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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung eines Kernreaktor-Brennelements und insbesondere
eines Brennelements eines Druckwasserreaktors.
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Die
Brennelemente der Leichtwasserreaktoren und insbesondere die Brennelemente
der Druckwasserreaktoren werden durch Brennstabbündel gebildet, die in einer
Brennelement-Tragstruktur in zueinander parallelen Stellungen gehalten
werden. Die Brennstäbe
selbst werden durch lange Rohre gebildet, generell etwas länger als
4 m und ungefähr
1 cm dick, die mit Brennstofftabletten gefüllt sind. Die Brennstäbe sind
in der Brennelement-Tragstruktur so angeordnet, dass zwischen ihnen
Zirkulationsräume für das Kühlwasser
des Kernreaktors vorhanden sind. Das Kühlwasser des Kernreaktors fließt in den Räumen zwischen
den Brennstäben
in der axialen Richtung des Bündels,
entsprechend der Ausrichtung der Brennstäbe.
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Die
Brennelemente befinden sich im Kern des Reaktors, mit vertikal ausgerichteten
Achsen, so dass sie vom Kühlwasser
des Kernreaktors von unten nach oben durchquert werden, zwischen
ihrem Unterteil, der auf einer Reaktorkern-Stützplatte ruht, und ihrem Oberteil,
auf dem eine Oberplatte des Kerns ruht, die den Brennelementen Halt
gibt.
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Nach
einer bestimmten Betriebszeit des Kernreaktors muss ein Brennelementwechsel
stattfinden, indem man einen Teil der Brennelemente ersetzt, die
sich eine bestimmte Dauer in dem Kern des Reaktors befanden oder
die für
einen vorher festgelegten relativen Abbrand bestimmt waren, oder
auch sich verschlechternde Brennelemente, bei denen die Gefahr besteht,
dass sie radioaktive Produkte in das Kühlwasser des Reaktors ausscheiden.
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Die
dem Reaktorkern entnommenen abgebrannten Brennelemente werden generell
in ein Entaktivierungsbecken in der Nähe des Reaktorgebäudes transportiert
und dort gelagert.
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Im
Innern des Entaktivierungsbeckens werden die Brennelemente unter
Wasser in einem Lagergestell gelagert, das auf dem Boden des Entaktivierungsbeckens
steht. Die Lagergestelle umfassen eine Gruppe vertikaler Zellen
von geradliniger prismatischer Form und einer Höhe, die wenigstens der axialen
Länge eines
Brennelements entspricht, von denen jede dazu bestimmt ist, ein
Brennelement so aufzunehmen, dass seine Längsachse vertikal ausgerichtet
ist. Das Brennelement ist in der Zelle des Lagergestells so angeordnet,
dass seine Stellung der Stellung entspricht, die es im Reaktorkern
einnimmt, das heißt,
dass sein unteres Ende, oder unterer Ansatz, sich auf dem Boden
der Zelle des Lagergestells befindet und sein oberes Ende, oder
oberer Ansatz, am oberen Ende des Lagergestells. Die Tiefe des Entaktivierungsbeckens
ist ausreichend groß,
dass der obere Teil der Brennelemente sich so weit unter dem Pegelstand
des Wassers befindet, dass der biologische Schutz des Personals,
das in der Umgebung des Beckenrands arbeitet, sichergestellt ist.
Die Brennelement-Tragstruktur
umfasst Endansätze
(unten und oben) und transversale Abstandshaltergitter, welche die
Brennstäbe
in der Längsrichtung
der Brennelemente halten, wobei diese Elemente durch Führungsrohre
miteinander verbunden sind, die sich im Innern des Bündels in
bestimmten Positionen befinden, wobei sie Stäbe ersetzen. Die Bauelemente des
Gestells, wie etwa die Abstandshaltergitter und die Ansätze, grenzen
zusammen mit den Brennstäben
zahlreiche Zwischenräume
mit kleinen Abmessungen ab. Ebenso weisen die Räume zwischen den Brennstäben im Querschnitt
der Brennelemente relativ kleine Abmessungen auf. Das Kühlwasser
des Kernreaktors kann eventuell Abfälle mitführen, gebildet durch aktivierte
Metalle oder Oxide, die sich in den Lücken zwischen den Bauelementen
des Gestells und den Brennstäben
oder zwischen den Brennstäben
festsetzen können.
