DE19823020A1 - Absorberbauteil, Verfahren zur Herstellung eines Absorberbauteils, Brennelement-Lagergestell sowie Neutronen absorbierender Werkstoff - Google Patents

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.