Doppelbehältersystem zum Transport und zur Lagerung von radioaktiven Stoffen

Abstract

 Ein Doppelbehältersystem zum Transport und zur Lagerung von radioaktiven Abfällen besteht aus einem inneren La­gerbehälter aus Stahl für den gasdichten Einschluß des zu lagernden radioaktiven Materials und einem äußeren Abschirmbehälter, der die erforderliche Abschirmung und mechanische Sicherheit bei Handhabung und Transport sicherstellt. Im Ringspalt zwischen äußerem Abschirmbe­hälter und innerem Lagerbehälter ist eine Neutronenmo­deratorschicht aus wasserstoffhaltigem Material, vor­zugsweise Polyäthylen, vorhanden. Um eine gute Abschir­mung bei gleichzeitig sehr guter Wärmeleitung von innen nach außen zu erreichen, besteht die Moderatorschicht (41) aus einzelnen übereinandergestapelten Ringen (43) aus Polyäthylen. Zwischen zwei Polyäthylenringen (43) ist jeweils ein H-Profilring (45) aus einem wär­meleitenden metallischen Werkstoff angeordnet. Die Schenkel (49) des H-Profilringes (45) umfassen die Sei­ten der beiden Polyäthylenringe (43) zur Fixierung.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Doppelbehältersystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Zur ausreichenden Abschirmung der Gamma- und Neutronen­strahlung bei radioaktive Stoffe enthaltenden Behältern sind bestimmte Maßnahmen zu treffen. Üblich ist, zur zusätzlichen Abschirmung der aus dem radioaktiven Kern­brennstoff austretenden Neutronenstrahlung um den La­gerbehälter eine Neutronenabschirmungsschicht aus einem wasserstoffhaltigen Material, vorzugsweise Polyäthylen, vorzusehen. Wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit solcher neutronenabschirmenden Materialen ist es be­kannt, wärmeleitfähige Stege in dieser Schicht anzuord­nen, die die Behälteroberfläche mit der Außenatmosphäre wärmeleitend verbinden.

[0003] Aus der DE-OS 2831646 ist ein Abschirmbehälter bekannt, der eine Neutronenabschirmungsschicht aus granulatför­migen Polyäthylen aufweist und dessen Wärmeleitstege mit einer äußeren Oberfläche eines relativ dünnwandigen Stahlmantels zur besseren Abführung der Zerfallswärme an die Außenwelt verbunden sind. Dieser dünne Stahlman­tel dient lediglich der guten Abführung der Zerfalls­wärme an die Außenwelt.

[0004] Bei Doppelbehältersystemen, in denen die beiden inein­ander angeordneten Behälter unterschiedliche Anforde­rungen erfüllen müssen, hat der Abschirmbehälter üb­licherweise eine Wanddicke von etwa 200 mm, um die not­wendige Abschirmung gegen radioaktive Strahlung zu sichern. Außerdem soll dieser dickwandige äußere Abschirmbehälter einen mechanischen Schutz des innen­liegenden Behälters bei dem Transport und bei Stoßbe­lastungen ergeben. Der innere Lagerbehälter nimmt die radioaktiven Stoffe gasdicht auf und ist dafür mit einem Doppeldeckelsystem versehen, dessen äußerer Se­kundärdeckel mit dem Behälterkörper gasdicht verschweißt ist.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Dop­pelbehältersystem der eingangs beschriebenen Art einen Neutronenmoderatoraufbau zu schaffen, der bei einer gu­ten Abschirmung über seine gesamte Mantelfläche dennoch eine gute Wärmeableitung ermöglicht.

[0006] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzei­chen des Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

[0007] Der erfindungsgemäße Moderatoraufbau wird zur Herstel­lung der Wärmeleitbrücken in seiner Mantelfläche nur durch die waagerechten Stege der H-Profilringe unter­brochen. Die Anordnung der seitlichen, senkrecht zu dem Steg stehenden Schenkel fixieren die Polyäthylenringe und gewährleisten gleichzeitig über ihre ausreichend großen Flächen, die im metallischen Kontakt mit der Innenfläche des Abschirmbehälters bzw. der Außenfläche des inneren Lagerbehälters stehen, eine gut Wärmelei­tung. Dicke und Abstand der waagerechten Stege können entsprechend der abzuführenden Wärme gewählt werden.