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Es
kann notwendig sein, die dem Reaktorkern entnommenen abgebrannten
Brennelemente zu reinigen, um Abfälle zu entfernen, die eventuell
zwischen dem Gestell und den Brennstäben oder zwischen den Brennstäben eingeklemmt
sind. Dies kann vor dem Brennelementwechsel stattfinden oder vor dem
Transport in eine Inspektions- und Reparatureinrichtung oder eine
Wiederaufbereitungsanlage. Eventuell in den Brennelementen eingeklemmte
Abfälle
könnten
sich nämlich
während
des Transports oder während
der an den Brennelementen ausgeführten
Arbeitsgänge
lösen,
so dass diese stark aktivierten Abfälle unerwünschte Kontaminationen verursachen
könnten.
Wenn man das Brennelement wieder in den Reaktorkern einführt, ohne
es gereinigt zu haben, führt
dies zu einer Erhöhung
der Aktivität
im Primärkreis.
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Aus
DE-A-4 129 362 und US-A-4,847,042 kennt man Verfahren und Vorrichtungen,
die das Reinigen eines Brennelements ermöglichen, indem in einen in
einem Becken befindlichen Behälter
Wasser hineinspritzt und gleichzeitig Wasser absaugt.
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Jedoch
ist bisher keine Vorrichtung bekannt, mit der man leicht und wirkungsvoll
abgebrannte Brennelemente reinigen kann, die man dem Reaktorkern
entnommen und in ein Lagergestell im Innern eines Beckens gestellt
hat.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht also darin, eine Vorrichtung zur Reinigung
eines Kernreaktor-Brennelements vorzuschlagen, das durch ein Bündel von
Brennstäben
gebildet wird, die im Innern einer Brennelement-Tragstruktur in
zueinander parallelen Stellungen gehalten werden, wobei diese Vorrichtung
eine in der axialen Richtung der Brennstäbe generell geradlinige prismatische
Form hat und das Brennelement dabei in einem Entaktivierungsbecken unter
Wasser gelagert ist, in einer Zelle eines Lagergestells, in der
das Brennelement mit seiner Vertikalachse in einer seiner Betriebsposition
in dem Kernreaktor entsprechenden Position angeordnet ist, und diese
Vorrichtung sehr leicht in ihre Arbeitsstellung gebracht werden
kann und eine einfache Reinigung des in dem Lagergestell befindlichen
Brennelements ermöglicht.
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Zu
diesem Zweck umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung:
- – ein
generell rohrförmiges
Gehäuse,
dessen Querschnitt bzw. Innenquerschnitt größer ist als der Querschnitt
des Brennelements, so dass das Brennelement das Gehäuse durchqueren
kann,
- – eine
Grundplatte, durchbrochen von einer Öffnung mit einer Abmessung,
die größer ist
als die Abmessung des Querschnitts des Brennelements, auf der das
Gehäuse
mit einem unteren Ende ruht, um die die Grundplatte durchbrechende Öffnung herum,
- – wenigstens
zwei Positionierungsstücke
unter der Grundplatte, so konzipiert, dass sie in wenigstens zwei
der Zelle benachbarte Zellen des Lagergestells passen, in dem das
Brennelement angeordnet wird,
- – Wasserabsaugeinrichtungen
in einem unteren Teil des Gehäuses, über der
Grundplatte, und
- – eine
in vertikaler Richtung arbeitende Hebeeinrichtung des Brennelements.
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügte Figur eine Realisierungsart
des Verfahrens und der Vorrichtung zur Reinigung von Brennstoffelementen
nach der Erfindung beschrieben.
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Die
einzige Figur zeigt einen Aufriss und einen Schnitt einer Zone eines
Entaktivierungsbeckens für
Brennstoffelemente, in dem ein Brennstoffelement mit Hilfe des Verfahrens
und der Vorrichtung der Erfindung gereinigt wird.
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In
der einzigen Figur sieht man ein oberes Ende eines allgemein mit 1 bezeichneten
Lagergestells, das Wände
umfasst, die drei benachbarte Zellen 2a, 2b und 2c zur
Lagerung von Brennelementen abgrenzen.
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Das
Lagergestell 1 ruht mit seinem Unterteil auf dem Boden
eines mit Wasser gefüllten
Entaktivierungsbeckens 3, in welches das Gestell 1 und
die in dem Gestell angeordneten Brennelemente eingetaucht sind.
