DE2701137A1

DE2701137A1 - Vorrichtung zum lagern spaltbarer massen

Info

Publication number: DE2701137A1
Application number: DE19772701137
Authority: DE
Inventors: Frank Bevilacqua
Original assignee: Combustion Engineering Inc
Current assignee: Combustion Engineering Inc
Priority date: 1976-02-17
Filing date: 1977-01-13
Publication date: 1977-08-18
Also published as: FR2343315A2; CH614305A5; SE7701670L; JPS6017497U; US4024406A; BR7700936A; FR2343315B2; ES455481A1; SE414435B; CA1084635A; JPS52104698A

Description

Beschreibung zum Patentgesuch

der Firma Combustion Engineering, Inc., Windsor, Conn. o6o95/USA

betreffend:

'Vorrichtung zum Lagern spaltbarer Massen"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum sicheren Lagern spaltbarer Massen, insbesondere auf eine Vorrichtung, die erdbebensicher spaltbare Massen unter 'Jasser speichern kann mit maximaler Speicherdichte, ohne daß eine kritische Geometrie erzeugt wird.

Es ist bekannt, spaltbare Massen, wie Kernreaktorbrennelementbaugruppen, in Speichertanks zu lagern, die entweder neue Brennelemente oder verbrauchte Brennelemente aufnehmen können. Ein wichtiges Erfordernis für das Lagern allen spaltbaren Materials besteht darin, daß das spaltbare Material niemals eine Geometrie annehmen darf, die entweder kritisch oder überkritisch ist. Deshalb haben die meisten oder sogar alle Speichertanks Vorrichtungen und Mechanismen, um zu verhindern, daß die spaltbaren Massen in solchen Positionen angeordnet werden, in denen sich eine kritische Geometrie ergibt.Die meisten bekannten Lagervorrichtungen haben aber den Nachteil, daß sie in der Kernkraftwerksanlage viel Platz einnehmen, und daß sie nur

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schwierig die gegenwärtig anwendbaren Erdbebenkriterien erfüllen, die von der Nuclear Regulatory Commission (NRC( vorgeschrieben sind.

Ein 3eispiel für eine solche bekannte Lagervorrichtung ist in ÜS-PS 3 o37 12o beschrieben. Eine weitere Lagervorrichtung bekannter Bauart ist in der US Patentanmeldung Nr. 558,767 beschrieben, wo nicht nur eine neue Ausbildung erläutert wird, mit der eine maximale Lagerdichte für verbrauchte Kernbrennstoffbaugruppen erzielt wird, sondern auch eine bekannte Lagervorrichtung erläutert wird, die vorher benutzt wurde. Wie erwähnt, hatten die beschriebenen Vorrichtungen nach dem Stand der Technik den fundamentalen Nachteil, daß sie nur schwerlich die Erdbebenkriterien der NEC erfüllen können. Während die Vorrichtung gemäß der erwähnten anhängigen US Anmelduna das Problem lösen soll, eine erdbebensichere Lagervorrichtung zu schaffen, bei der sich maximale Speicherdichte ergibt, verbleibt, das Problem, eine kostengünstiger und leichter herstellbare Konstruktion für eine solche Vorrichtung zu schaffen.

Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, eine Vorrichtung zu schaffen, die die raumsparende Lagerung spaltbarer Massen gestattet, ohne die Möglichkeit, daß sich eine kritische Geometrie ergibt, welche Vorrichtung mit minimalen Kosten herstellbar sein soll. Diese Aufgabe wird, wie in Anspruch 1 definiert, gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Konstruktion gelöst, bei der einzelne neutronenabsorbierende Abschirmungen vorgesehen sind, welche perimetrisch jede spaltbare Masse umschließen. Es kann dabei davon ausgegangen werden, daß die spaltbaren Massen Querschnitte aufweisen, die in-elie von einem Polygon umschließbar sind. Die Vorrichtung

