DE3144984A1 - Heat flow calorimeter for measuring the thermal output of a waste drum - Google Patents
Heat flow calorimeter for measuring the thermal output of a waste drumInfo
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Description
3H49843H4984
Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbHNuclear Research Center Karlsruhe GmbH
ANR; 1 002 597ANR; 1 002 597
Karlsruhe, den 9=11.1981 PLA 8161 Ga/wkKarlsruhe, 9 = 11.1981 PLA 8161 Ga / wk
Wärmeflußkalorimeter zur Messung der Wärmeleistung eines Abfallfasses Heat flow calorimeter for measuring the heat output of a waste barrel
Die Erfindung betrifft ein Wärmeflußkalorimeter zur Messung der Wärmeleistung eines Äbfallfasses mit radioaktiven Abfallen mit einer Wärmeleistung bis ca. 300 Watt pro AbfailfaS durch Feststellung eines Temperaturgradienten..The invention relates to a heat flow calorimeter for Measurement of the thermal output of a waste barrel with radioactive waste with a thermal output of up to approx. 300 watts per AbfailfaS by determining a temperature gradient ..
Für die Wahl des Einlagerungskonzeptes bei der Einlagerung radioaktiver Abfälle in ein Einlagerbergwerk und zur Beurteilung der Sicherheit ist insbesondere die Kenntnis der von den verpackten Endabfällen ausgehenden Wärmeentwicklung infolge des radioaktiven Zerfalls der Radionuklide erforderlich. So kann bei Abfällen ohne Wärmeentwicklung (LAW/MAW-Abfälle) eine kostengünstige Kammerlagerung gewählt werden, während bei wärmeentwickelnden Abfällen (HAW bzw. Abfälle der höheren MAW-Kategorie, wie in 200 !-Fässer zementierte Feedklärschlämme aus der Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen) eine aufwendige Bohrlochlagerung zur Erhöhung der Wärmeabfuhr gewählt werden muß. Je nach Alter bzw. Volumentanteil der Abfälle im Lagerbehälter kann die Wärmeentwicklung z.B. bei zementierten Feedklärschlämmen von ^ 10 Watt bis ca. 150 Watt pro 200 1-Faß variieren.For the choice of the storage concept when storing radioactive waste in a storage mine and to assess the safety is in particular the knowledge of the emanating from the packaged final waste Heat development as a result of the radioactive decay of the radionuclides required. So can waste without Heat generation (LAW / MAW waste) an inexpensive chamber storage can be chosen, while with heat-generating Waste (HAW or waste of the higher MAW category, such as feed sewage sludge cemented in 200! barrels from the reprocessing of nuclear fuels) an expensive borehole storage must be selected to increase the heat dissipation. Depending on age or Volume fraction of the waste in the storage container can cause the generation of heat, e.g. in the case of cemented feed sewage sludge from ^ 10 watts to approx. 150 watts per 200 1 barrel vary.
