NO133447B - - Google Patents

Description

Skipningsfat for transport av radioaktive materialer. •

Foreliggende oppfinnelse angår skipningsfat for transport av radioaktive materialer, særlig brukte reaktor-brennstoffelementer.

Ved skipning av brukte reaktor-brennstoffelementer foreligger to prob-lemer. For det første foreligger selvsagt kravet til strålings-beskyttelse, slik at det må sørges for skjerming, i alminnelighet ved hjelp av bly. Hertil kommer imidlertid at den varme som utvikles av brennstoffelementene må skaffes bort på en effektiv måte. Aluminiumkledde brennstoffelementer må holdes på en forholdsvis lav temperatur slik at aluminiumet ikke blir bløtt eller smelter. Brennstoffelementer som er kledd med rustfritt stål må dessuten holdes på lav temperatur mens de skipes, på grunn av det forholdsvis lave smeltepunkt for blyskjermingen. Hvis således deler av skipningsbeholderen for brennstoffelementer skulle bli så varme at blyskjermen i skipningsfatet smelter, kan følgen bli at det smeltende bly ut-vider seg og skipningsfatet kan komme til å eksplodere. Av disse grunner har håndte-ringen av brukte brennstoffelementer fore-gått på en av to måter. Enten 1) blir brennstoffelementene lagret lenger før skipning slik at deres termiske varmeut-vikling blir så lav at skipningen blir sik-ker eller 2), hvis de skipes mens de er forholdsvis termisk aktive, må det brukes en spesiell kjølingsanordning, som må holdes i drift under transporten.

Foreliggende oppfinnelse angår et

skipningsfat for transport av radioaktivt material, som har den egenskap at det er

god varmeledning mellom innsiden og utsiden av fatet, slik at varme som frembringes av radioaktivt material inne i fatet kan overføres effektivt til den omgi-vende atmosfære eller føres bort ved hjelp av en kjølingsanordning. Ved å skaffe til-strekkelig god varmeledning fra innsiden til utsiden av fatet, kan overoppvarmning og derav følgende smelting av skjermingsmaterialet og derav igjen nedsettelse av dets skjermingsevne unngås selv når det skipes forholdsvis termisk aktive brukte reaktor-brennstoffelementer, hvorved om-kostninger spares ved nedsettelse av den tid brennstoffelementer må lagres før de skipes.

Foreliggende oppfinnelse angår et skipningsfat for transport av radioaktivt material, som omfatter en indre beholder, et ytre hus rundt den indre beholder i avstand fra denne og strålings-skjermende material i rommet mellom beholderen og huset og det særegne består i at varmeledende deler er festet til det ytre hus og anordnet slik at de rager inn i skjermingsmaterialet.

Spesielt angår oppfinnelsen et skipningsfat for transport av radioaktivt material av den angitte art hvor det ytre hus har sylinderformet vegg og strålingsskjermende material i form av en monolitisk støpeblymasse som ligger i rommet mellom beholderen og huset og det særegne ved dette fat består i at det er anordnet flere varmeledende elementer som er festet til det ytre hus og rager inn i støpe-bly massen.

De varmeledende elementer er herun-der anordnet slik at de ikke vesentlig ned-setter skjermingsevnen for skjermingsmaterialet mot rettlinjet stråling som utgår fra innsiden av beholderen.

iDe varmeledende elementer kan være utført som finner som strekker seg i aksial retning for fatet, idet hver finne er an-bragt under en stor vinkel overfor radien på det sted hvor finnen er festet til det ytre hus. Finnene kan rage delvis inn i skjermingsmaterialet og kan være formet som en krok ved sine indre kanter. Alter-nativt kan finnen rage inn i skjermings-materialmassen til den indre beholder, og kan være perforert.

Berøringsflaten mellom de varmeledende elementer og det ytre hus går fortrinsvis opp i minst 3 pst. av den samlete indre flate av det ytre hus nær skjermingsmaterialet.

De varmeledende deler er fortrinsvis utført av et material med høy varmeledningsevne sammenlignet med varmeledningsevnen for skjermingsmaterialet. De varmeledende deler kan således være ut-ført av kopper, eller av jernholdig metall, f. eks. jern. Varmeledende deler av kopper i form av finner kan være festet til et ytre hus av rustfritt stål ved hjelp av sølv-lodding. De varmeledende deler i form av finner av jernholdig metall, f. eks. jern, kan være festet til et ytre hus av rustfritt stål ved sveising.