[0008] Durch die Erfindung wird es möglich, den Moderatorauf­bau in technisch einfacher Weise durchzuführen, da die Polyäthylenringe unter Fixierung durch die H-Profil­ringe in einfacher Weise übereinandergestapelt werden können. Es entsteht durch diese Aufeinanderstapelung ein zylindrischer Verbund.

[0009] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird durch die im Anspruch 2 genannten Merkmale gekennzeich­net. Durch diese Ausgestaltung wird sichergestellt, daß eine Überdeckung der einzelnen Segmente bereits bei Raumtemperatur gewährleistet ist.

[0010] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 3 gekennzeichnet. Durch die Trennfugen der H-Profilringe wird eine gute Einbaumöglichkeit dieser Ringe erreicht. Unter einer Vorspannung können diese Ringe eingebracht werden, so daß ein enges Anliegen der Außenschenkel der Profilring­ge an der Innenfläche des Abschirmbehälters erreicht wird.

[0011] In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind gemäß Anspruch 4 die Polyäthylenringe aus ultra­hochmolekularem Niederdruckpolyäthylen. Es hat sich überraschend gezeigt, daß dieses ultrahochmolekulare Niederdruckpolyäthylen besonders für die Abschirmung eines Doppelbehältergebindes geeignet ist. Dieses wird darauf zurückgeführt, daß dieses Niederdruckpolyäthylen keine Weichmacher und Lösungsmittel aufweist und somit eine minimale Ausgasung erleidet. Bei den eingesetzten Temperaturbereichen tritt darüber hinaus kein Schmelzen des Niederdruckpolyäthylens ein. Zudem bleibt das Nie­derdruckpolyäthylen bis 250 Grad Celsius gummielas­tisch.

[0012] In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist gemäß dem Anspruch 5 der Neutronenmoderatoraufbau auf seiner Oberseite federbelastet. Durch diese in Längsrichtung wirkende Federbelastung ist eine Längen­kompensation des Moderatoraufbaus aufgrund der Wärme­entwicklung möglich.

[0013] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Druckfederanordnung für den Moderatoraufbau ist in den Merkmalen des An­spruchs 6 gekennzeichnet.

[0014] Durch die Merkmale des Anspruchs 7 wird in vorteilhaf­ter Weise erreicht, daß der Neutronenmoderatoraufbau von Stoßbelastungen freigehalten wird. Stoßbelastungen wird der innere Lagerbehälter über die Führungen auf den Abschirmbehälter abtragen.

[0015] Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nach­stehend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Doppelbehältergebinde mit einem Außen- und einem Innenbehälter sowie einer zwischen den beiden Behältern liegenden Moderatorschicht,

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt des Aufbaus des Moderators,

Fig. 3 eine Draufsicht eines in Segmente unterteilten Polyäthylenringes,

Fig. 4 eine Draufsicht eines H-förmigen Aluminiumpro­filringes.

Fig. 5 eine den Moderatoraufbau belastende Druckfeder­anordnung,

Fig. 6 eine Teildraufsicht von Fig. 5.

[0016] Das gezeigte Doppelbehältergebinde weist einen Ab­schirmbehälter 11 aus GGG 40 auf, dessen Beladeöffnung 13 durch einen eingeschraubten Abschirmdeckel 15 ge­schlossen ist. In dem kreisförmigen Innenraum des Ab­schirmbehälters 11 ist ein Lagerbehälter 17 aus Stahl eingesetzt, der in seinem Hohlraum ein Einsatzgitter 19 zur Aufnahme von einzelnen, dicht angeordneten Brenn­stäben 21 eines zerlegten Kernreaktorbrennelementes aufweist. Im freien Mittelraum 23 des Einsatzgitters 19 sind die Schrotteile 25 der zerlegten Kernreaktorbrenn­elemente unter Verfüllung mit einer abbindenden Masse, wie beispielsweise Kunstharz, eingebracht.

[0017] Der Lagerraum des Lagerbehälters 17 ist durch einen aufgeschraubten Primärdeckel 27 unter Einschluß von Dichtungsringen 29 und 31 verschlossen. Über dem Pri­märdeckel 27 ist in der Beladeöffnung des Lagerbehäl­ters 17 ein bündig mit der oberen Außenkante des Lager­behälters 17 abschließender Sekundärdeckel 33 einge­setzt und mit dem Behälterkörper verschweißt.