Aussagen über die Wärmeleistung dieser Abfallfässer basieren bisher auf groben Abschätzungen aufgrund von Abbrandrechnungen und Analysen aus der Wiederaufarbeitung verbrauchter Kernbrennstoffe. Mit diesen Abschätzungen wurden bisher nur Grenzwerte für die Wärme-Statements about the thermal output of these waste barrels have so far been based on rough estimates based on Burn-up calculations and analyzes from the reprocessing of spent nuclear fuel. With these estimates so far only limit values for the heat
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leistung der Abfallfässer der höheren MAW-Kategorie angegeben. Wärmeleistungsmessungen wurden auch an kleinen Proben noch nicht durchgeführt=performance of waste drums of the higher MAW category specified. Heat output measurements have not yet been carried out, even on small samples =
Die bisher angewendete Methode der Bestimmung der Wärmeleistung der verpackten MAW(HAW)-Abfälle aufgrund von Abbrandrechnungen und Analysen hat folgende NachteilesThe previously used method of determining the heat output of the packaged MAW (HAW) waste due to burn-up calculations and analyzes has the following disadvantages
- Da die Analyse von Feeklärschlämmen nur sehr schwer (unterschiedliche Feststoffgehalte) und mit großem Aufwand (Heißzellen-Technik) durchgeführt werden kann,, sind bisher nur Referenzzusammensetzungen (die Analysenergebnisse variieren stark) festgelegt worden. Die daraus aufgrund des Abbrandes der Brennelemente berechnete Nuklidverteilung gibt die wahren Konzentrationen im Feedklärschlamm nur mit Ungenauigkeit wieder, was auch für die daraus berechnete Wärmeleistung gilt«- As the analysis of fair sewage sludge is very difficult (different solids contents) and with large Effort (hot cell technology) can be carried out, So far, only reference compositions (the analysis results vary greatly) have been specified. the The nuclide distribution calculated from this on the basis of the burn-up of the fuel elements gives the true concentrations in the feed sewage sludge only with inaccuracy again what also applies to the heat output calculated from it «
- Für die Berechnung der auf das Endabfallfaß bezogenen Wärmeleistung ist die Kenntnis der einzelnen Volumen- bzw. Massenanteile (Betonsuspension-Abfall) erforderlich. Sie können beim Heißzellen-Betrieb nur ungenau- angegeben werden.- For the calculation of the heat output related to the final waste drum, the knowledge of the individual volume or mass fractions (concrete suspension waste) required. You can only use hot cells are inaccurately specified.
- Abgesehen von den üngenauigkeiten bei der Bestimmung der Wärmeleistung der Fässer ist das bisherige Verfahren keine Routinemethode und eignet sich damit nicht zur Produkteingangskontrolle für ein Endlager.- Apart from the inaccuracies in the determination the thermal output of the barrels, the previous procedure is not a routine method and is therefore suitable not for incoming product inspection for a repository.
- Beim bisherigen Verfahren war man auf Angaben des Abfallerzeugers angewiesen.- In the previous process, you had to rely on information from the waste producer.
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Die der Erfindung gestellte Aufgabe besteht darin, eine Einrichtung zu bieten, mit der die Wärmeleistung von mit radioaktiven Abfällen verpackten Abfallfässern gemessen werden kann.The object of the invention is to provide a device with which the thermal output of Waste drums packed with radioactive waste can be measured.
Bei einem Wärmeflußkalorimeter der eingangs erwähnten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mittels den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.In a heat flow calorimeter of the type mentioned at the outset, this object is achieved according to the invention by means of the characterizing features of claim 1 solved.
Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung wieder. The remaining claims show advantageous embodiments of the invention.
Durch die Erfindung werden folgende Vorteile erzielt:The invention achieves the following advantages:
- Das Wärmeflußkalorimeter eignet sich für Routinemessungen, die nach der Verpackung der Abfälle, z.B. im Rahmen einer Produkteingangskontrolle für ein Endlager, durchgeführt werden können.- The heat flow calorimeter is suitable for routine measurements, after the packaging of the waste, e.g. as part of an incoming product inspection for a Repository, can be carried out.
- Mit ihm kann die Wärmeleistung von 200 1-Endabfallgebinden sehr genau bestimmt werden, ohne daß man auf Angaben des Abfallerzeugers (z.B. über Zusammensetzung und Alter der Abfälle) angewiesen ist.- With it, the thermal output of 200 1-end waste can be stored can be determined very precisely without referring to information from the waste producer (e.g. on composition and age of the waste).
- Der einfache Aufbau des Meßgerätes bzw. seiner Bedienungselemente ermöglicht den Einsatz unter Heißzellen-Bedingungen mit den i.a. schon vorhandenen Manipulationseinrichtungen (z.B. Faßgreifer, Krananlage) . Die erforderliche Meß- und Auswertungselektronik ist außerhalb der Heißen Zelle angebracht. - The simple structure of the measuring device and its operating elements enable it to be used under hot cell conditions with the i.a. existing manipulation devices (e.g. drum grab, crane system) . The required measuring and evaluation electronics are installed outside the hot cell.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.The invention is explained in more detail below with the aid of an exemplary embodiment by means of FIGS. 1 to 3 explained.
