DE3933530C2 - Lagerbüchse zur Aufnahme von einzelnen Brennstäben bestrahlter Kernreaktorbrennelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lagerbüchse zur Aufnahme von einzelnen Brennstäben bestrahlter Kernreaktor­ brennelemente und zum Einsetzen in einen dicht ver­ schließbaren Zwischen- oder Endlagerbehälter, wobei die nach außen gewandte Mantelfläche der Lagerbüchse an der Innenwand des Zwischen- oder Endlagerbehälters passend anliegt.

Bestrahlte Kernreaktorbrennelemente müssen nach ihrem Einsatz in dem Kernkraftwerk zwischen- oder endgelagert werden. Dabei ist es bereits bekannt, die einzelnen Brennstäbe aus den Abstandshaltern der Brennelemente herauszuziehen und in kompakter Anordnung in einen für die Zwischen- oder Endlagerung geeigneten Behälter ein­ zustellen.

In der EP 01 71 773 A2 wird die gewünschte kompakte Anordnung der einzelnen Brennstäbe durch ihre Bündelung in Lagerbüchsen, auch Brennstabbüchsen genannt, er­ reicht. Diese Lagerbüchsen haben einen dünnen Metall­ mantel und entsprechen in ihrem Querschnitt einem Kreisringausschnitt, so daß mehrere Lagerbüchsen kreis­ förmig in den Innenraum eines Zwischen- oder Endlager­ behälters eingestellt werden können. Im Zentrum des be­ ladenen Behälters bleibt dabei ein Bereich frei, um da­ rin die verbleibenden kompaktierten Strukturteile des Brennelementes aufzunehmen. Die Lagerbüchsen liegen mit ihren bogenförmigen äußeren Mantelflächen, den Rück­ wänden an der Behälterinnenwand an. Dadurch ist eine gute Wärmeübertragung von der Lagerbüchse zum massiven Behälterkörper gewährleistet.

Die Beladung der Lagerbüchsen mit den in einer Heißen Arbeitszelle vereinzelten Brennstäben wird nach dem Andocken der Lagerbüchse an eine mit einer Schleusen­ öffnung versehene Lüftungstrennwand durchgeführt. Die leere Lagerbüchse liegt dabei in einem Hantierungsbe­ reich außerhalb der Arbeitszelle einem trogförmigen Be­ hältnis gegenüber, in dem die einzelnen Brennstäbe in einer entsprechend dem Querschnitt der Lagerbüchse vor­ geformten Bündel eingebracht sind. Nach Öffnen der Schleusenöffnung in der Lüftungstrennwand werden die Brennstäbe aus dem trogförmigen Behältnis in die Lager­ büchse eingeschoben. Nach Verschließen der Schleusen­ öffnung und der Lagerbüchse und Abdocken von der Lüf­ tungstrennwand wird die Lagerbüchse in den Zwischen- oder Endlagerbehälter eingebracht und abgeschirmt und gasdicht gegenüber der Umgebung aufbewahrt.

Die Brennstäbe entwickeln in der Lagerbüchse in Abhän­ gigkeit ihres Abbrandes und der bereits verstrichenen Abklingzeit Wärme. Diese Wärme muß ausreichend abge­ führt werden, um eine Überhitzung im Zentrum der Lager­ büchse zu verhindern. Aus der EP 01 71 773 A2 ist es be­ kannt, die Wärme aus dem Brennstabbündel heraus über die nach außen gerichtete Wand der Brennstabbüchse in den Grundkörper des Zwischen- oder Endlagerbehälters und von dort nach außen abzuführen.

Diese technische Lösung hat sich bewährt. Es ist aber möglich, daß bei bestimmten eingelagerten Brennstäben, die einen höheren Abbrand und eine geringere Kühlzeit aufweisen, noch große Wärmeleistungen abgeführt werden müssen. Dieses könnte aufgefangen werden, indem man die Lagerbüchsen nur teilweise belädt. Dieses wäre aber unökonomisch.

