DE3101540A1

DE3101540A1 - "vorrichtung zur lagerung waermefreisetzender radionuklidkonfigurationen"

Info

Publication number: DE3101540A1
Application number: DE19813101540
Authority: DE
Inventors: Rudolf Prof. Dr. Jeschar; Reinhard Dipl.-Ing. 6467 Hasselroth Schönfeld; Michael Dipl.-Ing. 3380 Goslar Tenhumberg
Original assignee: Nukem GmbH
Current assignee: Nukem GmbH
Priority date: 1981-01-20
Filing date: 1981-01-20
Publication date: 1982-08-05
Also published as: ES8302344A1; FR2498367B1; ES508823A0; CA1169693A; DE3101540C2; FR2498367A1; CH657471A5

Description

3101540 " j NACHGEREiCHT

81 102 KN

NUKEM GmbH 6450 Hanau 11

Vorrichtung zur Lagerung von wärmeerzeuqenden Radionuklidkonfigurationen.

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Lagerung wärmefreisetzender Radionuklidkonfigurationen, die gegebenenfalls in Behältern eingeschlossen sind, bei freier Kühlung mit Umgebungsluft, im wesentlichen bestehend aus einem Gehäuse mit Beschickungsgang, Zu- und Abluftkanälen und mit Decken versehenen geschlossenen Lagerzellen, die Lagergestelle oder Lagerblöcke mit waagrecht oder schräg angeordneten Lagerschächten als Lagerpositionen für die Radionuklidkonfigurationen oder die Behälter mit radioaktiven Stoffen enthalten, wobei die Lagerschächte in axialer Richtung von Kühlluft durchströmt werden.

31015A0

- 5-

Radioaktive Stoffe und Radionuklidkonfiguartionen, wie z. B. abgebrannt Kernbrennelemente oder verc glaster hochradioaktiver Abfall, erzeugen beim Zerfall Wärme, so daß bei ihrer Lagerung eine ständige Kühlung erforderlich ist. Dies setzt voraus, daß das stete Vorhandensein eines Kühlmediums sichergestellt ist und daß keine unzulässigen Ak-IQ tivitätsmengen mit dem Kühlmedium abgeleitet werden. Diese Forderungen werden beispielsweise durch ein mit Umgebungsluft direkt oder indirekt gekühltes Lager erfüllt.

ir Für die trockene Zwischenlagerung von wärmefreisetzenden Radionuklidkonfigurationen werden verschiedene Konzeptionen vorgeschlagen.

So wird in der DE-OS 27 30 729 vorgeschlagen, die Behälter mit dem radioaktiven Abfall in senkrechten, axial von unten nach oben mit Luft durchströmten Schächten, einzeln oder mehrfach übereinander gestapelt, zu lagern. In der DE-OS 29 06 629 erfolgt die Lagerung in horizontalen, von außen in vertikaler Richtung querangeströmten Schächten, wobei die Behälter einzeln oder mehrfach hintereinander angeordnet sind. In beiden Fällen kann sowohl mit direktem, als auch mit indirektem Kühlsystem gearbeitet werden.

Die DE-OS 28 37 839 beschreibt die Lagerung von Behältern in horizontalen Lagerblöcken mit seitlich angeordneten, in vertikaler Richtung querangeströmten Kühlkörpern. Auch die Lagerung in vertikalen Lagerbehältern mit stirnseitigem Abschirmdeckel, der gleichzeitig alG Kühlkörper dient, ist bekannt (Nuclear Technology, Vol. 2Λ, Dez. 1974) desgleichen die Lagerung horizontal mit Queranströmung innerhalb eines

- y-

geschlossenen Raumes und Wärmeabfuhr mittels Wärmerohren an die Umgebung (Atom und Strom, Jg. 26 (1980)4).

c Der Hauptnachteil der in DE-OS 27 30 729 beschriebenen Lagerung besteht in der Kühlung mit seitlich angeordneten Wärmetauschern (Wände) und der dazu er- j forderlichen Strömunqsführung. Die dort aus den vertikal angeordneten Schächten mit maximaler Tempera-IQ tür und Strömungsgeschwindigkeit austretende Zellenluft prallt auf die ebene Decke und wird dann horizontal zu den seitlichen Wärmetauschern geführt. Durch eine Prallströmung auf die ebene Decke wird Strömungsenergie vernichtet. Desweiteren wird die horizontale Strömung zu den wärmetauschern durch das äußere Kraftfeld (Gravitation) nicht begünstigt, da die erwärmte Luft bestrebt ist, nach oben aufzusteigen

Ein weiterer Nachteils des in der DE-OS 27 30 729 angeführten Konzeptes besteht darin, daß eine eindeutige Zuordnung der aus dem Lagergestellbereich abzuführenden Wärme zu einem der beiden Wärmetauscher nicht möglich ist.