Oppfinnelsen skal nu beskrives nær-mere under henvisning til vedføyete teg-ning. Fig. 1 viser en utførelsesform for et skipningsfat i henhold til oppfinnelsen, sett fra siden, delvis i snitt. Fig. 2 viser et tverrsnitt etter linjen 2—2 i fig. 1. Fig. 3 viser et delsnitt i større måle-stokk av et ytre parti av det fat som er vist i fig. 2. Fig. 4 viser et riss i likhet med fig. 1, av en endret utførelse.

■Fig. 5 viser et tverrsnitt etter linjen 5

—5 i fig. 4.

Fig. 6 viser et tverrsnitt etter linjen 6—6 i fig. 5.

Skipningsfat av den alminnelige type hvor oppfinnelsen kan tilpasses er vel kjent og fremstilles ved å helle smeltet bly inn i et ringformet sylinderformet tomrom mellom en forholdsvis tynn indre beholder og et ytre hus, idet rommet inne i beholderen danner lagringsplassen for de radioaktive materialer som skal skipes. Det er vel kjent at når slike bly-fylte fat fremstilles, trekker det smeltede bly seg sammen ved størkning og avkjøling. Dette skyldes for største delen den forholdsvis meget høyere varmeutvidelses-koeffisient for bly enn for materialer som, f. eks. stål, hvorav den indre beholder og det ytre hus er fremstillet. Ved krympingen søker blyet å størkne rundt den indre beholder og trekker seg bort fra det ytre hus i fatet. Det har vist seg at når blyet størkner, foreligger det et jevnt rom eller tomrom mellom blyet og det ytre hus langs den indre overflate av det ytre hus. Den manglende berøring mellom det ytre hus og blyet virker som isolasjon som hindrer effektiv varmeoverføring til den ytre overflate av fatet.

Hvis således brukte brennstoffelementer, som frembringer betraktelige varme-mengder, blir transportert i et slikt fat, vil den varme som frembringes av brennstoffelementene ikke effektivt føres bort og partier av blyet, i alminnelighet nær den ytre overflate av den indre beholder kan bli så varme at de smelter og derved ska-per en meget farlig tilstand. Hvis det skipes aluminiumkledde elementer kan det selvsagt opptre skade på aluminium endog før blyet smelter. Tidligere forsøk på å unngå dette område uten berøring gikk først og fremst ut på å binde det ytre hus til blyfyllingen på forskjellig måte, f. eks. ved lodding. Formålet med sammenbindin-gen var å hindre krymping bort fra det ytre hus. Under krympingen oppstår det imidlertid sterke strekk-krefter i blyet og den forholdsvis lave strekkstyrke for bly hindrer at denne sammenbinding blir til-fredsstillende og resulterer i sprekker i blyet.

Som vist i fig. 1 og 2 på vedføyete teg-ning omfatter et skipningsfat 20 for transport av radioaktivt material en indre beholder 10 av rustfritt stål med sylinderformet vegg og et ytre, koaksialt anordnet hus 11 av rustfritt stål i avstand utover, dvs. radialt og aksialt, i forhold til den indre beholder slik at det dannes et hul-rom som omgir den indre beholder 10 for opptagelse av skjermingsmaterial, f. eks. i form av en masse 12 av støpt bly som er helt inn i hulrommet, idet det ytre hus 11 også har sylinderformet vegg. Fatet er forsynt med en innføringsåpning som er lukket ved hjelp av en plugg 13, bærehånd-tak 14, en bunnplate 15 som utgjør en del av det ytre hus, og en tung støttebunn 16 som fatet er løsbart festet til.

I en utførelsesform for foreliggende oppfinnelse er finner 17 av jernholdig metall, f. eks. jern, sveiset med omkretsav-stand fra hverandre til innsiden av det ytre hus 11. Hver finne 17 er sveiset i det vesentlige over hele den loddrette høyde av den sylinderformete vegg av huset 11 av rustfritt stål. Finnene 17 rager delvis inn i blymassen 12. Som vist i fig. 3, er hver finne sveiset ved 18 til det ytre hus 11, idet det brukes sveisestaver av rustfritt stål ved sveisingen. Fig. 3 viser også det normale tomrom 19 mellom det ytre hus 11 og blymassen 12 på grunn av krympingen av blymassen bort fra det ytre hus, idet rommet 19 er overdrevet for å gjøre tegningen klarere. Det er klart at finnene 17 som er festet til det ytre hus 11 og som rager inn i blymassen 12 danner en varmeledende bro fra blymassen 12 over til det ytre hus 11, slik at det oppnås betraktelig varmeledningsevne over til det ytre hus. Antallet av finner 17 som er sveiset til det ytre hus 11 avhenger av den varmeledningsevne som ønskes og av stør-relsen av finnene. Fig. 2 viser en avstand mellom finnene 17 som passer for de fleste anvendelser.

