DE2740933B1

DE2740933B1 - Transport- bzw. Lagerbehaelter fuer radioaktive Stoffe,insbesondere bestrahlte Kernreaktorbrennelemente

Info

Publication number: DE2740933B1
Application number: DE2740933A
Authority: DE
Inventors: Henning Dr Baatz; Juergen Fischer; Dieter Rittscher
Original assignee: Rheinisch Westfaelisches Elektrizitaetswerk AG; Steag Kernenergie GmbH
Current assignee: RWE AG; Steag Kernenergie GmbH
Priority date: 1977-09-10
Filing date: 1977-09-10
Publication date: 1979-01-18
Also published as: GB2003783B; ZA785057B; LU80208A1; NL7808727A; FR2402929A1; NL175475B; US4272683A; IT7827413A0; NL175475C; DE2740933C2; ES473153A1; CA1111577A; ATA651978A; BE870309A; FR2402929B1; GB2003783A; CH632101A5; AT366847B; IT1174390B; SE7809487L

Description

Die Erfindung betrifft einen Transport- bzw. Lagerbehälter für radioaktive Stoffe, insbesondere bestrahlte Kernreaktorbrennelemente, bestehend aus Topf und aufgesetztem Verschlußdeckel, wobei der Topf eine metallische Außenschicht eine gegossene metallische Zwischenschicht und eine Innenschutzhaut aufweist feo

Zum Schutz des Bedienungspersonals und der Öffentlichkeit unterliegen derartige Behälter besonders strengen Sicherheitsvorschriften. So müssen zunächst unter normalen Bedingungen ausreichende mechanische Festigkeit und ausreichende Abschirmung von Gammastrahlung sowie sonstiger Strahlung gewährleistet sein.

Bei den (aus der Praxis) bekannten Behältern der genannten Gattung und Zweckbestimmung bestehen die Außenschicht und die Innenschutzhaut aus geschweißten Stahlkonstruktionen, während die Zwischenschicht zur Abschirmung von Gammastrahlung in Bleiguß ausgeführt ist Da radioaktive Stoffe, insbesondere bestrahlte Kernreaktorbrennelemente, oftmals beachtliche Spaltungswärme abgeben, ist die Topfwandung derartiger Behälter regelmäßig noch von Rohrleitungen eines geschlossenen Kühlmittelkreislaufs durchbrochen, über die der Behälterinnenraum mit Wasser gekühlt werden kann und die bei den bekannten Behältern mit der Stahlaußenschicht und der Stahlinnenschutzhaut verschweißt sind. Die obengenannten Erfordernisse müssen aber nicht nur unter normalen Bedingungen, sondern auch unter Unfallbedingungen eingehalten werden. Hierzu unterzieht man die Behälter in einem Modelltest einem freien Fall aus 9 m Höhe auf eine unnachgiebige Oberfläche bzw. aus 1,2 m Höhe auf einen definierten Dorn und einer äußeren Wärmeeinwirkung mit einer Temperatur von 800⁰C über einen Zeitraum von 30 Minuten. Um diesen Test zu bestehen, muß die Stahlaußenschicht der bekannten Behälter besonders dickwandig ausgeführt sein, damit diese sich beim Fall nicht im ganzen soweit deformiert, daß die angeschweißten Rohrleitungen abreißen und eine Kontamination durch austretendes radioaktives Kühlmittel verursachen. Zur Verhinderung eines Aufschmelzens und Herabsetzens der Abschirmwirkung der Bleizwischenschicht bei äußerer Wärmeeinwirkung sind besondere Isolationsmaßnahmen erforderlich, wie beispielsweise eine feuchte Gispzusatzschicht zwischen Stahlaußenschicht und Bleizwischenschicht Bei Ausfall des Kühlmittelkreislaufes besteht jedoch auch die Gefahr eines Aufschmelzen der Bleizwischenschicht von innen her durch freigesetzte Spaltungswärme. Schließlich bedürfen die Schweißkonstruktionen im Zuge der Behälterherstellung aufwendiger Prüfungen, zumal der abschließende Bleiguß unzulässige Wärmespannungen in die geschweißten Stahlkonstruktionen eintragen kann. Im Ergebnis sind die bekannten Behälter praktisch einer Serienfertigung nicht zugänglich und aus diesem Grunde auch extrem teuer.

