DE3207310A1

DE3207310A1 - Trockene lagerung fuer bestrahlten kernbrennstoff

Info

Publication number: DE3207310A1
Application number: DE19823207310
Authority: DE
Inventors: Norman Culcheth Marrington Bradley
Original assignee: National Nuclear Corp Ltd
Current assignee: National Nuclear Corp Ltd
Priority date: 1981-03-03
Filing date: 1982-03-01
Publication date: 1982-11-18
Also published as: ES510097A0; ES8402104A1; GB2096520B; GB2096520A; DE3207310C2

Description

National Nuclear Corporation Ltd.
London, England

Trockene Lagerung für bestrahlten Kernbrennstoff

Beschreibung

Die Erfindung betrifft die Trockenlagerung bestrahlten Kernreaktorbrennstoffes und hochaktiven Abfalls.

Wenn Brennstoff aus einem Kernreaktor-.herausgenommen wird,
ist er hoch radioaktiv und wird gewöhnlich für einen Zeitraum von mindestens hundert Tagen in einem Kühlbecken gelagert. Das Wasser des Beckens dient dazu, die Radioaktivität zurückzuhalten und die durch den Zerfall von Spaltprodukten erzeugte Hitze aufzunehmen. Die Wasserkühlung im Becken ist für eine Langzeitlagerung bestrahlten Kernbrennstoffes, z. B. 50 bis 100 Jahre, nicht interessant, da Korrosion der Brennstoff verkleidung auftreten kann und Schwierigkeiten beim
Unterhalt des Beckens auftreten. Ein alternatives Verfahren zum Lagern bestrahlten Kernbrennstoffes und hochaktiven Abfalls auf lange Sicht ist es, den Brennstoff oder Wasser in Betonzellen abzulagern und es durch umlaufende Luft zu kühlen. Vorzugsweise wird die Umwälzung durch ein passives System bewirkt, so daß die Probleme des Unterhalts und der Zuverlässigkeit möglichst gering gehalten werden. Um die aktive Kontamination völlig zurückzuhalten, ist es ratsam,

VII/WW/cz

»(089) 9B82 72 74 Teiegrumme (cablei
BERGSlAPFPATtNT München

Telex 0524 560BERGd

(089) 9830 49 Kalte Inlotec 6000

Bankkonten. Bayer. Vereinsbank München 453 100 (BLZ 700 202 70) Hypo-Bank München 4410122650 (BLZ 700 20011) Swift Code HYPO DE MM Posischeck München 65343-808 (BLZ 70010080)

den Kernbrennstoff in hermetisch abgeschlossenen Behältern aus rostfreiem oder Kohlenstoff-Stahl unterzubringen, aber es tritt ein Langzeitproblem dadurch auf, daß, wenn die Zerfallswärme wegfällt, nicht aktive Verschmutzungen, wie Feuchtigkeit und Chlorid in der Luft, Korrosion der Behälter und des Zellenaufbaues verursachen.

Die Erfindung schaft- daher in einer Trocke'n lagerungs zelle für bestrahlten Kernbrennstoff oder hochaktiven Abfall eine Einrichtung zum Hemmen der Korrosion der Kanister.

Gemäß der Erfindung wird bei einem Verfahren zum Lagern bestrahlten Kernreaktorbrennstoffes oder hochaktiven Abfalls in einer Lagerzelle, worin Kühlluft durch natürliche Ventilation durch die Zelle mittels Einlaß- und Auslaßöffnungen in Wärmetausch mit Brennstoff oder Abfall enthaltenden Kanistern fließen gelassen wird, ein Teil der Wärmeenergie, der von dem Brennstoff oder Abfall auf die Kühlluft übertragen worden ist, zur Luft stromauf des^Brennstoffes oder Abfalls rezirkuliert, um dadurch die Temperatur des Luftstromes über die Kanister auf oberhalb des Taupunktes zu erhöhen. Durch Steuerung der Kondensation von Dampf auf den Behältern und dem Zellenaufbau wird Korrosion weitgehend vermieden und durch stufenweise Drosselung des Lufteinlaß kann eine optimale Lufttemperatur über einen langen Lagerzeitraum aufrecht erhalten werden. Der Teil der Wärmeenergie kann durch rezirkulieren eines Teils des heißen Luftstromes stromab der Behälter nach stromauf der Behälter rezirkuliert werden.