Hver finne 17 ligger under en stor vinkel med radien på festestedet for finnen på det ytre hus 11, for å unngå særlig nedsettelse av skjermingsevnen for skjermingsmaterialet overfor rettlinjet stråling som utgår fra innsiden av beholderen 10. Finnene 17 er dessuten hensiktsmessig formet til en krok ved sine indre kanter for å sikre god varmeledende berøring mellom finnene 17 og blymassen 12 under og etter kjøling og under krymping av blymassen og etterfølgende endringer i tem-peraturen. Finnene 17 er hensiktsmessig sveiset til det ytre hus 11 før blyet 12 helles i, slik at det endelige avgjørende trekk ved fremstillingen av fatet 20 er i-hellin-gen av blyet 12.

I den endrete utførelse som er vist' i fig. 4, 5 og 6 ligner skipningsfatet 21 fatet i den første utførelse ved at det omfatter en indre beholder 22 av rustfritt stål, et ytre hus 23 av rustfritt stål og en monolitisk masse 24 av støpebly. I denne ut-førelsesform er kopperfinner 25 som er jevnt fordelt langs omkretsen festet til innsiden av det ytre hus 23 og rager inn i blymassen 24 til den indre beholder 22. Finnene 25 er festet langs lengden av den sylinderformete vegg av det ytre hus 23 ved sølvlodding og er i tangential berøring med den indre beholder 22. Det er ikke nød-vendig at finnene 25 er fast festet til den indre beholder 22. Som vist i fig. 6 kan hver finne 25 være forsynt med flere små hull 26. Finnene 25 er festet til det ytre hus

23 hvoretter smeltet bly helles inn for å

danne blymassen 24 som størkner rundt finnene 25 og i hullene 26.

Som i den foregående utførelsesform, ligger hver finne under en stor vinkel med radien på festestedet for finnen på det ytre hus 23 for derved å unngå særlig nedsettelse av skjermingsevnen for massen 24 overfor sterk rettlinjet stråling. Det vil sees at finnene 25 også i denne utførelses-form skaffer varmeledende baner mellom blymassen 24 og det ytre hus 23 som danner broer over tomrommet som er dannet ved krympingen av blymassen bort fra det ytre hus 23. Hensikten med hullene 26 i finnene 25 er å sikre effektiv berøring for varmeoverføring mellom blymassen 24 og finnene 25, selv etter den krymping av blymassen 24 som finner sted. Skipningsfatet 21 har, selv om det krever mere finne-material enn skipningsfatet 20 i fig. 1—3, den ekstra fordel at det har varmeledende finner hele veien inn til beholderen 22 som hjelp for blymassen 24 ved varmeledningen til det ytre hus 23.

Kopper er av flere grunner å foretrekke for finnene i den utførelsesform som er vist i fig. 4. Ikke bare er kopper forholdsvis billig og en god leder, men det kleber godt til bly. Varmeledningsevnen for kopper er 0,941 kal/cm-Vcm/sec/° C ved 20° C. Til sammenligning er varmeledningsevnen for bly bare 0.082 kal/cmV cm/sek/° C. Tilstedeværelsen av kopper-finnene 25 inne i blymassen 24 bedrer således sterkt varmeledningen gjennom blymassen fra beholderen 22 til det ytre

hus 23. Berøringen mellom finnene 25 og

det ytre hus 23, som er sikret ved hjelp av

sølvloddingen, gir dessuten en effektiv varmelednings-vei til det ytre hus 23.

I begge utførelsesformer øker finnene effektivt fatets evne til å trekke ut varme som skyldes høy termisk aktivitet av brennstoffelementene. I tillegg hertil er det omtrent intet tap i strålingsbeskyt-telse, på grunn av at så lite bly er erstat-tet med finne-material. For skipningsfatet 21 går, eksempelvis, bare ekvivalenten til 0,16 cm pr. 28 cm tykkelse av blyet tapt ved bruken av finnene, og i skipningsfatet 20 er tapet ubetydelig.

De faktiske dimensjoner for det fat som er vist her er:

For et fat av denne størrelse trenges

det ca. 8.170 kg bly for å fylle skjermings-hulrommet.

For brennstoffelementer som blir ski-

pet i vann i den indre beholder i henhold til foreliggende oppfinnelse, er det viktig at vanntemperaturen holdes på ikke stort over 93° C, dvs. at vannet må ikke få

koke. For en sirkulasjonslufttemperatur på

ca. 38° C, utenfor det ytre hus av skipningsfatet, i kombinasjon med en tem-

peratur på ca. 93° C for vannet rundt brennstoffelementene, er det å foretrekke at berøringsflaten mellom finnene og det ytre hus i det fat som er vist i fig. 1 er minst så stort som 3 pst. av hele den indre flate av det ytre hus nær bly-skjermingen.

