EP0843318A1 - Dispositif à cannelures pour le refroidissement extérieur de conteneurs pour matières radioactives - Google Patents
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Classifications
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- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
- G21F5/00—Transportable or portable shielded containers
- G21F5/06—Details of, or accessories to, the containers
- G21F5/10—Heat-removal systems, e.g. using circulating fluid or cooling fins
Definitions
- the invention relates to a device for cooling the external surface of containers for transport or storage of radioactive materials, in particular fuel assemblies irradiated nuclear power, said cooling consisting in dissipating the thermal power generated by said radioactive materials packaged by convection in ambient air.
- Radioactive materials especially. irradiated nuclear fuel assemblies, are usually transported and / or stored in containers (also called packaging) watertight cylindrical shape with very thick walls (several tens of cm), mainly base of cast iron or forged or cast steel, which provide holding functions mechanical (resistance to impact or severe falls), radiological protection, and transfer from the inside to the outside.
- the walls can also be composite and include additional elements allowing improve container performance: for example resin, lead to improve the radiological protection, copper to improve heat transfer, etc.
- Packaged radioactive material giving off heat, dissipating power temperature in the ambient air must be such that the components of the container and its contents are not brought in any place to temperatures prejudicial to their maintenance in an adequate state.
- the main parameter on which we can play to dissipate the required thermal power is the surface area of the exposed container convection of ambient air.
- the fins are spaced 5 to 10 cm apart and have a height, perpendicular to the outer surface, about 10 cm or more.
- fins increases the overall size of the packaging and constitutes a serious handicap when there are severe constraints relating to the space or surface available where the packaging must be stored, handled or transported.
- the presence of fins on the one hand can constitute contamination traps difficult to clean, in particular when the fins are fixed against the outer surface of the packaging, on the other hand can constitute a significant mass of material that 'It is not possible to take into account to carry out the radioactive shielding calculations because of the gamma radiation leaks which can occur between two consecutive fins if they are too far apart from each other.
- the plaintiff has therefore sought how to increase the exchange surface by limiting increasing the size and ensuring that all of the material used is taken into account for the shielding.
- the invention is a device for the external cooling of containers for the packaging of radioactive materials having an outer metal wall, characterized in that it has grooves made in the outer face of said wall.
- the walls can be more or less thick (from a few cm to a few tens of cm thick) homogeneous or composite metals and generally based on steel or cast iron, but also aluminum, copper or their alloys.
- the grooves are made directly in the outer face of the metal wall thick, or when the thick wall is covered with a neutron shield (for example at hydrogenated resin base), which in turn is covered with a metallic shell more thin (for example in sheet steel 10 to 30 mm thick), said grooves are practiced in the outer face of said envelope, the thermal continuity between the thick wall and the envelope then being usually produced using metal parts serving as thermal conductors and passing through the neutron shield.
- a neutron shield for example at hydrogenated resin base
- a metallic shell more thin for example in sheet steel 10 to 30 mm thick
- the splines constituting the device according to the invention can be practiced there according to generating the cylindrical surface, so in a plane parallel to the axis of the cylinder, or according to the perimeter (or circumference) of said cross section, therefore in a plane perpendicular to the axis of the cylinder.
- the splines can also be helical, rotating around the container in one direction, or the other, or both.
- the spline device according to the invention therefore has very great flexibility since it can be adapted to the type of container used and to the manner of using it.
- a container for storage will be used vertically and will have splines according to generators; on the other hand a container for transport will be used especially in horizontal position and will have a system of circumferential grooves, or a system of helical grooves wound in one direction or the other, or in both, which cannot be obtained with a conventional fin cooling system.
- the splines can be engraved by machining (turning, milling %) or obtained directly by molding, extrusion or any other process.
- the grooves are regularly spaced.
- Their cross section (recessed in the wall metallic) is advantageously polygonal, preferably square or rectangular, to obtain better surface growth, but may have other profiles, for example circular etc ... They are separated from each other by a portion of the outer surface of the wall in relief in relation to the hollow grooves.
- Figure 1 illustrates a composite wall of a straight section cylindrical container circular where the grooves according to the invention were made according to generators (parallel to the cylinder axis).
- grooves (7) were made open and in contact with ambient air, rectangular section (in this case), of width (8), of depth (10) and whose re-entrant angles (9) are rounded.