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Der
obere Endteil des Gestells 1 befindet sich ausreichend
tief unter dem Pegelstand des Wassers, dass der biologische Schutz
des Personals, das in der Umgebung des Beckens 3 arbeitet,
sichergestellt ist.
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Das
Lagergestell 1 wird benützt,
um Brennelemente eines Druckwasserreaktors wie das Brennelement 4 zu
lagern, um es nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu reinigen.
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Das
Brennelement 4 wird durch ein Bündel von Brennstäben 5 gebildet,
die parallel zueinander in einer Tragstruktur angeordnet sind, das
Abstandshaltergitter 6 umfasst, verteilt über die
Länge des Bündels und
des Brennelements in der axialen Richtung des Bündels, wobei die Abstandshaltergitter
die einem Raster entsprechende transversale Anordnung der Brennstäbe 5 in
einer Ebene gewährleisten, die
senkrecht ist zu der Richtung der Längsachse des Brennelements 4.
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Die
Brennelement-Tragstruktur umfasst zudem einen unteren Ansatz oder
Fuß 7 und
einen oberen Ansatz oder Kopf 8, jeweils am unteren Ende
und am oberen Ende des Brennelements befestigt, sowie Führungsrohre,
die sich in dem Brennstabraster in bestimmten Positionen befinden
und die Verbindungselemente der Tragstruktur bilden, an denen die Abstandshaltergitter 6,
der Fuß 7 und
der Kopf 8 befestigt sind.
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Generell
hat das Brennelement 4 eines Druckwasserreaktors eine geradlinige
prismatische Form mit einem quadratischen Querschnitt, dessen Seitenlänge ungefähr 20 cm
beträgt.
Die axiale Gesamtlänge
des Brennelements ist etwas größer als
4 m.
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Das
Lagergestell 1 definiert Lagerzellen für jeweils ein dem Brennelement 4 entsprechendes Brennelement
von geradliniger prismatischer Form mit quadratischem Querschnitt.
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Die
vertikalen Wände 9 des
Lagergestells 1 grenzen zwischen sich Zellen ab, deren
quadratische Querschnitte einem Netz mit quadratischen Maschen entsprechen,
so dass eine Zelle wie die Zelle 2b auf ihren vier Seiten
generell von vier entsprechend zwei zueinander senkrechten Reihen
angeordneten Zellen wie etwa 2a und 2c umgeben
ist.
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Wenn
das Brennelement 4 sich ganz im Innern einer Zelle wie
etwa der Zelle 2b befindet, befindet sich sein Kopf 8 unterhalb
der Spitzen der vertikalen Wände 9 des
Lagergestells.
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Um
das erfindungsgemäße Reinigungsverfahren
bei einem Brennelement 4 anzuwenden, das sich in einer
Zelle wie etwa der Zelle 2b befindet, bringt man über dem
oberen Teil des Lagergestells 1 eine allgemein mit 10 bezeichnete
Reinigungsvorrichtung zum Einsatz.
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Die
Reinigungsvorrichtung 10 umfasst eine Grundplatte 11,
aus deren Unterseite zwei Positionierungsstücke 13 herausragen.
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Um
eine gute Stabilität
der Reinigungsvorrichtung 10 zu gewährleisten, verwendet man generell
eine Grundplatte 11 mit zwei Positionierungsstücken 13,
so angeordnet, dass sie sich in zwei der vier entsprechend zwei
senkrechten Reihen angeordneten Zellen setzen können, welche die Zelle 2b umgeben,
in der sich das Brennelement 4 befindet, das gereinigt
werden soll.
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Generell
können
die Positionierungsstücke 13 einen
quadratischen Querschnitt aufweisen, der im Wesentlichen dem Querschnitt
eines Brennelements entspricht, oder einen in dem quadratischen Querschnitt
der Zeilen enthaltenen runden Querschnitt.
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Man
kann eine beliebige Anzahl an die Position und die Konfiguration
der Brennelement-Aufnahmezellen angepasste Positionierungsstücke benutzen.
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Die
Grundplatte 11 wird in ihrem zentralen Teil von einer zum
Beispiel quadratischen Öffnung 14 durchquert,
die so groß ist,
dass ein Brennelement sie passieren kann. Auf der Oberseite der
Grundplatte 11, über
der Durchgangsöffnung 14,
befindet sich eine Absauggehäuse 12,
das generell die Form einer an ihren beiden Enden offenen rohrförmigen Hülle hat.
