DE19823020A1 - Absorberbauteil, Verfahren zur Herstellung eines Absorberbauteils, Brennelement-Lagergestell sowie Neutronen absorbierender Werkstoff - Google Patents
Absorberbauteil, Verfahren zur Herstellung eines Absorberbauteils, Brennelement-Lagergestell sowie Neutronen absorbierender WerkstoffInfo
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Abstract
Um eine hohe und gleichmäßige Neutronenabsorptionsfähigkeit bei einem Absorberbauteil (3) zu erzielen, ist vorgesehen, daß das Absorberbauteil (3) einen Neutronen absorbierenden Werkstoff aufweist, bei dem zumindest ein Neutronen absorbierendes Element, insbesondere Bor, in einer amorphen glasartigen Struktur eingebunden ist. Bevorzugt ist die amorphe glasartige Struktur ein Silikatglas. Das Bor-Silikatglas eignet sich insbesondere als Neutronen absorbierender Werkstoff für ein Absorberbauteil (3) in einem Lagergestell (26) eines Brennelement-Kompaktlagers.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Absorberbauteil zur Neu
tronenabsorption, auf ein Verfahren zur Herstellung eines Ab
sorberbauteils, auf ein Brennelement-Lagergestell sowie auf
einen Neutronen absorbierenden Werkstoff.
Absorberbauteile zur Neutronenabsorption werden zur Abschir
mung von Neutronenquellen eingesetzt. Insbesondere werden
solche Absorberbauteile auf dem Gebiet der Kernenergieerzeu
gung, zum Beispiel im Bereich der Brennelemente-Lagerung,
eingesetzt. Damit soll in einem Brennelement-Lagerbecken eine
unkritische Neutronenflußdichte gewährleistet und ein unkon
trollierter Abbrand der Brennelemente verhindert werden.
Ein aus Absorberbauteilen aufgebautes Lagergestell zur Zwi
schenlagerung von Brennelementen eines Druckwasser- oder Sie
dewasserreaktors in einem Brennelement-Lagerbecken einer
Kernkraftanlage ist aus der EP 0 537 615 A1 bekannt. Um eine
weitgehend kompakte Lagerung der Brennelemente zu erreichen,
werden Absorberbauteile mit einer möglichst hohen Neutronen
absorptionsfähigkeit eingesetzt. Die Neutronenabsorptionsfä
higkeit muß dabei über das gesamte Absorberbauteil homogen
verteilt und langzeitbeständig sein.
Absorberbauteile enthalten üblicherweise zur Neutronenabsorp
tion einen Anteil an Bor, beispielsweise etwa 1 Gew.-%, das
in einem metallischen Grundwerkstoff eingebracht ist. Ein hö
herer Anteil an Bor als 2 Gew.-% ist nur schwer zu erzielen,
da der aus dem Grundwerkstoff und Bor bestehende Neutronen
absorbierende Werkstoff mit zunehmendem Borgehalt in dem me
tallischen Grundwerkstoff zusehends versprödet. Der Werkstoff
ist dann kaum mehr verarbeitbar. Um das Problem der Ver
sprödung mit zunehmendem Boranteil zu umgehen ist beispiels
weise aus der WO 96/37 896 A1 bekannt, einen Neutronen absor
bierenden Stoff einzubringen. Dies erfordert allerdings einen
hohen konstruktiven Aufwand.
Aus der DE 44 16 362 A1 sind weiterhin verschiedene Verfahren
bekannt, mit denen auf einen Grundkörper eine Neutronen ab
sorbierende Oberflächenschicht aufgebracht werden kann. Nach
teilig ist hierbei, daß das Aufbringen einer zusätzlichen
Oberflächenschicht notwendig ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Absorberbauteil zur Neutro
nenabsorption und ein Brennelement-Lagergestell mit einem Ab
sorberbauteil sowie einen geeigneten Neutronen absorbierenden
Werkstoff anzugeben, wobei eine hohe und homogene Neutronen
absorptionsfähigkeit gewährleistet ist. Es ist eine weitere
Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Verfahren zur Herstel
lung eines besonders tragfähigen Absorberbauteils anzugeben.
Die auf das Absorberbauteil bezogene Aufgabe wird erfindungs
gemäß gelöst durch ein Absorberbauteil, das einen Neutronen
absorbierenden Werkstoff aufweist, bei dem zumindest ein Neu
tronen absorbierendes Element in einer glasartigen, also
amorphen und nicht-metallischen Struktur eingebunden ist.
Ein Vorteil der glasartigen Struktur liegt darin, daß in
diese Struktur ein sehr hoher Anteil eines Neutronen absor
bierenden Elementes eingebunden werden kann, ohne daß sich
die Eigenschaften des Neutronen absorbierenden Werkstoffes,
also des Glases, wesentlich verschlechtern.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die amorphe glasar
tige Struktur ein Silikatglas, d. h. ein Glas, das Silicium
oxid aufweist.
Silikatglas zeichnet sich durch seine relativ einfache und
kostengünstige Herstellung aus. Silikatglas wird in den un
terschiedlichsten Bereichen angewendet, beispielsweise als
optisches Glas, als Fensterglas, als Flaschenglas oder als
Spezialglas für verschiedenste Anwendungen. Die Eigenschaften
des Silikatglases können durch geeignete Herstellungsverfah
ren oder geeignete Zusätze den Erfordernissen für die jewei
lige Anwendung angepaßt werden. Für den Einsatz von Silikat
glas als Trägerstruktur für ein Neutronen absorbierendes Ele
ment in einem Neutronen absorbierenden Werkstoff ist die me
chanische Belastbarkeit von Silikatglas nur von untergeordne
ter Bedeutung. Das Absorberbauteil hat nämlich im wesentli
chen keine lastabtragende Funktion und ist somit kaum einer
mechanischen Beanspruchung ausgesetzt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das Neu
tronen absorbierende chemische Element Bor. Ein Bor aufwei
sendes Silikatglas wird auch als Bor-Silikatglas bezeichnet.
