DE2944825A1

DE2944825A1 - Lagereinrichtung fuer fluessiges radioaktives material

Info

Publication number: DE2944825A1
Application number: DE19792944825
Authority: DE
Inventors: Alfred Leonard Mills; John Reekie; Cheshire Warrington; John Arnold Williams
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1978-11-07
Filing date: 1979-11-06
Publication date: 1980-05-14
Also published as: DE2944825C2; FR2441245B1; US4299271A; FR2441245A1; JPS6239718B2; JPS5572000A

Description

OR. BERG DIFL-ING. STAPF DIPL-ING. SCHWABE DR. DR. SANDMAIR

PATENTANWÄLTE

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Postfach 860245 · 8000 München 86 C v> '■* -¹

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United Kingdom Atomic Energy Authority 11 Charles II Street, London SW1Y 4QP Großbritannien

Lagereinrichtung für flüssiges radioaktives Material

Ansprüche -

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M089)988272 Telegramme: Bankkonten: Hypo-Bank München 4410122850

98H73 BEROSTAPFPATENT München (BLZ 70020011) Swifl Code: HYPO DE MM

91(274 TELEX: Bayer. Vemnsbank München 453100 (BLZ 70020270)

983310 0524560 BERG d Postscheck München 65343-808 (BLZ 70010080)

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Die Erfindung bezieht sich auf die Lagerung von flüssigem radioaktivem Material.

Der Ausdruck "flüssiges radioaktives Material" bezeichnet in diesem Zusammenhang u.A. Lösungen und Schlämme, wie sie bei der Aufbereitung von abgebrannten Kernbrennstoffen anfallen. In einem Kernreaktor bestrahlte Kernbrennstoffe werden gewöhnlich aufbereitet, um Uran und Plutonium von den Spaltprodukten zu trennen. Die Spaltprodukte sind sehr stark radioaktiv und müssen über lange Zeit gelagert werden. In einem bekannten Verfahren werden die Spaltprodukte in Form von Lösungen oder Schlämmen in großen Becken gelagert, welche Kühlschlangen zum Abführen der Zerfallswärme und Einrichtungen zum Umwälzen der Lösung bzw. des Schlamms im Becken aufweisen. Eine zum Verhindern von Sedimentansammlungen an den Wänden des Beckens und an den Kühlschlangen ausreichende Umwälzung läßt sich bei einem großen Flüssigkeitsvolumen jedoch nur schwer gewährleisten. Aus Sicherheitsgründen müssen daher Reservebecken vorhanden sein, in welche die Lösung oder der Schlamm der Spaltprodukte überführt werden können, falls am ursprünglichen Becken irgendwelche Schäden auftreten. Die Investitionskosten für solche Reservebecken sind sehr hoch, so daß es zweckmäßig ist, die Anzahl der notwendigen Becken möglichst niedrig zu halten.

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Eine Lagereinrichtung für flüssiges radioaktives Material enthält gemäß der Erfindung Rohrleitungskreise für die Aufnahme des radioaktiven Materials, Einrichtungen zum Umwälzen des radioaktiven Materials in den Rohrleitungskreisen und Einrichtungen zum Umwälzen eines die Außenflächen der Rohrleitungskreise bestreichenden flüssigen Kühlmittels.

Das flüssige Kühlmittel kann in einem Becken enthalten sein, wobei die Rohrleitungskreise dann in der im Becken enthaltenen Kühlflüssigkeit versenkt sein können. Anderenfalls kann die Kühlflüssigkeit einen Ringspalt zwischen koaxial angeordneten Rohren durchströmen, deren inneres das flüssige radioaktive Material enthält.

Das flüssige Kühlmittel aus dem Becken bzw. aus dem Ringspalt kann mittels Pumpen über einen Wärmetauscher umgewälzt werden. Bei einem Ausfall der Pumpen kommt die Strömung des Kühlmittels zum Stillstand, so daß die Temperatur des radioaktiven Materials in den Rohrleitungskreisen ansteigt. Es ist jedoch unerwünscht, daß das radioaktive Material in den Rohrleitungskreisen zum Sieden kommt. Darüber hinaus tritt bei steigenden Temperaturen des radioaktiven Materials eine verstärkte Korrosion der Rohrkreisläufe ein. Um bei einem Ausfall der Umwälzpumpen für das Kühlmittel das Sieden des radioaktiven Materials und eine entsprechende Zunahme der Korrosion zu verhindern, ist deshalb vorzugsweise ein

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sekundäres Kühlsystem vorhanden.