Bekannt ist es auch, Hülsen bzw. Lagerbüchsen mit darin eingebrachten Kernreaktorbrennelementen so in einem Transportbehälter anzuordnen, daß die Hülsen und/oder die Kernreaktorbrennelemente von einem fluiden Kühlmittel umspült sind (DE-AS 11 46 209; DE-OS 33 10 233). Schließlich ist es auch bekannt, Kernreaktorbrennstäbe einzeln (DE-OS 28 00 686) oder gebündelt (DE-OS 32 22 822; DE-OS 33 42 641) ohne gesonderte Lagerbüchsen in die Aufnahmeschächte eines die Aufnahmekammer eingesetzten Einsatzgitters des Abschirmbehälters in dichter Packung einzubringen. Größere Wärmeleistungen lassen sich damit nur schwer oder gar nicht abführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lagerbüchse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart auszugestalten, daß sowohl die Wärmeabfuhr aus dem eingelagerten Brennstabbündel verbessert als auch der Transfer des eingelagerten Brennstabbündels aus einer heißen Zelle in den Zwischen- oder Endlagerbehälter erleichtert wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der in der Lagerbüchse eingebrachte Wärmeleitsteg ragt in das Zentrum des Brennstabbündels hinein, so daß die Wärme ohne Behinderung an die kalte Behälterwand abfließen kann. Die Anordnung eines Wärmeleitsteges erlaubt es, die Lagerbüchse für mittlere Wärmeleistungen auszulegen und dennoch Brennstäbe mit höheren Wärmeleistungen einzulagern. Die Brennstabbüchse kann bezüglich des Nutzvolumens und der Beladbarkeit optimiert werden, ohne daß das Wärmeableitvermögen besonders berücksichtigt werden muß.

Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Lagerbüchse nach Anspruch 2 wird der Wärmeleitwiderstand zwischen Wärmeleitsteg und Lagerbüchse auf ein Minimum reduziert.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist gemäß Anspruch 3 der Wärmeleitsteg ein loser, in die Lagerbüchse einschiebbarer Wärmeleiteinsatz. Sind höhere Wärmeleistungen aus der Lagerbüchse abzuführen, kann der die Wärme abführende Wärmeleiteinsatz gemein­ sam mit den Brennstäben in die Lagerbüchse eingeschoben werden. Der Wärmeleiteinsatz kann aber bei Bedarf auch bereits vor der Beladung in die mit den Brennstäben zu beladende Lagerbüchse eingesetzt werden. Nach dem An­ docken wird dann der Wärmeleiteinsatz aus der Lager­ büchse durch die Lüftungstrennwand in die Heiße Ar­ beitszelle und dort in den sogenannten Brennstabtrog, der ein Zwischentransportbehältnis für die Brennstäbe darstellt, hineingezogen. Dieser Brennstabtrog wird dann mit den Brennstäben gefüllt. Die einzelnen Brenn­ stäbe ordnen sich dabei um den Wärmeleitsteg herum an. Die Brennstäbe werden gemeinsam mit dem Wärmeleitein­ satz in die Brennstabbüchse eingeschoben.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung gemäß An­ spruch 4 weist der Wärmeleiteinsatz einen zum Zentrum der Lagerbüchse gerichteten Steg und einen an der äuße­ ren Büchsenwand quer zum Steg liegenden Wärmeübergabe­ schenkel auf. Dieser Wärmeübergabeschenkel ist im glei­ chen Radius gebogen wie die beim Einsetzen in den Be­ hälter nach außen gewandte Mantelfläche bzw. Rückwand der Lagerbüchse.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist gemäß An­ spruch 5 die Oberseite des Steges mit Blattfedern ver­ sehen, die sich gegen die gegenüberliegende Büchsenwand abstützen.

Die Wärmeabfuhr von der Rückwand der Lagerbüchse zum Behälterkörper kann durch die Beschichtung gemäß An­ spruch 6 begünstigt werden.