Bor-Silikatglas eignet sich hervorragend für den Einsatz als
Neutronen absorbierender Werkstoff in einem Absorberbauteil,
insbesondere für ein Absorberbauteil in einem Brennelement-
Lager. Bor-Silikatglas weist für ein Absorberbauteil in einem
Brennelement-Lager wichtige Eigenschaften auf. Eine besonders
bedeutende Eigenschaft ist die hohe Aufnahmefähigkeit von Bor
in dem Silikatglas. Vorteilhafterweise liegt der Bor-Anteil
in dem Silikatglas etwa in einem Bereich von 10-20 Gew.-%,
insbesondere liegt der Bor-Anteil bei etwa 14 Gew.-%. Die An
gaben der Gew.-% beziehen sich auf Naturbor oder Äquivalenten
hierzu. Naturbor weist als wesentlichen Neutronenabsorber
etwa 20% des Borisotops B10 auf.
Dieser sehr große Anteil eines Neutronen absorbierenden Ele
mentes bedingt eine sehr gute Neutronenabsorptionsfähigkeit
des Werkstoffes. Die hohe Neutronenabsorptionsfähigkeit ist
für Brennelement-Lagergestelle ein entscheidender Faktor, da
die Absorberbauteile oder die aus den Absorberbauteilen auf
gebauten Neutronen absorbierenden Strukturen im Vergleich zu
bekannten Absorberelementen bei gleicher Neutronenabsorpti
onsfähigkeit platzsparender ausgeführt werden können. Werk
stoffe mit einer hohen Neutronenabsorptionsfähigkeit sind da
her eine Voraussetzung für Brennelement-Kompaktlager, bei de
nen die Brennelemente sehr eng gelagert werden. Durch das
Bor-Silikatglas wird in einem solchen Brennelement-Kompaktla
ger gewährleistet, daß die Neutronenflußdichte in dem Lager
unterhalb eines kritischen Wertes bleibt.
Durch die Einbindung des Bors in die glasartige Struktur ist
darüber hinaus eine äußerst homogene Verteilung des Neutronen
absorbierenden Elements gewährleistet. Diese gleichmäßige
Verteilung bleibt über einen langen Zeitraum bestehen und ist
weitgehend unabhängig von äußeren Einflüssen. Mit dieser
Langzeitbeständigkeit erfüllt das Bor-Silikatglas eine wei
tere grundlegende Anforderung an einen Neutronen absorbieren
den Werkstoff.
Weiterhin weist das Bor-Silikatglas, wie in der Regel alle
nicht-metallischen Gläser, eine hohe Korrosionsbeständigkeit
auf. Die Korrosionsbeständigkeit ist ein entscheidendes Merk
mal für die Anwendung eines Neutronen absorbierenden Werk
stoffs in einem Brennelement-Naßlager, bei dem die Brennele
mente in einer Kühlflüssigkeit aufbewahrt werden. Die Brenn
elemente sind bei einem solchen Brennelement-Naßlager zwi
schen den Absorberbauteilen in der Kühlflüssigkeit angeordnet
und dieser somit permanent ausgesetzt. Die sehr gute Korrosi
onsbeständigkeit gewährleistet, daß die hohe Neutronenabsorp
tionsfähigkeit über einen ausreichend langen Zeitraum auf
rechterhalten bleibt. Eine solche Langzeitbeständigkeit von
Bor-Silikatgläsern in einem Brennelement-Naßlager ist über
mehrere Jahre gewährleistet.
Ein weiterer Vorteil des Bor-Silikatglases als anorganischer
Werkstoff ist seine weitgehende Unempfindlichkeit gegenüber
der Neutronenstrahlung und γ-Strahlung. Eine durch die Strah
lung bedingte Schwärzung des Bor-Silikatglases hat keinen
Einfluß auf die Eigenschaften des Bor-Silikatglases, wie Neu
tronenabsorptionsfähigkeit, mechanische Stabilität und Lang
zeitbeständigkeit.
Vorteilhafterweise weist der Werkstoff eine Kombination von
Neutronen absorbierenden Elementen auf. Als Neutronen absor
bierende Elemente bieten sich Elemente mit einem hohen Neu
tronenabsorptionsquerschnitt an. Neben dem natürlich vorkom
menden Bor (Naturbor) sind dies beispielsweise das mit dem
Borisotop B10 angereicherte Bor, Gadolinium, Hafnium oder
Kadmium sowie die Lanthanoide, d. h. die Elemente mit einer
Ordnungszahl zwischen 58 und 71. Neben der Kombination mehre
rer dieser Elemente in dem Werkstoff kann natürlich auch je
des Element einzeln in eine amorphe glasartige Struktur ein
gebracht werden.
Für die Langzeitbeständigkeit und zur Erhöhung der Sicherheit
ist es zweckdienlich, daß der Werkstoff ein Stützgewebe, ins
besondere ein Drahtgewebe, aufweist. Solch ein Werkstoff wird
auch als Drahtglas bezeichnet und kann auch mehrere Lagen des
Stützgewebes aufweisen. Dieses wird beispielsweise bei der
Herstellung einer Borsilikatplatte in die Platte eingelegt
oder eingebunden. Das Stützgewebe erhöht zum einen die Trag
fähigkeit des Werkstoffs und verhindert zum anderen, daß aus
dem Werkstoff Bruchstücke herausbrechen können. Die gleichmä
ßige Absorption der Neutronen über den gesamten Werkstoff ist
damit auch langfristig gewährleistet. Alternativ oder zusätz
lich zum Stützgewebe ist zum gleichen Zweck der Werkstoff
vorteilhafterweise als Verbundwerkstoff aufgebaut.