Alternativ kann der Teil der Wärmeenergie durch einen Komplex von wärmeleitenden Röhren, die sich zwischen einem Heißluftauslaßkanal und einem Kaltlufteinlaßkanal erstrecken, rückgeführt werden. Der Wärmeleitungsröhrenkomplex schafft ein völlig passives Rezirk^lationssystem, das während des gesamten Kühlzeitraums des Brennstoffes oder Abfalls arbeiten kann.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung weist ein Aufbau einer Trockenzelle zum Lagern bestrahlten Kernreaktorbrennstoffs oder hochaktiven Abfalls einen Komplex aufrechter paralleler Röhren zum Aufnehmen von Kernbrennstoff oder Abfall in Behältern auf, wobei die Enden der Röhren mit entgegengesetzten Lufträumen (plenums) zum Fließenlassen von
Kühlluft durch die Röhren im Wärmetausch mit den Behältern kommunizieren, und ist eine Einrichtung zum Rückführen eines Teils der vom Brennstoff oder Abfall auf die Kühlluft übertragenen Wärmeenergie zur Luft stromauf des Brennstoffes oder Abfalls vorhanden, um dadurch die Temperatur des Luftstromes über die Kanister auf oberhalb des Taupunkts zu erhöhen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Aufbau- Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, auf die wegen ihrer großen Klarheit und Übersichtlichkeit bezüglich der Offenbarung ausdrücklich verwiesen wird, noch näher erläutert.

Es zeigen: '

Fig. 1 : Eine Schnittansicht eines Paares typischer Trockenlagerzellen für bestrahlten Kernbrennstoff,

Fig. 2, 3 und 4: Schemata, die Abwandlungen in der Bauweise zum Rückführen eines Teils des Luftstromes stromab des Brennstoffes erläutern, und

Fig. 5: Ein Schema eines Wärmeenergierückführsystems.

Der in Fig. 1 gezeigte Aufbau weist ein Paar Betonzellen 1 auf, die beidseits eines Lufteinlaßkanals 2 angeordnet sind. Die Zellen i haben einen Ausgang mittels Kanälen 3 zu einem (nicht gezeigten) Schacht, so daß eine natürliche Umwälzung von Luft durch die Zellen bewirkt wird. Der in jeder Zelle

— 7 —

zu lagernde Brennstoff ist völlig in zylindrischen Stahlbehältern in einer Anordnung von 650 senkrechten Kühlkanal-Röhren 4 aus Stahl eingeschlossen. Die unteren Enden der Röhren werden auf einem mit Durchbrüchen versehenen Betonbodenteil 5 getragen, das oberhalb des Bodens angeordnet ist, wobei der Zwischenraum eine Lufteinlaßmischeinsaugkammer 6 bildet. Die oberen Enden der Röhr°n 4 sind in einer Gittermatrix angeordnet, wobei ein Luftraum 7 eine Auslaßluftkammer zwischen dem oberen Ende der Röhren und der Unterseite einer Platte 8 bildet. Die Brennstoff enthaltenden Behälter werden paarweise in den stählernen Kanalröhren 4 gestapelt. Die Restwärme aus dem Brennstoff erzeugt einen natürlichen Zug in dem ringförmigen Raum zwischen jedem Kanister und Röhre, und der induzierte Konvektionsstrom entfernt Hitze von der Behälterwand, was den eingeschlossenen Brennstoff auf einer annehmbaren Temperatur hält. Die Luftströme, die die Behälterkühlkanäle verlassen, mischen sich in dem Luftraum oberhalb der Röhren und werden mittels der Kanäle 3 ausgestoßen./" Um die Kondensation von Dampf aus dem Luftstrom auf den Behältern zu hemmen, ist eine Einrichtung zum Rückführen eines Teils der Wärmeenergie, die von den Behältern auf die Kühlluft übertragen wurde, auf die Luft stromauf der Behälter vorgesehen, und wie in Fig. 1 gezeigt kann das Wärmeenergierecycling durch Rezirkulieren (wie durch mit Ά' bezeichnete Pfeile angedeutet) eines Teiles des Heißluftstromes stromab der Behälter nach stromauf der Behälter bewirkt werden.