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umfaßt eine erste Serie von Streben in Bandform, welche zueinander in im Abstand liegenden parallelen Reihen angeordnet sind, eine zweite Serie von Bändern, die in im Abstand liegenden parallelen Reihen angeordnet sind, und deren Reihen die erste Serie von 3ändern unter einem Minkel kreuzen, der gleich dem Winkel ist zwischen zwei nicht parallelen Seiten des Polygons. Mit dieser Anordnung definieren oder begrenzen die ersten und zweiten Serien von im Abstand liegenden einander kreuzenden Bändern eine Mehrzahl von Durchlässen, quer zu den beiden Serien von Bändern. Eine Mehrzahl von einzelnen neutronenabsorbierenden Abschirmungen wird dann in den Durchlässen, gebildet von den ersten und zweiten Serien von Bändern, angeordnet und starr an jeweils einem Band der ersten und zweiten Serie befestigt. Auf diese Weise erhält man eine kostengünstige,erdbebensichere, nicht kritische Lagervorrichtung für die Lagerung verbrauchter Brennstoffbaugruppen. Die ersten und zweiten Serien vcn Bändern liegen vorzugsweise auf unterschiedlichen Höhen, um die Herstellung der Speeicher- oder Lagervorrichtung zu vereinfachen. Die Erfindung umfaßt jedoch auch die Möglichkeit, daß die ersten und zweiten Serien von Bändern auf gleicher Höhe liegen, so d* sie einander durchsetzen. Zusätzlich können dritte und vierte Serien von einander kreuzenden Bändern an dritten und vierten Höhen plaziert werden, um dem Speicherfeld erhöhte Bruek strukturelle Festigkeit zu verleihen. Sowohl die Bänder, als auch die einzelnen neutronenabsorbierenden Abschirmungen können aus korrosionsfestem oder Edelstahl bestehen. Wenn die Kernbrennstoff baugruppen einen quadratischen Querschnitt aufweisen, können auch die neutronenabsorbierenden Abschrirmungen einen quadratischen Querschnitt besitzen, und die Bänder der ersten und zweiten Serien können voneinander einen Abstand aufweisen, der nicht kleiner ist als ein Durchmesser oder eine größte Querabmessung der einzelnen neutronenabsorbierenden Abschtnung plus einen Minimum-Neutronenbremsabstand.

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Die ErfinduncT soll einschließlich einzelner Merkmale und Vorteile nachstehend näher erläutert werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen einander entsprechende Elemente in den verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen markiert sind.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Teildarstellung einer Vorrichtuna gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ist eine Teilseitenansicht der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 zeigt eine andere Teilseitenansicht der Vorrichtung nach Fig. 1, gesehen in Richtuna der Linie 3-3 der Fig. 2,

Fig. 4 ist eine Teildraufsicht auf die Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 5 ist eine Teildraufsicht auf eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung, und

Fig. 6 ist eine perspektivische Teildarstellung einer alternativen Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, bei der die Serie von Bändern einander durchsetzen.

Die in jüngster Zeit eingetretene Verminderung in der Zugänglichkeit von Wiederaufbereitungsanlagen für verbrauchte Brennstoffstäbe hat einen erheblichen Bedarf für vergrößerte Lageranlagen zur Folge. Demgemäß ist es wünschenswert, eine Lagervorrichtuna zu schaffen, die in der Lage ist, eine maximale Anzahl von Brennstoffbaugruppen in einem gegebenen Volumen zu speichern. Während ein Bedürfnis besteht, Brennstoff baugruppen mit maximaler Speicherdichte zu lagern, besteht die wichtigste und alles überschattende Forderung, daß

