DE8102667U1

DE8102667U1 - "Mehrschichtiger Behälter zur sicheren Langzeitlagerung von radioaktivem Material"

Info

Publication number: DE8102667U1
Application number: DE8102667U
Authority: DE
Original assignee: Deutsche Gesellschaft fuer Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen mbH; Nukem GmbH
Current assignee: Deutsche Gesellschaft fuer Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen mbH; Nukem GmbH
Priority date: 1981-02-03
Publication date: 1982-12-30

Description

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6450 Hanau 11

Mehrschichtiger Behälter zur sicheren

Lanqzeltlaqerunq von radioaktiven Material

Die Erfindung betrifft einen mehrschichtigen Lagerbehälter zur Lagerung von radioaktivem Material, insbesondere für die Langzeitlagerung bestrahlter Brennelemente, in geeigneten geologischen Formationen, bestehend aus einem Behälterkörper und einem Deckel aus jeweils mindestens zwei Materialschichten.

Bestrahlte Brennelemente werden nach einer vorübergehenden Aufbewahrung in Wasserbecken entweder sofort oder nach einer begrenzten weiteren Zwischenlagerung aufgearbeitet. Dabei werden die nuklearen Brenn- und Brutstoffe von den Spaltprodukten abgetrennt und wieder dem Brennstoffkreislauf zugeführt. Die Spaltprodukte werden nach bekannten Verfahren, meist unter Verwendung großer Mengen Wertstoffe, wie zum Beispiel Blei und Kupfer, konditioniert und in geologischen Formationen praktisch nicht mehr entnehmbar endgelagert.

Darüberhinaus wird überlogt (Berichte des Kernforschuncszentrums Karlsruhe KFK 2535 und 2560) , die bestrahlten Brennelemente in absehbarer Zeit nicht aufzuarbeiten, auf die in ihnen vorhandenen Brenn- und Brutstoffe zunächst zu verzichten und die Brennelemente - nach einer angemessenen Abklingzeit in dafür vorgesehene Lagern - gegebenenfalls wieder entnehmbar endzulagern. Die Lagerzeiten können mehrere Generationen betragen, wobei sich entsprechend seiner Zusammensetzung das Gefährdungspotential des radioaktiven Inventars in dieser Zeit, den bekannten physikalischen Gesetzen folgend, außerordentlich stark verringert.

Wegen der unbestimmten Lagerdauer werden an derartige, für die Langzeitlagerung geeignete Behälter, die gegenüber bekannten Transport- und Lagerbehältern eine mehrfache Betriebszeit aufweisen müssen, besondere Anforderungen gestellt. Erschwerend kommt hinzu, daß die Behälterlager schwer zugänglich sein müssen und folglich den Überwachungsmöglichkeiten Grenzen gesetzt sind.

Es sind teilweise sehr aufwendige Konzepte bekannt, die bestrahlten Brennelementen mittels Behälter aus Metall oder Beton in Salz, Sand oder in Fels-Kavernen zu lagern. Als Verpackung für radioaktive Stoffe und bestrahlte Brennelemente werden Behälter aus legierten und unlegierten Stählen, aus Kupfer sowie aus Korund vorgeschlagen. Die Behälter aus Stahl sind entweder nicht korrosionsbeständig oder wie solche aus Kupfer sehr teuer. Behälter aus Korund sind grundsätzlich geeignet, jedoch fehlen die für die Herstellung notwendigen Erfahrungen. Darüber hinaus müßten die Brennelemente zur Verpackung in die aus herstellungsbedingten Gründen kleinen Korundbehälter zerlegt werden, was mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen mehrschichtigen Behalter zur Lagerung von radioaktivem Material, insbesondere für die Langzeit lagerung bestrahlter Brennelemente, in geeigneten geologischen Formationen, bestehend aus einem Behälterkörper und einem Deckel aus jeweils mindestens zwei Schichten, zu schaffen, der nicht aufwendig gebaut ist und über ... einen längeren Zeitraum ausreichende Festigkeit und Barrierenfunktionen aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die innere Schicht aus einem mechanisch stabilen,

,f. billigen Werkstoff und die äußere Schicht aus einem gegenüber dem Lagermedium korrosionsbeständigen Material besteht. Entsprechend den unterschiedlichen Umgebungsbedingungen in den verschiedenen zur Endlagerung radioaktiver Materialien geeigneten geologischen