Der Auslaßschacht ist dazu bestimmt, bei einer Temperatur von nicht mehr als 8O⁰C zu arbeiten, und es befinden sich keine beweglichen Teile oder speziellen Auskleidungen, abgesehen von der Betonoberflächenbearbeitung, -in der Zelle. Die Temperaturen sind so, daß die Stahlröhren hinreichend erwärmt werden, um die Kondensation von Feuchtigkeit aus hereinkommender Luft zu verhindern und vermeiden so Bedingungen, die zu Korrosion führen können. Es ist daher keine Notwendigkeit

für Wartung oder Ersatz innerhalb der Zelle. Kanalkühlröhren, die nicht mit Behältern gefüllt sind, erzeugen keinen Luftstrom und tragen daher nicht merklich zum Wärmeentfernungsvorgang bei. Die gefüllten Röhren sind selbstregelnd. Die Lufteinlaß- und Auslaßströme sind so angeordnet, daß sie durch abgeschirmte Kanäle mit seitlich versetzten Biegungen (dog-leg turns), die eingebaut sind, um das Strömen von direkter Strahlung zu verhindern, hindurchgehen.

Fig. 2 zeigt die bevorzugte Einrichtung zum Rückführen des Teils des Luftstromes vom Auslaßlufträum 7 oberhalb der Röhren zum Einlaßansaugraum 6. Der Lufteinlaß weist eine Einspritzdüse 9 auf, die in einen Drosselraum (choke), der in der Ansaugkammer ausgebildet ist, eintritt. Der Zellenschacht bzw. -Kamin schafft einen hinreichenden natürlichen Zug um seine eigene Reibung und den Lufteintritt z_ur Zelle zu überwinden und die kinetische Energie der Einspritzdüse zu liefern. Der Temperaturanstieg über die Brennstoffbehälter schafft einen hinreichenden natürlichen Zug um den Reibungsverlust der Luftströmung über die Kanister zu überwinden, und die kinetische Energie in der Einspritzdüse reicht aus, um den natürlichen Zug zu überwinden, der über der Höhe der Behälter erzeugt wird, und führt daher ungefähr 50% der Auslaßkühlluft zurück zum Einlaßansaugraum. Dies führt zu einer Lufteinlaßtemperatur zu den Behältern, die hinreichend hoch ist um Korrosion zu hemmen.

Fig. 3 zeigt ein alternatives Einspritzdüsensystem zum Rückführen des Teils des Kühlstromes. Die Düse 11, die in eine Verengung (choke) 12 eintritt, wird durch eine externe Druckluftquelle mit Energie versorgt.

Fig. 4 zeigt ein zweites alternatives System, worin Heißluft durch ein innerhalb des Kanals 14, der den Luftraum 7 mit dem Einlaßraum 6 verbindet, angeordnetes Umwälzgebläse 13 rück-

geführt wird.

Eine Trockenlagerzelle für bestrahlten Kernbrennstoff mit dem durch Fig. 2 erläuterten Einspritzdüsen-Rückführsystem hat insoweit einen Vorteil gegenüber denen die Rückführsysteme wie durch Fig. 3 und 4 erläutert haben, als sie völlig passiv ist. Die alternativen Konstruktionen haben ein passives Kühlen mit naturlichem Zug, aber die Rückführeinrichtungen sind aktiv und erfordern daher Zuverlässigkeit und das Vorsehen von Redundanz und Wartung der Anlage.

Fig. 5 zeigt schematisch einen Wärmeführungsrohrkomplex 14, der sich zwischen dem Heißluftkamin und dem Kaltlufteinlaßkanal 2 erstreckt. D:e Röhren enthalten eine Flüssigkeit, wie Wasser oder ein Kühlmittel, die durch natürliche Konvektion zirkuliert, um Wärme von der nach außen gehenden Heißluft zur nach innen gehenden Kaltluft zu übertragen, so daß die Einlaßluft hinreichend oberhalb ihrer Taupunkttemperatur gehalten wird. Die sich ergebende Kamintemperatur wird niedriger sein als sie durch Rückführen eines Teils der Heißluft wäre, wodurch der natürliche Zug vermindert wird, aber dieser Verlust an natürlichem Zug wird durch den geringeren Strömungsrückführenergieverlust kompensiert.

