wälzkolben­ pumpe ohne innere Verdichtung arbeitet, ist sie insbeson­ dere für die Förderung und Verdichtung von Dämpfen geeig­ net. Insoweit liegt es im Rahmen der Erfindung, daß der zu Beginn der Unterdrucktrocknung der Wälzkolbenpumpe nachge­ schaltete Kondensator lediglich mit Hilfe von Kühlwasser bei Umgebungstemperatur betrieben werden kann. Auf ein spezielles Kühlaggregat kann also verzichtet werden. Insoweit zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung durch geringen Aufwand bei nichtsdestoweniger ver­ hältnismäßig hoher Saugleistung aus. Aufgrund der Zwischen­ schaltung der Wälzkolbenpumpe kann die Vorrichtung bis zu den niedrigsten Drücken, beispielsweise Drücke, die deut­ lich unter 1 hPa liegen, arbeiten. Dies trägt in vorteil­ hafter Weise dazu bei, daß der Trocknungsgrad funktions­ sicher und quantitativ erfaßt werden kann. - Der End­ totaldruck der eingesetzten Drehschieberpumpe beträgt zweckmäßigerweise < 10^-2 hPa. Die Wasserdampfverträglich­ keit der Drehschieberpumpe beträgt vorzugsweise mindestens 40 hPa.

Die obigen Ausführungen beziehen sich auf die Trocknung des Behälterinnenraumes von Transport- und/oder Lagerbehältern. Es versteht sich, daß zweckmäßigerweise auch eine Trocknung des Sperraumes zwischen Primärdeckel und Sekundärdeckel des Behälters mit geeigneten Trocknungsmaßnahmen durchgeführt werden kann. Gleiches gilt für eine Trocknung des Dich­ tungszwischenraumes des Primärdeckels.

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

Fig. 1 einen Transport- und/oder Lagerbehälter mit ange­ schlossener Vorrichtung zur Trocknung des Behälter­ innenraumes,

Fig. 2 eine Vorrichtung zur Trocknung des Behälterinnen­ raumes.

In den Figuren ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Trocknung von Transport- und/oder Lagerbe­ hältern 1 mit radioaktiven Abfallstoffen, insbesondere Brennelementen, dargestellt. Der Behälterinnenraum 2 wird durch Erzeugung eines Unterdruckes im Behälterinnenraum getrocknet. An den Behälterinnenraum 2 ist über eine Saug­ leitung 3 eine Wälzkolbenpumpe 4 angeschlossen. Für eine erste Stufe der Unterdrucktrocknung ist der Wälzkolbenpumpe 4 ein Kondensator 5 nachschaltbar. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist an die Wälzkolbenpumpe 4 ein Durchfluß­ meßgerät 6 angeschlossen. Hierbei handelt es sich zweck­ mäßigerweise um ein handelsübliches Durchflußmeßgerät für einen Meßbereich von 0 bis 5 Ncm³/s.

Für eine zweite Stufe der Unterdrucktrocknung ist der Wälz­ kolbenpumpe 4 bei Unterschreitung eines vorgegebenen Druckes eine Drehschieberpumpe 7 nachschaltbar, diese kann als zweistufige Drehschieberpumpe 7 ausgebildet sein. Die Drehschieberpumpe 7 wird bei geringen Dampfdrucken statt des Kondensators 5 der Wälzkolbenpumpe 4 nachgeschaltet. Vorzugsweise ist der Drehschieberpumpe 7 ein Kondensator 8, bevorzugt ein Emissionskondensator, nachgeschaltet. Die nachgeschaltete Drehschieberpumpe 7 arbeitet im linearen Bereich der Verdampfungsrate in vorteilhafter Weise mit einer konstanten Saugleistung, die unabhängig vom Behälter­ volumen ist. - Im Ergebnis ist das Pumpsystem so ausgelegt, daß eine Förderleistung bis zu niedrigsten Drücken bzw. Dampfdrücken erfolgt.

In Fig. 1 ist erkennbar, daß der Behälterinnenraum 2 nach bevorzugter Ausführungsform über eine verschließbare Zufüh­ rungsleitung 9 mit Ventil 11 an eine Heliumgasquelle 10 an­ geschlossen ist. In vorgegebenen Zeitabständen wird der Be­ hälterinnenraum 2 vorzugsweise mit Hilfe dieser Heliumgas­ quelle 10 mit Heliumgas befüllt und anschließend wird wieder ein Unterdruck zur Trocknung erzeugt.

In Fig. 1 ist der Transport- und/oder Lagerbehälter 1 mit Behälterinnenraum 2 und Primärdeckel 13 dargestellt. Fer­ nerhin ist eine Druckmeßeinrichtung 12 erkennbar, mit der der Totaldruck p₀ im Behälterinnenraum 2 bei Drücken von < 100 hPa meßbar ist. Zweckmäßigerweise handelt es sich bei der Druckmeßeinrichtung 12 um ein handelsübliches Membran­ vakuummeter mit einem Meßbereich von 0 bis 2000 hPa und einer Auflösung von 1 hPa. Weiterhin ist in Fig. 1 eine Druckmeßeinrichtung 14 für die Messung des Totaldruckes p_I im Bereich unterhalb 100 hPa abgebildet. Bei dieser Druck­ meßeinrichtung 14 handelt es sich zweckmäßigerweise um ein handelsübliches Kapazitätsvakuummeter mit einem Meßbereich von 0,01-100 hPa. - In der Fig. 2 ist außerdem eine Druckmeßeinrichtung 15 zur Messung des Totaldruckes p_II dargestellt. Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dieser Druckmeßeinrichtung 15 um handelsübliches Wärmeleitungs­ vakuummeter. In Fig. 2 ist erkennbar, daß die gemessenen Drücke p₀, p_I und p_II vorzugsweise zur Auswertung einem Schreiber 16 zur Aufnahme von Druckkurven bzw. Abpumpkurven zuführbar sind.