Für den Verbundwerkstoff werden beispielsweise mehrere
Schichten des Werkstoffs übereinander gelegt, wobei zwischen
den einzelnen Schichten beispielsweise jeweils Folien ange
ordnet werden. Diese Verbundstruktur findet bei Sicherheits
gläsern, z. B. bei Verbundglasscheiben in der Automobilindu
strie, Anwendung. Unter Verbundwerkstoff wird hier aber auch
ein Werkstoff verstanden, in den kleine Verstärkungselemente
eingebracht sind, wie z. B. Fasern. Bevorzugt sind die Fasern
aus anorganischem Material, da diese von der Neutronenstrah
lung, der das Absorberbauteil ausgesetzt wird, nicht nachtei
lig beeinflußt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist der Werk
stoff Fasern aus einem nichtbrennbaren Material auf. Mit den
Fasern erhält der Werkstoff zum einen eine deutlich erhöhte
Festigkeit und Steifheit, so daß sich das Absorberbauteil
sehr gut als selbsttragendes und belastbares Bauteil verwen
den läßt. Zum anderen ist die Herstellung eines solchen Ab
sorberbauteils mit nichtbrennbaren Fasern wesentlich einfa
cher im Vergleich zu einem Absorberbauteil mit brennbaren Fa
sern, wie die beispielsweise zur Verstärkung von Gläsern ty
pischerweise verwendeten Kohlenstoffasern. Denn beim Herstel
len des Absorberbauteils werden die Ausgangsmaterialien durch
starke Erhitzung auf etwa 1000°C aufgeschmolzen und an
schließend abgekühlt, um den glasartigen Werkstoff zu bilden.
Bei der Verwendung von brennbaren Fasern muß jedoch mit
Schutzgas, d. h. mit einem inerten und sauerstofffreien Gas,
gearbeitet werden, um ein Entzünden der Fasern zu verhindern.
Auf Schutzgas kann bei der Verwendung von nichtbrennbaren Fa
sern verzichtet werden, so daß eine einfache und kostengün
stige Herstellung ermöglicht ist.
Die nichtbrennbaren Fasern sind insbesondere metallisch und
als Stahlfasern ausgebildet. Mit der Einbringung von Stahlfa
sern kann ein glasartiger Werkstoff erzielt werden, der im
Hinblick auf seine Belastbarkeit mit Stahl vergleichbar ist.
Von Vorteil ist eine gleichmäßige Verteilung der Fasern im
Werkstoff, so daß die guten mechanischen Eigenschaften über
das gesamte Absorberbauteil gleichbleibend sind. Die Fasern
sind hierfür beispielsweise orientierungslos im Werkstoff an
geordnet. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Werk
stoff in einer bestimmten Richtung besonders widerstandsfähig
auszubilden, indem die Fasern in eine Vorzugsrichtung ausge
richtet werden.
Bei dem Absorberbauteil wird der Werkstoff vorteilhafterweise
von einem Tragelement gehalten. Das Tragelement kann bei
spielsweise im Brennelement-Lager eine stützende oder lastab
tragende Funktion übernehmen. Das Tragelement kann weiterhin
beispielsweise die geometrische Form eines Absorberschachts
aufweisen. Absorberschächte mit einer hohen Neutronenabsorp
tionsfähigkeit sind mit Hilfe eines solchen Tragelements ein
fach herzustellen, indem beispielsweise Platten aus dem Neu
tronen absorbierenden Werkstoff auf das Tragelement aufge
bracht werden. Die Platten können beispielsweise durch einfa
che Klammern mit dem Tragelement verbunden sein.
Es ist zweckdienlich, wenn das Tragelement einen Aufnahmeraum
aufweist, in den der Werkstoff eingebracht ist. Mit Hilfe ei
nes solchen Tragelements wird eine einfache Handhabung des
Werkstoffs, z. B. beim Transport, ermöglicht. Zudem bietet der
Aufnahmeraum eine hohe Schutzfunktion für den Werkstoff gegen
mechanische Belastungen, z. B. bei dem Einbau in ein Absorber
bauteil. Bevorzugt ist der Aufnahmeraum eine wannenförmige
Vertiefung. Diese läßt sich fertigungstechnisch einfach rea
lisieren.
In einer vorteilhaften Weise wird der Werkstoff bei der Her
stellung des Absorberbauteils in den Aufnahmeraum eingegos
sen, so daß eine optimale Verteilung des Werkstoffs im Auf
nahmeraum erzielt ist. Bei der Herstellung wird hierzu als
Ausgangsmaterial Silikat durch Wärmezufuhr verflüssigt. Das
für das Aufschmelzen verwendete Silikat kann beispielsweise
pulverförmig sein. Dem pulverförmigen Silikat kann ein Neu
tronen absorbierendes Element zugegeben werden, bevor das Si
likat anschließend zusammen mit dem Neutronen absorbierenden
Element aufgeschmolzen wird.