Es sind aber auch gattungsgemäße Transport- und Lagerbehälter bekannt (DE-OS 21 05 581), bei denen die gegossene Zwischenschicht aus einer Eisenkohlenstofflegierung besteht Der behälterartige Zwischenschichtkörper ist von einem geschlossenen Stahlmantel umgeben, in den Innenraum sind Stahlrohre eingesetzt, die die radioaktiven Stoffe aufnehmen. Zwischen dem Zwischenschichtkörper und dem Stahlmantel sowie zwischen den Stahlrohren bzw. den Stahlrohren und dem Zwischenschichtkörper ist ein pulverförmiger Werkstoff guter Leitfähigkeit angeordnet Auch hier ist der Aufbau aufwendig. Die Abschirmwirkung der aus einer Eisenkohlenstofflegierung gegossenen Zwischenschicht ist — bei vorgegebener Wanddicke — verbesserungsbedürftig. Im übrigen ist es grundsätzlich bekannt (Kerntechnik, 5. Jahrgang 1963, Heft 3, S. 140) bei Behältern für die Aufnahne von radioaktiven Stoffen auch Kupfer als Abschirmschicht einzusetzen, wozu die Behälter als Doppelwandbehälter ausgeführt, der Wandzwischenraum unter Vakuum gesetzt und im Zwischenraum Abschirmschichten aus Kupfer angeord net werden. Das hat die Gestaltung und Entwicklung von gattungsgemäßen Transport- bzw. Lagerbehältern bisher nicht beeinflußt Darüber hinaus ist auch hier die Abschirmwirkung der Abschirmschichten bei vorgegebener Wanddicke verbesserungsbedürftig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Behälter anzugeben, bei dem bei vorgegebener Wanddicke insgesamt die Abschirmwirkung verbessert ist, der darüber hinaus mit verhältnismäßig geringen Kosten in Serie hergestellt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß die Außenschicht und die Zwischenschicht aus einer Eisenkohlenstoff- oder Kupferlegierung gegossen sind und die Zwischenschicht zumindest teilweise als to Gußmatrix mit darin eingebetteten, einen oberhalb 800⁰C liegenden Schmelzpunkt aufweisenden Schwerstmetallstücken ausgeführt ist

Die Erfindung nutzt hierbei zunächst die Erkenntnis, daß eine Gußaußenschicht die mechanischen Belastungen wesentlich günstiger aufzunehmen vermag als eine geschweißte Stahlkonstruktion, weil sich die Gußaußenschicht unter Unfallbedingungen nicht im ganzen verformt, sondern nur an der Aufschlagstelle etwas abplattet Wandungsdurchbrühe, Rohre und deren Verschlüsse bleiben dabei praktisch unverformt und funktionstüchtig. Außerdem nutzt die Erfindung die Erkenntnis, daß in Gußmatrix dicht an dicht liegende Schwerstmetallstücke mit einem oberhalb 800⁰C liegenden Schmelzpunkt auf herstellungstechnisch einfachste Weise unter allen Bedingungen — auch bei stark erhöhter Temperatur — einwandfreie Gammastrahlungsabschirmung gewährleisten. Mit den eingesetzten Werkstoffen behält der Behälter auch bei Ausfall eines ggf. vorhandenen, über den Behälterinnenraum geführten Kühlmittelkreislaufes seine Integrität; auf einen derartigen Kühlmittelkreislauf kann sogar verzichtet werden. Außerdem werden durch die Verwendung der Gußmatrix mit den Schwerstmetallstücken Leistungsgewichte erreicht, die denen der bekannten Behälter 3s zumindest ebenbürtig sind. Die eingesetzte Gußtechnik ist bekanntermaßen für die Serienproduktion besonders gut geeignet, da wenigstens die äußeren Gußformen mehrmals verwendet werden können. Die verhältnismäßig dünne, unproblematische Innenschutzhaut besteht am besten aus einem topfförmigen Behältnis aus rostfreiem Stahl, das im Zuge des Gießens mit der Zwischenschicht verbunden wird. Andere Innenschutzhäute, beispielsweise in Form von Galvanoüberzügen, sind jedoch ebenfalls möglich.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im Ergebnis in der wesentlich einfacheren und billigeren Herstellbarkeit der Behälter zu sehen.

Für die weitere Ausgestaltung bestehen im Rahmen der Erfindung mehrere Möglichkeitea Vorteilhafterweise sind die Außenschicht und die Zwischenschicht bzw. deren Gußmatrix als einheitlicher Gußkörper, d. h. in einem einzigen Guß ausgeführt Ein Guß in mehreren Stufen kann aber auch praktiziert werden. Als Gußlegierung ist insbesondere Gußeisen mit Kugelgraphit vorzuziehen. Die in die Gußmatrix eingebetteten Schwerstmetallstücke bestehen nach einer besonderen Ausbildung der Erfindung aus abgereicherten Uranstükken, insbesondere in Form von Kugeln. Abgereichertes Uran fällt nämlich im Zuge der Uranaufbereitung in bo verhältnismäßig großen Mengen an und ist infolge der bisherigen Nichtnutzung verhältnismäßig preisgünstig erhältlich. Zur Neutronenabsorption kann die Gußlegierung der Außenschicht und der Zwischenschicht bzw. deren Gußmatrix homogen verteilt Absorbermaterial enthalten. In Kombination bzw. alternativ hierzu kann die Außenschicht auch mit Absorber- und/oder Moderatormaterial gefüllte Kanäle aufweisen. Als Absorbermaterial eignet sich insbesondere Borkarbid und als Moderatormaterial ein stark wasserstoffhaltiges Material. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Außenschicht und/oder die Zwischenschicht außerhalb der Gußmatrix nicht mit dem Behälterinnenraum in Verbindung stehende, eingegossene Kühlmittelleitungen auf, mit denen der normalerweise unter Überdruck stehende Behälter zum leichten Entfernen des Verschlußdeckels kontaminationsfrei heruntergekühlt werden kann. Ferner weist der Behälter vorzugsweise äußere, einstückig mit der Außenschicht gegossene Mantelkühlrippen auf, deren Oberfläche maschinell bearbeitet und mit einem Schutzüberzug versehen ist, welch letzterer beispielsweise galvanisch, als Metallspray oder als Einbrennlack aufgebracht werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 einen Behälter im Längsschnitt und teilweise in Seitenansicht,