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Die Öffnung am
unteren Ende des Absauggehäuses 12 überdeckt
die Durchgangsöffnung 14 der
Grundplatte 11 vollständig.
Außerdem
umfasst das Gehäuses 12 einen
sich von unten nach oben erweiternden Teil und hat einen ausreichenden
Querschnitt, um ein Brennelement durchzulassen, so dass das Brennelement 4 das
Innenvolumen des Gehäuses 12 durchqueren
kann, wenn man es in der vertikalen Richtung und nach oben verschiebt.
Außerdem
hat der erweiterte Teil des Gehäuses 12 einen
Querschnitt, der wesentlich größer ist
als der Querschnitt des Brennelements, so dass beim Hochheben des
Brennelements 4 – wie
dargestellt in der Figur – am
oberen Ende des Gehäuses 12,
um das Brennelement herum, eine Durchlassöffnung für das Wasser des Beckens existiert.
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Das
Gehäuses 12 ist
durch Stutzen 17 und Leitungen 16 mit einer oder
mehreren Pumpeinrichtungen 18 verbunden, die sich über dem
oberen Pegelstand des Beckens 3 befinden. Die Stutzen 17 befinden
sich im unteren Teil des Absauggehäuses 12, so dass die
Pumpen 18 das Wasser absaugen, das aus dem Becken in den
oberen Teil des Gehäuses 12 eintritt
und in generell vertikaler Richtung von oben nach unten fließt.
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In
dem Fall eines Brennelements von geradliniger prismatischer Form
mit quadratischen Querschnitt kann man vier Absaugeinrichtungen
vorsehen, von denen jede einen Stutzen 17 und eine Leitung 16 umfasst,
verbunden mit einer Absaug- und Pumpeinheit 18, wobei die
Achsen der Stutzen 17 sich paarweise und entsprechend zwei
Richtungen gegenüberstehen,
jeweils um 90° versetzt
in Bezug auf die Mediane des Querschnitts der Zelle 2b,
in der das Brennelement, das gereinigt wird, sich befindet.
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Jede
der einen Stutzen 17 und eine Leitung 16 umfassenden
Absaugeinrichtungen kann mit einer eigenen Pumpeinheit 18 verbunden
sein, oder es können
mehrere Absaugeinrichtungen oder sogar alle Absaugeinrichtungen
mit einer gemeinsamen Pump- und Absaugeinheit verbunden sein.
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Zur
Durchführung
der Reinigung des Brennelements befestigt man den Kopf 8 des
Brennelements an einer Hebeeinrichtung 20, die eine Hebe- und
Handhabungseinrichtung der Brennelemente in dem Entaktivierungsbecken 3 sein
kann, und zieht dann das Brennelement in der vertikalen Richtung hoch,
die der axialen Richtung des Brennelements entspricht, wie in konventioneller
Weise durch den Pfeil 19 dargestellt.
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Die
Höhe des
Absauggehäuses 12 ist
wesentlich kleiner als die Länge
des Brennelements in axialer Richtung, so dass die Reinigung des
Brennelements im Innern des Gehäuses
Teilstück
für Teilstück erfolgt.
Das Hochziehen kann kontinuierlich erfolgen, oder diskontinuierlich,
so dass sich sukzessiv aufeinanderfolgende Teilstücke des
Brennelements im Innern des Absauggehäuses 12 befinden,
in dem man die Reinigung durchführt.
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Das
aus dem Innern des Gehäuses
abzusaugende Wasser des Beckens dringt durch die obere Öffnung des
Gehäuses 12 ein,
an der Peripherie des Brennelements 4, das im Innern des
Gehäuses 12 in
vertikaler Richtung verschoben wird. Das Wasser fließt im Innern
des Gehäuses 12 in
einer im Wesentlichen senkrechten Richtung von oben nach unten,
so dass es die Lücken
zwischen den Gittern und den Brennstäben und zwischen den Brennstäben durchquert,
zum Beispiel auf allen vier Seiten des Brennelements.
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Die
Fließrichtung
des Reinigungswassers durch das Brennelement-Teilstück, das
sich gerade im Innern des Gehäuses 12 befindet,
ist der Fließrichtung
des Kühlwassers,
welches das Brennelement während
seines Einsatzes im Reaktorkern durchströmt, entgegengesetzt. Diese
Umkehrung der Fließrichtung
des Reinigungswassers in Bezug auf das Kühlwasser ermöglicht das
Loslösen
eventueller Abfälle,
die sich – transportiert
vom Kühlwasser – während des
Reaktorbetriebs in Zwischenräumen des
Brennelements festgesetzt haben könnten.
