DE3007876A1 - Hochgeschwindigkeits-wasserstrahl-zerkleinerung ausgedienter brennelemente aus kernkraftwerken - Google Patents

Description

• 2. Beschreibung des beantragten Patents
• Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl-Zerkleinerung ausgedienter Brennelemente aus Kernkraftwerken 2.1. Zweck der Erfindung Das nachfolgend beschriebene Verfahren gibt die Möglichkeit Brennelemente aus Kernkraftwerken (Leichtwasser-Moderierte-Siede- oder Druckwasser-Reaktoren) wie sie derzeit beispielsweise in den Kernkraftwerken Biblis oder Philippsburg eingesetzt werden, zu zerkleinern, um die Wiederaufarbeitung bzw. Rückgewinnung von Uran und Plutonium zu erreichen.
• 2.2. Stand der Technik und Kritik 2.2.1. Kurzbeschreibung des Brennelements Prototypisch wird das Brennelement aus einem Druckwasser-Reaktor der 1.300 MWe-Baulinie der Kraftwerk Union betrachtet. Es ist ein quadratisches Bündel (230 mm Kantenlänge), das aus einer 16 x 16 Anordnung von 236 Brennstäben und 2o Steuerstabsführungsrohren gemäß Anlage Abb. 1 besceht.
• Die Führungsrohre bilden zusammen mit einer Reihe von Abstandshaltern sowie den Kopf-und Fußstück das Skelett, in das die Brennstäbe federnd eingebaut sind.
• Die Abstandshalter sind aus Stahl gefertigt. Die Brennstäbe bestehen aus den Kernbrennstoff-Tabletten und einem Hüllrohr (Außendurchmesser 10,75 mm) aus Zircaloy-4 (Zr 98,5 %, Sn 1,5 %, Fe, Cr).
• Die Hüllrohrwanddicke beträgt o,725 mm und die Hüllrohrlänge insgesamt 4.835 mm. Der Brennstab ist beidseitig mit einem Zircaloystopfen verschweißt. In einem Gasraum oberhalb der Tablettensäule (Füllgas Helium zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit und Spannungsreduzierung durch Vorinnendruck bis ca. 30 bar), der einer Längenausdehnung der Tablettensäule und der Aufnahme der gasförmigen Spaltprodukte zur Verfügung steht, befindet sich eine Druckfeder.
• Der Kernbrennstoff UO2 liegt in Form von Pellets (Durchmesser ca. 1o mm, Länge ca. 15 mm) in keramischer Form (Dichte 9,65 g/cm3, Schmelzpunkt 2.865°C) vor und verliert durch die Energiegewinnung während der 3 Jahre Standzeit im Kernreaktor an Festigkeit.
• 2.2.2. Chemische Zerkleinerung Die Wiederaufarbeitungsanlage EUROCHEMIC bei Mol in Belgien verarbeitete von 1968 bis 1973 ca.
• 180 t Kernbrennstoffe. Die Brennelement-Hülsen wurde mit verschiedenen Säuren selektiv aufgelöst. Der so freigelegte Kernbrennstoff in Form der Pellets wurde dann in Salpetersäure aufgelöst.
• Für dieses Verfahren spricht, daß keinerlei Beschränkung hinsichtlich der Form besteht, indem die in äußerer Form und Zusammensetzung des Materials verschiedenartigen Brennelementtypen durch den chemischen Aufschluß verarbeitet werden konnten.
• Gegen das Verfahren spricht, daß das Hüllrohrmaterial nicht genügend selektiv abgelöst, sondern auch Brennstoff mit aufgelöst wird, so daß Brennstoffverluste entstehen. Außerdem führt die Auflösung zu einer Volumenvergrößerung.
• 2.2.3. Mechanische Zerkleinerung Die Brennstoffverluste und das erhöhte Abfallvolumen bei der chemischen Enthülsung haben weltweit die Entwicklung dahingehend gefördert, daß die Brennstäbe mechanisch zerlegt und in kurze Stücke zerschnitten werden, um aus dem Hüllrohr den Brennstoff mit Salpetersäure herauszulösen.