2Q Formationen sind für den Aufbau der äußeren Schicht verschiedene Werkstoffe geeignet. Infrage kommen metallische Werkstoffe, wie legierte Stähle, Tantal, Blei, Zirkon, Titan, Beryllium, Kupfer oder Edelmetalle, sowie Legierungen dieser Metalle. Ferner eignen sich in manchen Fällen keramische Werkstoffe, wie beispielsweise die Oxide des Aluminiums, des Siliziums, des Magnesiums,die Karbide von Silizium oder Bor sowie Spinelle, Silikate und Graphit. Vorzugsweise verwendet man Werkstoffe auf Zirkon- und Titanbasis. Die Dicke der äußeren Schicht wird vorteilhafterweise so bemessen, daß sie dem Abtrag während der Zeit, in der die Barrierewirkung auch im ungünstigen Fall erhalten bleiben soll, entspricht und die innere Schicht für die Dauer der vorgesehenen Lagerung gegen Korrosion zuverlässig schützt. Die Ermittlung der erforderlichen Schichtdicke erfolgt unter Berücksichtigung bekannter Korrosionsdaten.

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Die äußere Schicht ist auf die innere Schicht vorzugsweise durch Plattieren oder durch Flamm- oder Plasmaspritzen aufgebracht. Da die verschlossenen Behälter in einem Arbeitsgang gespritzt werden können, kann man somit nahtlose Überzüge erhalten.

Unter Umständen ist es auä fertigungstechnischen Gründen oder wegen eines verbesserten Korrosionsschutzes günstig, die äußere Korrosionsschutzschicht aus mehreren Einzelschichten aufzubauen, wobei diese Einzelschichten vorteilhafterweise auch aus verschiedenen Werkstoffen bestehen können, die von aussen nach innen immer edler in bezug auf ihre Stellung in der elektrochemischen Spannungsreihe werden.

Es ist außerdem günstig, die im Behälter befindlichen Brennelemente mit niedrigschmelzenden Metallen zu vergießen. Hierfür eignen sich beispielsweise Blei, Zink, Zinn oder entsprechende Legierungen. Um ein Aufschwimmen des Brennelementes während des Ausfliessens zu verhindern, können Haltevorrichtungen im Behälter vorgesehen werden. Durch dieses Vergießen wird eine verbesserte Abfuhr der Nachwärme erreicht.

Der gefüllte Lagerbehälter ist durch einen Zweischichten-Deckel, der auch als Doppeldeckel ausgebildet sein kann, verschlossen. Der innere Deckel, beziehungsweise die innere Deckelschicht besteht aus dem gleichen Werkstoff wie die innere Schicht des Behälterkörpers und kann im unteren Teil ein Gewinde zum Einschrauben des Deckels in den zylindrischen Teil des Behälters aufweisen. Um ein fernbedientes Einschrauben zu ermöglichen, kann in den Deckel beispielsweise ein Zapfen mit Innenvierkant eingeschraubt werden. Nach dem Einschrauben des Deckels

wird dieser Innendeckel durch eine Kehlnaht gasdicht verschweißt. Der Zapfen besteht aus dem gleichen Werkstoff wie die äußere Korrosionsschutzschicht des Behälterkörpers und der äußere Deckel, beziehungsweise die äußere Deckelschicht, die den Korrosionsschutz gewährleisten soll. Dadurch wird der Werkstoff des Grundkörpers völlig geschützt, ohne daß IQ der Zapfen plattiert werden muß, was einen erhebliehen Aufwand bedeuten würde. Es können jedoch auch andere an sich bekannte Verschlußmechanismen verwendet werden.

In manchen Fällen ist es auch vorteilhaft, zusätzlich noch einen Innenbehälter in den Behälterkörper einzubringen. Außerdem kann man vorteilhafterweise zwischen den Werkstoffschichten des Deckels einen oder mehrere Hohlräume zur Aufnahme von Helium einbringen.

Die Abbildungen I und II zeigen schematisch zwei beispielhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Lagerbehälters.

Abbildung I zeigt einen Lagerbehälter, dessen Behälter körper (1) und Deckel (2) jeweils aus einer inneren Schicht (3) und einer äußeren Schicht (4) besteht. Für die innere Schicht (3) wird ein Feinkornstahl WSTE 43 gewählt, ein warmfester Baustahl. Seine Korrosionsbeständigkeit ist zwar schlecht, seine Festigkeit jedoch gut, und außerdem ist der Stahl gut schweißbar. Von großem Vorteil, insbesondere gegenüber ebenfalls gut geeigneten warmfesten Vergütungsstählen, ist sein günstiger Preis.

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Zur Gewährleistung der mechanischen Stabilität ist beispielsweise eine Wanddicke von ca. 35 mm erforderlich. Hieraus resultieren folgende Abmessungen für den Behältergrundkörper:

Innendurchmesser 330 mm

IQ Außendurchmesser 400 mm

Gesamtlänge 5.080 mm

Wegen der außerordentlich guten Korrosionsbeständigkeit von Zirkaloy-2 wird dieser Werkstoff als äußere Schicht (4) verwendet. Zirkaloy-2 ist gut schweißbar und preiswert gegenüber den ebenfalls gut geeigneten Werkstoffen auf Titanbasis, wie Titan oder Ticode 12.

