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Einrichtung zur Vermeidung der Kontamination eines
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Brennelementlagerbeckens Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung
zur weitgehendsten Vermeidung der Kontaiination eines Brennelementlagerbeckens,
insbesondere einer WaerfUllun6 durch eingelagert.
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Brennelemente. Ein solches Brennelementlagerbecken hat unter anderem
die Auf gabe, verbrauchte Brennelenente, die später einer Wideraufbereitungsanlage
zuzuführen sind, solange aufzunehmen bis deren Strahlung soweit abgeklungen ist,
daß sie in entsprechenden Transportbehältern gefahrlos abtransportiert werden können.
Da solche Brennelemente oft als über mehrere Jahre in einem Kernreaktor eingesetzt
waren, ist es möglich, daß sich an ihrer Oberfläche, d.h. an der Oberfläche der
einzelnen Brennstäbe, aus denen ein solches Brennelement zusaniengesetzt ist, Verunreinigungen
angelagert haben, die unter Umständen bei der weiteren Handhabung der Elemente abfallen
können. Infolge der außerordentlich hohen Strahlungsdichte innerhalb des Reaktorkernes
sind solche Verunreinigungen zumeist ebenfalls radioaktiv geworden. Weiterhin ist
es möglich, daß die Hüllen oder die Endstopfen einiger Brenristäbe defekt geworden
sind, so daß aus ihnen bei der weiteren Handhabung und Lagerung aktiver Brennstoff
austreten kann. Aus solchen Schäden können außerdem Spaltprodukte in wasserlöslicher
oder gasförmiger Gestalt austreten.
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Diese Erscheinungen verursachen unter Umständen eine starke Kontamination
des Brenneleaentlagerbeckens, insbesondere einer Wasserfüllung, so daß entsprechend
große Filteranlagen für das Beckenwasser vorgesehen werden müssen und außerdem zusätzliche
Dekontaminationsarbeiten bei der Reinigung der Becken notwendig werden. Die Kontamination
des Brennelementlagerbeckens kann dabei so groß werden, daß zusätzliche Abschirmungsnaßnahmen
erforderlich werden.
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Es stellte sich daher die Aufgabe, die Lagerung der verbrauchten Brennelemente
so durchzuftihren, daß keine wesentliche Kontamination des Brennelementlagerbeckens
stattfinden kann und auch bei der Bewegung der Brennelemente insbesondere keine
Feststoffteilchen innerhalb des Lagerbeckens verloren gehen können.
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Diese Aufgabe wurde erfindungsgeiiß durch eine Einrichtung 6elöst,
die aus der Brennelementform angepaßten und gleichzeitig als Transportbehälter dienenden,
vom Beckenwasser kühlbaren Metallhülsen besteht, in die die Brennelemente eingesetzt
sind.
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Eine Möglichkeit für die Ausbildung einer solchen Hülse besteht darin,
daß sie innen und außen alt dei Beckenwasser in Berührung steht, wobei der Wassereinlaß
am Boden derselben so gestaltet ist, daß von eingesetzten Brenneleient evtl. abfallende
Fest stoffteilchen innerhalb der Hülsen verbleiben. Eine andere Möglichkeit ist
die, daß die Hülse mit dem eingesetzten Brennelement vollkommen verschlossen ist
und mit einem abnehsbaren gleichzeitig als Griff dienenden Deckel, einem Überdruckventil
sowie einer Füll- und Entleerungsleitung für die zur W§rmeabfuhr benötigte innere
Wasserfüllung versehen ist.
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Auf diese Weise ist dafür Sorge getragen, daß in jedem Fall sich von
den Brennstäben lösende Feststoffteilchen innerhalb der Hülse absetzen und nicht
auf den Boden des Brennelementlagerbeckens gelangen können und daß auch im zweiten
Fall zusätzlich austretende flüssige oder gasförmige radioaktive Stoffe innerhalb
der
Hülse verbleiben, so daß das Beckenwasser auch durch solche Stoffe nicht kontaminiert
werden kann.
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In den Fig. 1 bis 5 sind verschiedene Ausführungsbeispiele zur näheren
Erläuterung des Gegenstandes dieser Erfindung schematisch dargestellt. Die Fig.