Der Hauptnachteil der in der DE-OS 28 37 839 und in "Nuclear Technology" beschriebenen vorrichtungen besteht darin, daß für den Wärmefluß aus den Lagerbehältern an den Kühlkörper steile Temperaturgradienten erforderlich sind, die zu thermischen Belastungen des Lagergutes führen können. Besonders nachteilig bei der Lagerkonzeption nach der DE-OS 28 37 839 ist, daß der Kühlkörper aus einom massiven, gut wärmeleitenden Stoff besteht, in der Regel aus Metall, wodurch sich sehr hohe Kosten ergeben. Außerdem müssen durch das große Gewicht der Lagerblöcke mit Kühlkörper besondere bautechnische Anforderungen an die Lagergestelle gerichtet werden.

— 4 —

Die wesentlichen Nachteile des in "Atom und Strom" beschriebenen Konzeptes bestehen darin, daß eine c eindeutige Zuordnung der aus dem Lagergestellbereich abzuführenden Wärme zu einem der beiden "Wärmerohrbündel-Wärmetauscher" nicht gegeben ist und daß keine praktischen Erfahrungen über das Verhalten von Wärmerohren im Strahlenfeld bestehen. IQ Außerdem erfolgt die Wärmeabfuhr auch hier seitlich, womit eine nicht optimale Strömungsführung gegeben ist.

Bei der in der DE-OS 29 06 629 beschriebenen Vorrichtung ist auch der Umstand nachteilig, daß die Umgebungsluft dem Strahlenfeld der radioaktiven Stoffe ohne größere Abschirmungsmaßnahmen ausgesetzt ist.

^Bei allen Vorrichtungen zur Zwischenlagerung wärmeerzeugender Radionuklidkonfigurationen mit indirekter Kühlung infolge freier Konvektionsströmung, haben sich wesentliche Nachteile vor allem hinsichtlich einer optimalen Strömungsführung und damit auch einer optimalen Wärmeabfuhr sowie Abschirmung der Umgebungsluft gegen Direkteinstrahlung durch radioaktive Stoffe ergeben.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Lagerung wärmefreisetzender Radionuklidkonfigurationen, die gegebenenfalls in Behälter eingeschlossen sind, bei freier Kühlung mit Umgebungsluft, zu schaffen, im wesentlichen bestehend aus einem Gehäuse mit Beschickungsgana, Zu- und Abluftkanälen und mit Decken versehenen, geschlossenen Lagerzellen, die Lagergestelle

-JS-

nachgereicht]

oder Lagerblöcke mit waagrecht oder schräg angeordneten Lagerschächten als Lagerpositionen für die c Radionuklidkonfigurationen oder die Behälter mit radioaktiven Stoffen enthalten, wobei die Lagerschächte in axialer Richtung von Kühlluft durchströmt werden. Mit dieser Vorrichtung sollte eine Verbesserung der Kühlluft-Strömungsführung erreicht in und damit eine sichere Wärmeabfuhr gewährleistet werden. Außerdem sollte die Umgebungsluft gegen die Direkteinstrahlung der eingelagerten radioaktiven Stoffe abgeschirmt werden.

•J5 Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Decken der Lagerzellen als Wärmetauscher ausgebildet und innerhalb der Lagerzellen an den Lagerschachtöffnungen senkrecht stehende, räumlich und funktionell getrennte Auftriebs- und Abtriebskamine angeordnet sind, die im Bereich der Lagergestelle gegen diese offen und gegen den Besch'ickungsgang mit verschließbaren Chargieröffnungen versehen sind.

Dabei kann es verteilhaft sein, für jedes Lagergestell jeweils einen separaten Auftriebs- und Abtriebskamin anzuordnen, oder den Beschickungsgang als gemeinsamen Auftriebs- oder Abtriebskamin für zwei Lagergestelle auszugestalten.

Weiterhin ist es vorteilhaft, die Lagerzellendecke in Richtung des Abtrieb.skamines zu neigen, wobei sich Winkel von *C 15 als günstig erwiesen haben.

Durch die Anordnung eir.^s separaten Auftriebkamins, über den die erwärmte Luft der als Wärmec tauscher gestalteten Decke der Laqerzelle zugeführt wird_#und eines separaten Abtriebkamins wird eine eindeutige Funktionstrennung von Auftriebskamin für das erwärmte Kühlmittel und Abtriebskamin für das an der Decke abgekühlte Kühlmittel erzielt. IQ Sowohl Auftriebskamin, als auch Abtriebskamin sind in Richtung des Erdschwerefeldes, d. h. senkrecht ausgerichtet, was besonders günstig im Hinblick auf die Größe der Druckverluste ist und was damit das Temperaturniveau im Lager günstig beeinflußt.

