Vorrichtung zum Lagern radioaktiver Substanzen mit einer Mehrzahl von einen Korrosionsschutzmantel aufweisenden gleichen Innenbehältern und einem die Behälter in einem Paket zusammenhaltenden Mantel und Verfahren zum Aufbau des Behälters

Abstract

 In einer Vorrichtung zur Lagerung radioaktiver Substanzen sind mehrere einen Korrosionsschutzmantel aufweisende, gleiche Innenbehälter (Modulen) (1) zur Aufnahme der radioaktiven Substanzen, insbesondere mehrerer bestrahlter Brennstäbe, in im wesentlichen dichter Packung zu einem Behälterpaket zusammengestellt. Ein mantel (9) hält die Behälter im Paket zusammen und umgibt das Paket.
Zur Vereinfachung des Aufbaus des Mantels unter gleichzeitiger Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Lagervorrichtung ist der Mantel ein einstückiger Matrixbehälter (9) mit einer Aufnahmebohrung für jeden Innenbehälter (1). Der Matrixbehälter kann ein vorgefertigtes Bauteil sein, dessen Aufnahmebohrungen (8) jeweils durch einen Endstopfen verschlossen sind, oder ein die Außenwandungen der Innenbehälter (1) direkt und allseitig umschließend aus einer Gieß-, Schmelz- oder Sintermasse entstandener Behälter (Gußbehälter) sein.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lagerung radioaktiver Substanzen mit einer Mehrzahl einen Korrosionsschutzmantel aufweisenden, gleichen Innenbehältern (Modulen) zur Aufnahme der radioaktiven Substanzen, insbesondere mehrerer bestrahlter Brennstäbe, welche Innenbehälter in im wesentlichen in dichter Packung zu einem Behälterpaket zusammengestellt sind, und mit einem die Behälter im Paket zusammenhaltenden und das Paket umgebenden Mantel.

[0002] Eine solche Anordnung ist mit der Patentanmeldung _P 3₀ o5 466 vorgeschlagen worden. Der Mantel ist dort aus einzelnen zur Erstreckungsrichtung der Innenbehälter parallelen Bausteinen zusammengesetzt, die gegeneinander beweglich angeordnet sind oder kraft- und/oder formschlüssig miteinander vereinigt sind, z.B. durch Verkleben oder durch Nut- und Federeingriff. Der Querschnitt der einzelnen Bausteine ist im Vergleich zum Behälterquerschnitt sehr klein.

[0003] Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art zu schaffen, bei der der Mantel einen einfacheren Aufbau unter gleichzeitiger Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Vorrichtung aufweist.

[0004] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Mantel ein einstückiger Matrixbehälter mit einer Aufnahmebohrung für jeden Innenbehälter ist.

[0005] Beim Aufbau des Mantels als einstückiger Matrixbehälter entfällt der komplizierte Aufbau des Mantels aus einzelnen Bauelementen. Durch geeignete Wahl des Werkstoffes für den einstückigen Matrixbehälter ist es möglich, daß unerwünschte Wärmespannungen nicht zum Tragen kommen und andererseits eine ausreichende Wärmeableitung von den einzelnen Innenbehältern nach außen gegeben ist. Wegen der Einstückigkeit des Matrixbehälters ist insbesondere bei Einsatz der Anordnung als Endlagervorrichtung eine gefährliche Beaufschlagung des einzelnen Innenbehälters durch Gebirgsbewegungen ausgeschlossen.

[0006] Obwohl der Korrosionsschutzmantel der Innenbehälter die Innenbehälter an sich schon endlagerfähig macht, wird durch den einstückigen Mantel nicht nur die mechanische Festigkeit und Handhabbarkeit des Innenbehälterpakets erhöht, sondern zugleich die Korrosionsresistenz für die Endlagerung verbessert. Für die Korrosionsschutzmäntel können eingesetzt werden: Kohlenstoff, auch in Graphitform, Glaskohlenstoff, Kohlenstoffverbindungen, wie SiC, Oxidkeramiken, wie A1₂0₃, Verbindungen aus Al₂O₃, SiO₂" MgO, wie z.B. Cordierit 2 Mg0 2 Al₂O₃ 5 SiO₂ oder Mullit 2 Al203 3 SiO₂. 3 SiO₂.

[0007] Diese Werkstoffe eignen sich insbesondere für die Endlagerung von radioaktiven Substanzen in Salzstöcken; bei anderen Endlagergegebenheiten, wie z.B. in Granithohlräumen, können die Werkstoffe andere sein und entsprechend angepaßt werden.