[0018] Der Abschirmdeckel 15 des Abschirmbehälters 11 weist eine innere zylindrische Ausnehmung 35 auf, in die das obere Ende des Lagerbehälters 17 passend hineinragt. Der untere Teil des Lagerbehälters 17 wird von einem inneren Ansatz 37 des Abschirmbehälters 11 geführt. Über diesem inneren Ansatz 37 springt der Innendurch­messer des Abschirmbehälters 11 auf und ergibt so einen Ringspalt 39, in dem ein Neutronenmoderatoraufbau 41 angeordnet ist. Dieser Neutronenmoderator 41 besteht aus einzelnen übereinanderliegenden Polyäthylenringen 43.

[0019] Zur Fixierung der Polyäthylenringe 43 sind zwischen je­weils zwei übereinanderliegenden Polyäthylenringen 43 jeweils ein H-Profil-förmiger Aluminiumring 45 (Fig. 2) angeordnet. Durch diese stapelförmige Anordnung ent­steht ein zylindrischer Verbund des Moderatoraufbaues 41. Der waagerechte Steg 47 jedes einzelnen Profilrin­ges 45 durchbricht die Neutronenmoderatorschicht 41 nur auf einer kleinen Fläche. Die senkrechten Schenkel 49 liegen benachbart zur Innenfläche des Abschirmbehälters 11 bzw. zur Außenfläche des Lagerbehälters 17.

[0020] Vor der Einbringung des beladenen Lagerbehälters 17 und vor einer Erwärmung durch die Nachzerfallswärme der ra­dioaktiven Stoffe besteht zwischen der inneren seitli­chen Fläche des Neutronenmoderators 41 ein Luftspalt 50 zu der Außenfläche des Lagerbehälters 17. Dieser wird bei einer Erwärmung und Ausdehnung geschlossen (Fig. 2).

[0021] Die Polyäthylenringe 43 bestehen jeweils aus einzelnen zusammengesetzten Segmenten 51, deren Trennfugen 53 un­ter einem spitzen Winkel α zur Mittellinie liegen (Fig. 3).

[0022] Die H-Profilringe 45 aus Aluminium sind jeweils durch eine Trennfuge 55 unterbrochen, so daß die Möglichkeit besteht, die H-Profilringe 45 mit einer Vorspannung in das Doppelbehältergebinde einzubringen. Es wurd ein en­ges Anliegen der Außenschenkel 49 der Profilringe 45 an der Innenfläche des Abschirmbehälters 11, erreicht.

[0023] Der Zusammenbau des Doppelbehältergebindes geschieht auf folgende Weise:

[0024] In den offenen Abschirmbehälter 11 wird der Moderator­aufbau 41 durch Einbringen der einzelnen Lagen Poly­äthylenringe 43 und zwischenliegender H-Profilringe 45 eingebracht. Dabei erstreckt sich der zylindrische Mo­deratoraufbau 41 in seiner Länge bis in den Deckelbe­reich bzw. in den Bodenbereich des anschließend einge­brachten Lagerbehälters 17. Es ist somit eine ausrei­chende Abschirmung über die Höhe des Lagerbehälters 17 gewährleistet. In einer Heißen Zelle wird der Lagerbe­hälter 17 mit den radioaktiven Stoffen beladen. Der Primärdeckel 27 wird eingesetzt und auf der vorsprin­genden Wand des Lagerbehälters 17 verschraubt. An­schließend kann eine Verschweis-sung des Primärdeckels 33 erfolgen. Der Lagerbehälter 17 wird dann in den Ab­schirmbehälter 11 eingebracht.

[0025] Der Abschirmdeckel 15 wird in die Öffnung des Abschirm­behälters 11 eingeschraubt. Der Lagerbehälter 17 ist nun fixiert. Etwaige Stoßbelastungen bei dem Transport werden durch die Führung 35 im Abschirmdeckel 15 bzw. die Führung 37 im Bodenbereich des Abschirmbehälters aufgenommen. Der Neutronenmoderator 41 wird von Stoßbe­lastungen freigehalten.

[0026] Die Trennfugen 53 der Polyäthylenringe 43 sind durch ihre Schräge α so angeordnet, daß bereits bei Raumtem­peratur eine Überdeckung der einzelnen Segmente 51 vor­handen ist. Bei der höchsten zu erwartenden Betriebs­temperatur sind die Trennfugen 53 geschlossen.