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die Lagervorrichtung verhindern rr.u3, daß die spaltbaren Massen eine physikalische Geometrie annehmen, bei der die kombinierte Masse kritisch werden kann. Dieses Erfordernis muß in allen Fällen und zu allen Kosten erfüllt werden, und deshalb muß eine Lagervorrichtung ^ür verbrauchten Brennstoff das Entstehen einer kritischen Masse selbst bei Auftreten schwerster seismischer Störungen verhindern. Es ist dabei zu berücksichtigen, daß je nach der Brennstoffanreicherung die unbeabsichtigte Bewegung einer einziaen Brennstoffbaugruppe hinreichen kann, um eine lokale kritische Masse in dem Lagerfeld zu erzeugen. Das nachfolgend beschriebene, bevorzugte Ausführunosbeispiel ist eine Vorrichtung, bei der eine maximale Lagerdichte erzielt wird, und zugleich sichergestellt ist, daß eine kritische Masse selbst bei Auftreten eines schweren Erdbebens vermieden wird.

Das Ausführungsbeispiel ist generell in Fig. 1 dargestellt, die eine Lagervorrichtuna für die Lagerung von Kernbrennstoffbaugruppen unter Wasser in einem Brennstoffspeichertank darstellt. Solche Speichertanks oder Lagerbecken haben die Aufgabe, neuen oder ausgebrannten Kernreaktorbrennstoff zu speichern. Ausgebrannter Brennstoff ist hochradioaktiv und erzeugt erhebliche Mengen an Abklingwärme. Infolgedessen ist es notwendig, den verbrauchten Brennstoff dauernd zu kühlen, um die Abklingwärme abzuführen. Die üblichen Mittel für das Abführen der Abklingwärme sind die Zirkulation des Wassers längs der Länge der Brennstoff baugruppe, wobei die VJärme durch die Mechanismen der Wärmeleitung und Konvektion abgeführt wird. Das erhitzte Wasser muß dann aus dem Speicherbecken für verbrauchten Brennstoff abgeführt werden und in einem äußeren Wärmetauscher gekühlt werden. Das Brennstofflagergestell gemäß der Erfindung besteht aus einer Mehrzahl einzelner, neutronenabsorbierender Behälter 12, in denen die Brennstoffbaugruppen für die Lagerung untergebracht sind. In der bevorzuaten Ausführunasform haben diese Behälter 12

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polygonalen Querschnitt, der eng angepaßt ist an den polygonalen Querschnitt der Kernbrennstoffbaugruppen (üblicherweise quadratisch). Die Behälter 12 sind Rohre mit offenen Enden in einer Länge mindestens gleich oder größer als die Länge der aktiven Bereiche der zu lagernden Brennstoffbaugruppen. Jeder diskrete neutronenabsorbierende Behälter 12 kann gefertigt werden durch Extrudieren eines quadratischen Metallrohres geeigneter' Dicke oder durch Verschweißen zweier L-Profile entsprechender Dicke. Das metallische Material ist vorzugsweise eines mit hohem Neutroneneinfangguerschnitt, wie etwa Edelstahl. Alternativ können die Behälter auch aus einem Material mit niedrigem Neutroneneinfangguerschnitt bestehen, an dem Material mit hohem Einfangquerschnitt befestigt ist oder in dem solches aufgenommen ist, wie 3or, Cadmium oder Gadolinium. Beim Ausführungsbeispiel wird ein quadratischer Edelstahlbehälter verwendet mit einer Dicke zwischen o,5 bis 1,27 cm, wobei die bevorzugte Dicke o,635 cm beträgt. Um das Einführen der Brennstoffbaugruppen in diese einzelnen, dicht anlieaenden Behälter zu erleichtern, können die Wandungen der Behälter an einem Ende nach außen aufgeweitet sein. Es sollte iir. Auge behalten werden, daß zwar die bevorzugte Orientierung der diskreten neutronenabsorbierenden Behälter vertikal ist, doch ist es durchaus auch möglich, ein Speichergestell zu konstruieren, bei dem die Lagerbehälter eine von der vertikalen abweichende Orientierung aufweisen.