Alternativ kann das Neutronen absorbierende Element auch dem
schmelzflüssigen Silikat zugegeben werden. Das Tragelement
mit seinem Aufnahmeraum kann daher als eine sogenannte ver
lierbare Form zur Formgebung des Werkstoffes verstanden wer
den, die nach der Formgebung eine Stütz- und Schutzfunktion
für den Werkstoff übernimmt. Die verlierbare Form wird nur
einmal zur Formgebung benutzt. Der Aufnahmeraum bildet mit
dem Werkstoff eine Einheit. Alternativ kann es auch zweck
dienlich sein, den fertig geformten Werkstoff in den Aufnah
meraum einzulegen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Tragelement
ein Sicherungselement für den Werkstoff auf. Das Sicherungs
element (auch als Verankerungs- oder Befestigungselement be
zeichnet) verhindert, daß der Werkstoff aus seiner vorgegebe
nen Lage verrutscht. Zudem wird die Handhabung erleichtert,
da der Werkstoff zusammen mit dem Tragelement aufgrund des
Sicherungselements eine Baueinheit bildet. Als Sicherungsele
ment können beispielsweise einfache Klammern oder Laschen
dienen, die den Werkstoff von außen in einer vorgegebenen Po
sition halten.
Alternativ oder zusätzlich ist das Sicherungselement vorteil
hafterweise bereits im Aufnahmeraum angeordnet, beispiels
weise in Form eines Widerhakens, bevor der Werkstoff in den
Aufnahmeraum eingegossen wird. Diese Widerhaken sind bei
spielsweise verdrillte Blechstreifen, die aus dem Boden des
Aufnahmeraums teilweise ausgestanzt und in den Aufnahmeraum
hinein gebogen werden. Aufnahmeraum und Sicherungselemente
bilden also eine Baueinheit. Ebenso kann ein separates Draht
geflecht in den Aufnahmeraum eingelegt und mit diesem verbun
den werden.
Die auf ein Verfahren zur Herstellung eines Absorberbauteils
mit einem Neutronen absorbierenden Werkstoff gerichtete Auf
gabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem ein silikatisches
Ausgangsmaterial mit Absorbermaterial und mit nichtbrennbaren
Fasern zu einem granulatartigen Ausgangswerkstoff vermischt
werden, der Ausgangswerkstoff schutzgasfrei erhitzt und an
schließend abgekühlt wird, und ein glasartiger Neutronen ab
sorbierender Werkstoff geformt wird. Das Absorbermaterial
weist dabei ein Neutronen absorbierendes Element, insbeson
dere Bor, auf. Das mit diesem Verfahren hergestellte Absor
berbauteil besitzt besonders gute mechanische Eigenschaften
und kann als ein selbsttragendes Bauteil eingesetzt werden,
das selbst hohen Belastungen standhält. Der wesentliche Vor
teil bei dem Verfahren liegt hierbei darin, daß die Herstel
lung ohne Schutzgas erfolgen kann, da keine brennbaren Fa
sern, wie beispielsweise Kohlenstoffasern, verwendet werden.
In einer vorteilhaften Ausführung wird der Ausgangswerkstoff
vor dem Erhitzen in einer Form gepreßt. Auf diese Weise las
sen sich auch komplexe Absorberbauteilgeometrien auf einfache
Weise erhalten. Es kann hierbei sowohl eine wiederverwertbare
Form als auch eine sogenannte verlierbare Form verwendet wer
den.
Die schutzgasfreie Herstellung ermöglicht in einer besonders
vorteilhaften Weise den Ausgangswerkstoff in einem kontinu
ierlichen Prozeß und bevorzugt mit einem Extruder zu erhitzen
und zu formen. Auf diese Weise lassen sich sehr einfach und
sehr schnell große Mengen von Absorberbauteilen einer einfa
chen Geometrie herstellen. Der Ausgangswerkstoff wird hierbei
im Extruder erhitzt und gleichzeitig zu einer Formgebungsdüse
transportiert. An der Formgebungsdüse liegt der Ausgangswerk
stoff bereits als Schmelze vor und wird beispielsweise mit
einer Extruderschnecke durch die Formgebungsdüse gepreßt und
somit in die gewünschte Form gebracht. Es entstehen dabei
beispielsweise breite Bänder aus dem Neutronen absorbierenden
Werkstoff, die nach Bedarf auf die gewünschte Länge abge
schnitten werden können.
Dem silikatischen Ausgangsmaterial wird bevorzugt borhaltiges
Absorbermaterial, und insbesondere Borsilikat, zugemischt.
Um den gerätetechnischen Aufwand bei der Herstellung mög
lichst gering zu halten, wird der Ausgangswerkstoff in vor
teilhafter Weise unter normaler Umgebungsluft erhitzt.
Die auf ein Brennelement-Lagergestell gerichtete Aufgabe wird
erfindungsgemäß gelöst durch ein Brennelement-Lagergestell
mit einem Absorberbauteil mit einem Neutronen absorbierenden
Werkstoff, bei dem zumindest ein Neutronen absorbierendes
Element in einer glasartigen Struktur eingebunden ist. Bevor
zugt weist das Brennelement-Lagergestell Lagerschächte mit
Absorberbauteilen auf, wobei die Lagerschächte schachbrettar
tig angeordnet und über kreuzförmige Verbindungselemente mit
einander verbunden sind.
Ein derart aufgebautes Brennelement-Lagergestell erlaubt eine
äußerst kompakte Lagerung von Brennelementen und wird auch
als Brennelement-Kompaktlager bezeichnet. Ein Brennelement-
Kompaktlager ermöglicht, beispielsweise in einem bereits be
stehenden Brennelement-Lagerbecken, eine größere Anzahl von
Brennelementen als mit herkömmlichen Brennelement-Lagerge
stellen zu lagern, wodurch die Kosten für die Lagerung gerin
ger sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zwischen einer Wand
des Lagerschachts und dem Tragelement, das bevorzugt einen
Aufnahmeraum mit einer wannenförmigen Vertiefung aufweist,
der Neutronen absorbierende Werkstoff angeordnet. Der Werk
stoff ist demnach in einer Art Sandwich-Struktur zwischen der
Wand des Lagerschachts und dem Tragelement angeordnet. Da
durch wird die empfindliche Oberfläche des Werkstoffs sicher
vor mechanischen Beschädigungen geschützt, beispielsweise
beim Bestücken des Lagerschachts mit einem Brennelement.