Anhand der Zeichnung werden nachstehend Ausführungsbei­ spiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Lagerbehälter nach dem Doppelbehältersystem mit in den inneren Be­ hälter eingesetzten Lagerbüchsen,

Fig. 2 im vergrößerten Maßstab einen Querschnitt durch den nutzbaren Beladeraum des inneren Behälters,

Fig. 3 einen in eine leere Lagerbüchse eingeschobenen Wärmeleiteinsatz,

Fig. 4 u. 5 verschiedene Ausführungsformen des Wärmeleitein­ satzes,

Fig. 6 einen in einen Brennstabtrog eingezogenen Wärmeleiteinsatz vor der Beladung mit Brenn­ stäben,

Fig. 7 ein beladener Brennstabtrog mit eingelegtem Wärmeleiteinsatz,

Fig. 8 das Andockprinzip zur Beladung der Lagerbüchse aus dem Zwischentransportbehältnis der Heißen Arbeitszelle.

Das in Fig. 1 gezeigte Doppelbehältersystem besteht aus einem äußeren Abschirmbehälter 11 aus Gußeisen und ei­ nem inneren Endlagerbehälter 13 aus Stahlguß. In dem Ringspalt zwischen diesen beiden Behältern ist eine Neutronenmoderatorschicht 15 aus Polyäthylen angeord­ net. Der Endlagerbehälter 13 weist einen kreisförmigen Lagerraum 17 zur Aufnahme von vier kreissegmentförmigen Lagerbüchsen 18, 19, 20, 21 auf.

Der Abschirmbehälter 11 ist mit am Außenumfang be­ festigten Tragzapfen 23 versehen.

Diese Lagerbüchsen 18, 19, 20, 21 sind zur Aufnahme von einzelnen Brennstäben einiger bestrahlter Kernreaktor­ brennelemente vorgesehen. In den Lagerbüchsen 18, 19, 20, 21 werden die Brennstäbe dicht gepackt. Die Lager­ büchsen werden nach ihrem Beladen stirnseitig ver­ schlossen und in einen sich in dem kreisförmigen Lager­ raum 17 befindlichen Einsatzkorb 25 eingesetzt. Dieser Einsatzkorb 25 weist im Querschnitt gesehen einen mit­ tig angeordneten quadratischen Schacht 27 auf, von des­ sen Ecken diagonale Trennwände 29 zur Behälterinnenwand 31 des Lagerraumes 17 streben. Dadurch werden vier Auf­ nahmeschächte (siehe Fig. 2) gebildet, in denen sich jeweils eine Lagerbüchse 18, 19, 20 bzw. 21 befindet.

Die Lagerbüchsen 18, 19, 20, 21 entsprechen in ihrem Querschnitt einem Kreisringausschnitt. Ihre gegen die Behälterinnenwand 31 anliegenden Rückwände 33 sind je­ weils bogenförmig ausgebildet. Die Krümmung der Rück­ wände 33 entspricht der Krümmung der Behälterinnenwand 31. Die radial verlaufenden Seitenflächen 35 der Lager­ büchsen liegen parallel zu den Trennwänden 29. Die nach innen abschließende Wand 37 jeder Lagerbüchse verläuft parallel zu der jeweiligen Seite des quadratischen Mit­ telschachtes 27. Die Lagerbüchsen 18, 19, 20, 21 sind an ihrem Übergang von den radialen Seitenflächen 35 zu ihrer bogenförmigen Rückwand 33 abgeflacht ausgebildet, so daß zwei parallele kurze Seitenabschnitte 39 gebil­ det werden, an denen am oberen Ende Tragösen 40 ange­ bracht sind.

Seitenflächen 35 und Wände 37 sind mit Borstahlplatten 41 belegt. Im quadratischen Mittelschacht 27 sind kom­ paktierte Strukturteile 43 eingebracht.

In der Lagerbüchse 18 ist symmetrisch ein in das Zen­ trum der Lagerbüchse 18 ragender Wärmeleitsteg 45 an der bogenförmigen Rückwand 33 angeschweißt. Dieser Wär­ meleitsteg 45 erstreckt sich über die gesamte Länge der Lagerbüchse 18.

In den Lagerbüchsen 19 und 21 sind zwei Wärmeleitein­ sätze 47 angeordnet. Die Wärmeleiteinsätze 47 weisen jeweils einen sich durch das Zentrum der Lagerbüchse 19 bzw. 21 erstreckenden Steg 49 auf, der am äußeren Ende einen querliegenden Wärmeübergabeschenkel 51 aufweist. Dieser Wärmeübergabeschenkel 51 ist im gleichen Radius gebogen wie die Rückwand 33 der Lagerbüchse 19 bzw. 21 und liegt auf der Innenseite der Rückwand 33 gut pas­ send auf, da das freie Ende des Steges 49 sich über ei­ ne am freien Ende des Steges 49 angeordnete Blattfeder 53 gegen die innere Wand 37 abstützt.