In der bevorzugten Ausführungsform ist eine Merhrzahl von diskreten neutronenabsorbierenden Behältern in einem Feld aus Reihen und Säulen angeordnet, so daß sich Zwischenräume 16 und 18 zwischen den Reihen und Säulen ergeben. Die Kombination der neutronenabsorbierenden Abschirmungen und der Zwischenräume, welche mit Wasser gefüllt werden, ergeben eine NeutronenfIuSfalle, die eine dichtere Anordnung der spaltbaren Massen gestattet als sonst möglich wäre. Bei dem

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bevorzugten Ausführuncrsbeisoiel nach Fig. 1, 2, 3 und 4 v/erden die einzelnen neutronenabsorbierenden Abschirmungen 12 in einer Abständematrix angeordnet durch ein strukturelles ¥ Gitter, bestehend aus strukturellen Gliedern oder Streben 20, 22, 24 und 26. viie man am besten in Fig. 4 und 1 erkennen kann, ist eine erste Serie von Streben 20 in einem parallelen Abstandsfeld angeordnet. Auf einer anderen Höhe ist eine zweite Serie von im Abstand liegenden parallelen Streben so angeordnet, daß die Streben die erste Serie von Streben 20 unter einen Winkel von 90° kreuzen. In der Draufsicht gemäß Fig. 4 kann man erkennen, daß rechteckige Kanäle von den ersten und zweiten Serien von Streben begrenzt werden. Neutronenabsorbierende Abschirmungen 12 werden dann in die Durchlässe, begrenzt von den ersten und zweiten Serien von Streben 20 und 22, eingefügt. Jede einzelne neutronenabsorbierende Abschirmung 12 wird in eine Ecke des Durchlasses gesetzt, gebildet von den ersten und zweiten Serien von Streben, so daß sich Abstandslücken 18 und 16 ergeben, wie oben erläutert. Die diskreten neutronenabsorbierenden Abschirmungen 12 sind jeweils starr an einer Strebe der ersten Serie von Streben 20 und an einer Strebe der zweiten Serie von Streben 22 befestigt. Diese starre Befestigung hat vorzugsweise die Form von Schweißnähten 28 und 30, zwischen den neutronenabsorbierenden Abschirmungen 12 und der Strebe 20 bzw. Schweißnähten 46 und 32 zwischen den neutronenabsorbierenden Abschirmungen 12 und den Streben 22. Es sollte berücksichtigt werden, daß zusätzliche (nicht dargestellte) Schweißnähte vertikal zwischen den Ecken der vertikal orientierten diskreten neutronenabsoribierenden Abschirmungen 12 und den Seiten der Streben 20 bzw. 22 vorgesehen werden können. Es ist auch festzuhalten, daß die Streben Metallbänder, wie in den Figuren dargestellt, sein können, oder eine andere geeignete Form aufweisen können, etwa Winkelprofile oder ü-Profile.

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Eine dritte und vierte Serie von Streben 24 und 26 kann außerdem in ähnlicher Weise auf einer niedrigeren Höhe anoeordnet werden. Diese dritten und vierten Streben 24 und 26 sind am besten in Fig. 2 und 3 erkennbar, und sind in ähnlicher Weise an den einzelnen neutronenabsorbierenden Abschirmungen 12 durch Schweißnähte 40, 42, und 48 befestigt. Fig. 5 zeigt eine andere Anordnung der Speicherfeider, bei denen die unteren Streben 24 und 26 nicht direkt unter den oberen Streben 20 und 22 liegen, sondern versetzt sind, so daß sich ein zweites Gitter ergibt, welches die Befestiaung der diskreten neutronenabsorbierenden Behälter 12 an den unteren Streben 24 und an Seiten ermöglicht, die aegenüber jenen Seiten der Behälter 12 liegen, die vorher für die Befestigung an den Streben 20 und 22 benutzt worden waren.