Im Falle von innerhalb eines Beckens in einem darin enthaltenen flüssigen Kühlmittel versenkten Rohrleitungskreisen kann oberhalb des Beckens ein Kondensator angeordnet sein, welcher bei einem Anstieg der Kühlmitteltemperatur auf einen Wert, bei welchem eine verstärkte Verdampfung auftritt, jeglichen Verlust von Kühlmittel verhindert. Der Kondensator ist vorzugsweise luftgekühlt, so daß für seinen Betrieb keine Antriebskraft erforderlich ist, und er ist vorzugsweise so groß bemessen, daß auch beim Sieden des Kühlmittels keine Verluste desselben auftreten.

Die Einrichtung zum Umwälzen des flüssigen radioaktiven Materials in den Rohrleitungskreisen weist beispielsweise eine Fluid-Pumpe auf, welche durch eine unter Druckluftsteuerung schwingende Flüssigkeitssäule angetrieben ist.

Als Kühlflüssigkeit eignet sich beispielsweise Wasser. Falls ein Becken jedoch mit einem Rücklaufkondensator versehen ist, wie vorstehend beschrieben, wird vorzugsweise eine Kühlflüssigkeit mit einer Siedetemperatur von ca. 60 bis 80 ⁰C verwendet, so daß die Temperatur der Rohrleitungskreise nicht bis zu einem Wert ansteigen kann, bei welchem die Korrosion übermäßig stark wird. Beispiele für verwendbare Kühlmittel sind u.A. Methanol, Isopropanol, Methylenchlorid, Tetrachlorkohlenstoff und andere Halogen-Kohlenwasserstoffe wie etwa die unter der

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Bezeichnung Freon im Handel befindlichen. Bei einem Ausfall der das Kühlmittel umwälzenden Pumpen verhindert die den Rohrleitungskreisen beim Sieden des Kühlmittels entzogene latente Verdampfungswärme eine übermäßige Erwärmung der Rohrleitungskreise.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung einer Lagereinrichtung für flüssiges radioaktives Material in einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 eine schematisierte Darstellung einer Lagereinrichtung in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einem Kühlsystem für ein umgewälztes flüssiges Kühlmittel sowie einem sekundären Kühlsystem.

In der in Fig. 1 gezeigten Anlage erkennt man ein Becken 1 mit einem flüssigen Kühlmittel, welches mittels (nicht gezeigter) Pumpen über (nicht dargestellte) Wärmetauscher umgewälzt wird, um die Zerfallswärme des radioaktiven Materials abzuführen. In dem im Becken 1 enthaltenen Kühlmittel sind fünf Rohrleitungskreise 2 versenkt, von denen jedoch nur einer dargestellt ist. Die Rohrleitungskreise 2 sind jeweils aus nahtlos gezogenen rostfreien Stahlrohren und haben eine Abzweigung 3» an welcher eine Schwingkammer 4 angeschlossen ist. Über ein Paar Absperrorgane 5» 6 ist die Schwingkammer 4- intermittierend mit Druckluft gespeist, welche eine in der Kammer vorhandene

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Flüssigkeitssäule in Schwingungen versetzt. Die Schwingungen der Flüssigkeitssäule in der Kammer 4 werden von einer Fluidpumpe 7 in eine Umwälzströmung des radioaktiven Materials durch den Rohrleitungskreis 2 in Richtung der Pfeile umgesetzt. Die Fluidpumpe 7 arbeitet
nach dem Prinzip einer Flüssigkeitsdiode und hat innerhalb des Beckens 1 keinerlei bewegliche Teile. Eine
weitere Anzweigung 8 des Rohrleitungskreises 2 erstreckt sich aufwärts über den Flüssigkeitsspiegel im Becken 1. Sie dient dazu, den Rohrleitungskreis 2 zu füllen und
zu entleeren, Proben der Flüssigkeit daraus zu entnehmen und gegebenenfalls Instrumente in die Flüssigkeit abzusenken, beispielsweise zum Messen der Temperatur.