[0008] Für den Matrixbehälter kann durch geeignete Werkstoffauswahl nicht nur die Festigkeit und die Wärmeableitung gesteuert werden, sondern auch die Neutronen- und Gammaabschirmung.

[0009] Vorzugsweise ist der Matrixbehälter ein vorgefertigtes Bauteil, dessen Aufnahmebohrungen jeweils durch einen Verschlußstopfen verschlossen sind. Der vorgefertigte Behälter kann ein monolithischer Block sein oder aus mehreren mit Bohrungen versehenen Scheiben aufgebaut sein, die zu einem einstückigen Matrixkörper verbunden sind, z.B. verklebt.

[0010] Als Material für die Matrixbehälter wird bevorzugt: Kohlenstoff, auch in Graphitform, Oxidkeramik, Glas, Zement, Bitumen, Beton. Eine gasdichte Abdichtung der Verschlußstopfen gegenüber dem Matrixbehälter kann beispielsweise gemäß der DE-Patentanmeldung P 31 07 611: "Verfahren zum gasdichten Verschließen keramischer Behälter für die Lagerung radioaktiver Substanzen" erzielt werden.

[0011] Die Spalte zwischen der Innenwandung einer Aufnahmebohrungen und der Außenwandung des jeweils in die Aufnahmebohrung eingebrachten Innenbehälters ist zweckmäßigerweise durch ein Schließmittel geschlossen.

[0012] Je nach Werkstoff von Matrixbehälter und Modul sind die Spalten vergossen, z.B. mit Glas, Metall.

[0013] Es ist aber auch möglich, daß die Spalte mit einem partikelförmigen Material verfüllt sind, vorzugsweise durch Verblasen und/oder Einrütteln. Als Materialien kommen z.B. Kohlenstoff, auch in Graphitform, Kohlenstoffverbindungen, Oxidkeramik in Frage und die Partikelgröße kann bis herab zu feinteiligem Pulver gehen. Die Partikelgröße muß ein für die Wärmeabfuhr sicheres Füllen der Spalte gewährleisten.

[0014] Es ist aber auch möglich, auf die Innenwandung der Bohrung des Matrixbehälters und die Außenwand des Innenbehälters jeweils eine Beschichtung, vorzugsweise Glasbeschichtung aufzutragen, danach beide Wandungen auf Paßmaße einzuschleifen und nach Einsetzen der Innenbehälter in die Aufnahmebohrungen die Anordnung so aufzuheizen, daß die beiden aufgetragenen Beschichtungen erschmelzen und sich innig verbinden. Hierbei ist von großem Vorteil, daß die Beschichtungen sowohl beim Modul als auch bei den Bohrungen des Matrixbehälters vor Einsetzen der mit radioaktiver Substanz zu füllenden Innenbehälter erfolgen kann, d.h. außerhalb Heißer Zellen durchgeführt werden.kann. Sofern der einzelne Innenbehälter und/oder der Matrixbehälter aus Werkstoffen, wie z.B. Glaskohlenstoffen, bestehen, die durch die zum Einsatz kommenden Beschichtungen, insbesondere die Glasschmelzen, schlecht oder nicht benetzbar sind, sollte ein Verblasen des konzentrischen Spaltes mit einem Verschlußpulver, insbesondere Kohlenstoff, auch in Graphitform, erfolgen.

[0015] Wenn die Spalte zwischen dem Endstopfen und dem Matrixbehälter nicht durch Verguß oder Erschmelzen von zuvor aufgebrachten Beschichtungen geschlossen werden können, wie es die oben genannte Patentanmeldung P 31 07 611 beschreibt, insbesondere weil der Matrixbehälter und/ oder der Endstopfen, der ebenfalls vorzugsweise aus den für den Matrixbehälter bevorzugten Werkstoffen hergestellt ist, nicht durch die verwendeten Schmelzen benetzbar ist, so empfiehlt es sich, die Endstopfen des Matrixbehälters auf Paßmaße einzuschleifen und eventuell mit zusätzlichen Dichtungen und mechanischen Sicherungen zu versehen.