- the width (8) of the grooves is less than 30 mm and their depth (10) to 15 mm; under these conditions it is easy to obtain that no variation significant dose rate resulting from the presence of splines is not measurable as well on the surface of the container only 1 m or 2 m from its surface (as required by the regulations applicable): thus all the material of the wall or of the external envelope, after shaping of the splines, can actually be taken into account in the shielding calculations.
- the grooves have sufficient efficiency for cooling by ambient air, it is advantageous that their width and depth are greater than 1 mm and preferably between 5 and 10 mm, so that air can circulate efficiently in said grooves.
- the pitch of the grooves (that is to say the distance each of which should be moved to coincide with the next) must be determined in relation to their width and their depth according to the increase in surface area that the we want to get.
- the pitch is between 1 and 50 mm, preferably between 10 mm and 20 mm.
- the pitch must be greater than the width of the grooves.
- longitudinal grooves with a rectangular cross section 10 mm wide, depth 5 mm in steps of 20 mm allow a 50% increase in the external surface of the container subjected to ambient air cooling, while the section grooves square right of the same width, 10 mm deep with 20 mm pitch allow an increase 100%.
- a container with splines according to the invention will have the same weight and the same shielding performance than a container without a groove, while its cooling surface will be significantly increased and that its size (for example its diameter) will not be increased only a few mm.
- a container having a smooth wall of the same thickness provided with fins 10 mm thick, 50 mm high, 100 mm pitch, providing a 100% increase in surface area, leading to an increase in overall diameter of 100 mm, the dose rate being determined by the zones between the fins; this means that the material of the fins cannot be taken into account in the shielding calculations and therefore constitutes a dead weight from this point of view.
- the making of the grooves is much easier to make and less expensive, in particular by molding, extrusion or machining, because in this last case of their small dimensions and therefore the production of a quantity of chips scaled down. For the same reason decontamination is greatly facilitated, especially when the re-entrant angles of the grooves are rounded.
- the invention can be used for any type of container intended for materials releasing a significant thermal power; it is particularly suitable for large containers dimensions, for example for transporting or storing a plurality of assemblies irradiated nuclear fuel, and in particular to containers with a wall of thick primary containment (20 to 50 cm) in steel or cast iron, possibly covered with a neutron shielding, generally made of hydrogenated resin, itself protected by an envelope steel which is generally several centimeters thick.
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Abstract
Conteneur pour le conditionnement de matières radioactives dont la paroi extérieure (5) est refroidie par l'air ambiant à l'aide d'un dispositif à cannelures (7) pratiquées dans ladite paroi exténeure (5). <IMAGE>
Description
L'invention conceme un dispositif de refroidissement de la surface extérieure de conteneurs pour
le transport ou le stockage de matières radioactives, en particulier les assemblages combustibles
nucléaires irradiés, ledit refroidissement consistant à dissiper la puissance thermique générée par
lesdites matières radioactives emballées par convection dans l'air ambiant.
Les matières radioactives, en particulier les. assemblages combustibles nucléaires irradiés, sont
généralement transportées et/ou stockées dans des conteneurs (également appelés emballages)
étanches de forme cylindrique à parois très épaisses (plusieurs dizaines de cm), principalement à
base de fonte ou d'acier forgé ou moulé, qui assurent notamment des fonctions de tenue
mécanique (résistance aux chocs ou chutes sévères), de protection radiologique, et de transfert
thermique de l'intérieur vers l'extérieur.
Les parois peuvent aussi être composites et comporter des éléments additionnels permettant
d'améliorer les performances du conteneur : par exemple résine, plomb pour améliorer la
protection radiologique, cuivre pour améliorer le transfert thermique, etc...
Les matières radioactives emballées dégageant de la chaleur, la dissipation de la puissance
thermique correspondante dans l'air ambiant doit être telle que les composants du conteneur et de
son contenu ne soient portés en aucun endroit à des températures préjudiciables à leur maintien
dans un état adéquat.
Comme le transfert de chaleur à travers la paroi du conteneur se fait généralement par
conduction, c'est-à-dire proportionnellement à la puissance thermique du contenu, il s'ensuit que,
pour une puissance donnée, la température extérieure de ladite paroi doit également rester
inférieure à une certaine valeur.