Die Lagerbüchse 20 ist ohne Wärmeleitsteg oder Wärme­ leiteinsatz dargestellt. Alle Lagerbüchsen 18, 19, 20, 21 können die einzelnen Brennstäbe 55, die hier nur an­ gedeutet sind, in kompakter Anordnung aufnehmen. In der Fig. 3 wird eine Lagerbüchse 21 in perspektivischer Darstellung gezeigt, die im Querschnitt einen einge­ schobenen Wärmeleiteinsatz 47 zeigt.

Besondere Ausführungsformen der losen, einsetzbaren Wärmeleiteinsätze werden in den Fig. 4 und 5 gezeigt. Der Wärmeleiteinsatz 61 nach der Fig. 4 weist einen verlängerten Wärmeübergabeschenkel 63 auf, der zwei parallel zum Steg 65 angeordnete Endabschnitte 67, 68 aufweist, die den Abmessungen der parallelen, kurzen Seitenabschnitte 39 der Lagerbüchsen entsprechen. Es kann somit ein formschlüssiges Einbringen des Wärme­ leiteinsatzes 61 erreicht werden.

Der Wärmeleiteinsatz nach Fig. 5 weist einen breiten Wärmeübergangsschenkel 71 auf, der über die gesamte Breite der bogenförmigen Rückwand 33 reicht.

In der Fig. 6 wird ein Brennstabtrog 73 gezeigt, der ein in der Heißen Arbeitszelle 75 (Fig. 8) angeordnetes Zwischentransportbehältnis für die vereinzelten Brenn­ stäbe darstellt. Der Brennstabtrog 73 hat die gleiche Konfiguration wie die Lagerbüchse 21 gemäß Fig. 3. Der Wärmeleiteinsatz 47 ist in der gezeigten Darstellung in den Brennstabtrog 73 hineingezogen worden. Der bogen­ förmige Boden 77 des Brennstabtroges 73 steht auf Stüt­ zen 79. Der Brennstabtrog 73 ist oben offen und zwar in dem Bereich, in dem die Lagerbüchse 21 ihre innere Wand 37 aufweist. Über diese Öffnung kann der Brennstabtrog 73 mit Brennstäben 55 beladen werden, wie es aus der Fig. 7 ersichtlich ist.

Die Beladung einer einen losen Wärmeleiteinsatz 47 auf­ weisenden Lagerbüchse 21 wird unter Berücksichtigung der Fig. 8 nachstehend näher erläutert.

Der Wärmeleiteinsatz 47 wird bereits in der Vorberei­ tung in die leere Lagerbüchse 21 eingesetzt. Die so ausgerüstete Lagerbüchse 21 wird stirnseitig mit einem Deckel verschlossen und zur Beladung in den abgeschirm­ ten Fernhantierungsbereich 81 eingeschleust. Die Lager­ büchse 21 wird horizontal an eine Füllöffnung 83 in ei­ ner Lufttrennwand 85 angedockt, so daß die gebogene Rückwand 33 unten liegt. Das Andocken wird über die Stirnseite erreicht.

Der Fernhantierungsbereich 81 der Lagerbüchse 21 ist gegenüber dem kontaminierten Heißen Arbeitszellenbe­ reich 75 durch die Lüftungstrennwand 85 lufttechnisch geschützt.

Die Beladeöffnung 83 ist auf der Seite der Heißen Ar­ beitszelle 75 mit einer Abdeckhaube 87 verschlossen. In dieser Abdeckhaube 87 befindet sich ein Greifmechanis­ mus mittels dessen der stirnseitige Deckel der Lager­ büchse 21 ergriffen und in die Abdeckhaube 87 hineinge­ zogen wird. Abdeckhaube 87 und Deckel werden zur Seite geschwenkt und die Schleusenöffnung 83 zum Beladen der Lagerbüchse 21 ist frei.