1 zeigt eine ausschnittsweise Draufaicht auf ein Brennelementlagerbecken. In diesem
ist das Lagergestell aus den sich kreuzenden Enden 1 und 2 zu sehen, das damit die
schachtförmigen Aufnahmeräume 12 für je ein Brennelement 3 bildet. Die Wände 1 und
2 sind dabei mit stark neutronenabsorbierenden Materialien, wie z.B. Cadmium, Bor,
Gadolinium usw. versehen, damit das Zustandekommen einer kritischen Masse durch
die eingelagerten Brennelemente, deren Zahl durchaus jener in eigentlichen Reaktorkern
entsprechen kann, mit Sicherheit vermieden wird.
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In dieser Darstellung sind nur drei Schächte 12 mit Brennelementen
3 besetzt, wobei in dem einen Fall das ungeschützte Brennelement eingesetzt ist,
wie es dem Stande der Technik entspricht, darunter ist eingezeichnet ein Brennelement
3, das sich in einer rechteckigen Hülse 4 befindet, die mit einem Handgriff 41 versehen
ist. In dieem Falle befindet sich also auch der Innenraum der Hülse 4 in Verbindung
mit dem übrigen Beckenwasser. In der anderen Darstellung ist das Brennelement 3
in eine runde Hülse 5 eingesetzt, die mit inneren und äußeren Zentrierfahnen versehen
ist, die außerdem noch der verbesserten Wärieabführung dienen. In diesem Beispiel
ist die Hülse 5 geschlossen. Der Innenraum hat praktisch keine Verbindung mit den
umgebenden Außenmesser. Die Ausführungsform ist in den Jil. 3 und 4 über dargestellt.
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Die Fig. 2 zeigt nun verschiedene Möglichkeiten der offenen Ausführungsform
der )?Ulse 4. Der untere Bereich 6 der Hülse 4 trägt Einrichtungen zur Rückhaltung
evtl. abfallender Verunreinigungen; infolge der Nachzerfallswärme bildet sich innerhelb
der Hülse eine Strömung aus. Wie die Pfeile zeigen, tritt
das Beckenwasser
unten in die Hülse ein und verläßt diese im Bereich des Griffes 41 wieder. Der Griff
41 ist hier als einfacher Bügel dargestellt, seine Ausbildungsform wird sich nach
dem Greifmechanismus der Lademaschine des Kernreaktors bzw.
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eines entsprechenden Transportwerkzeuges richten. Eine weitere mögliche
Ausführung ist eine Verstärkung des Randes an der oberen Kastenöffnung oder das
Anbringen anderer Vorrichtungen, die es ennöglichen, den Kasten mit einem entsprechenden
Werkzeug zu greifen und zu transportieren. In den Teilfiguren 2a bis 2f sind nun
verschiedene Möglichkeiten der Rückhaltevorrichtung am Fuße 6 der Hülse 4 dargestellt.
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Nach Fig. 2a ist die Hülse geschlossen und besitzt seitliche Bohrungen
63, die mit einem Gitter versehen sind.
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In Fig. 2b ist zusätzlich noch eine Hülse 64 zur Umlenkung der einlaufenden
Strömung vorgesehen, so daß evtl. abfallende Feststoffteilchen mit Sicherheit daran
gehindert werden, durch die Öffnungen 63 in das Beckenwasser zu gelangen.
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Eine Variante dieser Lösung ist in Fig. 2c dargestellt. Hier ist ein
fingerhutartiger Körper 65 mit der Öffnung nach unten in das Hülsenrohr 4 eingesetzt
und mit seitlichen Öffnungen 65a versehen, evtl. abfallende Feststoffteilchen sammeln
sich im Ringspalt zwischen diesem Körper 65 und der Hülse 4.
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Die Ausbildungsform dieser Anordnung nach Fig. 2d besteht praktisch
aus ähnlichen Teilen. Hier ist der Fingerhut 66 mit den seitlichen Bohrungen 66a
niet seiner Stirnseite nach unten in die Hulse 4 eingesetzt, so daß die Strömung
in den Ringspalt eintritt und sich die Feststoffteilchen am Boden des Körpers 66
sammeln können.
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Ohar, seitliche Bohrungen sind die Konstruktionen nach der Jis. 2e
und 2i«. Nach Fig. 2e strömt das Beckenwasser durch das lehr 61 in die Pulse 4 ein
und wird dort durch dsa unten ellen
napfförmige Bauteil 62 in der
dargestellten Weise umgelenkt.