Den Wärmetauscher dort anzuordnen, wo die höchste

Lufttemperatur innerhalb des Kühlkreislaufes auftritt, nämlich oberhalb der Lagergestelle, erweist sich aus thermodynamischer Sicht als besonders 2Q günstig, da dadurch der thermodynamisch^ Wirkungsgrad des Wärmetauschers am größten ist.

Um die Umgebungsluft beim Durchströmen des Wärmetauschers (Decke) vor dem Einwirken von Direktstrahlung seitens des Lagergutes noch besser zu schützen, können vorteilhafterweise Einbauten unterhalb und seitlich der Decke zur Abschirmung der Strahlung angeordnet werden. Auftriebs- und Abtriebskamin sind dabei konstruktiv so gestaltet, daß Streustrahlungseffekte vermieden werden.

ι - 4>-

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird nachstehend anhand der schematischen Abbildungen I bis VI bei- r spielhaft näher erläutert.

Die Vorrichtung besteht aus einer oder mehreren Lagerzellen (15), normalerweise getrennt durch Beschickungsgänge (10), die in einem Gebäude un-

IQ tergebracht sind. In diesen Lagerzellen (15) befinden sich Lagergestelle (9) bzw. Lagerblöcke mit Lagerschächten (2). Die mit dem Lagergut gefüllten Lagerbehälter (1) werden in die vorzugsweise leicht geneigten Lagerschächte (2) eingebracht und gege- '

^ benenfalls durch diese kontinuierlich hindurchgeschoben. Zur Zentrierung der Lagerbehälter (1) im Lagerschacht (2) dienen normalerweise Abstandshalter (12), die gleichzeitig als Berippung der Behälteroberfläche wirken können. Lagerbehälter (1) und Lagerschächte (2) bilden dabei einen freien Strömungsraum aus, der von der Kühlluft in axialer Richtung durchströmt werden kann. Bei kreisförmigen Lagerbehältern (1) und kreisförmigen Lagerschächten

(2) ergibt sich als freier Strömungsquerschnitt ein Ringspalt (17). Andere geeignete Schachtquerschnitte

z. B. für rechteckige Lagerbehälter, sind möglich. Die Anordnung der Lagerschächte (2) in den Lagergestellen (9) ist beliebig, vornehmlich jedoch horizontal und quadratisch oder hexagonal (Abb. 11). Die Kühlluft erwärmt sich auf ihrem Weg durch die freien Strömungsräume (17) entlang der beheizten Lagerbehälter und Lagerschachtoberflächen. Die innenseitige Schachtoberfläche wird dabei sekundär durch Wärmetransport infolge Wärmestrahlung von den Lagerbehälteroberflächen behoint. Die erwärmte Kühlluft strömt aus dem Lagerschacht (2) in den senkrechten Auftriebskamin

(3) und steigt dort auf.

31015AO

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich um ein indirekt gekühltes Lager, bei dem die - erwärmte Kühlluft zu der vorzugsweise leicht in Strömungsrichtung geneigten , als Kühlfläche ausgebildeten Decke (4) geführt wird, entlang der sie sich bis auf die Lagerschachteintrittstemperatur abkühl. Nach Austritt aus dem längs der Decke (4) angeordneten und von der Decke (4) und dem Lagerblock (9) bzw. Einbauten (21) gebildeten Kühlkanal (5) gelangt die Kühlluft über den Abtriebskamin (8) wieder zu den Lagerschächten (2). Die Umgebungsluft, die als äußere Kühlluft für die Kühlfläche über die Decke

1$ (4) streicht, gelangt über einen Zuluftkanal (7) an die Decke (4), wo sie erwärmt wird. Die so erwärmte Umgebungsluft wird über einen Abluftkanal (6) an die Umgebung zurück geführt.

Auftriebskamin (3) und Abtriebskamin (8) sind dabei durch Chargieröffnungen (13) enthaltende Begrenzungswände (14) vom Beschickungsgang (10) und gegebenenfalls von einem Entnahmegang (11) abgetrennt.

Wird auf einen kontinuierlichen Lagerbetrieb verzichtet, so entfällt der Entnahmegang (11) und damit die Chargieröffnungen an dieser Begrenzungswand.