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Das
eventuell Abfälle
mitführende
Reinigungswasser gelangt durch die Stutzen 17, die Leitungen 16 und
die Pumpen 18 in Filtereinrichtungen 21, in denen
eventuelle aus den Brennelementen gespülte Abfälle aus dem Wasser herausgefiltert
werden, ehe es in das Becken 3 zurückgeleitet wird.
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Die
Wirksamkeit der Reinigung durch eine in Bezug auf die Normalzirkulation
des Kühlwassers entgegengesetzte
Zirkulation des Reinigungswassers in dem Brennelement kann erhöht werden,
indem man in den in das Gehäuse 12 eintretenden Wasserstrom,
symbolisiert durch die Pfeile 22, einen Druckluftstrom
oder auch Trockeneis einspeist, erzeugt durch Gefrieren von Kohlendioxid.
Dies erzeugt lokale Turbulenzen in der Umgebung der Oberflächen des
wasserumspülten
Brennelements und begünstigt
die Loslösung
der Teilchen, die eventuell an Teilen des Brennelements haften oder
eingeklemmt sind in kleine Lücken
zwischen den Brennelementen.
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Zur
Einspeisung von Druckluft oder Trockeneis in den in das Gehäuse 12 eintretenden
Wasserstrom 22 benutzt man Einspeisungsleitungen 23,
die verbunden sind mit dem Eingangsteil oder dem Mittelteil des
Gehäuses 12,
zum Beispiel auf den vier Seiten des Gehäuses, über den vier Absaugstutzen 17.
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An
ihren dem Gehäuse 12 entgegengesetzten
Ende sind die Einspeisungsleitungen 23 mit Druckluftspeichern 24 und/oder
Trockeneisspeichern verbunden, die mit einem Kühlsystem des Kohlendioxids
verbunden sind, das man in die Einspeisungsleitung 23 schickt.
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Das
Reinigen des Brennelements erfolgt, indem man das Brennelement in
vertikaler Richtung verschiebt, wie angedeutet durch den Pfeil 19,
um alle Teile des Brennelements mit dem Reinigungswasserstrom zu
durchspülen,
von seinem oberen Ansatz oder Kopf 8 bis zu seinem unteren
Ansatz oder Fuß 7.
Die Reinigungswasserströme
ermöglichen insbesondere,
Abfälle
loszulösen,
die eingeklemmt sind zwischen den Stäben und den Abstandshaltergittern
oder zwischen den Stäben
oder auch bei den Ansätzen
und insbesondere beim unteren Ansatz oder Fuß 7.
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Nach
der vollständigen
Reinigung des Brennelements senkt man das Brennelement ab in seine
Lagerstellung im Innern der Zelle 2b und man verschiebt
die Reinigungsvorrichtung 10 in eine neue Position, um
ein anderes in dem Lagergestell 1 angeordnetes Brennelement 4 zu
reinigen.
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Die
Reinigungsvorrichtung 10 kann auch stationär sein,
das heißt
dauerhaft über
einer Zelle des Lagergestells 1 positioniert sein, in der
man die zu reinigenden Brennelemente nacheinander anordnet.
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Anzumerken
ist, dass die Verwendung von Positionierungs- bzw. Fixierungsstücken 13 der
Reinigungsvorrichtung, die eine gewisse Länge aufweisen, es notwendig
machen kann, für
diese Stücke 13 Zellen
zu benutzen, die keine Brennelemente enthalten. Es ist auch möglich, Fixierungsstücke 13 zu
benutzen, für
die der Platz über
den gelagerten Brennelementen ausreicht.
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Auf
jeden Fall ermöglicht
die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine wirksame, einfache und schnelle Reinigung abgebrannter Brennelemente, die
in einem Lagergestell enthalten sind, das sich in einem Entaktivierungsbecken
befindet.
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Die
Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Realisierungsart beschränkt.
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So
können
das Gehäuse 12 und
die Absaugeinrichtungen des Wassers aus dem Innern des Gehäuses 12 Ausführungsformen
aufweisen, die sich von den oben beschriebenen unterscheiden.
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Man
kann dem Reinigungswasser jedes Additiv beigeben, das die Effizienz
der Reinigung verbessert.
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Die
Erfindung betrifft generell die Reinigung jedes abgebrannten Leichtwasserreaktor-Brennelements.