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Abfallende Feststoffteilchen sammeln sich im Ringraum um das Rohr
61.
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Nach Fig. 2f tritt das Kühlwasser über den Ringraum des napfförmigen
Körpers 67 zur Hülse 4 ein und wird durch ein mit der Hülse 4 dicht verbundenes
in den Napf 67 hineinragendes Rohr 64 umgelenkt. Eventuell abfallende Feststoffteilchen
sammeln sich dann am Boden des napfförmigen Bauteiles 67.
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Durch die Teilfiguren 2a bis 2f ist dargestellt, daß es die verschiedensten
Möglichkeiten für die Zurückhaltung evtl. abfallender Feststoffteilchen gibt. Die
hier dargestellten Formen sind selbstverständlich nicht vollständig, zumal die endgültige
Form derselben auch von der äußeren Gestalt des Brennelementes abhängt, das z.B.
im Querschnitt quadratisch, kreisförmig oder sechseckig usw. gehalten sein kann.
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Wie bereits eingangs erwähnt, läßt sich allerdings mit dieser Ausfuhrungsform
eine Kontamination des Beckenwassers durch Austreten der wasserlöslichen und gasförmigen
Spaltprodukte nicht vermeiden. Eine wesentliche Verringerung wäre 3edoch auch mit
diesen Ausfuhrungsformen erreichbar, wenn zur Unterbindung des Wasseraustausches
ein Deckel vorgesehen wird und die Nachzerfallswärme durch Wärmeleitung über die
Hülsenwand abgeführt wird.
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Eine vollständige Vermeidung der Kontamination ist jedoch mit den
in Fig. 3 - 5 dargestellten Ausführungsformen möglich. Diese unterscheiden sich
von der in Fig. 2 dargestellten grundsätzlich dadurch, daß die Hülse nicht mehr
offen, also in ihrem Inneren nicht mehr mit dem Beckenwasser in Verbindung steht,
sondern geschlossen ist, also einen vollständigen Abschluß des eingesetzten Brennelementes
gegenüber dem Wasser des Lagerbeckens gewährleistet. Auf diese Weise bleiben evtl.
aus dem Brennelement
austretende radioaktive Stoffe, gleich welcher
Gestalt, innerhalb der Hülse, das Beckenwasser bleibt praktisch von jeglicher Kontamination
verschont.
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Fig. 3 zeigt den schematischen Aufbau einer derartigen Hülse 5, sie
ist mit einem Deckel 51, an dem ein Griffsttick 59 befestigt ist, versehen, der
z.B. über eine O-Ringdichtung gegenüber der Hülse 5 abgedichtet und mit dieser z.B.
verschraubt ist. Es könnte jedoch im Prinzip auch ein Spannverschluß 52, wie er
aus der Behältertechnik her bekannt ist, Verwendung finden.
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Das Beladen dieser Hülse geschieht wie in Falle der AustUhrunssform
nach Fig. 2 unter Wasser, so daß der Innenraum wassergefüllt ist. Alsdann wird der
Deckel 51 aufgesetzt und abdichtend mit dem Hülsenkörper 5 verbunden. Für den Fall,
daß eine sehr große Erwärmung des eingesetzten Brennelementes oder ein Ubergroßer
Austritt von Spaltgasen stattfindet, ist eine Druckentlastung über ein Sicherheitsventil
64 vorgesehen. Dieses wUrde Çann für kurze Zeit öffnen, der damit verbundene Austritt
von im Wasser gelöster radioaktiver Kontamination ist daher nur sehr gering.
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Da die Nachzerfallswärme des eingesetzten Brennelementes 3 nicht über
eine Konvektionsströmung, sondern nur durch Wärmeleitung über die Hülsenwandung
5 an das Beckenwasser abgegeben werden kann, ist es zweckmäßig, eine Vergrößerung
der wärmetauschenden Flächen nach an sich bekannter Technik vorzunehmen. Im Beispiel
der Fig. 3 ist der Deckel 51 mit äußeren Kühlrippen 57 und inneren Kühlrippen 58
versehen, an die äußeren ist dabei das Griffstück 59 angebaut. Zur Erhöhung der
Wirksamkeit dieser Kühlrippen ist eine Strömungsleiteinrichtung 53, die kaminähnliche
Gestalt hat, oberhalb des Brennelementes 3 innerhalb der Hülse 5 vorgesehen, so
daß die Strömung innerhalb dieser Hülse den mit Pfeilen angedeuteten Verlauf nimmt
und damit die Wärmeabfuhr über die im Kopfteil 51 angebrachten Kühlrippen verbessert.
