FI74836C - Formkropp foer lagring av avbraenda kaernbraenslestavar och foerfarande foer dess framstaellning. - Google Patents

Description

1 74836

Muotokappale käytettyjen ydinpolttoainesauvojen varastoimiseksi ja menetelmä sen valmistamiseksi

Keksintö koskee sylinterimäistä tai monikulmaista 5 muotokappaletta grafiitista ja nikkelisulfidistä alkuperäisen muotoisten tai deformoitujen ydinpolttoainesauvojen turvallista pitkäaikaisvarastointia varten ja menetelmää tällaisten muotokappaleiden valmistamiseksi.

Ydinreaktorien loppuunkäytetyt polttoaine-elementit 10 täytyy tietyn välivarastointiajan jälkeen poistaa elinympäristöstä lopullisesti. Tähän tarkoitukseen on kaikkialla maailmassa tutkittu kahta eri tapaa, nimittäin polttoaine-elementtien käsittelyä niin, että polttoaineet palautetaan takaisin polttoaine-elementtien valmistukseen 15 ja hajoamistuotteet (korkea-aktiivinen jäte) erotetaan ja varastoidaan lopullisesti tai vaihtoehtoisesti loppuun-käytettyjen elementtien varastoimista lopullisesti sellaisinaan. Joka tapauksessa muodostuu korkea-aktiivista jätettä, joka täytyy varastoida turvallisesti yli tuhanneksi vuo-20 deksi sopiviin geologisiin muodostumiin.

Tällaisten käytettyjen polttoaine-elementtien turvalliseen pitkäaikaisvarastointiin on ehdotettu lukuisia säiliötyyppejä jotka hyvin täyttävät asetetut vaatimukset kuten tiiviys esiintyvissä paineissa ja lämpötiloissa tai 25 korroosiokestävyys suolaliuoksissa. Säi!iömateriaaleina käytetään monenlaisia metallisia ja epämetallisia raaka-aineita.

Koska grafiitilla on erinomainen korroosiokestävyys, on esitetty (DE-OS 29 42 092), että säiliöt pinnoitettaisiin 30 grafiittisella korroosiosuojakerroksella. Koska grafiittisia muotokappaleita ei tähän asti ole voitu valmistaa kaasu-nestetiiviiksi polttoaine-elementtien sijoittamiseen tarvittavissa mittasuhteissa, on suunniteltu niiden pinnoittamista pyrohiilellä tai piikarbidilla. Kun polttoaine-elementti 35 on sijoitettu pinnoitettuun säiliöön, täytyy tämä sulkea kaasu- ja nestetiiviisti sama] la tavalla pinnoitetulla 2 74836 kannella. Tämän säiliötyypin olennaisena haittana ovat mittasuhteiltaan suurten säiliöiden valmistukseen ja pinnoittamiseen tarvittavan tekniikan tavattoman suuret kustannukset. Tällaisia suuria muotokappaleita ei sitä 5 paitsi voida pinnoittaa asetettuja laatuvaatimuksia vastaavasti .

On myös tunnettua valmistaa radioaktiivisten ja myrkyllisten jätteiden sitomiseksi muotokappaleita hiilimatriisista (DE-OS 29 17 437), jolloin jätteet puriste-10 taan yhdessä grafiittijauheen ja sideaineen kanssa korkeammissa lämpötiloissa. Sideaineena käytetään tällöin ensisijaisesti nikkelisulfidia. Tällaiset muotokappaleet ovat hyvin tiiviitä ja niillä on hyvä korroosio- ja liuos-kestävyys varsinkin suolaliuoksiin nähden.

15 Julkaisussa DE~OS 28 18 781 kuvataan ympäristölle turvallista käytettyjen polttoainesauvojen varastointi-menetelmää, jossa ydinpolttoainesauvat taivutetaan ja näin saadut paketit pannaan suojasäiliöön. Ensisijaisesti saatetaan ydinpolttoainesauvat tällöin U-muotoisiksi tai kääri-20 tään rullalle. Tämän menetelmän haittana on se, että tarvitaan säiliö ja lämmön johtuminen ydinpolttoainesauvoista ulos on suhteellisen huono.