Afin de ne pas dépasser cette valeur maximum, le principal paramètre sur lequel on puisse jouer
pour dissiper la puissance thermique voulue est l'aire de la surface exteme du conteneur exposée
à la convection de l'air ambiant.
Pour accroítre cette aire il est connu d'utiliser des ailettes par exemple selon les modes de
réalisation suivants :
- des éléments en acier ou cuivre (bandes, picots, profilés...) peuvent être soudés perpendiculairement à la surface exteme des emballages
- des profilés en aluminium ou ses alliages, par exemples en forme de U peuvent être fixés selon une génératrice (par vissage, rivetage...) contre ladite surface exteme pour assurer un bon contact thermique
- des ailettes peuvent être usinées dans la masse de la paroi, soit selon une génératrice, soit circonférentiellement ; ceci est actuellement réalisé en disposant au départ de parois épaisses permettant d'y tailler des ailettes de grande taille, ce qui entraíne une perte de matière importante
- des emballages peuvent être obtenus par coulée directement avec des ailettes.
Typiquement les ailettes sont espacées de 5 à 10 cm et ont une hauteur, perpendiculairement à la
surface exteme, d'environ 10 cm voire davantage.
La présence d'ailettes accroít d'autant l'encombrement de l'emballage et constitue un sérieux
handicap lorsqu'il existe des contraintes sévères concemant l'espace ou la surface disponible où
l'emballage doit être stocké, manutentionné ou transporté.
En outre la présence d'ailettes d'une part peut constituer des pièges à contamination difficiles à nettoyer, en particulier quand les ailettes sont fixées contre la surface exteme de l'emballage, d'autre part peut constituer une masse de matière non négligeable qu'il n'est pas possible de prendre en compte pour effectuer les calculs de blindage radioactif du fait des fuites de rayonnement gamma pouvant survenir entre deux ailettes consécutives si elles se trouvent trop écartées l'une de l'autre.
En outre la présence d'ailettes d'une part peut constituer des pièges à contamination difficiles à nettoyer, en particulier quand les ailettes sont fixées contre la surface exteme de l'emballage, d'autre part peut constituer une masse de matière non négligeable qu'il n'est pas possible de prendre en compte pour effectuer les calculs de blindage radioactif du fait des fuites de rayonnement gamma pouvant survenir entre deux ailettes consécutives si elles se trouvent trop écartées l'une de l'autre.
Ainsi la demanderesse a cherché comment accroítre la surface d'échange en limitant
l'accroissement d'encombrement et en faisant en sorte que la totalité de la matière employée soit
prise en compte pour le blindage.
L'invention est un dispositif pour le refroidissement extérieur de conteneurs pour le
conditionnement de matières radioactives ayant une paroi métallique extérieure, caractérisé en ce
qu'il comporte des cannelures pratiquées dans la face exteme de ladite paroi.
Les parois peuvent être plus ou moins épaisses (de quelques cm à quelques dizaines de cm
d'épaisseur) métalliques homogènes ou composites et généralement à base d'acier ou de fonte,
mais aussi d'aluminium, de cuivre ou de leurs alliages .
Ainsi les cannelures sont pratiquées directement dans la face exteme de la paroi métallique
épaisse, ou bien quand la paroi épaisse est recouverte d'un blindage neutronique (par exemple à
base de résine hydrogénée), celui-ci étant à son tour recouvert d'une enveloppe métallique plus
mince (par exemple en tôle d'acier de 10 à 30 mm d'épaisseur), lesdites cannelures sont
pratiquées dans la face exteme de ladite enveloppe, la continuité thermique entre la paroi épaisse
et l'enveloppe étant alors réalisée habituellement à l'aide de pièces métalliques servant de
conducteurs thermiques et traversant le blindage neutronique.
Les conteneurs étant en général cylindriques à section droite circulaire ou polygonale, les
cannelures constituant le dispositif selon l'invention peuvent y être pratiquées selon des
génératrices de la surface cylindrique, donc dans un plan parallèle à l'axe du cylindre, ou selon le
périmètre (ou circonférence) de ladite section droite, donc dans un plan perpendiculaire à l'axe du
cylindre. Les cannelures peuvent également être hélicoïdales, toumant autour du conteneur dans
un sens, ou dans l'autre, ou dans les deux.
Le dispositif à cannelures selon l'invention présente donc une très grande souplesse car il peut
être adapté au type de conteneur utilisé et à la façon de l'utiliser.