[0016] Es wird nicht verkannt, daß aus der DE-OS 29 42 o92 ein Behälter bekannt ist, der einen einzigen als Wabenkörper ausgebildeten Innenbehälter aufweist, der von einem dikken als Korrosionsschutzbehälter ausgebildeten Graphitmantel umgeben ist, der seinerseits von einem metallischen Außenbehälter umgeben ist. Dort ist jede Wabe aber allein auf die Aufnahme eines einzelnen, ungeschützten Brennstabes ausgelegt, so daß der gesamte Korrosionsschutz außerhalb des Wabenkörpers liegt,)während bei der vorliegenden Erfindung bereits der im wesentlichen für die Endlagerung ausreichende Korrosionsschutz Bestandteil des einzelnen Innenbehälters ist. Im übrigen ist über die Ausbildung und Herstellung des Wabenkörpers nichts ausgesagt, was insbesondere für die dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu berücksichtigen ist.

[0017] Nach dieser Ausführungsform ist der Matrixbehälter ein die Außenwandungen der Innenbehälter direkt und allseitig umschließender aus einer Gieß-, Schmelz- oder Sintermasse entstandener Behälter. Hierfür wird die Kurzbezeichnung "Gußbehälter" gewählt.

[0018] Zur Herstellung dieses Gußbehälters werden die Innenbehälter durch geeignete Abstandshalter als Paket im Zentrum einer einen Boden aufweisenden Gußform eingesetzt. Sie werden durch geeignete Abstandshalter gegenüber der Gußform und untereinander berührungslos oder einander berührend positioniert. Die verbleibenden Hohlräume werden ausgegossen und oberhalb der Innenbehälter wird eine ausreichende Schicht des Vergußmaterials eingebracht. Es ist möglich, daß die Gußform nach Erstarren der Gußmasse als metallische Behälterhaut verbleibt, die dann mit einem Deckel gasdicht verschweißt wird.

[0019] Als Vergußmasse eignen sich insbesondere niedrig schmelzendes Glas, Glaskeramiken, Zement oder Bitumen. Neben solchen homogenen Vergußmassen können aber auch inhomogene Vergußmassen, wie Beton, eingesetzt werden.

[0020] Weiterhin ist es möglich, zur Verbesserung der Leitfähigkeit des Matrixbehälters als Vergußmasse ein Gemenge aus gut wärmeleitfähigem Werkstoff und Glas, Keramik, Zement oder Beton einzusetzen. Hierzu eignen sich insbesondere Kombinationen aus Glas und Metallen, wie z.B. Blei, oder SiC und Glas. Dabei wird entweder eine lose Schüttung, z.B. aus Glaskugeln, in einer Gußform mit Blei vergossen oder es werden mit einer Glasbeschichtung versehene vorgefertigte Kugeln aus SiC in der Glasbeschichtung erschmolzen, so daß nach dem Erkalten ein einstückiger Matrixbehälter, bestehend aus einem miteinander verbundenen Gerüst der vorgefertigten Kugeln, vorhanden ist. Es ist auch möglich, bei der Herstellung des vorgefertigten einstückigen Matrixbehälters anstelle der im wesentlichen homogenen Materialien Kohlenstoff, Oxidkeramik oder Glas auch Gemenge zu verwenden, wenn dies erforderlich sein sollte. Bei hinreichender Feinheit der Gemengebestandteile können auch Gemenge zum Schließen der Spalte verwendet werden.

[0021] Die Erfindung richtet sich auch auf Verfahren zum Aufbau der Vorrichtung gemäß Anspruch 1.

[0022] Das eine Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Innenbehälter in die Aufnahmebohrungen eines vorgefertigten Matrixbehälters eingebracht und danach die Öffnungen der Aufnahmebohrungen durch Endstopfen verschlossen werden.

[0023] Bei diesem Verfahren werden darüber hinaus vorzugsweise die Spalte zwischen den Innenwandungen der Aufnahmebohrungen und den Außenwandungen der Innenbehälter vor Schließen der Öffnungen aufgefüllt.

[0024] Bei einem anderen Verfahren werden die Innenbehälter zunächst in einer Gußform gegeneinander und gegenüber der Gußform positioniert und danach mit einer Vergußmasse allseitig umgossen. Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert werden.

Figur 1

[0025] zeigt eine als Teilschnitt dargestellte Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figur 2

[0026] eine Explosionsdarstellung des Einbringvorganges der Innenbehälter in den Matrixbehälter,

Figur 3

[0027] eine als Teilschnitt dargestellte perspektivische Darstellung eines nicht durch einen Deckel verschlossenen Behälters, wobei der Matrixbehälter ebenfalls vorgefertigt ist, und

Figur 4

[0028] einen'noch nicht fertig um ein Paket von Innenbehältern herum gegossenen Matrixbehälter.