• Dazu werden die Brennelementschere, die Brennelemente werden in keiner Weise vorbehandelt, die Bündelschere, die Kopf-und Fußstücke werden vorher abgetrennt, und die Stabschere, die Brennelemente werden zerlegt, benutzt.
• Die Stabschere wird seit 1952 von der BNFL in Windscale in England und seit 1971 von der WAK in Karlsruhe benutzt. Das Zerschneiden von vereinzelten Stäben x) Stoller, S.l., Richards R.B.; Reactor Handbook, Vol.
• II: "first Dort on the activities of the Eurochemic Company". Geneva, Paris, OECD, 1961.
• bietet als wichtigsten Vorteil eine gute Schnittqualität, z.B. offene Enden der Stücke ohne Verquetschungen. Dazu werden kleine Scheren einfacher Bauart und Reparaturen mit geringem Platzbedarf erforderlich. Gegen das Verfahren spricht der erhebliche Aufwand bei der Demontage des Brennelements mit der Vereinzelung der Stäbe.
• Die Bündeischere zerschneidet das Gesamtbündel, nachdem die Kopf- und Endstücke vorher abgesägt worden sind. Damit wird ein Teil des sperrigen Schrottes nicht mit in den Auflöser gegeben.
• Das Komprimieren des Bündels führt in der Regel dazu, daß keine glatten Schnitte je Hüllrohrstab sondern Verquetschungen entstehen. Damit wird der Säureangriff auf den Kernbrennstoff verkleinert und der Auflösevorgang unvollkommen und außerordentlich verzögert ablaufen.
• Sowohl die Brennelementschere als auch die Bündelschere müssen einen Niederhalter bzw. eine Presse verwenden, um die Brennstäbe zu komprimieren.
• Die Brennelementschere stellt das theoretisch einfachste Gerät zur Brennelement-Zerkleinerung dar.
• Praktisch gesehen hat diese Vorgehensweise eine Reihe von Schwierigkeiten, die den Erfolg der Methode noch nicht sehen lassen und es sich somit empfiehlt, nach Alternativen zu suchen.
• Dem Vorteil keiner Vorbehandlung der Brennelemente und keiner Kapazitätsbeschränkung stehen als Nachteile der automatisierte Vorschub und das Zusammenpressen des Bündels gegenüber.
• Für alle Typen von Scheren sind folgende Probleme zu sehen.
• Die Stäube die be-la Schneiden entstehen, führen zur Beeinträchtigung der bewegten Teile, so daß kurze Standzeiten, verniehrte Reparaturen und erhöhte Strahlenbelastung des Personals bei der Reparatur und geringe Verfügbarkeit in Kauf genommen werden müssen. Die Wärme, die beim Schneiden entsteht,muß durch einen Gasstrom abgeführt werden. Das Scherenspülgas bedeutet einen zusätzlichen verfahrenstechnischen Aufwand.
• Als Fazit der vorangegangenen Ausführung ergibt sich beim mechanischen Zerkleinern folgender Problemkatalo 1) Chemie der nuklearen Entsorgung, F. Baumgärtner, Thiemig-Taschenbuch Bd. 66, Teil 2; S. 88 (1978).
• - das Auswechseln der Messer, der Verschleiß bewegter Teile durch Schmutz-Staub, Verkleinerung der langen Standzeit und Vergrößerung der Strahlenbelastung des Personals; - die Schnittqualität, die wesentlich für den Säureangriff ist, keine Verquetschungen sollen erfolgen, um schnellere Auflösegeschwindigkeiten und minimale Rückstände zu gewährleisten; - die Vorbehandlung des Brennelementes ist am aufwendigsten durch die Vereinzelung der Brennstäbe zum Preis der hervorragenden Schnittqualität durch die Stabschere, ist im Falle der Bündelschere reduziert auf die Abtrennung der Kopf- und Endstücke und erübrigt sich bei der Brennelementschere zum Preis von zerquetschten Hülsenstücken und der Handhabung sperr-iger Kopf- und Endstücke.im Auflöserkorb; - die Brandgefahr des Zircaloy beim Schneiden muß durch aufwendige teure Spülgasanlagen beseitigt werden; - die Spanbildung hat zur Folge, daß durch Klärzentrifugen diese Verunreinigungen (Feedklärschlamm) als Zircaloyspäne abgetrennt werden müssen.