Die auf den Neutronen absorbierenden Werkstoff bezogene Auf
gabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Neutronen absor
bierenden Werkstoff, bei dem ein Neutronen absorbierendes
Element in einer amorphen glasartigen Struktur eingebunden
ist. Ein solcher Werkstoff ist beispielsweise ein Bor-Sili
katglas mit einem Bor-Gehalt von etwa 10-20 Gew.-%, insbeson
dere von 14 Gew.-%.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Neutronen absorbie
renden Werkstoffes können den zugehörigen Unteransprüchen
entnommen werden. Die oben angegebenen Vorteile bezüglich des
Absorberbauteils gelten sinngemäß auch für das Lagergestell
und für den Werkstoff.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung, wei
tere Vorteile und Details anhand der Zeichnung näher erläu
tert. Es zeigen:
Fig. 1 eine räumliche Ansicht von miteinander ver
bundenen, schematisch dargestellten Absorber
bauteilen,
Fig. 2 und Fig. 3 jeweils einen Lagerschacht in einer schemati
schen Darstellung,
Fig. 4 einen Schnitt durch ein Tragelement,
Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Lagerschacht,
Fig. 6 eine ausschnittsweise Draufsicht auf ein
Brennelement-Kompaktlagergestell und
Fig. 7 eine schematische Zeichnung zur Erläuterung
des Herstellungsverfahrens eines Absorberbau
teils mit Extruder.
In der Fig. 1 sind vier plattenförmige Absorberbauteile 3
aus dem Neutronen absorbierenden Werkstoff dargestellt, die
einen Teil eines räumlichen dreidimensionalen Absorptionssy
stems 4 bilden. Die vier Absorberbauteile 3 sind dabei derart
miteinander kreuzweise verschränkt, daß sie einen Lager
schacht 6 mit einer rechteckigen Grundfläche, beispielsweise
zur Aufnahme eines Brennelementes, bilden. Durch dieses
kreuzweise Ineinandergreifen der Absorberbauteile 3 werden
die Seiten des Absorberschachtes 6 jeweils von verschiedenen
Absorberbauteilen 3 gebildet. Ein einzelnes Absorberbauteil 3
kann daher gleichzeitig mehrere Lagerschächte 6 jeweils an
einer Seite begrenzen.
Die Absorberbauteile 3 sind in nicht näher dargestellter
Weise in regelmäßigen Abständen über einen Teilbereich ihrer
Länge im Kreuzungsbereich mit Schlitzen versehen, die es er
lauben zwei Absorberbauteile 3 miteinander zu verschränken,
so daß sie durch ein gegenseitiges Ineinandergreifen an den
Schlitzen einen Teil des stabilen Absorptionssystems 4 bil
den.
Jedes Absorberbauteil 3 ist bevorzugt ein Bor-Silikatglas mit
einem Bor-Anteil von etwa 14 Gew.-%. Mit dem aus den platten
förmigen Absorberbauteilen 3 gebildeten Absorptionssystem 4
ist somit eine sehr hohe Neutronenabsorptionsfähigkeit er
reicht.
Gemäß der Fig. 2 umfaßt ein Absorberbauteil 3 ein schacht
förmiges Tragelement 8, auf das Neutronen absorbierende plat
tenförmige Formteile 2 aufgebracht sind. Das Absorberbau
teil 3 bildet damit zugleich einen Lagerschacht 6. In diesem
Ausführungsbeispiel weist das Absorberbauteil 3 daher im Ge
gensatz zu den plattenförmigen Absorberbauteilen 3 gemäß der
Fig. 1 bereits eine dreidimensionale räumliche Ausgestaltung
auf. Auf das Tragelement 8 sind an den vier Außenseiten die
Formteile 2 aufgebracht. Das Tragelement 8 ist beispiels
weise, wie in der Fig. 2 gezeigt, als Traggerüst oder Trag
gitter ausgeführt, wodurch Gewichts- und Materialeinsparungen
gegenüber einem aus Vollmaterial bestehenden Tragelement 8
erzielt werden. Ein solches Traggitter besteht im wesentli
chen aus einer Anzahl miteinander verbundener Streben 10. An
statt des Traggitters können als Tragelement 8 beispielsweise
aber auch zu einem Schacht geformte oder miteinander ver
schränkte Bleche verwendet werden.
Gemäß der Fig. 3 umfaßt das Absorberbauteil 3 ebenfalls
Tragelemente 8 mit Neutronen absorbierenden Formteilen 2. Das
Absorberbauteil 3 bildet dabei wiederum einen Lagerschacht 6.
Die Tragelemente 8 sind als Führungsschienen ausgestaltet.
Der Lagerschacht 6 weist insbesondere vier Tragelemente 8
auf, die bevorzugt als L-förmige Führungsschienen ausgestal
tet sind. Die Tragelemente 8 bilden die vier Ecken des Lager
schachtes 6. Die vier Seiten des Lagerschachtes 6 werden
durch vier plattenförmige Formteile 2 gebildet.
In der Fig. 3 ist in den Formteilen 2 schematisch ein Stütz
gewebe 9 eingezeichnet. Die Formteile 2 werden jeweils an ih
ren Endseiten von einem Tragelement 8 gestützt bzw. geführt.
Für die Formteile 2 bedarf es bei dieser Ausgestaltung keiner
weiteren Befestigungsmechanismen. Ein Absorberbauteil 3 mit
solchen L-förmigen Tragelementen 8 bietet den Vorteil, daß
auf eine einfache Weise die Formteile 2 in diese Führungs
schienen eingefügt werden können. Der einfache Aufbau mit
Führungsschienen erlaubt den Einsatz von Platten als Form
teile 2, die herstellungstechnisch sehr einfach zu erhalten,
und damit kostengünstig sind. Anstelle der L-förmigen Füh
rungsschienen können je nach Anforderung und Bedarf bei
spielsweise auch U-förmige oder kreuzförmige Führungsschienen
verwendet werden.