Das Wärmeflußkalorimeter für das 200 1-Abfallfaß 1 nach Figur 1 enthält u.a. einen Absorbermantel aus z.B. Pb, der die vom Abfallfaß 1 ausgehende γ-Strahlung (radioaktive Strahlung) absorbiert und in Wärme umwandelt» Dieser Absorbermantel besteht aus einem zylindrischen Mantelteil 3 sowie einem Deckel- und Bodenteil 4 und Das Abfallfaß 1 steht in einem Edelstahlbehälter 2, an dem die Absorbermantelteile 3 und 4 außen anliegen. Der Deckelteil 5 des Absorbermantels ist von einem Stahlmantel 18 mit Greifansatz 21 umgeben und liegt auf einem umlaufenden Sims 20, der eine Wärmebrücke darstellt, auf. Auf dem Absorberdeckel 5 liegt der aus einem Warmeisolationsmaterial bestehende Isolationsdeckel 13 mit Stahleinmantelung 19 auf der Oberseite und dem Greifansatz 21 auf. Hierbei ist der Isolationsdeckel wärmemäßig vom Absorberdeckel 5 entkoppelt«,The heat flow calorimeter for the 200 l waste barrel 1 according to FIG. 1 contains, among other things, an absorber jacket made of, for example, Pb , which absorbs the γ radiation (radioactive radiation) emanating from the waste barrel 1 and converts it into heat. This absorber jacket consists of a cylindrical jacket part 3 and a cover - And bottom part 4 and the waste barrel 1 is in a stainless steel container 2, on which the absorber shell parts 3 and 4 rest on the outside. The cover part 5 of the absorber jacket is surrounded by a steel jacket 18 with a gripping attachment 21 and rests on a circumferential ledge 20, which represents a thermal bridge. On the absorber cover 5, the insulation cover 13, which is made of a thermal insulation material, rests on the top and the gripping attachment 21 with steel casing 19. Here, the insulation cover is thermally decoupled from the absorber cover 5 «,
Der Absorbermantel 3 bis 5, insbesondere dessen Zylindermantelteil 3 wird von einem thermostatischen Wärmemeßblock 6 eng umgeben, der über beide Stirnseiten des Zylindermantelteils 3 hinausragt und aus einer Leichtmetallegierung besteht. Konzentrisch zum Wärmemeßblock und dem Zylindermantelteil 3 liegt ein thermostatisch regelbares Kühlelement 7, das eng auf der Außenfläche 16 des Wärmemeßblockes 6 angebracht ist. Mit dem Kühlelement 7 ist die Außentemperatur des Wärmemeßblockes 6 auf konstante Temperatur einstellbar. Die Temperaturen an der Innen- und Außenfläche 15 und 16 des Wärmemeß-The absorber jacket 3 to 5, in particular its cylinder jacket part 3 is closely surrounded by a thermostatic heat measuring block 6, which over both ends of the Cylinder jacket part 3 protrudes and consists of a light metal alloy. Concentric to the heat measuring block and the cylinder jacket part 3 is a thermostatically controllable cooling element 7, which is close to the outer surface 16 of the heat measuring block 6 is attached. With the cooling element 7 is the outside temperature of the heat measuring block 6 adjustable to constant temperature. The temperatures on the inner and outer surface 15 and 16 of the heat meter
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blockes 6 können mittels Thermoelementen 11 und 12 festgestellt werden.blockes 6 can by means of thermocouples 11 and 12 to be established.
