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Abschirmbehälter für radioaktive Abfälle
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Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf einen Abschirmbehälter
für den Transport und für die Lagerung von radioaktiven Abfällen, insbes. von ausgebrannten
(bestrahlten) Brennelementen von Kernreaktoren, - mit aus Stahlguß oder Gußeisen
bestehendem, im wesentlichen zylindrischem Behältermantel, der außenseitig angeformte
oder aufgesetzte Kühlrippen aufweist. - Der Ausdruck
Gußeisen umfaßt
im Rahmen der Erfindung insbesondere auch sphärolithisches Gußeisen. Der Behältermantel
ist auch dann im wesentlichen zylindrisch, wenn er einen mehr oder weniger rechteckigen
oder quadratischen Grundriß mit abgerundeten Grundrißecken aufweist und wenn darüber
hinaus der Behältermantel innenseitig und/oder außenseitig leicht konisch oder kegelförmig
verläuft.
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Bei den bekannten Abschirmbehältern der beschriebenen Gattung (DE-AS
19 34 o48) sind die Kühlrippen aus Abschnitten aus im Querschnitt winkelförmigen
Profilstäben gebildet, die in Richtung des Behälterumfanges angeordnet und mit einem
Profilschenkel an den Behältermantel angeschweißt sind, wobei dieser Profilschenkel
mit dem Behältermantel einen Winkel von etwa 450 bildet.
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- Das genügt in bezug auf die angestrebte Kühlwirkung den Anforderungen
zumindest dann nicht, wenn es sich um Abschirmbehälter handelt, die stehend gelagert,
jedoch liegend transportiert werden, und die sowohl stehend als auch liegend eine
vorgegebene Kühlfunktion erfüllen müssen. Stehende Lagerung meint, daß die Achse
des zylindrischen Beiätermantels im wesentlichen vertikal angeordnet ist, im liegenden
Zustand verläuft diese Achse im wesentlichen horizontal. Tatsächlich muß aber die
Kühlwirkung sowohl im stehenden Zustand als auch im liegenden Zustand ausreichend
sein, wenn gefährliche Uberhitzungen vermieden werden sollen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Abschirmbehälter
zu schaffen, bei dem die Kühlwirkung sowohl im
stehenden Zustand
als auch im liegenden Zustand ausreichend ist, bei der also insbes. bei stehender
Lagerung und liegendem Transport ausreichende Kühlwirkung sichergestellt ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß die Kühlrippen
aus einer Vielzahl von Kühlrippenabschnitten bestehen, die zu Kühlrippenreihen zusammengefaßt
sind, und daß die Kühlrippenabschnitte in benachbarten Kühlrippenreihen unter Freilassung
von Strömungsstraßen, die im wesentlichen parallel zur Zylinderachse verlaufen,
pfeilförmig nebeneinander angeordnet sind. Pfeilförmig meint hier, daß die Kühlrippenabschnitte
in den Kühlrippenreihen in einer Projektion auf den Behältermantel gleichsam fischgrätenartig
angeordnet sind. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist die Anordnung
so getroffen, daß die Kühlrippenabschnitte in benachbarten Kühlmittelreihen einen
Pfeilwinkel von etwa 900 einschließen. Das bedeutet, daß in bezug auf eine Mantellinie,
die parallel zur Zylinderachse verläuft, dieser Winkel etwa 45° beträgt.
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Im Rahmen der erfindungsgemäßen Baulehre kann die Gestaltung der Kühlrippenabschnitte
an sich und für sich ohne Schwierigkeiten den speziellen Verhältnissen angepaßt
werden, die es zu beherrschen gilt. Das gilt insbes. in bezug auf unterschiedliche
Größen des Abschirmbehälters ingesamt und damit in bezug auf die Höhe sowie die
Wanddicke des Behältermantels. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung besitzen
die Kühlrippenabschnitte bei einer Höhe h des Behältermantels von 5700 mm eine Länge
von etwa h/12 bis h/6, während die Kühlrippenhöhe etwa h/'50 bis h/30 ausmacht.
Die
einzelnen Kühlrippenabschnitte sollen dabei in den Kühlrippenreihen
einen Abstand von etwa h/ 300 bis h/115 besitzen, ihre Dicke mag dann etwa h/ 300
bis h/80 betragen. Im Rahmen der Erfindung trägt die Strömungsstraße zum Wärmeübergang
bei. Sie soll nicht zu breit sein. Ihre Breite liegt nach bevorzugter Ausführungsform
der Erfindung bei einem Abstand A der Kühlrippenabschnitte in den Kühlrippenreihen
im Bereich von 1,5 A bis 2,0 A.
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Ein erfindungsgemäßer Abschirmbehälter genügt in bezug auf die Kühlwirkung
überraschenderweise allen Anforderungen, wobei sich erreichen läßt, daß sich die
Kühlwirkung bei stehender Lagerung und liegendem Transport nicht wesentlich unterscheidet,
obwohl für das Wärmedurchgangsproblem an sich und für sich bei stehender Lagerung
einerseits und liegendem Transport andererseits ganz andere Randbedirgingen gelten.
Verwirklicht man einen erfindungsgemäßen AbschirmbehälfEr im Rahmen der konkreten
Lehre der Erfindung, bei der also die Länge der Kühlrippenabschnitte, deren Abstand
in den Kühlrippenreihen und die Dicke der Kühlrippen in der beschriebenen Weise
auf die Höhe des Behältermantels bezogen ist, so erfüllt ein erfindungsgemäßer Abschirmbehälter
ohne weiteres auch alle Anforderungen, die in mechanischer Hinsicht an den Abschirmbehälter
insgesamt und an die Kühlrippen und deren Widerstand gegen mechanische Beanspruchungen
gestellt wird, wenn der Behältermantel aus einem an sich bekannten Gußwerkstoff
für Abschirmtransport- und Lagerbehälter aufgebaut ist.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert.