• 2.3. Aufgabe der Erfindung Die Erfindung hat die Aufgabe die Stäbe eines Brennelements aus Kernkraftwerken in ca. 50 mm lange Stücke zu trennen.
• 2.4. Lösungsverfahren Ein Hochdruck-Wasserstrahl (beispielsweise ca. 4000 bar; Durchmesser an der Düse o,1 mm) ist in der Lage, die Brennelementstäbe zu zerschneiden.
• 2.5. Erläuterung des Ausführungsbeispiels Die Zerkleinerung eines Brennelement-Dummys, siehe Anlage 1, Abb. 2, wird an einer Versuchsanlage beschrieben.
• 2.5.1. Beschreibung der Versuchsanlage Die Hochdruckwasserstrahlanlage besteht aus zwei Hauptbaugruppen, der Druckerzeugungsanlage und der Arbeitseinheit.
• Druckerzeugungseinrichtung Zur Erzeugung eines Wasservordrucks dient eine Zwei-Kolben-Pumpe, die über Riementrieb von einem Elektromotor angetrieben wird. Die Druckschwankungen des Wassers werden durch einen Blasenspeicher geglättet. Der Wasservordruck beträgt beispielsweise 700 bar.
• Eine Axialkolbenpumpe erzeugt den benötigten öldruck für den Druckübersetzer. Die in Schrägachsenbauart mit Zwangssteuerung ausgeführte Axialkolbeneinheit läßt bei konstanter Drehzahl durch Änderung des Schwenkwinkels die ölfördermenge stufenlos einstellen. Ein nachgeschaltetes Druckregelventil ermöglicht den Druck stufenlos bis max. 160 bar zu verstellen und am eingestellten Betriebspunkt konstant zu halten.
• Je nach Betriebszeit muß das öl gekühlt werden.
• Die Hochdruckpumpe erhöht mit Hilfe des Druckübersetzers (übersetzungsverhältnis beispielsweise ca.
• 70 : 1) den Wasservordruck zum benötigten Schneidmitteldruck. Der Druckübersetzer besteht aus einem doppeltwirkenden Hochdruckkolben. Während sich dieser Hochdruckkolben zu einem Ende des Zylinders bewegt und dort verdichtet, erfolgt auf der gegenüberliegenden Seite ein Saughub. An die Hochdruckleitung ist ein Dämpfungssystem angeschlossen. Solch eine Hochdruckpumpe kann beispielsweise einen Betriebsdruck bis zu 9ooo bar erzeugen.
• Arbeitseinheit Die Arbeitseinheit besteht aus Düse und Druckaufnehmer und Werkstückhalter auf Vorschubeinheit.
• Das in den Werkstückhalter eingespannte Brennelement wird mit Hilfe der Vorschubeinheit unter der Düse gedreht.
• 2.5.2. Beschreibung des Schnittproduktes Gemäß der oben beschriebenen Anlage wurden Brennstäbe zerschnitten: Der unter der Abbildung 2 gezeigte Schnitt an einem Brennstabstück wurde unter folgenden Bedingungen erreicht: Medium: Wasser (andere flüssige Medien sind denkbar) Druck: 400 bar Düsenmaterial: Edelstein Düsendurchmesser: o,1 mm Schnittzeit: ca. 50 s Wasserbedarf: ca. 1 ltr.
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Claims (1)

1. 3. Patentanspruch~ Wir beantragen Patentschutz für: Die Zerkleinerung ausgedienter Brennelemente aus Kernkraftwerken wird mit Hilfe eines Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl durchgeführt. Die einzelnen Brennstäbe des Brennelementes werden durch den Hochgeschwindigkeit-Wasserstrahl in kurze Stücke (ca.5 cm) getrennt, um sie in Säure aufzulösen und nach dem PUREX-Verfahren Uran und Plutonium zurückzugewinnen.

   II: Das Verfahren erbringt als Vorteile keine verquetschten Schnittflächen, so daß die Säureauflösung nicht behindert wird, keine Brandgefahr des Zircaloy, keinen Anfall von radioaktiv kontaminiertem Scherenspülgas.