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Eine weitere Ausführungsform dieses Prinzips ist in den Fig. 4 und
5 dargestellt. Hier ist die Hülse 5 über ihre ganze Länge mit inneren und äußeren
Kühlrippen 58 und 57 versehen, siehe die Querschnittsdarstellung von Fig. 5. Diese
Kühlrippen dienen dabei gleichzeitig zur Justierung der Hülse 5 innerhalb des Schachtes
12, der aus den gestrichelt angedeuteten Wänden 1 und 2, siehe Fig. 5, gebildet
ist. Die Hülse 5 ist möglichst druckfest ausgebildet und hat daher in diesem Beispiel
kreisrunden Querschnitt. Der Deckel 51 ist hier flach und eben gehalten, da die
Wärmeabführungsmöglichkeit über die gesamte Länge der Hülse 5 vorgesehen ist. Das
Sicherheitsventil 54 ist seitlich angeordnet, selbstverständlich könnte dasselbe
auch, wie in dem Beispiel von Fig. 3, im Deckel 51 vorgesehen sein. Im weiteren
Unterschied zu dem vorgenannten Beispiel sind hier Füll- und Entleerungsstutzen
55 und 56 bzw. Leitungen vorgesehen, mit deren Hilfe die Wasserfüllung innerhalb
dieser Hülse 5 nach Ablauf der Lagerzeit, wenn also diese Einrichtung aus dem Brennelementlagerbecken
entnommen werden kann, austauschbar ist.
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Dies ist zweckmäßig, da das Brennelement für seinen weiteren Transport
zur Wiederaufbereitungsanlage in dieser Hülse 5 verbleibt und mit dieser in die
üblichen Versandbehälter eingesetzt wird. Dies hat den Vorteil, daß die großen Versandbehälter
nach Durchführen des Transportes kaum mehr dekontaminiert zu werden brauchen und
alsbald wieder zum erneuten Einsatz bereitstehen. Die Hülsen 5 bzw. 4 selbst sind
auf ihren Innenseiten möglichst glatt gehalten, so daß sich die dort evtl. ansammelnde
Aktivität leicht beseitigen läßt, dies gilt auch für die Auffangeinrichtungen in
den Beispielen 2a bis 2f, die unter Umständen leicht auswechselbar gestaltet werden
können.
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In das Material der Hülsen 4 bzw. 5 - normalerweise rostfreier Stahl
- werden zweckmäßigerweise neutronenabsorbierende Substanzen, wie z.B. Bor, Cadmium,
Gadolinium usw. einlegiert oder
eingemischt, so daß dadurch der
Abschirmeffekt des Lagergestelles im Brennelementbecken vergrößert wird, bzw. dessen
Konstruktion leichter gehalten werden kann.
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Nicht unerwähnt soll bleiben, daß innerhalb der Hülsen 4 bzw. 5 auch
von den Kühlfahnen 58 abweichende Abstandselemente vorgesehen werden können. Deren
Ausbildung richtet sich dabei jeweils nach der Art der aufzunehmenden Brennelemente,
die neben einer unterschiedlichen Querschnittsgeometrie nach Art der Siedewasser-bzw.
Druckwasserreaktorbrennelemente mit oder ohne äußeren Kühlmittelführungsmantel versehen
sein können.
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Selbstverständlich gelten diese Einrichtungen auch für die Brennelemente
gasgekühlter Kernreaktoren, soweit sie eine vergleichbare Gestalt haben, da diese
ebenfalls in wassergefüllten Becken zwischengelagert werden müssen. Auch kugelförmige
Brennelemente könnten innerhalb solcher Hülsen zwischengelagert werden.
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Die hier dargestellten Ausführungsformen dienen lediglich der Darstellung
des grundsätzlichen Erfindungsgedankens. Die endgültige Wahl der Gestaltung richtet
sich nach der Art des evtl.
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bereits vorhandenen Lagergestelles sowie der Geometrie der aufzunehmenden
Brennelemente.
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6 Patentansprüche 5 Figuren
L e e r s e i t e