Auf der Seite der Heißen Arbeitszelle 75 ist das trog­ förmige Zwischentransportbehältnis 73, welches den gleichen Querschnitt aufweist wie die Lagerbüchse 21, an die Beladeöffnung 83 horizontal angedockt. Dieses Zwischentransportbehältnis 73 dient zum Zwischen­ transport für die Brennstäbe 55 innerhalb der Heißen Arbeitszelle 75 und ist zum Beladen auf der Oberseite geöffnet.

Der Wärmeleiteinsatz 47 kann nun mit Hilfe z.B. eines Handmanipulators aus der Brennstabbüchse 21 in den Brennstabtrog 73 gezogen werden. Der so mit dem Wärme­ leiteinsatz 47 versehene Brennstabtrog 73 kann an der dafür vorgesehenen Stelle in der Arbeitszelle 75 mit Brennstäben 55 beladen und wieder an die Lüftungstrenn­ wand 85 angedockt werden. Die Brennstäbe 55 können jetzt zusammen mit dem Wärmeleiteinsatz 47 in die La­ gerbüchse 21 geschoben werden. Die befüllte und verschlossene Lagerbüchse 21 wird dann in ein dafür vorgesehenes Lager eingestellt.

Die Beladung der Lagerbüchse 18 mit dem eingeschweißten Wärmeleitsteg 45 geschieht wie folgt:

Die leere Lagerbüchse 18 wird horizontal an die Lüf­ tungstrennwand 85 im Bereich der Schleusenöffnung 83 angedockt. Die Abdeckhaube 87 wird zur Seite ge­ schwenkt. Vorher ist der Brennstabtrog 73 befüllt wor­ den. Der Brennstabtrog ist mit einem dem Wärmeleitsteg 45 identischen Steg ausgerüstet, so daß beim Einschie­ ben der Brennstäbe in die Lagerbüchse 18 eine identi­ sche Konfiguration im Brennstabtrog 73 vorliegt. Die Brennstäbe 55 werden aus dem Brennstabtrog 73 in die Lagerbüchse 18 eingeschoben. Die beladene Lagerbüchse 18 wird abgedockt und in ein Lager eingestellt.

Claims (6)

1. Lagerbüchse zur Aufnahme von einzelnen Brennstäben bestrahlter Kernreaktorbrennelemente und zum Einsetzen in einen dicht verschließbaren Zwischen- oder Endlagerbehälter, wobei die nach außen gewandte Mantelfläche der Lagerbüchse an der Innenwand des Zwischen- oder Endlagerbehälters passend anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Lagerbüchse (18, 19, 21) ein Wärmeleitsteg (45, 47) aus einem gut leitenden Metall angeordnet ist, der von der nach außen gewandten Mantelfläche (33) in das Brennstabbündel (55) ragt und sich über die Länge der Lagerbüchse (18, 19, 21) erstreckt, so daß Wärme ohne Behinderung an die Wand des Zwischen- oder Endlagerbehälters (13) abfließen kann.

2. Lagerbüchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeleitsteg (45) innen an der nach außen gewandten Mantelfläche (33) angeschweißt oder ange­ lötet ist.

3. Lagerbüchse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeleitsteg durch einen losen, in die La­ gerbüchse (19, 21) einschiebbaren Wärmeleiteinsatz (47) gebildet ist.

4. Lagerbüchse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeleiteinsatz (47) in etwa T-förmig aus­ gebildet ist, wobei der Steg (49) zum Zentrum der Lagerbüchse (19, 21) gerichtet ist und der querlie­ gende Wärmeübergabeschenkel (51) an der Rückwand (33) der Lagerbüchse (19, 21) anliegt.

5. Lagerbüchse nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeleiteinsatz (47) an der Oberseite des Steges (49) mit Blattfedern (53) versehen ist, die sich gegen die gegenüberliegende Wand (37) der La­ gerbüchse (19, 21) abstützen.

6. Lagerbüchse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die nach Einsetzen in den Behälter nach außen gerichtete Mantelfläche (33) der Lagerbüchse (18, 19, 21) mit einem gut wärmeleitenden Metall be­ schichtet ist.