Vorrichtung zum Abschirmen einer Fluid-Wanddurchführung gegen hochenergetische elektromagnetische Strahlung, Kernstrahlung oder Korpuskularstrahlung

Abstract

 Die Abschirmvorrichtung besteht aus einer Mehrzahl von scheibenförmigen Abschirmelementen, die z.B. aus Schraubensegmenten (2,3) bestehen, die eine einheitliche Form besitzen und um einen vorgegebenen Winkel gegeneinander versetzt entlang ihrer Achse (4) in der geradlinigen Wanddurchführung (1) hintereinander angeordnet sind. Auf diese Weise ergibt sich eine einfach herzustellende und zu montierende Abschirmvorrichtung von begrenztem Platzbedarf. Die einzelnen Schraubensegmente (2,3) können aus unterschiedlichen Materialien und/oder Verbundmaterialien mit unterschiedlichen Abschirmeigenschaften bestehen. Die Vorrichtung eignet sich daher insbesondere zur Abschirmung gemischter Strahlung.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abschirmen einer Fluid-Wanddurchführung gegen hochenergetische elektromagnetische Strahlung, Kernstrahlung oder Korpuskularstrahlung.

[0002] Die Nachbehandlung von ausgebrannten Brennelementen aus Kernkraftwerken geschieht u.a. in sog. "heißen Zellen", d.h. in Abschnitten von kerntechnischen Anlagen, die gegen nach außen dringende Neutronen- und Gammastrahlung abgeschirmt sind. In solchen heißen Zellen befinden sich in der Regel Maschinen zum Nachbehandeln der Brennelemente sowie Beleuchtungseinrichtungen. Die dadurch in den heißen Zellen erzeugte Wärme und die Restwärme der abgebrannten Brennelemente muß durch entsprechende Lüftungs-Wanddurchführungen nach außen abgeführt werden.

[0003] Die Wände der heißen Zelle haben typischerweise eine Dicke von 150 cm und bestehen aus Beton bzw. Stahlbeton. Die Anlagen zur Belüftung der heißen Zellen befinden sich typischerweise außerhalb der heißen Zellen selbst.

[0004] Um zu verhindern, daß Neutronen- oder Gammastrahlung durch die Lüftungs-Wanddurchführungen nach außen dringt, wurden diese bisher mit Knicken ausgebildet. Die stets geradlinig propagierende Strahlung trifft somit auf den Beton der Wand und wird dort absorbiert.

[0005] In neuerer Zeit wurden die Durchführungen auch gerade und ohne Knicke durch die Wände geführt. Die Durchführungen haben dabei typischerweise einen Durchmesser von 50 bis 75 cm. In den Durchführungen befinden sich dann sog. Abschirmschrauben. Die Abschirmschrauben bestehen aus Eisen und weisen mehrere Windungen über der Länge der Durchführung auf. Sie sind damit in der Lage, Gammastrahlung zu absorbieren.

[0006] Ein grobes Maß für den Absorptionswirkungsquerschnitt für Gammastrahlung ist die Dichte des zum Abschirmen verwendeten Materials. Der verwendete Beton hat eine Dichte im Bereich von 2,35 g/cm³. Wird Eisen mit seiner Dichte von etwa 7,8 g/cm³ verwendet, so müssen die Schneckengänge etwa ein Drittel des Raums der Durchführung ausfüllen. Entsprechend werden die Dicke der Schraubengänge sowie die Ganghöhe bzw. die Anzahl der Windungen in der Durchführung gewählt.

[0007] Derartige Eisen-Schrauben sind allerdings nicht geeignet, Neutronenstrahlung zu absorbieren. In heißen Zellen zur Behandlung abgebrannter Brennelemente tritt jedoch stets eine gemischte Strahlung aus Gamma- und Neutronenstrahlung auf. Die Neutronen sind dabei hochenergetisch. Damit die Neutronenstrahlung effektiv absorbiert werden kann, müssen die Neutronen zunächst abgebremst werden. Dieser Vorgang wird auch als Moderation oder Thermalisierung von heißen Neutronen bezeichnet. Besonders geeignet dafür ist Wasserstoff. Als sehr wasserstoffhaltiger Festkörper hat sich Polyethylen (PE) für die Neutronen-Moderation bewährt. Auch boriertes PE bzw. Graphit sind geeignet.

[0008] Da die Eisen-Schrauben Neutronen kaum absorbieren, wurden bisher am Ausgang von Lüftungs-Durchführungen größere Blöcke aus PE angebracht, die die Neutronen nach Verlassen der Durchführung thermalisieren und absorbieren.