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Es zeigen in schematischer Darstellung
Fig. 1 die
Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Abschirmbehälters Fig. 2 einen Schnitt in
Richtung A-A durch den Gegenstand nach Fig. 1 und Fig. 3 die Abwicklung des Behältermantels
aus dem Gegenstand nach Fig. 1.
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Der in den Figuren dargesellte Abschirmbehälter 1 ist für den Transport
und für die Lagerung von radioaktiven Abfällen, insbes.
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von ausgebrannten Brennelementen von Kernreaktoren bestimmt. Er besitzt
einen aus Stahlguß oder Gußeisen bestehenden im wesentlichen zylindrischen Behältermantel
2. Dieser Behältermantel 2 ist außenseitig mit angeformten oder aufgesetzten Kühlrippen
3 versehen. - Zum Abschirmbehälter 1 gehört selbstverständlich, daß an den Behältermantel
2 ein Behälterboden 4 angeschlossen ist und daß auf den Behältermantel 2 auch ein
Deckel 5 aufgesetzt ist. Auch der Behälterboden 4 und der Behälterdeckel 5 erfüllen
die dem Abschirmbehälter 1 insgesamt zukommende Abschirmfunktion.
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Die Wanddicke des Behältermantels 2 sowie die Wanddicke von Deckel
5 und Boden 4 sind entsprechend eingerichtet.
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Aus einer vergleichenden Betrachtung der Fig. 1 und 3 entnimmt man,
daß die Kühlrippen 3 aus einer Vielzahl von Kühlrippenabschnitten 6 bestehen. Diese
sind zu Kühlrippenreihen 7 zusammengefaßt. Die Kühlrippenabschnitte 6 in benachbarten
Kühlrippenreihen 7 sind unter Freilassung von Strömungsstraßen 8, die im wesentlichen
parallel zur Zylinderachse 9 verlaufen, pfeilförmig nebeneinander angeordnet. Das
bedeutet, daß die Kühlrippenabschnitte
6 in den Kühlrippenreihen
7 in einer Projektion auf den Behältermantel 2 gleichsam fischgrätenartig angeordnet
sind. - Der Begriff Strömungsstraße 8 bringt zum Ausdruck, daß es sich in aerodynamischer
Strenge nicht um Strömungskanäle handelt, daß aber nihtsdestoweniger die Luft, die
einen erfindungsgemäßen Abschirmbehälter 1 umgibt in diesen Strömungsstraßen 8 bevorzugt
strömt, wenn der Abschirmbehälter 1 im stehenden Zustand aufgestellt oder abgestellt,
beispielsweise gelagert ist. Insbes. aus der Fig. 3 ergibt sich, daß die Kühlrippenabschnitte
6 in benachbarten Kühlrippenreihen 7 einen Pfeilwinkel a von etwa 900 zueinander
anschließen, d. h. in bezug auf eine Mantellinie 10 einen Winkel von 450 bilden.
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Nur angedeutet ist, daß die Kühlrippenabschnitte 6 bei einer Höhe
h des Behältermantels von 5700 eine Länge L von etwa h/12 bis h/6 aufweisen, während
die Rippenhöhe H im Bereich von h/ 50 bis h/30 liegt. Der Abstand A der Kühlrippenabschnitte
6 in den Kühlrippenreihen beträgt etwa h/'300 bis h/115, die Dicke D der Kühlrippenabschnitte
6 mag bei h/ 300 bis h/80 liegen. - Die Strömungsstraßen 8 besitzen eine Breite
B die im Bereich von 1,5 A bis 2,0 A liegt.
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Wie aus der Theorie und der Praxis hinreichend bekannt ist, bestimmt
bei einem Wärmedurchgangsproblem der größte Einzelwiderstand die Wärmedurchgangszahl.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei einem Abschirmbehälter 1 für
den Transport und für die Lagerung von radioaktiven Abfällen, insbes. also
von
ausgebrannten Brennelementen von Kernreaktoren, dieser Widerstand auf der Außenseite
des Behältermantels 2 liegt. Gestaltet man die Kühlrippen 3 nach der Lehre der Erfindung,
so erreicht man, daß sowohl bei vertikaler Aufstellung als auch bei liegender Aufstellung
bzw. bei liegendem Transport weitgehend die gleiche Wärmeabgabe durch Konvektion
bzw. Strahlung erreichbar ist. Das gilt insbes. dann, wenn das Verhältnis aus der
Höhe h des Behältermantels 2 zum unberippten Außendurchmesser im Bereich von 2 bis
3, insbes. bei 2,75 liegt. Tatsächlich kann man bei derartigenAbschirmbehältern
1, wenn sie für die Aufnahme von ausgebrannten Brennelementen von Kernreaktoren
bestimmt sind, mit einer treibenden Temperaturdifferenz von 40 K rechnen. Im übrigen
erhält man sowohl bei vertikaler Aufstellung als auch bei horizontaler Aufstellung
in der Umgebungsluft ausgesprochene Wirbelströmungen. Diese bewirken eine sehr große
Steigerung des Wärmeübergangs. Die Temperaturgrenzschichten werden bei der erfindungsgemäßen
Ausführungsform klein gehalten und daraus resultiert ein sehr großer mittlerer Wärmeübergangskoeffizient,
der größer ist als bei einer laminaren oder turbulenten Längsströmung.
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