On myös tunnettua puristaa muodoltaan muutetut ydinpolttoainesauvat saven ja ohuen teräsvaipan kanssa yhdessä 25 isostaattisesti möhkäleeksi, joka voidaan varastoida lopullisesti (Sprechsaal 113 (1980), 753-766) . Tässäkään tapauksessa ei ole parhaalla mahdollisella tavalla ratkaistu lämmön poisjohtamisen ongelmaa. Sitä paitsi mekaaninen lujuus ei ole kaikkia mahdollisia varastointitapauksia aja-30 telien riittävä.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena oli sen vuoksi aikaansaada käytettyjen alkuperäisen muotoisten tai muodoltaan muutettujen ydinpolttoainesauvojen turvallista pitkäaikaisvarastointia varten grafiitista ja nikkelisulfi-35 dista sylinterimäisiä tai monikulmaisia muotokappaleita, joilla on hyvä lämmönjohtavuus, hyvä korroosio- ja ]iuoskestä-vyys ja suuri mekaaninen lujuus.

3 74836 Tämä tehtävä ratkaistaan keksinnön mukaisesti siten, että muotokappale sisältää ylä- ja alaosassaan ankkuri-levyt ja sisäosassaan ydinpolttoainesauvattomissa vyöhykkeissä muotokappaleen pääakselin suuntaisia, ankkurile-5 vyihin kiinnitettyjä metallisauvoja.

Ankkurilevyihin ja metallisauvoihin voidaan käyttää kaikkia tavanomaisia materiaaleja mutta edullisesti käytetään terästä.

On edullista käyttää metallisauvoja, joiden pinta 10 on makroskooppisen karkea, grafiitti/nikkelisulfidimat- matriisin ja sauvojen välisen mekaanisen tartunnan parantamiseksi .

On myös osoittautunut edulliseksi, että muotokappaleessa on nikkelisulfidi pääasiassa muotona Ni3S2· 15 Tällöin paranee korroosio- ja liuoskestävyys edelleen. Muotokappaleet sisältävät matriisimateriaalina yleensä 10-75 paino-% grafiittia ja 25-90 paino-% nikkelisul-fidia, josta edullisesti ainakin 80 % muotona Ni3S2.

Keksinnön mukaisilla muotokappaleilla on erinomaisen 20 suuri mekaaninen lujuus, niin että lopulliselle varastoinnille asetetut vaatimukset tulevat täysin täytetyiksi.

Näiden muotokappaleiden valmistus tapahtuu edullisesti siten, että muottiin pannaan ensin grafiitin, nikkelin ja rikin muodostamaa matriisijauhetta, sitten ank-25 kurilevy ja siihen kiinnitetyt metallisauvat, seuraavaksi alkuperäisen muotoiset tai muodoltaan muutetut ydinpoltto-ainesauvat yhdessä matriisijauheen kanssa, toinen ankkuri-levy ja siihen kiinnitetyt metallisauvat ja lopuksi vielä matriisijauhetta ja puristetaan yli 100°C:n lämpötiloissa, 30 jolloin matriisiin upotettujen ydinpolttoainesauvojen alueella oleva matriisi esitiivistetään ennen puristusta ja ankkurilevyillä olevat metallisauvat joutuvat vain alueille, joiden yläpuolella tai vastaavasti alapuolella ei ole polttoainesauvoja. Edullisesti suoritetaan puristus 35 400-500°C:n lämpötiloissa.

4 74836

Ankkurilevyt puristuvat tällöin toisiaan kohti siten, että polttoainesauvoista vaipalla keski- ja reuna-alueilla olevat metallisauvat siirtyvät tiivistymisen aikana toistensa ohi ja ankkuroituvat kovettuvaan matrii-5 siin. Tämän kautta paranee muotokappaleen mekaaninen lujuus olennaisesti - varsinkin veto- ja taivutuslujuuden suhteen - niin että on mahdollista upottaa ydinpolt-toainesauvat matriisiin halutun muotoisina (esim. käärittyinä, kokoontaitettuina tai alkuperäisen muotoisina).

10 Edullisesti ydinpolttoainesauvat taivutetaan levy mäisiksi spiraaleiksi, jolloin halkaisijaltaan edullisesti 80 mm:n keskialue jätetään tyhjäksi. Näiden polt-toainesauvaspiraalien valmistuksessa on osoittautunut edulliseksi pitää kierreväli L 6 mm:nä.

15 Matriisin tiivistysolosuhteet ydinpolttoainesauvoja sisältävillä alueilla ja niitä sisältämättömillä alueilla järjestetään toisiinsa nähden sellaisiksi, että jäännös-deformoitavuus on kummallakin alueella yhtä suuri. Näin pystytään aikaansaamaan tasainen kokonaistiheys koko 20 muotokappaleen pituudelta.