F i g. 2 den Behälter nach F i g. 1 im Querschnitt und teilweise in Aufsicht

Der in den Figuren dargestellte Behälter ist ein Transport- bzw. Lagerbehälter für radioaktive Stoffe, insbesondere bestrahlte Kernreaktorbrennelemente. In seinem grundsätzlichen Aufbau besteht er aus einem Topf 1 und einem aufgesetzten, mit Schrauben 2 befestigten Verschlußdeckel 3. Der Topf 1 weist eine metallische Außenschicht 4, eine gegossene metallische Zwischenschicht 5 und eine Innenschutzhaut 6 aus rostfreiem Stahl auf. Die Außenschicht 4 und die Zwischenschicht 5 sind aus einer Eisenkohlenstoff- oder Kupferlegierung gegossen, wobei die Zwischenschicht 5 als Gußmatrix 7 mit darin eingebetteten, einen oberhalb 80O⁰C liegenden Schmelzpunkt aufweisenden Schwerstmetallstücken 8 ausgeführt ist Die Außenschicht 4 und die Zwischenschicht S bzw. die Gußmatrix 7 sind zusammen als einheitlicher Gußkörper aus Gußeisen mit Kugelgraphit ausgeführt Die in die Gußmatrix 7 eingebetteten Schwerstmetallstücke 8 sind dicht an dicht liegende Kugeln aus abgereichertem Uran. Die Außenschicht 4 des Gußkörpers 4,5 weist mit Absorber- und/oder Moderatormaterial gefüllte Kanäle 9 auf. In den Figuren erkennt man zwei Stutzen 10 von Wandungsdurchbrüchen bzw. Rohrleitungen, die mit dem Behälterinnenraum 11 in Verbindung stehen und über die der Behälterinnenraum U mit Wasser gefüllt bzw. entleert werden kann. Nicht dargestellt ist, daß in die Außenschicht 4 noch Kühlmittelleitungen eingegossen sein können, die nicht mit dem Behälterinnenraum U in Verbindung stehen. Schließlich sind äußere Mantelkühlrippen 12 vorgesehen, die einstückig mit der Außenschicht 4 gegossen und anschließend maschinell bearbeitet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Transport- bzw. Lagerbehälter für radioaktive Stoffe, insbesondere bestrahlte Kernreaktorbrennelemente, bestehend aus Topf und aufgesetztem Verschlußdeckel, wobei der Topf eine metallische Außenschicht, eine gegossene metallische Zwischenschicht und eine Innenschutzhaut aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht (4) und die Zwischenschicht (S) aus einer Eisenkohlenstoff- oder Kupferlegierung gegossen sind und die Zwischenschicht (5) zumindest teilweise als Gußmatrix (7) mit darin eingebetteten, einen oberhalb 800° C liegenden Schmelzpunkt aufweisenden Schwerstmetallstücken (8) ausgeführt ist

2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht (4) und die Zwischenschicht (5) bzw. deren Gußmatrix (7) als einheitlicher Gußkörper ausgeführt sind.

3. Behälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußlegierung der Außenschicht (4) und der Zwischenschicht (5) bzw. deren Gußmatrix (7) aus Gußeisen mit Kugelgraphit besteht

4. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Gußmatrix (7) eingebetteten Schwerstmetallstücke (8) aus abgereicherten Uranstücken bestehen.

5. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußlegierung der Außenschicht (4) und der Zwischenschicht (5) bzw. deren Gußmatrix (7) homogen verteilt Absorbermaterial enthält

6. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht (4) mit Absorber- und/oder Moderatormaterial gefüllte Kanäle (9) aufweist

7. Behälter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet daß das Absorbermaterial aus Borkarbid besteht

8. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß die Außenschicht (4) und/oder die Zwischenschicht (5) außerhalb der Gußmatrix (7) eingegossene Kühlmittelleitungen aufweisen.

9. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß äußere Mantelkühlrippen (12) einstückig mit der Außenschicht (4) gegossen sind.