[0009] Die PE-Blöcke beanspruchen viel zusätzlichen Raum. Ferner wiegen die Eisen-Schrauben bis zu 2 Tonnen. Entsprechend aufwendig sind ihre Herstellung, ihr Transport und ihre Montage.

[0010] Ähnliche Probleme ergeben sich allgemein bei der Abschirmung von Fluid-Durchführungen in Kernkraftwerken und sonstigen Bereichen, in denen hochenergetische elektromagnetische Strahlung, Kernstrahlung oder Korpuskularstrahlung auftritt. Gleiches gilt für Durchführungen von sonstigen Medien, wie beispielsweise Elektrokabeln.

[0011] Aufgabe der Erfindung ist es, die Abschirmvorrichtung der eingangs genannten Art hinsichtlich ihres Platzbedarfs sowie ihrer Herstellung und Montage zu verbessern.

[0012] Zur Lösung dieser Aufgabe ist die gattungsgemäße Vorrichtung gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von scheibenförmigen Abschirmelementen, die in der Fluid-Wanddurchführung räumlich derart angeordnet sind, daß sie die Strahlung auffangen, während die Wanddurchführung für das Fluid durchlässig bleibt; wobei jedes Abschirmelement mindestens ein für jedes Abschirmelement einzeln zu wählendes, die Strahlung absorbierendes Material aufweist und wobei Anzahl und Form der Abschirmelemente so gewählt sind, daß sich eine gewünschte Abschirmcharakteristik für die Strahlung in der Wanddurchführung ergibt.

[0013] Die erfindungsgemäße Abschirmvorrichtung ist modular aus einzelnen Abschirmelementen aufgebaut. Sie kann somit aus verschiedenen Einzelteilen gefertigt, in einfacher Weise transportiert und eingebaut und auch zu einem späteren Zeitpunkt ohne weiteres geändert werden.

[0014] Das Material der einzelnen Abschirmelemente kann nach den Erfordernissen der gewünschten Abschirmcharakteristik gewählt werden. Bei gemischter Strahlung, zu deren Abschirmung die Erfindung vor allen Dingen vorgesehen und bevorzugt geeignet ist, wird man einzelne Abschirmelemente jeweils aus Materialien formen, die einzelne Komponenten der Strahlung optimal absorbieren. Aus der gemeinsamen Anordnung der verschiedenen Abschirmelemente ergibt sich dann insgesamt die gewünschte Abschirmcharakteristik. Die einzelnen Abschirmelemente können selbst wiederum aus verschiedenen Materialien zusammengesetzt sein. Kombinationen beider Arten von Abschirmelementen sind gleichermaßen möglich. Es kann somit jede beliebige Zusammenstellung von zur Absorption geeigneten Materialien eingesetzt werden. Auf diese Weise können die Kosten für die Abschirmmaterialien und damit für die Abschirmvorrichtung optimiert werden.

[0015] Auch bereits bestehende Fluid-Durchführungen können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestattet werden. Ferner kann letztere bei einer Änderung der auftretenden Strahlung entsprechend angepaßt werden.

[0016] Eine Anordnung der einzelnen Abschirmelemente kann beispielsweise darin bestehen, daß die in Form von Paneelen ausgebildeten Abschirmelemente versetzt hintereinander angeordnet sind.

[0017] In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die scheibenförmigen Abschirmelemente als achsensenkrechte Schraubensegmente ausgebildet. Die Schraubensegmente weisen eine einheitliche Form auf und werden jeweils um einen vorgegebenen Winkel gegeneinander versetzt entlang ihrer Achse in der Wanddurchführung hintereinander angeordnet. Im Ergebnis ergibt sich dadurch eine schraubenförmige Abschirmvorrichtung.

[0018] Man erhält somit eine Abschirmvorrichtung, deren Form der der Eisen-Schrauben sehr nahe kommt. Durch die Verwendung von einzelnen Schraubensegmenten kann die Steigung der Abschirmschraube verändert werden. Somit können, auch bei sich ändernden Bedingungen, der Fluid-Durchsatz und die Abschirmwirkung optimal aufeinander abgestimmt werden. Die einheitlich ausgebildeten Schraubensegmente sind herstellungstechnisch besonderer günstig.

[0019] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

[0020] Im folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Figuren schematisch dargestellt sind. Im einzelnen zeigt:

Fig. 1

eine axiale Schnittansicht einer Wanddurchführung mit einer erfindungsgemäßen Abschirmvorrichtung;

Fig. 2

ein zweiblättriges Schraubensegment;

Fig. 3

ein dreiblättriges Schraubensegment;

Fig. 4

ein vierblättriges Schraubensegment.

[0021] Die folgenden Ausführungsbeispiele sind für Lüftungs-Wanddurchführungen von heißen Zellen geeignet.