Sen lisäksi, että keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan varastoida useita ydinpolttoainesauvoja, voidaan sen avulla myös edullisesti varastoida yksittäisiä poltto-ainesauvaspiraaleja grafiitti-nikkelisulfidi-matriisiin.

25 Tällaiset levyt voidaan pinota päällekkäin lopulliseen varastointiin sopivaan säiliöön, niin että ne ovat tarvittaessa siitä helposti otettavissa takaisin tai myös valmiita varastoitaviksi lopullisesti. Jotta levyt olisivat helpommin otettavissa säiliöstä, niiden keskiosa voidaan 30 varustaa tartuntalovella.

Puhtaiden ydinpolttoainesauvojen ohella voidaan tällä tavalla varastoida myös epäpuhtauksia sisältäviä ydinpoltto-ainesauvakoteloita.

Kuviossa I on esitetty kaaviollisesti esimerkki 35 keksinnön mukaisen muotokappaleen sovellutusmuodosta pitkittäisleikkaukseltaan, kuviossa II ydinpolttoainesauva 74836 spiraalin muotoisena.

Muotokappale sisältää sekä yläosassaan (2) että alaosassaan (3) ankkurilevyn (1), joihin metallisauvat (4) on kiinnitetty, kuitenkin vain ankkurilevyjen (1) niille alu-5 eille, joiden välissä ei muotokappaletta puristettaessa ole ydinpolttoainesauvoja (5). Tätä tarkoitusta varten työstetään ydinpolttoainesauvat (5) edullisesti kiekkomaisiksi spiraaleiksi (6), joissa on polttoainesauvoja sisältämätön keskus (7)., niin että metallisauvoja (4) voidaan muotokap-10 paleen uloimpien alueiden lisäksi sijoittaa myös sen keskiosaan .

Seuraavien esimerkkien avulla valaistaan keksinnön mukaisia muotokappaleita ja keksinnön mukaista menetelmää lähemmin.

15 Esimerkki 1

Matriisissa käytettäväksi lähtöainejauheeksi valmistettiin seos kuivasekoittamalla keskenään 43,7 paino-% hienoksi jauhettua luonnon grafiittia, 15 paino-% hienoksi jauhettua rikkiä ja 41,3 paino-% nikkelimetallijauhetta.

20 Ydinpolttoainesauvojen sisähalkaisija oli 8 mm ja ne olivat täytetyt sintratuilla UO^-pelleteillä tiheyteen 3 1Q,4 g/cm . Yksittäiset ydinpolttoainesauvat sijoitetaan sopiviin teräsputkiin ja nämä suljetaan tiiviisti molemmin puolin. Toisesta päästä liikkumattomaksi kiinnitetyt 25 ydinpolttoainesauvat käärittiin tähän tarkoitukseen sopivan laitteiston avulla spiraaleiksi, joiden kierteen ulkopintojen maksimiväli oli < 6 Jim ja halkaisija n. 260 mm.

Spiraalien upottamiseksi matriisiin pantiin halkaisijaltaan 300 mm:n teräsmuottiin kerros matriisijauhetta, 30 esitiivistettiin tämä kylmänä ja asetettiin tämän päälle ankkurilevy, johon oli kiinnitetty 5 metallisauvaa (3 ulkokehällä, 2 sisäosassa). Ankkurilevyn päälle pantiin toinen -10 mm paksu - matriisijauhekerros. Tämän päälle asetettiin ydinpolttoainesauvaspiraali ja sitten matriisijauhetta kor-35 keuteen, joka vastasi suunnilleen ydinpolttoainesauva- spiraalin kerrospaksuutta. Spiraalin keskustan ja reuna-alu- 6 74836 een matriisijauhemäärää lisättiin noin 30 %:lla toisen esitiivistyksen avulla. Muotokappaleen kokoamiseksi sijoitettiin vielä 39 spiraalia muottiin päällekkäin edellä kuvatun työvaiheen mukaisesti. Viimeisen spiraalin 5 päälle asetettiin toinen ankkurilevy siihen kiinnitettynne metallisauvoineen. Tämän ankkurilevyn päälle pantiin vielä matriisijauhetta - yhtä suuri määrä kuin menetelmän alussa. Kun oli lämmitetty 130°C:een tapahtui valmiiksi 2 puristaminen puristuspaineella 50 MN/m . Rikki/nikkeli-10 seoksen muuttamiseksi Ni^S2*.ksi kohotettiin lämpötila 450°C:een painetta muuttamatta. Kun muotokappale oli jäähtynyt 300°C:een se työnnettiin ulos muotista.