[0029] In der Figur 1 ist auch ein Innenbehälter 1 als Teilschnitt dargestellt, obwohl der Innenaufbau nicht zur vorliegenden Erfindung mit Ausnahme der Tatsache gehört, daß mehrere Brennstäbe 2 im Inneren des Innenbehälters 1 angeordnet sind und daß der Innenbehälter einen Korrosionsschutzmantel 3 besitzt. In der Figur 1 sind nicht die Brennstäbe selbst dargestellt, sondern jeweils Umschließungsrohre, in die die einzelnen Brennstäbe gemäß Patentanmeldung P 3₀ 41 22o eingebracht sind. Weiterhin sind die Brennstäbe 2 nicht direkt in dem Korrosionsschutzmantel 3 gelagert, sondern noch zuvor in einen metallischen Behälter 4 eingebracht, der mittels einer Reibschlußanordnung 5 gemäß Patentanmeldung P 3₀ 48 38o in dem Korrosionsschutzmantel 3 gehalten ist. Wichtig für die vorliegende Anmeldung ist aber der durch einen gegebenenfalls durch eine Vergußmasse 6 geschützten Deckel 7 am oberen Ende geschlossene Korrosionsschutzmantel 3, der am unteren Ende entweder mit einem einstückigen Boden versehen sein kann oder mit einem weiteren Deckel verschlossen ist.

[0030] Der verschlossene Korrosionsschutzmantel 3 soll die verpackten und in größerer Menge vorhandenen radioaktiven Substanzen, insbesondere mehrere Brennstäbe, gegenüber aggressiven Medien schützen, sowie im Falle der Endlagerung dieser Materialien in geologischen Formationen bereits für die Aufnahme des Bergdruckes ausreichen. Ferner müssen die verwendeten Werkstoffe sowie die eingesetzten Geometrien die Abfuhr der Zerfallwärme der verpackten radioaktiven Substanzen so gewährleisten, daß die Temperatur in dem Innenbehälter 1 so niedrig gehalten wird, daß die radioaktiven Substanzen und die Verpackung selbst in ihren chemischen und mechanischen Eigenschaften nicht verändert werden.

[0031] Die Innenbehälter 1 sind in vorbereitete Aufnahmebohrungen 8 eines vorgefertigten einstückigen Matrixbehälters 9 eingebracht. Die Aufnahmebohrungen müssen nicht notwendig kreiszylindrische Ausbildung besitzen, wobei jedoch ein kreiszylindrischer Querschnitt bevorzugt.wird.

[0032] Zwischen der Außenwandung der Innenbehälter und der Innenwandung der Aufnahmebohrungen sind bei der in der Figur 1 gezeigten Ausführungsform der Vorrichtung Abstandshalter lo vorgesehen, die den Innenbehälter in gleichmäßigem Abstand von dem Matrixbehälter halten. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Aufnahmebohrungen an ihrem unteren Ende geschlossen und besitzen an ihrem oberen Ende eine abgestufte Einbringöffnung 11. Wie insbesondere in Zusammenschau mit den Figuren 2 und 3 ersichtlich ist, wird nach Einbringen des Innenbehälters 1 in die für ihn vorgesehene Aufnahmebohrung der verbleibende Spalt mit einer Vergußmasse VM aufgefüllt, für die vorzugsweise das für den Matrixbehälter verwendete Material verwendet wird. Durch das Auffüllen wird der Innenbehälter 1 im Matrixbehälter 9 verankert und gleichzeitig wird für eine ausreichende Wärmeableitung gesorgt. Die einzelne Aufnahmebohrung wird dann mit einem in seiner Abstufung an die Einführöffnung 11 angepaßten Endstopfen 12 verschlossen, wobei vorzugsweise der Spalt zwischen Matrixbehälter und Endstopfen ebenfalls in der bereits angegebenen Weise gasdicht verschlossen wird.

[0033] Der Matrixbehälter 9 kann selbst mit Handhabungsmitteln versehen sein. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 1 ist der Matrixbehälter selbst aber in einen Metallbehälter 13, bestehend aus einem Boden 14, einem Mantel 15 und einem Deckel 16, eingebracht. Nach Auffüllen aller Aufnahmebohrungen 8 wird der Mantel mit dem Deckel 16 verschweißt, der seinerseits Manipuliereinrichtungen 17 trägt. Aus den Figuren 1 und 3 ist ersichtlich, daß vorzugsweise zwischen dem oberen Ende des Innenbehälters 1 und dem zugeordneten Endstopfen eine ausreichende Schichtdicke an Vergußmasse verbleibt.