Daneben ist es auch möglich, die örtliche Trennung zwischen Auftriebsknmin (3) bzw. Abtriebskamin (8) und Beschickungsganq (10) aufzuheben und den Beschickungsgang direkt als Auftriebskamin (3) bzw. Abtriebskamin auszubilden (Abb. V). In diesem Fall entfallen auch hier die Begronsungswände (14) mit den Chargieröffnungen (13).

— 9 —

NACHQEREiCHT 1

Durch die Neigung der Decke (4) und der Lagerschächte (2),kann für eine eindeutige Richtung der Umluftströmung gesorgt werden.

Die Vorgabe einer eindeutigen Richtung der Umluftströmung kann auch erreicht werden, wenn die Ausgestaltung der einzelnen Lagerschächte (2) im Lagergestell (9) und des Kühlkanals (5) so erfolgt, daß die Strömungswiederstände für beide Durchströmungsrichtungen unterschiedlich groß sind. Der Strömungswiderstand in der gewünschten Strcmungsrichtung muß dabei kleiner sein, als derjenige für die entgegengesetzte Richtung. Das erreicht man durch entsprechend geformte Einten (20) an den Lagerschachtöffnungen (18, 19).

Die Strömungsrichtung im äußeren Kühlkreislauf kann durch unterschiedliche Höhen des Zuluftkanals (7) und Ablufckanals (6) am Gebäude ebenfalls gewählt werden.

Ein Deckenneigungswinkt-1 von 2£"15° hat sich als vorteilhaft erwiesen. Er ist auch aus bautechnischen Gründen anzustreben, urr die Gehä'usehöhe nicht höh^r als notwendig werden zu lassen.

Die Ausstattung der als Wärmetauscher ausgestalteten Decke (4) mit Kühlrippen (22) erweist sich aus thcrmodynamischen Gesichtspunkten als empfehlenswert. Durch die Vergrößerung der wärmeübertragenden Fläche wird das Temperaturniveau im Lager gesenkt und außerdem wird, bei bestimmter Kühlleistung, der Raumbedarf für

die· Docke (4) verkleinert.
35

- 10 -

Die Abschirmung der Decke (4) durch Einbauten (21) (z. B. eine eingezogene dicke Betondecke) verhindert eine Direktbestrahlung der im äußeren Kühlkreis geführten Umgebungsluft. Staubaktivierung und Bestrahlung anderer Substanzen, die mit der Umgebung in den Wärmetauscher gelangen, wird somit auf minimale Werte begrenzt.

IQ Für die Einbauten (21) werden Materialien verwendet, die vor allem eine Schwächung der Strahlendosis bewirken. Geeignete Materialien sind z. B. Beton, Eisen oder Blei. Die strahlenabschirmenden Einbauten (21) sind beispielsweise als abgehängte

■je Betondecken ausgeführt. Diese Decke (21) kann direkt über dem Lagergestell (9) angeordnet werden. Sie hat im Bereich der Auf- (3) bzw. Abtriebskamine (8) Öffnungen (24), die ein Ein- bzw. Ausströmen der Kühlluft in bzw. aus dem Kühlkanal

(5) ermöglichen.

Auftriebs- (3) bzw. Abtriebskamine (8) sind konstruktiv so gestaltet, daß Streustrahlungseffekte vermieden werden, d. h. eine ungehinderte Einstrahlung vom radioaktiven Material in die Auf- (3) bzw. Abtriebskamine (8) und Strahlungsfortpflanzung durch Streuungen an den Begrenzungswänden wird verhindert.

Die Decke (4) aus einem metallischen Werkstoff (z.

B. Stahl) herzustellen, erweist sich deshalb als besonders günstig, da Metalle in der Regel sehr gute wärmeleitende Eigenschaften besitzen und damit der Wärmedurchgangswiderstand zwischen innerem und äußerem Kühlkreislauf minimiert wird. Aus dem gleichen Grunde ist es empfehlenswert, die Oberfläche der metallischen Decke (4) einer den Wärmetransport durch Strahlung begünstigenden Behandlung (z. B.

Eloxieren, schwarzer Anstrich) zu unterziehen.

31015Λ0

NACHeERElCHT

Ein Korrosionsschutz (ζ. Β. Verzinken, Eloxieren) bietet die Gewähr, daß die Decke (4) auch über einen längeren Zeitraum den gestellten Anforderungen entspricht.

Die Lagerschächte (2) und die Lagerbehälter (1) kreisförmig auszubilden, erweist sich aus Kostengründen als günstig. Andere Querschnitte, wie z. B. quadratisch oder hexogonal, sind selbstverständlich auch anwendbar.