[0027] In Fig. 5 wird eine Druckfederanordnung 57 gezeigt, die zwischen der Oberfläche des Moderatoraufbaues 41 und dem Abschirmdeckel 15 des Abschirmbehälters 11 abge­stützt ist. Auf den waagerechten Steg 47 des obersten H-profilförmigen Aluminiumringes 45 ist ein flacher Ring 59 aufgelegt. Auf diesen Ring 59 sind zwölf Blatt­federsegmente 61 mit einem Niet 63 befestigt. Jedes Blattfedersegment 61 hat zwei nach oben gebogene Feder­schenkel 65 und 67, deren freie Enden gegen den Ab­schirmdeckel 15 anliegen.

[0028] Bei einer Erwärmung des Doppelbehältergebindes kann sich der Moderatoraufbau 41 in seiner Längsrichtung nach oben ausdehnen. Der Federweg dient als Wärmekom­pensation und Fixierung des Moderatoraufbaus 41 bereits bei Raumtemperatur. Sinnvollerweise wird die Federkraft entsprechend des Moderatorgewichtes gewählt.

Bezugszeichenliste

[0029] 

11 Abschirmbehälter

13 Beladeöffnung

15 Abschirmdeckel

17 Lagerbehälter

19 Einsatzgitter

21 Brennstäbe

23 freier Mittelraum

25 Schrotteile

27 Primärdeckel

29 Dichtungsring

31 Dichtungsring

33 Sekundärdeckel

35 zylindrische Ausnehmung

37 innerer Ansatz

39 Ringspalt

41 Neutronenmoderatoraufbau

43 Polyäthylenringe

45 H-profilförmige Aluminiumringe

47 waagerechter Steg

49 senkrechte Schenkel

51 Ringsegmente

53 Trennfugen

55 Trennfugen

57 Druckfederanordnung

59 flacher Ring

61 Blattfedersegmente

63 Niet

65 Federschenkel

67 Federschenkel

Ansprüche

1. Doppelbehältersystem zum Transport und zur Lagerung von radioaktiven Abfällen oder bestrahlten Kernbrenn­stoffen mit einem inneren Lagerbehälter aus Stahl für den gasdichten Einschluß des zu lagernden radioaktiven Materials und mit einem äußeren Abschirmbehälter, der die erforderliche Abschirmung und mechanische Sicher­heit bei Handhabung und Transport sicherstellt, wobei im Ringsplat zwischen äußerem Abschirmbehälter und innerem Lagerbehälter eine Neutronenmoderatorschicht aus einem wasserstoffhaltigen Material, vorzugsweise Polyäthylen, vorhanden ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Moderatorschicht (41) aus einzelnen übereinan­dergestapelten Ringen (43) aus Polyäthylen besteht, daß zwischen zwei Polyäthylenringen (43) jeweils ein H-Profilring (45) aus einem wärmeleitenden metallischen Werkstoff angeordnet ist, dessen Schenkel (49) die Seiten der beiden Polyäthylenringe (43) umfassen.

2. Doppelbehältersystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Polyäthylenring (43) aus mindestens zwei Seg­menten (51) besteht, wobei die Trennfugen (53) unter einem spitzen Winkel (α) zur Mittellinie verlaufen und bei Raumtemperatur einen Spalt aufweisen, der bei der höchsten zu erwartenden Betriebstemperatur geschlossen ist.

3. Doppelbehältersystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die H-Profilringe (45) aus Aluminium sind und daß die H-Profilringe (45) durch eine Trennfuge (55) unterbrochen sind.

4. Doppelbehältersystem nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Polyäthylenringe (43) aus ultrahochmolekularem Niederdruckpolyäthylen bestehen.

5. Doppelbehältersystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Moderatoraufbau (41) von einer Druckfederanord­nung (57) belastet ist.

6. Doppelbehältersystem nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Druckfederanordnung (57) aus mehreren kreis­förmig angeordneten Blattfedersegmenten (61) gebildet ist, deren nach oben gebogene Federschenkel (65 und 67) sich gegen den Abschirmdeckel (15) abstützen.

7. Doppelbehältersystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Enden des Lagerbehälters (17) von inneren Füh­rungen (35 und 37) des Abschirmbehälters (11) aufge­nommen werden, deren Innendurchmesser etwa dem Innen­durchmesser des Moderatoraufbaus (41) entsprechen, der sich über die Länge zwischen den Führungen (35 und 37) erstreckt.

Zeichnung