Ainsi un conteneur pour le stockage sera utilisé verticalement et aura des cannelures selon des génératrices ; par contre un conteneur pour le transport sera utilisé surtout en position horizontale et aura un système de cannelures circonférentielles, ou encore un système de cannelures hélicoïdales enroulées dans un sens ou dans l'autre, ou dans les deux, ce qui ne peut pas être obtenu avec un système de refroidissement à ailettes classiques.
Ainsi un conteneur pour le stockage sera utilisé verticalement et aura des cannelures selon des génératrices ; par contre un conteneur pour le transport sera utilisé surtout en position horizontale et aura un système de cannelures circonférentielles, ou encore un système de cannelures hélicoïdales enroulées dans un sens ou dans l'autre, ou dans les deux, ce qui ne peut pas être obtenu avec un système de refroidissement à ailettes classiques.
Les cannelures peuvent être gravées par usinage (tournage, fraisage...) ou obtenues directement
par moulage, extrusion ou tout autre procédé.
En général les cannelures sont régulièrement espacées. Leur section droite (en creux dans la paroi
métallique) est avantageusement polygonale, de préférence carrée ou rectangulaire, pour obtenir
un meilleur accroissement de surface, mais peut avoir d'autres profils, par exemple circulaires
etc... Elles sont séparées les unes des autres par une portion de la surface exteme de la paroi en
relief par rapport aux cannelures en creux.
La figure 1 donne l'illustration d'une paroi composite d'un conteneur cylindrique à section droite
circulaire où les cannelures selon l'invention ont été pratiquées selon des génératrices
(parallèlement à l'axe du cylindre).
En (1) on voit la cavité intérieure du conteneur dans laquelle est introduite par exemple une
pluralité d'assemblages combustibles nucléaires irradiés, en (2) la paroi épaisse par exemple en
acier assurant le confinement de la matière nucléaire, en (3) un blindage neutronique en résine
hydrogénée, en (5) une enveloppe extérieure en acier recouvrant ledit blindage (3) et en (4) des
pièces métalliques assurant le transfert thermique de la paroi (2) vers l'enveloppe extérieure (5)
qui, elle, assure la dissipation de la puissance thermique dans l'air ambiant par convection
naturelle.
Dans la surface exteme (6) de l'enveloppe (5), on a pratiqué des cannelures (7) ouvertes et en
contact avec l'air ambiant, à section rectangulaire (dans ce cas de figure), de largeur (8), de
profondeur (10) et dont les angles rentrants (9) sont arrondis.
Il est particulièrement important de noter que la largeur (8) des cannelures est inférieure à 30 mm
et leur profondeur (10) à 15 mm; dans ces conditions il est aisé d'obtenir qu'aucune variation
significative du débit de dose résultant de la présence des cannelures ne soit mesurable aussi bien
à la surface du conteneur qu'à 1 m ou 2 m de sa surface (ainsi que le prévoit la réglementation
applicable) : ainsi toute la matière de la paroi ou de l'enveloppe exteme, après façonnage des
cannelures, peut effectivement être prise en compte dans les calculs de blindage.
Par ailleurs pour que les cannelures aient une efficacité suffisante pour le refroidissement par
l'air ambiant, il est avantageux que leur largeur et leur profondeur soient supérieures à 1 mm et
de préférence comprises entre 5 et 10 mm, de manière que l'air puisse circuler efficacement dans
lesdites cannelures.
D'autre part le pas des cannelures (c'est-à-dire la distance dont chacune devrait être déplacée
pour venir coïncider avec la suivante) doit être déterminé en relation avec leur largeur et leur
profondeur suivant l'accroissement de surface que l'on veut obtenir.
Typiquement le pas est compris entre 1 et 50 mm de préférence entre 10 mm et 20 mm.
Bien sûr le pas doit être supérieur à la largeur des cannelures.
Typiquement le pas est compris entre 1 et 50 mm de préférence entre 10 mm et 20 mm.
Bien sûr le pas doit être supérieur à la largeur des cannelures.
Ainsi des cannelures longitudinales à section droite rectangulaire de largeur 10 mm, de
profondeur 5 mm au pas de 20 mm, permettent une augmentation de 50% de la surface exteme
du conteneur soumis au refroidissement par l'air ambiant, tandis que les cannelures à section
droite carrée de même largeur, de profondeur 10 mm au pas 20 mm permettent une augmentation
de 100%.