In Fig. 5 ist auch gezeigt, daß ein zweiter Kaltlufteinlaßkanal 16 mit einem Steuerventil 17 vorgesehen sein kann, das zum Umgehen der Wärmeleitröhren (oder zum Umgehen der Einspritzdüse der in der Ausführungsform der Fig. 2 offenbarten Konstruktion) angeordnet ist, wobei die Umgehung dazu dient, die Gesamttemperatur des Kühlsystems im Falle ungünstiger Umstände, wie einer ungewöhnlich hohen Umgebungstemperatur die sonst dazu führen würde, daß die Kamintemperatur die bevorzugte maximale Solltemperatur von 80⁰C überschreitet, zu vermindern.

- 10 -

Eine Konstruktion, die Wärmeleitröhren verwendet, hat den Vorteil einer geringeren Kompliziertheit als eine, die Einspritzdüsen- oder Gebläseumwälz-Einrichtungen verwendet.

ENDE DER BESCHREIBUNG

Leerseite

Claims

Patentansprüche

fl/ Verfahren zum Lagern bestrahlten Kernreaktorbrennstoffes oder hochaktiven Abfalls in einer Lagerzelle, worin Kühlluft durch natürliche Ventilation durch die Zelle'mittels Einlaß- und Auslaßöffnungen im Wärmetausch mit Brennstoff oder Abfall enthaltenden Behältern fließen gelassen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der vom Brennstoff oder Abfall auf die Kühlluft übertragenen Wärmeenergie zur Luft stromauf des Brennstoffes oder des Abfalls wieder zurückgeführt wird, um dadurch die Temperatur des Luftstromes über die Behälter über den Taupunkt zu erhöhen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der Wärmeenergie durch Rückführen eines Teils des heissen Luftstromes stromab der Behälter nach stromauf der Behälter zurückgeführt wird.
3. Aufbau einer Trockenlagerzelle zum Lagern bestrahlten Kern-

VII/WW/cz

r (089) 98 82 72 - 74

Telex. 05 24 560 BERG d

Bankkonten Bayer. Vereinsbank Mjr.;nen 453100 (BLZ 70020270)

320731Q

reaktorbrennstoffes oder hochaktiven Abfalls, wobei die Zelle eine Anordnung von aufrechten, parallelen Röhren zum Beherbergen des Kernbrennstoffes oder Abfalles in Behältern aufweist, wobei die Enden der Röhren mit einander gegenüberstehenden Lufträumen, zum Fließenlassen kühlender Luft durch die Röhren im Wärmetausch mit den Behältern, in Verbindung stehen, gekenn ze. ichnet durch eine Einrichtung (9; 11; 13; 14) zum Rückführen eines Teils der der Kühlluft vom Brennstoff oder Abfall übertragenen Wärmeenergie zur Luft stromauf des Brennstoffes oder Abfalles um dadurch die Temperatur des Luftstromes über die Behälter über den Taupunkt zu erhöhen.
4. Aufbau einer Trockenlagerzelle nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (9; 11; 13) zum Rückführen eines Teils des Luftstromes stromab der Behälter nach stromauf der Behälter um dadurch den Teil der Wärmeenergie rückzuführen.
5. Aufbau einer Trockenlagerzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Rückführen eines Teils des Luftstromes stromab der Behälter nach stromauf der Behälter eine Einspritzdüse (9) aufweist, die so angeordnet ist, daß stromab befindliche Luft durch Luftstrom in die Zelle mitgerissen wird.
6. Aufbau einer Trockenlagerzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Rückführen eines Teils des Luftstromes stromab der Behälter nach stromauf der Behälter eine Einspritzdüse (11) aufweist, die so angeordnet ist, daß stromab befindliche Luft durch einen Druckluftstrom aus einer äußeren Quelle in die Zelle mitgerissen wird.
7. Aufbau einer Trockenlagerzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Rückführen eines Teils des Luftstromes stromab der Behälter nach stromauf der Behälter ein Umwälzgebläse (13) aufweist.
8. Aufbau einer Trockenlagerzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum. Rückführen eines Teils der Wärmeenergie eine Anordnung von Wärmeleitungsrohren (14) aufweist, die sich zwischen einem Heißluftauslaßkanal (7) und einem Kaltlufteinlaßkanal (2) der Zelle erstrecken.
9. Aufbau einer Trockenlagerzelle nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch e-nen zweiten Kaltlufteinlaßkanal (16), der eine Strömungssteuereinrichtung (17) aufweist und zum Umgehen der mit dem ersten Kaltlufteinläßkanal (2) verbundenen Anordnung von Wärmeleitungsrohren angeordnet ist,