Valmiiksi puristetulla muotokappaleella oli seu-raavat ominaisuudet: 15 0

H

3

Matriisin tiheys: 3,3g/cm

Tiheys: 93 % teoreettisesta tiheydestä 20

Länmönjohtavuus: 0,8 W/αη . K

Lineaarinen lampolaajenemis-

kerroin: 9,2 im/m . K

2

Puristuslujuus: 107 MN/m 25

Esimerkki 2

Matriisijauhe valmistettiin analogisesti esimerkin 1 kanssa. Noin 5 m pitkät koteloidut ydinpolttoainesauvat taitettiin kokoon 20 kohdasta, niin että leveydeksi tuli 30 250 mm korkeuden ollessa 450 mm.

Kokoon taitetut polttoainesauvat upotettiin nelikulmaiseen muottiin. Kun muottiin oli pantu ensimmäinen matriisijauhekerros ja ankkurilevy, jonka ulkoreunalla oli 2 metallisauvaa, siihen sijoitettiin 6 kokoon taitettua 35 ydinpolttoainesauvaa ja niiden välit täytettiin matriisi-jauheella. Kun muottiin oli pantu toinen ankkurilevy 7 74836 siihen kiinnitettyine metallisauvoineen, pantiin tämän päälle kerros matriisijauhetta - yhtä suuri määrä kuin menetelmän alussa muotin alaosaan.

Puristus suoritettiin kuten esimerkissä 1.

5 Valmiiksi puristetulla muotokappaleella on esi merkissä 1 kuvatun muotokappaleen kanssa yhdenmukaiset matriisiominaisuudet.

Claims (8)

8 74836

1. Sylinterimäinen tai monikulmainen muotokappale grafiitista ja nikkelisulfidistä alkuperäisen muotoisten 5 tai muodoltaan muutettujen käytettyjen ydinpolttoaine-sauvojen turvallista pitkäaikaisvarastointia varten, tunnettu siitä, että se sisältää yläosassaan (2) ja alaosassaan (3) ankkurilevyt (1) ja sisäosassaan, ydinpolttoainesauvoja sisältämättömissä vyöhykkeissä 10 muotokappaleen pääakselin suuntaisia ankkurilevvihin (1) kiinnitettyjä metallisauvoja (4).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen muotokappale, tunne ttu siitä, että metallisauvoilla (4) on makroskooppisesti karkea pinta.

3. Patenttivaatimuksen 1 ja 2 mukainen muotokappale, tunnettu siitä, että se sisältää nikkelisulfidia muotona Ni^S2·

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen muoto-kappale, tunn ettu siitä, että ydinpolttoainesauvat 20 (5) on muutettu muodoltaan levymäisiksi spiraaleiksi (6), joissa on ydinpolttoainesauvoja sisältämätön halkaisijaltaan > 80 mm:n keskialue (7).

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen muoto-kappale, tunnettu siitä, että levymäisen spiraalin 25 (6) kierreväli on £ 6 mm.

6. Jonkin patenttivaatimuksista ] - 5 mukainen muoto-kappale, tunnettu siitä, että se sisältää vain yhden ydinpolttoainesauvan (5) muodostaman levymäisen spiraalin (6).

7. Menetelmä jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mu kaisen muotokappaleen valmistamiseksi puristamalla grafiitin, nikkelin ja rikin seosta, johon ydinpolttoaine-sauvat on upotettu, muotissa yli 100°C:n lämpötiloissa, tunnettu siitä, että muottiin pannaan ensin gra- 35 fiitin, nikkelin ja rikin muodostamaa matriisijauhetta, sitten ankkurilevy ja siihen kiinnitetyt metall.isauvat, 9 74836 sen jälkeen ydinpolttoainesauvat yhdessä matriisijauheen kanssa, toinen ankkurilevy ja siihen kiinnitetyt metalli-sauvat ja lopuksi vielä matriisijauhetta, ja puristetaan, jolloin matriisijauhe alueella, jossa ovat siihen upote-5 tut ydinpolttoainesauvat, esitiivistyy ja ankkuri-levyihin kiinnitetyt metallisauvat joutuvat vain alueille, joiden ylä- tai vastaavasti alapuolella matriisissa ei ole ydinpolttoainesauvoja.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä muoto-10 kappaleiden valmistamiseksi, tunnettu siitä, että puristettaessa kappaleet valmiiksi käytetään 400-500°C:n lämpötiloja. 10 74836