Simultanément à cet accroissement de surface on ne note aucune variation mesurable du débit de
dose autour du conteneur, par rapport à une paroi lisse d'épaisseur moyenne équivalente, alors
que le diamètre extérieur du conteneur (encombrement) n'a été augmenté que de la profondeur
d'une cannelure (soit 2 fois la demi-profondeur d'une cannelure) par rapport à ladite paroi lisse
fournissant des performances de blindage équivalentes.
En résumé un conteneur avec des cannelures selon l'invention aura le même poids et les mêmes
performances de blindage qu'un conteneur sans cannelure, alors que sa surface de refroidissement
sera nettement augmentée et que son encombrement (par exemple son diamètre) ne sera augmenté
que de quelques mm.
En comparaison, un conteneur ayant une paroi lisse de même épaisseur munie d'ailettes
longitudinales d'épaisseur 10 mm, de hauteur 50 mm, au pas de 100 mm, procurant un
accroissement de surface de 100%, conduit à une augmentation du diamètre hors tout de 100 mm,
le débit de dose étant déterminé par les zones comprises entre les ailettes ; ceci signifie que la
matière des ailettes ne peut être prise en compte dans les calculs de blindage et constitue donc un
poids mort de ce point de vue.
En plus des avantages concernant l'encombrement et le meilleur rendement du blindage, qui
viennent d'être vus, il faut noter que la confection des cannelures est beaucoup plus aisée à
réaliser et moins onéreuse, en particulier par moulage, extrusion ou usinage, du fait dans ce
dernier cas de leurs faibles dimensions et donc de la production d'une quantité de copeaux
réduite. Pour la même raison la décontamination est grandement facilitée, en particulier quand les
angles rentrants des cannelures sont arrondis.
L'invention est utilisable pour tout type de conteneur destiné à des matières dégageant une
puissance thermique importante ; elle est particulièrement adaptée aux conteneurs de grandes
dimensions, par exemple pour le transport ou le stockage d'une pluralité d'assemblages
combustibles nucléaires irradiés, et singulièrement aux conteneurs ayant une paroi de
confinement primaire épaisse (20 à 50 cm) en acier ou en fonte, éventuellement recouverte d'un
blindage neutronique, généralement en résine hydrogénée, lui-même protégé par une enveloppe en
acier qui a généralement une épaisseur de plusieurs centimètres..
Claims (6)
- Dispositif de refroidissement extérieur d'un conteneur de conditionnement de matières radioactives ayant une paroi métallique extérieure (5) caractérisé en ce qu'il comporte des cannelures (7) pratiquées en creux dans la face exteme (6) de ladite paroi (5) et séparées les unes des autres par une portion en relief de ladite face externe de la paroi, la largeur des cannelures étant comprise entre 1 et 30 mm et leur profondeur entre 1 et 15 mm., .
- Dispositif selon la 1 revendication 1 caractérisé en ce que le pas des cannelures (7) est inférieur à 50 mm.
- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que, quand le conteneur est cylindrique à section circulaire ou polygonale, les cannelures sont parallèles ou perpendiculaires à une génératrice, ou hélicoïdales autour de l'axe du conteneur et enroulées dans au moins un sens.
- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les cannelures résultent d'une coulée, d'une extrusion ou d'un usinage de métal.
- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la paroi métallique exteme du conteneur est en acier, fonte, aluminium, cuivre ou leurs alliages .
- Conteneur de conditionnement de matières radioactives comportant le dispositif de l'une quelconque des revendications 1 à 5.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9614487A FR2756090A1 (fr) | 1996-11-19 | 1996-11-19 | Dispositif a cannelures pour le refroidissement exterieur de conteneurs pour matieres radioactives |
| FR9614487 | 1996-11-19 |
Publications (1)
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| EP0843318A1 true EP0843318A1 (fr) | 1998-05-20 |
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ID=9498052
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EP97420215A Withdrawn EP0843318A1 (fr) | 1996-11-19 | 1997-11-18 | Dispositif à cannelures pour le refroidissement extérieur de conteneurs pour matières radioactives |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0843318A1 (fr) |
| FR (1) | FR2756090A1 (fr) |
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1997
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|---|---|
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