Gemäß der Fig. 4 weist das Tragelement 8 einen Aufnahme
raum 11 auf, der als eine wannenförmige Vertiefung ausgestal
tet ist. Das Tragelement 8 weist an seinem oberen Rand der
wannenförmigen Vertiefung eine Lasche 12 auf. Die Lasche 12
kann beispielsweise für Befestigungszwecke verwendet werden.
Das Tragelement 8 ist bevorzugt aus Blech geformt. In den
Aufnahmeraum 11 ist ein Formteil 1 aus dem Neutronen absor
bierenden Werkstoff eingebracht. Das Formteil 2 schließt mit
dem Tragelement 8 bevorzugt plan ab, d. h. das Formteil 2 bil
det mit den Laschen 12 des Tragelements 8 eine durchgehende
ebene Fläche. Tragelement 8 und Formteil 2 bilden zusammen
ein Absorberbauteil 3.
In Fig. 4 sind verschiedene Sicherungselemente dargestellt,
die das Formteil 2 aus dem Neutronen absorbierenden Werkstoff
im Aufnahmeraum 11 halten. In der linken Bildhälfte der Fig.
4 ist als Sicherungselement ein Drahtgeflecht 14a skizziert.
Das Drahtgeflecht 14a ist beispielsweise an Befestigungspunk
ten 16, z. B. durch Schweißpunkte, mit dem Boden 18 des Trag
elements 8 fest verbunden.
In der rechten Bildhälfte der Fig. 4 sind als Sicherungsele
mente Dorne 14b oder Widerhaken skizziert. Diese werden bei
spielsweise aus dem Boden 18 zunächst teilweise ausgestanzt
und dann aufgebogen. Zur Verbesserung der Haftung des Werk
stoffs im Aufnahmeraum 11 sind die Dorne 14b vorteilhafter
weise verdrillt. Die Dorne 14b erstrecken sich demnach etwa
schraubenförmig in den Aufnahmeraum 11. Die beiden Befesti
gungs- oder Sicherungselemente, nämlich das Drahtgeflecht 14a
und die Dorne 14b, sind bevorzugt fest mit dem Tragelement 8
verbunden. Sie werden bei der Herstellung des Absorberbau
teils 3 an dem Tragelement 8 angebracht, bevor der Neutronen
absorbierende Werkstoff in Form einer schmelzflüssigen Sili
katmasse in den Aufnahmeraum 11 eingegossen wird. Die
Schmelze füllt dabei alle Hohlräume im Aufnahmeraum 11 aus,
wodurch ein intensiver Kontakt zwischen den Sicherungselemen
ten und dem nach Erkalten glasartigen Formteil 2 hergestellt
ist.
In der rechten Bildhälfte der Fig. 4 ist als weiteres Siche
rungselement eine Klemme 14c dargestellt, die an der La
sche 12 des Tragelements 8 angeordnet ist und sich über die
Lasche 12 hinaus in Richtung des Aufnahmeraums 11 erstreckt.
Die Klemme 14e sichert das Formteil 2 zusätzlich von außen.
Die Klemme 14c ist beispielsweise ein biegbares Blech oder
sie ist auf der Lasche 12 verschiebbar oder drehbar angeord
net. Die Sicherungselemente 14a, 14b, 14c können jeweils für
sich genommen oder in Kombination miteinander verwendet wer
den.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 besteht das Form
teil 2 aus einem Verbundwerkstoff. Im vorliegenden Beispiel
weist der Verbundwerkstoff in seinem Inneren neben dem Neu
tronen absorbierenden Werkstoff kleine und möglichst homogen
verteilte Fasern 20 auf. Die Fasern 20 sind bevorzugt aus an
organischem, und insbesondere aus nichtbrennbarem, Material.
Durch die Fasern 20 werden die mechanischen Eigenschaften des
an sich sehr spröden glasartigen Werkstoffs besonders positiv
beeinflußt. Die Verwendung eines Verbundwerkstoffs beschränkt
sich nicht auf das Ausführungsbeispiel der Fig. 4. Ein Form
teil 2 aus Verbundwerkstoff kann selbstverständlich auch für
die anderen beschriebenen Ausführungsbeispiele verwendet wer
den.
Gemäß Fig. 5 sind vier Absorberbauteile 3, die mit dem zu
Fig. 4 beschriebenen Absorberbauteil 3 vergleichbar sind, an
den vier Seitenflächen eines Lagerschachts 6 mit einer qua
dratischen Grundfläche angeordnet. Die Absorberbauteile 3
sind dabei derart angeordnet, daß sich der Neutronen absor
bierende Werkstoff zwischen dem Tragelement 8 und der Wand 24
des Lagerschachts 6 befindet. Das Absorberbauteil 3 kann
hierbei auf einer Außenwand oder Innenwand des Lager
schachts 6 angebracht werden. Das Formteil 2 ist daher auf
der einen Seite von dem Tragelement 8 und auf der anderen
Seite von der Wand 24 vor Beschädigungen geschützt.
Die Laschen 12 des Tragelements 8 dienen bevorzugt zur Befe
stigung des Absorberbauteils 3 an den Lagerschacht 6. Die Be
festigung kann beispielsweise durch mechanische Befestigungs
mittel oder durch Schweißen erfolgen. Die Absorberbauteile 3
sind in ihrer Flächenausbreitung bevorzugt derart bemessen,
daß sie die Seitenflächen des Lagerschachts 6 möglichst voll
ständig bedecken, um eine hohe Neutronenabsorption zu erzie
len.