Die gesamte Meßanordnung 3,6, 7 wird von einem Wärme-Isolationsmantel mit Mantelteil 9 sowie Deckel- und Bodenteil 13, 17 aus einer anorganischen Wärmedämmung umgeben. Abstufungen an den Außenflächen bzw. Stirnseiten von Mantel-, Deckel- und Bodenteil 9, 13, 17 sorgen für die Halterung der Meßanordnung 3, 6, 7 sowie die Halterung des Abfallfasses 1 mit Stahlfaß 2. Boden-, Mantel- und Deckelteil 17, 9 und 13 des Wärmeisolationsmantels kann zusätzlich In einem .Mußeron Stuhl mantel 10, 19 untergebracht sein, während der Deckelteil 5 des Absorbermeint eis von einer Ede I MLahLhUllä 18 umgeben ist.The entire measuring arrangement 3, 6, 7 is covered by a thermal insulation jacket with shell part 9 and cover and bottom part 13, 17 made of inorganic thermal insulation surround. Graduations on the outer surfaces or end faces of the casing, cover and base part 9, 13, 17 ensure the mounting of the measuring arrangement 3, 6, 7 as well as the mounting of the waste barrel 1 with steel barrel 2. Shell and cover part 17, 9 and 13 of the thermal insulation jacket can also be used in a. 19, while the cover part 5 of the absorber means is surrounded by an Ede I MLahLhUllä 18.
Das Wi'irnujQußkalor iinol er der o.g. Art kann aul." einer fahrbaren Montageplatte 14 angeordnet aein. Die Deckeltoilü 13 und 5 des WärineLaolatIons- bzw. des Absorbermantels besitzen einen Greifansatz 21 für einen Manipulator, der dem dos Abfallfasses 1 entspricht.The Wi'irnujQußkalor iinol er of the above-mentioned kind can also be mobile mounting plate 14 arranged aein. The lid toilü 13 and 5 of the thermal insulation or absorber jacket have a gripping attachment 21 for a manipulator, which corresponds to the dos waste barrel 1.
Das Wärmeflußkalorimeter zur Messung der Wärmeleistung der Abfallfässer 1 besteht demnach aus einem die Meßprobe aufnehmenden Innenbehälter 2, 18, der getrennt durch einen Absorber 3, 4, 5 und durch eine Wärmeüberträgerschicht 5 in einen Außonbehalter 9,13, 17, 10, 19 eingebaut ist. Bei dem Kalorimotertyp wird die Temperatur des Außenbohälters konstant gehalten (z.B. bei Raumtemperatur). Beim Einbringen der wärmeerzeugenden Probe bildet sich ein Temperaturgradient von innen nach außen im Warnwuiüßblock 6 aus. Ks fließt WärmeThe heat flow calorimeter for measuring the heat output of the waste barrels 1 accordingly consists of a test sample receiving inner container 2, 18, which is separated by an absorber 3, 4, 5 and by a heat transfer layer 5 in an external container 9, 13, 17, 10, 19 is installed. With the calorimot type, the temperature of the outboard holder kept constant (e.g. at Room temperature). When the heat-generating sample is introduced, a temperature gradient is created from the inside to the outside in Warnwuiüßblock 6. Ks flows heat
nach außen ab. Im Gleichgewicht ist der Wäriaeabfluß gleich der Wärmeproduktion in der Probe (Abfallfaß 1)„ Der dabei gemessene Temperaturgradient zwischen den Thermoelementen 15, 16 an den Innen- und Außenflächen 15, 16 ist proportional der Wärmeleistung der Meßprobe 1 Ooutwards. In the balance of Wäriaeabfluß is equal to the heat production in the sample (Trash barrel 1) "The thereby measured temperature gradient between the thermocouples 15, 16 on the inner and outer surfaces 15, 16 is proportional to the thermal output of the measurement sample 1 O
Im vorliegenden Fall kann davon ausgegangen werden„ daß trotz des radioaktiven Zerfalls der im Abfallbehälter 1 fixierten Nuklide, die Wärmeleistung während der kurzen Meßzeit (1 bis 3 Tage) konstant bleibt* Die Wärmeleistung ist direkt proportional der pro Zeiteinheit gemessenen Temperaturerhöhung«In the present case it can be assumed “that despite the radioactive decay of the nuclides fixed in the waste container 1, the thermal output during the short Measurement time (1 to 3 days) remains constant * The heat output is directly proportional to that measured per unit of time Temperature increase «