Zur Gewährleistung der Integrität während der vorgesehenen Standzeit wird beispielsweise eine Schichtdicke ^ 4 mm gewählt.

Die Zirkaloyplattierung kann auf zwei verschiedene Arten aufgebracht werden. Entweder wird eine Hülle aus Zirkaloy-2 vorgefertigt, über d^n Innenbehälter gezogen und aufgeschrumpft oder die vorgefertigten Zirkaloybleche werden durch Walzschweißplattierung auf den Grundkörper aufgebracht. Beide Ausführungen sind nahezu gleichwertig.

Anschließend wird der Behälter beladen und mit dem Deckel (2)verschlossen, der als Doppeldeckel mit Innen- (5) und Außendeckel (6) ausgebildet ist. Zur Durchführung von Lecktests befinden sich zwischen Innen- (5) Und Außendeckel (6) eine oder mehrere Hohlräume (7), die mit Helium gefüllt sind.

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Das Behälterinnere (8) kann nach dem Eeladen mit den abgebrannten Brennelementen mit einem Metall, beispielsweise Blei, ausgegossen werden.

Abbildung II zeigt einen Behälter, bei dem die äußere Schicht (4) aus zwei Einzelschichten (9, 10) besteht, wobei das Material der inneren Einzelschicht (10) gegenüber der äußeren Einzelschicht (9) edler in bezug

,c auf seine Stellung in der elektrochemischen Spannungsreihe ist. Dadurch wird bei eventuellen Korrosionsdurchbrüchen (zum Beispiel Lochfraß) der äußeren Einzelschicht (9) vermieden, daß die tragende innere Scnicht (3) korrodiert wird. Weiterhin besteht dieser

2Q Lagerbenälter im Behälterinneren (8) zusätzlich aus

einem Innenbehälter (11) zur Aufnahme des radioaktiven Materials.

23. Jan. 1981

PAT/Dr.Br.-sch

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ZUSAMMENFASSUNG

Mehrschichtiger Behälter zur sicheren Lanqzeitlaqerunq von radioaktivem Material

Zur Lanzeitlagerung von radioaktivem Material, insbesondere von bestrahlten Brennelementen, in geeigneter geologischer Formationen werden mehrschichtige Lagerbehälter benötigt, die nicht aufwendig gebaut sind und trotzdem über einen längeren Zeitraum ausreichende Festigkeits- und Barrierefunktionen aufweisen. Dazu benutzt man einen Behälter, dessen innere Schicht (3) aus einem mechanisch stabilen, warmfesten, billigen Werkstoff und dessen äußere Schicht (4) aus einem gegenüber dem Lagermedium korrosionsbeständigem Material besteht, wobei die Schichtdicken jeweils so gewählt werden, daß sie den auftretenden mechanischen Belastungen beziehungsweise der Korrosion widerstehen.

Claims

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Mehrschichtiger Behälter zur sicheren

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Schutzansprüche

1. Mehrschichtiger Lagerbehälter zur Lagerung von radioaktivem Material, insbesondere für die Langzeitlagerung bestrahlter Brennelemente, in geeigneten geologischen Formationen, bestehend aus einem Behälterkörper und einem Deckel aus jeweils mindestens zwei Material« schichten, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht (3) aus einem mechanisch stabilen, warrafesten, billigen Werkstoff und die äußere Schicht (k) aus einem gegenüber dem Lagermedium korrosionsbeständigen

Material besteht.

2· Lagerbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet«

daß als Material für die innere Schicht (3) warmfeste 3g Stähle verwendet werden.

3. Lagerbehälter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht (4) aus Werkstoffen auf Zirkon- oder Titanbasis besteht.

4. Lagerbehälter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht (4) durch Plattieren oder Plasmaspritzen auf die innere Schicht (3) aufge bracht ist.

5. Lagerbehälter nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht (4) aus mehreren

Einzelschichten (9, 11) aufgebaut ist.

6. Lagerbehälter nach Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelsch.ich.ten (9_f 10) aus verschiedenartigen Werkstoffen bestehen, die von außen

nach innen immer edler in bezug auf ihre Stellung in

der elektrochemischen Spannungsreihe werden.

7. Lagerbehälter nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Behält erinnere (8) nach dem Befüll en mit Metallen ausgegossen ist.

8. Lagerbehälter nach Anspruch 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich einen Innenbehälter (7)

enthält.

9. Lagerbehälter nach Ansprach 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Ausbildung des Deckels (2) als Doppeldeckel zwischen Innen- (5) und Außendeckel (6) ein oder mehrere Hohlräume (7) zur Aufnahme von Helium angeordnet sind.