[0034] Anhand der Figur 4 soll nun eine weitere Ausführungsform erläutert werden. In einer Gußform, bestehend aus einem metallischen Boden 18 und einem mit dem Boden verbundenen metallischen Mantel 19, werden die Innenbehälter mit Abstandshaltern 2o untereinander und gegenüber der Gußform positioniert. Danach wird in die Gußform Vergußmasse eingegossen, bis die Behälter allseitig, d.h. auch am oberen Ende, mit ausreichender Materialdicke umgeben sind.

[0035] Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Gußform Bestandteil der Vorrichtung. Zu diesem Zwecke wird in vergleichbarer Weise wie bei den Ausführungsformen gemäß Figuren 1-3 auf den Mantel 19 ein Deckel mit Handhabungseinrichtungen aufgeschweißt.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Lagerung radioaktiver Substanzen mit einer Mehrzahl einen Korrosionsschutzmantel auf-. weisenden, gleichen Innenbehältern (Modulen) zur Aufnahme der radioaktiven Substanzen, insbesondere mehrerer bestrahlter Brennstäbe, welche Innenbehälter in im wesentlichen dichter Packung zu einem Behälterpaket zusammengestellt sind, und mit einem die Behälter im Paket zusammenhaltenden und das Paket umgebenden Mantel,
dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel ein einstückiger Matrixbehälter (9; 21) mit einer Aufnahmebohrung (8) für jeden Innenbehälter (1) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der-Matrixbehälter ein vorgefertigtes Bauteil ist, dessen Aufnahmebohrungen (8) nach Einführen eines Innenbehälters (1) durch einen Endstopfen (12) verschlossen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt zwischen der Innenwandung einer Aufnahmebohrung und der Außenwandung des jeweils in die Aufnahmebohrungen eingebrachten Innenbehälters (1) durch ein Schließmittel (VM) geschlossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte mit einer Vergußmasse vergossen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Spalten mit einem partikelförmigen Material verfüllt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandungen der Aufnahmeöffnungen (8) und die Außenwandungen der Innenbehälter (1) durch Erschmelzen zuvor aufgetragener Beschichtungen, vorzugsweise benetzender Glasschmelzen, miteinander verbunden sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-6,
dadurch gekennzeichnet, daß in den einzelnen Aufnahmebohrungen (8) Abstandshalter (lo) zur Beabstandung der Außenwandung des Innenbehälters von der Innenwandung der Aufnahmebohrung vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-7,
dadurch gekennzeichnet, daß der Matrixbehälter aus Oxidkeramik, Glas oder Kohlenstoff besteht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-8,
dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt zwischen einem Endstopfen (12) und der zugeordneten Aufnahmebohrung (8) verschlossen sind, vorzugsweise durch Verguß oder erschmolzene Schichten.

lo. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Matrixbehälter ein die Außenwandungen der Innenbehälter (1) direkt und allseitig umschließender aus einer Gieß-, Schmelz-oder Sintermasse entstandener Behälter (Gußbehälter) ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch lo,
.dadurch gekennzeichnet, daß der Gußbehälter (21) eine homogene Struktur aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß der Gußbehälter eine inhomogene Struktur aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-12,
dadurch gekennzeichnet, daß der Matrixbehälter (9; 21) von einer äußeren Behälterhaut aus Metall, beste hend aus Boden, Mantel und Deckel, umgeben ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-13,
dadurch gekennzeichnet, daß der Matrixbehälter (9; 21) die Aufnahmebohrungen (8) und die Innenbehälter (1) einen zylindrischen Querschnitt aufweisen.

15. Verfahren zum Aufbau der Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenbehälter in die Aufnahmebohrungen eines vorgefertigten Matrixbehälters eingebracht und danach die Öffnungen der Aufnahmebohrungen durch Endstopfen verschlossen werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte zwischen den Innenwandungen der Aufnahmebohrungen und den Außenwandungen der Innenbehälter vor Schließen der Öffnungen aufgefüllt werden.

17. Verfahren zum Aufbau der Vorrichtung nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenbehälter zunächst in einer Gußform gegeneinander und gegenüber der Gußform positioniert und danach mit einer Vergußmasse allseitig umgossen werden.

Zeichnung