Gemäß der Fig. 6 bilden Lagerschächte 6 mit Absorberbautei
len 3, die bevorzugt aus Bor-Silikatglas bestehen, ein Lager
gestell 26 eines Brennelement-Kompaktlagers. Die Lager
schächte 6, von denen in der Fig. 6 drei zu sehen sind, sind
jeweils diagonal einander gegenüberliegend angeordnet, so daß
sich ein schachbrettartiges Muster ergibt. Die Lager
schächte 6 sind an ihren Ecken über kreuzförmige Verbindungs
elemente 28 miteinander verbunden, so daß ein stabiles Lager
gestell 26 gebildet ist.
Bei dem Lagergestell 26 bestehen zwischen den Lagerschäch
ten 6 jeweils Zwischenschächte 30, die die gleiche Größe wie
die Lagerschächte 6 aufweisen. Durch diese Anordnung können
sowohl in den Lagerschächten 6 als auch in den Zwischen
schächten 30 Brennelemente eingelagert werden. Die schach
brettartige Anordnung von Lagerschächten 6 mit dazwischenlie
genden Zwischenschächten 30 gewährleistet beispielsweise eine
kompakte Lagerung von abgebrannten Brennelementen einer Kern
kraftanlage in einem Brennelement-Lagerbecken in einer Sie
dewasser- oder Druckwasser-Reaktoranlage.
In der Fig. 7, in der das Verfahren zur Herstellung eines
Absorberbauteils skizziert ist, ist ein Extruder 32 darge
stellt, dem über einen Aufgabetrichter 34 ein granulatartiger
Ausgangswerkstoff 36 zugeführt wird. Dieser weist unter an
derem nichtbrennbare Fasern 20 auf und wird im Extruder 32
von einer in einem rohförmigen Gehäuse 39 angeordneten För
derschnecke 38 zu einer Formgebungsdüse 40 transportiert. Um
das Gehäuse 39 ist ein Heizmantel 42 angeordnet, so daß der
von der Förderschnecke 38 im Gehäuse 39 transportierte Aus
gangswerkstoff 36 erhitzt und aufgeschmolzen wird und an der
Formgebungsdüse 40 als Schmelze vorliegt. Die Schmelze wird
aufgrund der Bewegung der Förderschnecke 38 durch die Formge
bungsdüse 40 gepreßt und bildet außerhalb des Extruders 32
einen beispielsweise bandförmigen Strang 44. Die Schmelze ist
zähflüssig, so daß die durch die Formgebungsdüse 40 hervorge
rufene Formung erhalten bleibt. Der Strang 44 wird beispiels
weise über Laufrollen 46 zu einer Schneidevorrichtung 48 wei
tergeführt, mit der der Strang 44 auf eine gewünschte Länge
abgeschnitten werden kann. Nach Abkühlen der Schmelze erhält
man ein beispielsweise plattenförmiges Absorberbauteil.
Bei einem alternativen Herstellungsverfahren, das ähnlich
beispielsweise bei der Formgebung von metallischen Pulvern
eingesetzt wird, wird die Schmelze durch einen Spalt geführt,
der von zwei gegenüberliegenden Walzen gebildet ist. Bei die
ser Formgebung mit Walzen wird aus der Schmelze in einfacher
Weise ein sehr breitbandiger Strang 44 gewalzt, welcher durch
die gegensinnige Rotation der beiden Walzen kontinuierlich
abgezogen wird.
Selbstverständlich sind die jeweiligen Merkmale der verschie
denen Ausführungsformen untereinander oder auch mit Merkmalen
aus dem Stand der Technik wahlweise kombinierbar, ohne daß
der Grundgedanke der vorliegenden Idee verlassen wird. We
sentlich hierfür ist, daß zur Neutronenabsorption ein Werk
stoff mit einer amorphen Struktur, in den ein Neutronen ab
sorbierendes Element eingebunden ist, verwendet wird.
Claims (29)
1. Absorberbauteil (3) mit einem Neutronen absorbierenden
Werkstoff, bei dem zumindest ein Neutronen absorbierendes
Element in einer glasartigen Struktur eingebunden ist.
2. Absorberbauteil nach Anspruch 1, bei dem die glasartige
Struktur ein Silikatglas ist.
3. Absorberbauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem
das Neutronen absorbierende Element Bor ist.
4. Absorberbauteil nach Anspruch 3, bei dem der Werkstoff
etwa 10-20 Gew.-% Bor, insbesondere 14 Gew.-% Bor, aufweist.
5. Absorberbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem der Werkstoff eine Kombination von Neutronen absor
bierenden Elementen aufweist.
6. Absorberbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem der Werkstoff im Innern ein Stützgewebe (9), insbe
sondere ein Drahtgewebe, aufweist und/oder bei dem der Werk
stoff als Verbundwerkstoff aufgebaut ist.
7. Absorberbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem der Werkstoff Fasern aus einem nichtbrennbarem Mate
rial aufweist.
8. Absorberbauteil nach Anspruch 7, bei dem die Fasern (20)
metallisch und insbesondere als Stahlfasern ausgebildet sind.
9. Absorberbauteil nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die Fa
sern (20) gleichmäßig im Werkstoff verteilt sind.
10. Absorberbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem der Werkstoff von einem Tragelement (8) gehalten
wird.
11. Absorberbauteil nach Anspruch 10, bei dem das Tragele
ment (8) einen Aufnahmeraum (11) aufweist, in den der Werk
stoff eingebracht ist.
12. Absorberbauteil nach Anspruch 11, bei dem der Werkstoff
in den Aufnahmeraum (11) eingegossen ist.