Die verschließbaren Chargieröffnungen (13) in den· .._ Begrenzungswänden (14) erweisen sich deshalb als

besonders günstig, da durch sie eine örtliche Trennung zwischen Lagerzelle (15), Beschickungsgang (10) und Entnahmegang (11) möglich ist., was im Hinblick auf eventuelle Interventionsmaßnahmen von großem 2Q Vorteil ist.

Querströmungsbehindernde Einbauten (16) innerhalb der Lagergestelle (9) können vorteilhafterweise das Ausbilden eines Wärmestaus am höchsten Punkt «ς des Lagergestells und somit auch die Möglichkeit lokaler hot-spot-Bildungen verhindern.

Durch die Aufheizung der Lagerschachtwände (2) infolge des Wärmetransports durch Strahlung von der 3Q Oberfläche der Lagerbehälter wird die Luft in den Zwischenräumen der Lagergestelle (9) erwärmt und steigt nach oben, wo sie sich im oberen Bereich der Lagergestelle (9) sammelt, womit dort die Möglichkeit eines Wärmestaus besteht.

- 12 -

Um dies zu vermeiden,sind daher beispielsweise quer angeordnete Bleche (16) in den Zwischenräumen der Lagergestelle (9) angebracht, um die Luft am Aufwärtsstrcmen zu hindern.

Selbstverständlich läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auch mit mehreren hintereinander geschalteten Wärmetauschern als mehrstufiges Wärmetauschersystem ausführen (Abb. VI), v/obei die Decke (4) mehrstufig ausgeführt ist.

Dies bedeutet, daß die in der Lagerzelle (15) erzeugte Wärme an der Lacerzellendecke (4) nicht direkt an die Umgebungsluft abgegeben wird, sondern an einen weiteren geschlossenen Kreislauf (23) der dann die Wärme an die Umgebungsluft abgibt.

ΡΛΤ-Dr. r-r.-r.ch

Leerseite

Claims

3 1 O 1 5 A O

81 102 KN

NUKEM GmbH 6450 Hanau 11

Vorrichtung zur Lagerung wärmefreisetzender

Radionuklidkonfiqurationen.
10

Patentansprüche

'\J Vorrichtung zur Lagerung wärmefreisetzender Radionuklidkonfigurationen, die gegebenenfalls in Behälter eingeschlossen sind, bei freier Kühlung mit Umgebungsluft, im Wesentlichen bestehend aus einem Gehäuse mit Beschickungsgang, Zu- und Abluftkanälen und mit Decken versehenen geschlossenen Lagerzellen, die Lagergestelle oder Lagerblöcke mit waagrecht oder schräg angeordneten Lagerschächten als Lagerpositionen für die Radionuklidkonfigurationen oder die Behälter mit radioaktiven Stoffen enthalten, wobei die Lagerschächte in axialer Richtung von Kühlluft durchströmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Decken (4) der Lagerzellen (15) als Wärmetauscher ausgebildet und innerhalb der Lagerzellen (15) an den Lagerschachtöffnungen (18,19) senkrecht stehende, räumlich und funktionell getrennte Auftriebs- (3) und Abtriebskamine (8) angeordnet sind, die im Bereich der Lagerstelle (9) gegen diese offen und gegen den Beschickungsgang (10) mit schließbaren Chargieröffnungen (13) versehen sind.

NACHe^RtI "WT

L — ·

— 2 —
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschickungsgang (10) als
Auftriebs- (3) oder Abtriebskamin (8) ausgestaltet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Lagergestell (9)
ein Auftriebs- (3) und ein Abtriebskamin (8)
vorhanden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Decke (4) der Lagerzelle (15) in Richtung des Abtriebkamins (8) geneigt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel der Decke 20

(4) «P 15° beträgt,
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Decke (4) der Lagerzellen (15) mit Kühlrippen (22) versehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Decke (4) mit strahlungsabschirmenden Einbauten (21) innerhalb der Lagerzellen (15) versehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Decke (4) aus einem metallischen Werkstoff besteht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der metallisehen Decke (4) einer korrosionshemmenden und/ oder einer die Wärmeabgabe durch Strahlung begünstigenden Behandlung unterzogen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch ge-■J0 kennzeichnet, daß die Decke (4) der Lagerzellen

(15) mehrstufig ausgeführt ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an den Eintritts- (18) bzw. Austrittsöffnungen (19) der Lagerschächte (2) Einbauten (20) angebracht sind, die einen in der gewünschten Strömungsrichtung geringeren Strömungswiderstand aufweisen als in der entgegengesetzten Richtung.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Raum zwischen den übereinander angeordneten Lagerschächten (2) querströmungsbehindernde Einbauten (16) enthält.