dT
P = l Mi CPi * ΈΓ dT
P = l M i C Pi * ΈΓ
P = Wärmeleistung der Faßprobe 1 in WattP = heat output of barrel sample 1 in watts
M. = Masse der Faßprobe 1 bzw. der Bauteile des Kalorimeters in kgM. = mass of barrel sample 1 or the components of the calorimeter in kg
Cp. = spez. Wärmekapazität der Faßprobe 1 bzw„ der Bauteile in Ws/kg KCp. = spec. Heat capacity of the barrel sample 1 or the components in Ws / kg K
es = Wärmeleitkoeffizient des Wärmemeßblockes 6 in W/m2 Kes = coefficient of thermal conductivity of the heat measuring block 6 in W / m 2 K
S = wirksame Oberläche des Kalorimeters in mS = effective surface of the calorimeter in m
T„ = Temperatur an der Innenseite 15 des Wärmemeß-S blockes 6 in KT "= temperature at the inner side 15 of the block 6 in Wärmemeß- S K
T = Temperatur an der Innenseite 16 des Wärmemeßblockes β in KT = temperature on the inside 16 of the heat measuring block β in K
dTS = Änderung der Temperatur (Tg) des Kalorimeters dt in Abhängigkeit von der Zeit (t) in s/K a-S=(Tc-Tn) = Wärmeaustausch mit der Umgebung dT S = change in temperature (T g ) of the calorimeter dt as a function of time (t) in s / K aS = (T c -T n ) = heat exchange with the environment
Nach hinreichender Meßzeit stellt sich ein stationärer Zustand ein, bei dem der Wärmeabfluß gleich der Wärme-After a sufficient measuring time, a steady state is established in which the heat flow is equal to the heat
dTs produktion im Kalorimeter ist, d.h. -vr— =0.dTs production in the calorimeter is, i.e. -vr- = 0.
Damit vereinfacht sich obige Gleichung und man erhält P = α · S · (Tg-T11) -This simplifies the above equation and one obtains P = α S (Tg-T 11 ) -
a · S kann durch Eichung mit einem elektrisch beheizbaren Probekörper bestimmt werden. Zur Absorption der gesamten Energie im Kalorimeter ist die zusätzliche Pb-Abschirmung 3 bis 5 im Innenraum erforderlich (Dicke ca. 3 cm für die Erfassung von 98 % der Wärmeleistung, vgl. Figur 2, in der Strahlenquelle 1 und Pb-Abschirmung 3 bis 5 absorbierte Strahlungsenergie normiert auf die gesamte Strahlungsenergie in Abhängigkeit von der Dicke tp, der Abschirmung 3 bis 5). a · S can be determined by calibration with an electrically heatable test specimen. In order to absorb all of the energy in the calorimeter, additional Pb shielding 3 to 5 is required in the interior (thickness approx. 3 cm for recording 98% of the heat output, see Figure 2, in radiation source 1 and Pb shielding 3 to 5 absorbed radiation energy normalized to the total radiation energy depending on the thickness t p of the shielding 3 to 5).
Abschätzungen haben ergeben, daß sich bei Verwendung eines 200 1-Fasses mit zementierten Abfällen, die eine Wärmeleistung von 100 Watt haben, ein Temperaturgradient am Wärmeüberträger von ca. 10°C bei einer Wärmeleitfähigkeit des Wärmemeßblockes von 0,22 W/mK und einer Dicke von 6 cm einstellt. Die erforderliche Meßzeit bis zur Einstellung eines Temperaturgleichgewichtes liegt in der Größenordnung von 2 Tagen (vgl. Fig. 3, Temperaturanstieg in Abhängigkeit von der Zeit t (Tage)).Estimates have shown that when using a 200 l drum with cemented waste, one Have a thermal output of 100 watts, a temperature gradient at the heat exchanger of approx. 10 ° C with a thermal conductivity of the heat measuring block of 0.22 W / mK and a thickness of 6 cm. The required measurement time until a temperature equilibrium is established is in the order of 2 days (cf. 3, temperature rise as a function of time t (days)).
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