Det har vist seg at når denne berørings-

flate er ca. 3—4 pst., ble varmeoverførings-virkningsgraden, eller kilowatt-forholdet,

for fatet tilnærmet tre ganger så stor som for et lignende fat uten finner, idet rom-

met 19 i disse fat var ca. 0,25 cm bredt.

En fordobling av denne prosentuale flate

ved forstørrelse av finnene eller øking av deres antall gav bare en øking på ca. 10

pst. i virkningsgrad.

Etterhvert som den indre temperatur

i fatet stiger, øker selvsagt virkningen av finnene. Hvis avstanden mellom blyet og det ytre hus er større vil også finnene bli ennu mere betydningsfulle.

For det fat som er vist i fig. 4 viste

det seg at et samlet tverrsnitt av kopper-

platene på ca. 5 cm fordelt rundt omkret-

sen av fatet øket varmestrømmen gjen-

nom blymassen med omtrent en tredjedel.

Bare ca. 10 pst. i varmeoverføringsvirk-ningsgrad ble vunnet ved å bruke kopper-

finner i stedet for jernfinner tvers over spalten mellom blyet og det ytre hus. Virnkingsgraden for det fat som er vist i

fig. 4 kan økes ved å anbringe finner på

utsiden av det ytre hus av rustfritt stål for å forbedre berøringen mellom huset og den ytre luft.

Det er klart at oppfinnelsen ikke er begrenset til de spesielle utførelsesformer som er beskrevet her og at detaljer i ut-

førelse og materialer kan endres. Eksem-

pelvis kan den indre beholder og det ytre hus for fatet være utført av hvilket som helst annet egnet metall enn rustfritt stål,

og massen av skjermingsmaterial kan være av hvilket som helst metall eller metall-

legering som er istand til å hindre eller nedsette rettlinjet stråling. Videre kan de varmeledende elementer, i stedet for å

være i form av ribber, være anderledes ut-

ført og anordnet på hvilken som helst passende måte slik at de danner en varme-

ledende bro over tomrommet mellom mas-

sen av skjermingsmaterial og det ytre hus uten vesentlig nedsettelse av skjermingsev-

nen for massen av skjermingsmaterial.

Claims (10)

1. Skipningsfat for transport av ra-

dioaktivt material, som omfatter en indre, fortrinsvis sylindrisk beholder, et ytre, fortrinsvis sylindrisk hus som omslutter og ligger i avstand fra den indre beholder, samt strålingsskjermende materiale, f. eks. en blystøpemasse, anordnet i mellomrom-met mellom beholderen og huset, karakterisert ved varmeledende elementer som er festet til huset og er anordnet slik at de rager inn i det strålingsskjermende material i plan som avviker fra radier i beholderen og er anordnet slik at skjer-mingsvirkningen av skjermmaterialet overfor rettlinjet stråling fra det indre av beholderen i det vesentlige opprettholdes.

2. Skipningsfat som angitt i påstand 1, karakterisert ved at de varmeledende elementer er formet som finner som strekker seg i aksial retning for fatet, idet hver finne danner en stor vinkel med radien på det sted hvor den er festet til det ytre hus.

3. Skipningsfat som angitt i påstand 2, karakterisert ved at finnene strekker seg delvis inn i skjermingsmaterialet og er krokformet ved sine indre kanter.

4. Skipningsfat som angitt i påstand 2, karakterisert ved at finnene strekker seg inn i massen av skjermings- material til den indre beholder.

5. Skipningsfat som angitt i påstand 4, karakterisert ved at finnene er perforert.

6. Skipningsfat som angitt i påstand 1—5, karakterisert ved at berø-ringsflaten mellom de varmeledende elementer og det ytre hus utgjør minst 3 pst. av den samlete indre overflate av det ytre hus som vender mot skjermingsmaterialet.

7. Skipningsfat som angitt i påstand 1—6, karakterisert ved at de varmeledende deler er av et material med høyere varmeledningsevne enn skjermingsmaterialet.

8. Skipningsfat som angitt i påstand 7, karakterisert ved at de varmeledende elementer er av kopper.

9. Skipningsfat som angitt i påstand 8, karakterisert ved at det ytre hus er av rustfritt stål og at de varmeledende deler av kopper er formet som finner som er festet til det ytre hus ved sølvlodding.

10. Skipningsfat som angitt i påstand 9, karakterisert ved at de varmeledende elementer er av ferrometall, f. eks. jern.