Der dargestellte Rohrleitungskreis 2 ist beispielsweise aus nahtlos gezogenem rostfreiem Stahlrohr mit einem
Durchmesser von ca. 254· mm und einer Gesamtlänge von
ca. 137»25 m. Ein derartiger Rohrleitungskreis hätte dann ein Fassungsvermögen von ca. 7 m .

Die Rohrleitungskreise 2 sind möglichst nahe nebeneinander in das Becken 1 eingesetzt, so daß eine möglichst große Anzahl darin untergebracht werden kann. Um den
Raum innerhalb des Beckens möglichst vollständig auszunützen, können Rohrleitungskreise unterschiedlicher
Formen und Abmessungen und mit verschiedenen Rohrdurchmessern darin angeordnet sein.

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Im Betrieb wird das flüssige radioaktive Material von der Fluidpumpe 7 entlang dem Rohrleitungskreis 2 umgewälzt. Dadurch verringert sich die Gefahr einer Ablagerung von Sedimenten an den Rohrwandungen, welche anderenfalls die Wärmeübertragung durch die Wände hindurch beeinträchtigen würde. Falls es sich bei dem Kühlmittel im Becken 2 um Wasser handelt, wird dieses vorher chemisch behandelt, um die Korrosion der Rohrleitungen und des Beckens möglichst gering zu halten. Das Kühlmittel wird vorzugsweise fortlaufend überwacht, um eine Undichtigkeit eines Rohrleitungskreises anzeigende Zunahme der Radioaktivität möglichst frühzeitig zu entdecken. Falls einer der Rohrleitungskreise undicht werden sollte, braucht lediglich das darin enthaltene radioaktive Material in einen anderen Lagerbehälter überführt zu werden. Das als Reserve bereitzuhaltende LagerungsvoIumen ist daher kleiner als bei einer Lagerung in Becken. Falls ein Rohrleitungskreis undicht wird, können die übrigen Kreise im Becken verbleiben, und lediglich der undichte Kreis muß stillgesetzt oder ausgewechselt werden. Das Undichtwerden eines einzigen Rohrleitungskreises erfordert somit nicht die Preisgabe des gesamten Beckens und der dazugehörigen Abschirmungen, wie dies bei Lagerung des radioaktiven Materials in Becken der Fall ist, bei welcher ein Becken und die dazugehörigen Abschirmungen durch Undichtwerden erheblich kontaminiert werden und deshalb nicht weiter benutzt werden können.

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Eine andere Ausführungsform kann aus zwei koaxialen Bohren erstellt werden. Das flüssige radioaktive Material wird dabei im inneren Rohr gelagert und die Kühlflüssigkeit über den Eingspalt zwischen den beiden Rohren umgewälzt. Ein solcher aus koaxialen Rohren aufgebauter Rohrleitungskreis kann in der in Fig. 1 gezeigten Weise in einem Becken angeordnet und durch Umwälzung einer Kühlflüssigkeit, z.B. Wasser, im Becken zusätzlich gekühlt werden.

In Fig. 2 erkennt man ein Becken 1 und einen Rohrleitungskreis 2. Dieser hat den gleichen Aufbau wie der in Fig. 1 dargestellte, seine Teile sind deshalb mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Im normalen Betrieb wird das Kühlmittel über eine Leitung 10 aus dem Becken abgeführt und gelangt über einen Wärmetauscher 11 und eine Pumpe 12 zurück ins Becken 1. Der Wärmetauscher wird mittels von einer Pumpe 13 umgewälzten Wassers gekühlt, worauf das Wasser in einem Kühlturm 14 rückgekühlt wird. Mit dem Becken 1 verbunden ist ein luftgekühlter Kondensator 15 zum Kondensieren von verdampftem Kühlmittel und Rückführen desselben in das Becken

Bei Ausfall irgendwelcher Teile des Kühlsystems und damit dem Ausfall oder einer Verlangsamung der Umwälzung der Kühlflüssigkeit bewirkt die von dem radioaktiven Material im Rohrleitungskreis 2 freigesetzte Zerfallswärme einen Anstieg der Temperatur des radioaktiven