Fig. 6 zeigt eine Abwandluna des Ausführunqsbeispiels, bei der die Streben 20 und 22 nicht auf unterschiedlicher Höhe liegen, sondern auf derselben Höhe. Dies wird bewirkt in an sich bekannter Weise durch Einschneiden jeder Strebe auf der Hälfte ihrer 3reite von oben nach unten und jeder der Streben 20 auf der Hälfte ihrer Ereite von unten nach oben, wonach die Streben 20 und 22 mit einander verfügt werden durch Zusammenschieben der Streben, bis sie auf gleicher Höhe liegen.

Durch die oben beschriebenen und in Fig. 1 bis 6 dargestellten Vorrichtungen ergibt sich eine Anordnung, welche die einzelnen Behälter voneinander in einem Abstand hält, der mindestens gleich einer vorgegebenen Neutronenbremsdistanz (16, 18) liegt. Dieser vorgegebene Minimum-Neutronenbremsabstand wird dabei als derjenige Abstand definiert, der vorher berechnet worden ist um sicherzustellen, daß das Feld von gespeicherten Brennstoffbaugruppen keine kritische Masse erreichen kann. Um dieses

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Konzept besser zu verstehen, ist es instruktiv ein Neutron bei seinem Weq aus einer Brennstoffbauqrupr>e zur nächsten zu betrachten. Beim Austreten aus einer Brennstoffbaugruppe zur nächstbenachbarten Brennstoffbaugruppe muß das Neutron nahcheinander durch einen sehr engen Uasserspalt laufen, dann durch eine EÄelstahlplatte, nämlich eine Wandung des diskreten neutronenabsorbierenden Behälters 12, einen Soalt 16 oder 18, gefüllt mit einem Moderator, wie Wasser oder Borat-Uasser, und eine zweite Edelstahlplatte, nämlich einen Teil des nächstbenachbarten diskreten neutronenabsorbierenden Behälters 12, der die nächstbenachbarte Brennstoffbaugruppe umschließt. Es ist auch möglich, daß das Neutron in dem Spalt 16 oder 18 reflektiert wird und zur ersten Stahlplatte des Behälters 12 zurückkehrt. Bei seinem Durchgang durch diese vier Medien verhält sich ein typisches Neutron wie folat: Eeim Auftreffen auf die erste Edelstahlplatte ist ein typisches Neutron ein "schnelles" Neutron, das aus dem Brennstoff austritt und eine so hohe Energie besitzt, daß es durch dieses erste neutronenabsorbierende Material im wesentlichen unbeeinflußt und unabsorbiert hindurchgeht. Beim Durchgang durch den benachbarten Wasserspalt 16 oder 18 wird das typische Neutron durch das Wasser von der hohen Energie auf eine niedrige Enerqie moderiert, und wird damit "langsam" oder zu einem Neutron niedriger Energie. Schließlich wird das Neutron beim Auftreffen auf die zweite Edelstahlplatte oder beim ^r<7iederauftreffen auf die erste Edelstahlplatte nach Reflektion im Wasserspalt 16 oder 18 absorbiert, da das Neutron auf einen Energiepegel moderiert worden ist, der die Absorption des Neutrons durch das neutronenabsorbierende Material gestattet. Es ist wichtig, den "sehr engen Wasserspalt" zwischen der Brennstoffbaugruppe und dem sie umschließenden Behälter auf einem Minimum aus zwei Gründen

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zu halten: Erstens, um die Möglichkeit der Bewegung der eingeschlossenen Brennstoffbaugruppe aus ihrer bevorzugten zentralen Position minimal zu machen, und zweitens, um eine Situation zu verhindern, in der das Neutron auf niedrige Energie moderiert wird, und dann, entweder von dem ^Ti7assermoc!erator oder von dem neutronenabsorbierenden Material des umschließenden diskreten Behälters reflektiert wird. Es kann gezeiat werdon, daß durch Vergrößerung der Breite des Wasserspaltes unmittelbar an der gelagerten Brennstoffbaugruppe "die Wahrscheinlichkeit dieser Reflektion erhöht wird, v/as den Effekt mit sich brinat, daß die Reaktivität der gelagerten Brennstoffbaugruppen erhöht wird; dies ist ein unerwünschtes Ergebnis. Demgemäß sollte der innere Spalt in keinem Falle 1,5 cm übersteigen und die Abmessung des Spaltes 16 oder 18 wird so berechnet, daß ein innerer Spalt von O angenommen wird. _ft