13. Absorberbauteil nach Anspruch 11, bei dem der Werkstoff
in den Aufnahmeraum (11) eingelegt ist.
14. Absorberbauteil nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei
dem das Tragelement (8) ein Sicherungselement (14a, 14b, 14c)
für den Werkstoff aufweist.
15. Absorberbauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei
dem der Aufnahmeraum (11) eine wannenförmige Vertiefung ist.
16. Verfahren zur Herstellung eines Absorberbauteils mit ei
nem Neutronen absorbierenden Werkstoff, wobei silikatisches
Ausgangsmaterial mit Absorbermaterial und mit nichtbrennbaren
Fasern (20) zu einem granulatartigem Ausgangswerkstoff (36)
vermischt werden, der Ausgangswerkstoff (36) schutzgasfrei
erhitzt und anschließend abgekühlt wird, und ein glasartiger
Neutronen absorbierender Werkstoff geformt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Ausgangswerk
stoff (36) vor dem Erhitzen in eine Form gepreßt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem in einem kontinuier
lichen Betrieb der Ausgangswerkstoff (36) in einem Extru
der (32) erhitzt und geformt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem dem
silikatischen Ausgangsmaterial borhaltiges Absorbermaterial,
insbesondere Borsilikat, zugemischt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem der
Ausgangswerkstoff (36) unter normaler Umgebungsluft erhitzt
wird.
21. Brennelement-Lagergestell (12) mit einem Absorberbau
teil (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
22. Brennelement-Lagergestell nach Anspruch 21 mit Lager
schächten (6), die ein Absorberbauteil (3) aufweisen, wobei
die Lagerschächte (6) schachbrettartig angeordnet und über
kreuzförmige Verbindungselemente miteinander verbunden sind.
23. Brennelement-Lagergestell nach Anspruch 21 oder 22 mit
einem Lagerschacht (6) und einem Tragelement (8), wobei zwi
schen einer Wand (24) des Lagerschachts (6) und dem Tragele
ment (8) ein Neutronen absorbierenden Werkstoff angeordnet
ist.
24. Neutronen absorbierender Werkstoff, bei dem ein Neutronen
absorbierendes Element in einer glasartigen Struktur einge
bunden ist.
25. Neutronen absorbierender Werkstoff nach Anspruch 24, bei
dem die glasartige Struktur ein Silikatglas ist.
26. Neutronen absorbierender Werkstoff nach einem der Ansprü
che 24 oder 25, bei dem das Neutronen absorbierende Element
Bor ist.
27. Neutronen absorbierender Werkstoff nach einem der Ansprü
che 24 bis 26, der weitere Neutronen absorbierende Elemente
aufweist.
28. Neutronen absorbierender Werkstoff nach einem der Ansprü
che 24 bis 27, der im Inneren ein Stützgewebe (9) aufweist.
29. Neutronen absorbierender Werkstoff nach einem der Ansprü
che 24 bis 28, der Fasern aus einem nichtbrennbaren Material
aufweist.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19823020A DE19823020A1 (de) | 1998-05-22 | 1998-05-22 | Absorberbauteil, Verfahren zur Herstellung eines Absorberbauteils, Brennelement-Lagergestell sowie Neutronen absorbierender Werkstoff |
PCT/DE1998/002105 WO1999007001A1 (de) | 1997-07-31 | 1998-07-27 | Absorberbauteil, verfahren zur herstellung eines absorberbauteils, brennelement-lagergestell sowie neutronen absorbierender werkstoff |
TW087112436A TW436812B (en) | 1997-07-31 | 1998-07-29 | Absorption-component, production method of an absorption-component, flue-element store-rack and neutrons-absorbing material |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19823020A DE19823020A1 (de) | 1998-05-22 | 1998-05-22 | Absorberbauteil, Verfahren zur Herstellung eines Absorberbauteils, Brennelement-Lagergestell sowie Neutronen absorbierender Werkstoff |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19823020A1 true DE19823020A1 (de) | 1999-11-25 |
Family
ID=7868668
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19823020A Withdrawn DE19823020A1 (de) | 1997-07-31 | 1998-05-22 | Absorberbauteil, Verfahren zur Herstellung eines Absorberbauteils, Brennelement-Lagergestell sowie Neutronen absorbierender Werkstoff |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19823020A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102004035597A1 (de) * | 2004-07-22 | 2006-03-16 | Framatome Anp Gmbh | Verfahren zur Herstellung eines Neutronen absorbierenden Werkstoffes sowie Neutronen absorbierender Werkstoff |
EP2201577A2 (de) * | 2007-10-19 | 2010-06-30 | Areva Federal Services LLC | Verpackungsanordnungen und innenstützstrukturen für transport und lagerung von radioaktivem material |
-
1998
- 1998-05-22 DE DE19823020A patent/DE19823020A1/de not_active Withdrawn
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102004035597A1 (de) * | 2004-07-22 | 2006-03-16 | Framatome Anp Gmbh | Verfahren zur Herstellung eines Neutronen absorbierenden Werkstoffes sowie Neutronen absorbierender Werkstoff |
DE102004035597B4 (de) * | 2004-07-22 | 2006-08-10 | Framatome Anp Gmbh | Verfahren zur Herstellung eines Neutronen absorbierenden Werkstoffes sowie Neutronen absorbierender Werkstoff |
EP2201577A2 (de) * | 2007-10-19 | 2010-06-30 | Areva Federal Services LLC | Verpackungsanordnungen und innenstützstrukturen für transport und lagerung von radioaktivem material |
EP2201577A4 (de) * | 2007-10-19 | 2010-11-24 | Areva Fed Services Llc | Verpackungsanordnungen und innenstützstrukturen für transport und lagerung von radioaktivem material |
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