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Materials selbst sowie der Kühlflüssigkeit im Becken 1. Der Temperaturanstieg kann sich solange fortsetzen, bis die Kühlflüssigkeit ihren Siedepunkt erreicht. Der durch das Sieden der Kühlflüssigkeit freigesetzte Dampf wird im Kondensator 15 kondensiert und das Kondensat in das Becken 1 zurückgeführt. Die siedende Flüssigkeit entzieht ihre latente Verdampfungswärme den Rohrleitungskreisen, so daß deren Temperatur auf einem dem Siedepunkt der Flüssigkeit entsprechenden Wert gehalten wird. Die Verwendung einer Kühlflüssigkeit mit einer Siedetemperatur von etwa 60 bis 80 ⁰C gewährleistet dabei, daß die Temperatur innerhalb der Rohrleitungskreise nicht bis zum Siedepunkt des flüssigen radioaktiven Materials oder bis zu einem Wert ansteigt, bei welchem die Korrosion der Rohre durch das radioaktive Material übermäßig stark wird. Im normalen Betrieb hält die umgewälzte Kühlflüssigkeit die Temperatur des flüssigen radioaktiven Materials so niedrig wie möglich. Nur bei einem Ausfall der Kühlung durch das umgewälzte Kühlmittel tritt das sekundäre Kühlsystem mit dem Kondensator 15 in Wirkung.

Das die Rohrleitungskreise umgebende Kühlmittel stellt eine zusätzliche Abschirmung im Falle eines Undichtwerdens eines Rohrleitungskreises dar. Die Lagerung in den Rohrleitungskreisen anstatt in Becken macht es möglich, das Erreichen eines kritischen Zustands bei Plutonium enthaltenden Flüssigkeiten zu vermeiden, indem der Geometrie der Rohre die erforderliche Sicherheit zugrunde

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gelegt xvird. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Lagereinrichtung ist auch dadurch erleichtert, daß di'e Rohrleitungskreise vor dem Einbau einzeln geprüft werden können. Die Umwälzung des flüssigen radioaktiven Materials und der Kühlflüssigkeit sowie die große Ausdehnung der Oberflächen der Rohrleitungskreise begünstigen die Wärmeübertragung vom radioaktiven Material auf die Kühlflüssigkeit.

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Claims

P_a t e η t a n s_g r_ü_c h_e

M., Lagereinrichtung für flüssiges radioaktives Material, gekennzeichnet durch Rohrleitungskreise (2) für die Aufnahme des flüssigen radioaktiven Materials, durch Einrichtungen (3 bis 7) zum Umwälzen des radioaktiven Materials in den Rohrleitungskreisen und durch Einrichtungen (10 bis 12) zum Umwälzen eines die Außenflächen der Rohrleitungskreise bestreichenden flüssigen Kühlmittels.
2. Lagereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Kühlmittel in einem Becken (1) enthalten ist und daß die Rohrleitungskreise in dem Kühlmittel im Becken versenkt sind.
3. Lagereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel den Ringspalt zwischen koaxialen Rohren durchströmt, deren inneres das flüssige radioaktive Material enthält.

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4. Lagereinrichtung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennz eichnet, daß sie einen Wärmetauscher (11) sowie Einrichtungen (10, 12) zum Umwälzen des flüssigen Kühlmittels aus dem Becken (1) bzw. aus dem Ringspalt über den Wärmetauscher zum Rückkühlen desselben aufweist.
5. Lagereinrichtung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein sekundäres Kühlsystem (15) zum Verringern der Folgen eines Ausfalls der Umwälzeinrichtung für das Kühlmittel aufweist, welches im Falle von in dem in einem Becken (1) enthaltenen Kühlmittel versenkten Rohrleitungskreisen einen Kondensator zum Kondensieren von verdampftem Kühlmittel und Einrichtungen zum Zurückführen des Kondensats in das Becken aufweist.
6. Lagereinrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennz eichnet, daß der Kondensator (15) luftgekühlt ist und eine zum Vermeiden von Verlusten des Kühlmittels auch beim Sieden desselben ausreichende Größe hat.
7. Lagereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Umwälzen des flüssigen radioaktiven Materials in den Rohrleitungskreisen eine Pluid-Pumpe (7) aufweist.

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8. Lagereinrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet daß die Fluidpumpe (7) von einer unter Druckluftsteuerung schwingenden Flüs sigkeitssäule (4 bis 6) angetrieben ist.

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ORIGINAL INSPECTED