[0022] Die abgebrannten Brennelemente in heißen Zellen emittieren eine gemischte Strahlung. Zum überwiegenden Teil emittieren sie Gammastrahlung. Hinzukommt ein geringerer Anteil an Neutronenstrahlung. Aufgrund der in den heißen Zellen befindlichen Maschinen sowie der Restwärme der abgebrannten Brennelemente müssen die heißen Zellen mit Hilfe von Lüftungs-Durchführungen und außen liegenden Ventilatoren gekühlt werden. Die Lüftungsdurchführungen sind in den etwa 150 cm dicken Stahlbetonwänden der heißen Zellen ausgebildet. Sie haben einen Durchmesser von 50 bis 75 cm und verlaufen gradlinig.

[0023] Für eine optimale Abschirmung muß eine ausreichende Menge an die Strahlung absorbierendem Material in den Lüftungs-Wanddurchführungen angeordnet sein. Andererseits sollte der Strömungswiderstand für die Luft möglichst gering sein, so daß eine Luftkühlung der heißen Zellen mit möglichst geringem Energieaufwand möglich ist.

[0024] Im folgenden wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Die in einer Wanddurchführung 1 angeordnete Abschirmvorrichtung hat insgesamt eine schraubenförmige Gestalt. Dies minimiert den Strömungswiderstand für die durchströmende Luft. Die Abschirmvorrichtung ist aus einzelne scheibenförmigen Abschirmelementen 2 und 3 aufgebaut, die also die Form von Schraubensegmenten aufweisen. Die Abschirmelemente 2 bestehen aus Eisen, um Gammastrahlung zu absorbieren, und die Abschirmelemente 3 aus Polyethylen (PE), um Neutronen zu thermalisieren und zu absorbieren.

[0025] Die einzelnen Abschirmelemente 2 und 3 sind auf einer zentralen Achse 4 der Wanddurchführung hintereinander angeordnet.

[0026] In den Fig. 2 bis 4 sind beispielhaft mögliche Formen der Schraubensegmente gezeigt. Die Form der Schraubensegmente ist keineswegs auf die gezeigten Beispiele gemäß den Fig. 2 bis 4 beschränkt. Vorteilhafterweise sollten die Schraubensegmente jedoch stets eine zentrale Nabe 5 aufweisen, damit sie zentrisch auf die Achse 4 gesteckt werden können.

[0027] Vor allem ist bei der Auswahl der Schraubensegmente auf eine ausreichende Abschirmwirkung zu achten. Muß etwa ein Drittel des Raums der Wanddurchführung 1 mit absorbierendem Material gefüllt sein, so müssen die Flächen der Blätter oder Flügel eines einzelnen Schraubensegments zusammengenommen etwa einen Flächeninhalt haben, der einem Drittel des Querschnitts der wanddurchführung 1 entspricht.

[0028] Werden die Abschirmelemente aus stärker absorbierendem Material gefertigt, so kann ihre Fläche entsprechend kleiner gewählt und somit der Strömungswiderstand für die Luft aufgrund des größeren freien Querschnitts verringert werden.

[0029] Es ist nämlich auch auf einen möglichst kleinen Strömungswiderstand für die durch die Durchführung strömende Luft zu achten. Dies führt dazu, daß die Anzahl der Windungen der Schnecke möglichst gering sein sollte.

[0030] Die Anzahl der Windungen, die die schraubenförmige Abschirmvorrichtung aufweisen sollte, ist jedoch dadurch nach unten begrenzt, daß auch ein unter einem sehr ungünstigen, schrägen Winkel durch die Wanddurchführung 1 laufendes Gammaquant oder Neutron zwingend eine hinreichende Abschirmung erfahren muß. Ferner muß die Abschirmcharakteristik über dem Querschnitt der Durchführung 1 gleichmäßig sein.

[0031] Daraus ergibt sich, daß bei Verwendung von zweiblättrigen Schraubensegmenten diese so angeordnet werden, daß die Abschirmvorrichtung insgesamt mindestens eine volle Windung vollzieht. Bei einem dreiblättrigen Schraubensegmenten gemäß Fig. 3 ergibt sich ebenfalls mindestens eine volle Windungen. Bei einem vierblättrigen Schraubensegment gemäß Fig. 4 ergibt sich mindestens eine Dreiviertelwindung.

[0032] Betrachtet man die hintereinander liegenden Abschirmelemente, so zeigt die schraubenförmige Abschirmvorrichtung den Anblick einer Wendeltreppe, d.h. die einzelnen Abschirmelemente mit ihren rechteckigen Kanten weisen an ihren winkelversetzten Übergängen jeweils eine Stufe auf. Um den Strömungswiderstand für Luft weiter zu verringern, können die Abschirmelemente an ihren Kanten abgeschrägt werden, so daß die Abschirmvorrichtung insgesamt eine glatte, stufenfreie Oberfläche hat. Dabei sollte allerdings die Masse der Schraube gleich bleiben, um die Abschirmwirkung nicht zu vermindern.