Nachfolgend wird die Verfahrensweise anhand eines Ausfüh­ rungsbeispiels erläutert. Der Behälterinnenraum 2 eines Transport- und/oder Lagerbehälters 1 ist mit Brennelementen beladen und entwässert worden. Nunmehr wird die Trocknung des Behälterinnenraumes 2 zur Entfernung der Restfeuch­ tigkeit durchgeführt. Das Saugleitungsventil 17 sowie das Ventil 11 ist zunächst geschlossen (siehe vergleichende Betrachtung der Fig. 1 und 2). Zur Bestimmung eines Re­ ferenzdruckwertes wird die Schreiberaufzeichnung der Drücke p_I und p_II gestartet. Die Ventile 18 und 19 werden geschlossen und die Ventile 20 und 21 werden geöffnet. Mit Hilfe des Dosierventils 22 wird ein Durchfluß auf 1 Ncm³/s eingestellt. Dann wird der Druck p_II abgelesen und als Referenzdruckwert protokolliert. Anschließend wird das Ventil 21 geschlossen und die Ventile 18 und 19 werden ge­ öffnet.

Zur Durchführung der Unterdrucktrocknung wird das Sauglei­ tungsventil 17 geöffnet. Bei einem Druck von p_I = 100 hPa wird das Ventil 20 geschlossen. Der der Wälzkolbenpumpe 4 nachgeschaltete Kondensator 5 wird in vorgegebenen Zeitab­ ständen, beispielsweise in Abständen von einer Stunde, ent­ leert. - Bei einem Druck von p_II = 10 hPa werden die Ven­ tile 18 und 19 geschlossen sowie das Ventil 20 geöffnet.

Wenn ein Druck von p_I ≦ 3 hPa erreicht wird oder ein für die Unterdrucktrocknung gegebenes Zeitlimit überschritten wird der Behälterinnenraum 2 mit Heliumgas befüllt. Dazu wird, wird das Saugleitungsventil 17 geschlossen sowie das Ventil 11 in der Zuführungsleitung 9 der Heliumgasquelle 10 geöffnet. Das Ventil 11 bleibt geöffnet, bis der Behälter mit 100 hPa Helium befüllt ist. Nach etwa einer Stunde Standzeit wird das Saugleitungsventil 17 wieder geöffnet und die Unterdrucktrocknung des Behälterinnenraumes 2 er­ neut begonnen. Nach etwa einer Stunde Unterdrucktrocknung wird u. a. der Druck p_II bestimmt. Wenn dieser Druck p_II größer ist als der eingangs ermittelte Referenzdruckwert wird der Behälterinnenraum 2, wie beschrieben, erneut mit Helium befüllt und im Anschluß daran wieder die Unter­ drucktrocknung durchgeführt. Wenn aber der Druck p_II kleiner ist als der zuvor bestimmte Referenzdruckwert, ist der Trocknungsabschluß erreicht. Das Saugleitungsventil 17 kann geschlossen werden. Zweckmäßigerweise kann das Ventil 11 der Zuführungsleitung 9 der Heliumgasquelle 10 geöffnet werden, bis der Behälterinnenraum 2 mit 100 hPa Helium gefüllt ist.

Claims (5)

1. Verfahren zur Trocknung von Transport- und/oder Lagerbe­ hältern mit radioaktiven Abfallstoffen, wobei der Behäl­ terinnenraum durch Erzeugung eines Unterdruckes im Behäl­ terinnenraum getrocknet wird,
wobei die Verdampfungsrate während der Trocknung ermittelt wird,
wobei nach einer Trocknungszeitspanne die im Behälterinnen­ raum verbliebene Restfeuchte bestimmt wird, da­ durch gekennzeichnet,
daß die Unterdrucktrocknung bis zum Gefrieren von Rest­ feuchtigkeit im Behälterinnenraum durchgeführt wird
und daß aus der Abweichung der Verdampfungsrate während des Gefriervorgangs die im Behälterinnenraum noch verbliebene Restfeuchtigkeit bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälterinnenraum nach einer vorgegebenen Trocknungs­ zeitspanne mit Heliumgas befüllt und anschließend wieder ein Unterdruck zur Trocknung erzeugt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Behälterinnenraum (2) über eine Saugleitung (3) an eine Wälzkolbenpumpe (4) angeschlossen ist,
daß der Wälzkolbenpumpe (4) für eine erste Stufe der Unter­ drucktrocknung ein Kondensator (5) nachschaltbar ist
und daß der Wälzkolbenpumpe (4) bei Unterschreitung eines vorgegebenen Druckes für eine zweite Stufe der Unterdruck­ trocknung eine Drehschieberpumpe (7) nachschaltbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieberpumpe (7) ein Kondensator (8) nachgeschal­ tet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälterinnenraum (2) über eine verschließbare Zuführungsleitung (9) an eine Heliumgas­ quelle (10) angeschlossen ist.