Die Anordnung von benachbarten Brennstoffbaugruppen, umschlossen von einzelnen oder diskreten neutronenabsorbierenden Behältern ist eine "Neutronenflußfalle", in der jedes Neutron, das sich von einer Brennstoffbaugruppe durch einen Moderator zu einer anderen Brennstoffbaugruppe oder zurück zu der ursprünglichen Brennstoffbaugruppe bewegt, sequentiell einem Moderiermaterial öd und dem Einfangmaterial ausgesetzt wird. Hauptsächlich infolge Anwendung dieses Flußfallenprinzips kann bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung die Lagerdichte ausgebrannter Brennstoffbaugruppen erheblich gesteigert werden. Die Abmessungen, insbesondere der Neutronen- bremsabstand durch den Wasserspalt zwischen benachbarten dis kreten neutronenabsorbierenden Behältern 12, hängen von einer Anzahl von Paktoren ab, u.a. Art des spaltbaren Materials, Brennstoffanreicherungsgrad der gelagerten Brennstoffbau gruppe, und Dicke sowie Typ des neutroenenabsorbierenden Ma terials. In der bevorzugten Ausführungsform ist der vorgegebene Minimum-Neutronenbremsabstand 9,5 cm.

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Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zum sicheren und raumsparenden Lagern einer Mehrzahl von spaltbaren Massen untereinander gleicher Form und Größe mit einer in ein Polygon passenden Querschnittsgestalt, welche Vorrichtung im Abstand voneinander angeordnete, jeweils einer der Massen zugeordnete neutronenabsorbierende Abschirmungen umfaßt, gekennzeichnet durch

(a) eine erste Serie von im Abstand voneinander in parallelen Reihen angeordneten Streben (20),

(b) eine zweite Serie von im Abstand voneinander in parallelen Reihen angeordneten Streben (20), die unter einem Winkel zu den Streben der ersten Serie verlaufen, der gleich dem Winkel zwischen zwei nicht parallelen Seiten des Polygons ist, wobei die Strebenserien quer zu denselben verlaufende Durchlässe begrenzen, und

(c) je eine Abschirmung (12) in einem Durchlaß, starr befestigt an je einer Strebe der ersten und zweiten Serie.
2) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Strebenserie auf einer ersten Höhe und die zweite auf einer zweiten, zur ersten versetzten Höhe angeordnet ist.

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3) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch

(a) eine dritte Serie von im Abstand voneinander in parallelen Reihen auf einer dritten Höhe angeordneten Strebe (24), befestigt an den Abschirmungen, und

(b) eine vierte Serie von im Abstand voneinander in parallelen Reihen auf einer vierten Höhe angeordneten Streben (26), befestigt an den Abschirmungen.
4) Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten und vierten Strebenserien an einem Ende der Abschirmungen, die ersten und zweiten Strebenserien am anderen Ende der Abschirmungen angeordnet sind.
5) Vorrichtung nach einem derr Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben mit den Abschirmungen verschweißt sind.
6) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben und die Abschirmungen aus Edelstahl bestehen.
7) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmungen und die Durchlässe quadratischen Querschnitt aufweisen.
8) Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände benachbarter Streben in den Strebenserien gleich oder größer sind als die größte Querschnittsabmessung der Abschirmungen plus ein Minimum-Neutronenbremsabstand.
9) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben der ersten Serie eine Mehrzahl von Einschnitten aufweist und die Streben der zweiten Serie ebenfalls eine Mehrzahl von Einschnitten aufweisen, und daß die Vorrichtung durch Einfügen der

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Streben jeder Serie in die Einschnitte der anderen Serie montiert ist (Fig. 6).