[0033] Aus montagetechnischen Gründen können die einzelnen Schraubensegmenten auf ihrer einen Seite mit einem Vorsprung und auf ihrer anderen Seite mit einer komplementären Ausnehmung versehen sein. Vorsprung und Ausnehmung sind dabei so angeordnet, daß sich beim Hintereinandersetzen der Schraubensegmente und Einführen der Vorsprünge in die Ausnehmungen benachbarter Schraubensegmente der vorgegebene Winkelversatz zwischen den einzelnen Schraubensegmenten ergibt. Eine spätere Änderung der Schraubensteigung ist dann allerdings schwieriger.

[0034] Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmöglichkeiten gegeben. So kann abweichend von den Figuren 2 bis 4 mit Schraubensegmenten gearbeitet werden, die einblättrig ausgebildet sind, also lediglich einen einzigen, von der zentralen Achse abstehenden Flügel aufweisen. Ferner besteht, abweichend von Figur 1, die Möglichkeit, einige oder alle Schneckensegmente aus einem Verbundmaterial herzustellen, bei dem sich Blech und PE-Schichten abwechseln. Nach den Ausführungsbeispielen sind die Schraubensegmente auf eine zentrale Achse aufgesteckt. Dies stellt ohne Frage die einfachste Möglichkeit dar und läßt eine problemlose Vorort-Montage zu. Möglich hingegen ist es durchaus, die einzelnen Schraubensegmente als Paket zu stapeln und an ihren Blättern miteinander zu verbinden. Die Verbindung kann zwischen benachbarten Schraubensegmenten erfolgen. Denkbar sind auch am Schraubenumfang angeordnete Stangen, auf die die Schraubensegmente aufgefädelt werden.

[0035] Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, die scheibenförmigen Abschirmelemente in Form von Paneelen über dem Querschnitt und über der Länge der Wanddurchführung zu verteilen. Diese Art der Anordnung eignet sich auch für nicht-geradlinige Wanddurchführungen. Allerdings bieten sich dann erhebliche montagetechnische Schwierigkeiten. Vorteilhafter ist es daher, mit geradlinigen Wanddurchführungen zu arbeiten und die Abschirmvorrichtung aus Schneckensegmenten aufzubauen. Dabei muß die geradlinige Wanddurchführung nicht in einem Stück vollständig durch die Wand hindurchgehen. Denkbar sind beispielsweise auch zwei von beiden Wandseiten ausgehende Röhren, die sich bis zur Wandmitte erstrecken und gegeneinander versetzt sind, wobei eine wandparallele Röhre die erforderliche Verbindung herstellt.

[0036] Die Montage der Abschirmvorrichtung kann, wie bei einer gegossenen Schnecke, im Werk erfolgen. Vorteilhafter ist es, die Vorrichtung vor Ort zu montieren, gegebenenfalls direkt innerhalb der Wanddurchführung.

Ansprüche

1. Vorrichtung zum Abschirmen einer Fluid-Wanddurchführung gegen hochenergetische elektromagnetische Strahlung, Kernstrahlung oder Korpuskularstrahlung,
   gekennzeichnet durch

eine Mehrzahl von scheibenförmigen Abschirmelementen (2,3), die in der Fluid-Wanddurchführung (1) räumlich derart angeordnet sind, daß sie die Strahlung auffangen, während die Wanddurchführung für das Fluid durchlässig bleibt;

wobei jedes Abschirmelement (2,3) mindestens ein für jedes Abschirmelement einzeln zu wählendes, die Strahlung absorbierendes Material aufweist und

wobei Anzahl und Form der Abschirmelemente so gewählt sind, daß sich eine gewünschte Abschirmcharakteristik für die Strahlung in der Wanddurchführung (1) ergibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Abschirmelemente Eisen, Borstahl oder Blei zum Absorbieren von Gamma-Strahlung sowie Polyethylen (PE), vorzugsweise boriertes PE, zum Abbremsen hochenergetischer Neutronen aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die scheibenförmigen Abschirmelemente (2,3) als achsensenkrechte Schraubensegmente ausgebildet sind; und

daß die Schraubensegmente zur Bildung einer Abschirmschraube jeweils um einen vorgegebenen Winkel gegeneinander versetzt entlang ihrer Achse in der Wanddurchführung (1) hintereinander angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubensegmente mehrblättrig ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten der Schraubensegmente in Schraubengangrichtung angeschrägt sind.

Zeichnung