DE2655403A1

DE2655403A1 - Einrichtung zur lagerung laenglicher kernbrennelemente

Info

Publication number: DE2655403A1
Application number: DE19762655403
Authority: DE
Inventors: Elman E Wade
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1976-01-28
Filing date: 1976-12-07
Publication date: 1977-08-04
Also published as: FR2339940B1; JPS5292090A; JPS5654596B2; GB1557889A; FR2339940A1; US4063999A

Description

r ATMMT AtCW Al₁T

ing. B. HOIiZBB

ηαιηηι -wwun - stbabm μ ATTGBBUBO

«aaioB «aul <

W. 832

Augsburg, den 1. Dezember 1976

Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh, Pennsylvania 15222,

V.St.A,

Einrichtung zur Lagerung länglicher Kernbrennelemente

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Lagerung länglicher Kernbrennelemente, die in Längsrichtung jeweils

709831 /0629

eine aktiven, Brennstoff enthaltenden Abschnitt und einen inaktiven, keinen Brennstoff enthaltenden Abschnitt aufweisen, wobei die Einrichtung eine Rahmenkonstruktion aufweist, die eine Vielzahl von länglichen Zellen zur Aufnahme der Brennelemente bildet.

Im Verlaufe des Reaktorbetriebs wird der Brennstoff erschöpft bzw, verbraucht und muß dann aus dem Reaktor herausgenommen werden. Die verbrauchten Brennelemente werden während der typischerweise etwa einmal jährlich stattfindenden Brennstofferneuerung aus dem Reaktorkern herausgenommen und durch neue Brennelemente ersetzt. Nach dem Herausnehmen aus dem Reaktorkern werden die verbrauchten Brennelemente bis zu ihrer weiteren Beseitigung in einer Lagerungseinrichtung gelagert, Zur Lagerung der verbrauchten Brennelemente dient typischerweise ein gesonderter Brennstofflagerbehälter, obwohl bei manchen Reaktoranlagen ein solcher Lagerbehälter sich auch innerhalb des Reaktordruekbehälters, jedoch außerhalb des Reaktorkerns befindet. Auf jeden Fall werden die verbrauchten Brennelemente so lange gelagert, bis sie entweder an eine Endlagerstelle gebracht werden oder der darin enthaltene Brennstoff wieder aufbereitet wird.

709831/0629

Auch nach dem Herausnehmen aus dem Reaktorkern erzeugen die verbrauchten Brennelemente noch weiterhin sowohl Wärme als auch Spaltprodukt, nämlich Gammastrahlen und Betastrahlen sowie einige Neutronen, Deshalb muß der verbrauchte Brennstoff während der Lagerung auch gekühlt werden und es muß natürlich verhindert werden, daß der verbrauchte Brennstoff kritisch werden kann.

Zu diesem Zweck werden neutronenabsorbierende Materialien wie beispielsweise Bor zwischen den Brennelementen angeordnet, um die vom Brennstoff erzeugten Neutronen zu absorbieren, die sonst eine Kettenreaktion auslösen könnten. Außerdem sind die Behälter, in welchen sich die verbrauchten Brennelemente befinden, im allgemeinen voneinander getrennt, um zu verhindern, daß Neutronen aus einem Brennelement mit dem Brennstoff anderer Brennelemente reagieren können. Diese beiden Methoden erfordern verhältnismäßig große Abstände zwischen benachbarten Brennelementen im Lagerbehälter,

Eines der Probleme der Lagerung verbrauchter Brennelemente ist die Zeitdauer, während welcher die verbrauchten Brennelemente gelagert werden müssen« Gegenwärtig wird noch kein Verfahren zur entgültigen Beseitigung des verbrauchten Brennstoffs praktiziert, weshalb der gesamte

- 3 709831/0629

verbrauchte Brennstoff, der aus dem Reaktorkern herausgenommen worden ist, auf unbestimmte Zeit gelagert werden muß. Eine Kernreaktoranlage muß daher eine beispielsweise vier oder fünf vollständigen Reaktorkernen entsprechende Brennstoffmenge speichern können. Die zeitweise Speicherung dieser großen Anzahl von Brennelementen in einer annehmbaren Lagereinrichtung erfordert einen großen finanziellen Aufwand,

Die Bereitstellung ausreichenden Lagerraumes innerhalb eines geeigneten Behälters für eine große Anzahl von Brennelementen bedingt ein großes Volumen des Lagerbehälters. Eine Möglichkeit zur Verringerung des radialen Platzbedarfs ist die Verwendung von mehreren Lagerebenen, wobei die Brennelemente übereinander gestapelt sind. Obwohl diese Stapelanordnung Platz spart, kann ein großer Teil des im Lagerbehälter vorhandenen Raumes zur Brennstoffspeicherung nicht ausgenützt werden, weil dieser Raum von denjenigen Teilen der Brennelementkästen eingenommen wird, die über die Enden des aktiven Brennstoffes hinausragen und in denen kein Brennstoff enthalten ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß der verfügbare Lagerraum ohne Anhäufung einer kritischen

709831/0629

Masse optimal ausgenützt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine solche Einrichtung gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen so angeordnet sind, daß die in den Zellen befindlichen Brennelemente im wesentlichen ohne Zwischenräume radial nebeneinander liegen, und daß Positionierungsvorriehtungen die Brennelemente derart axial in den Zellen positionieren daß von benachbarten Brennelementen jeweils der aktive Abschnitt des einen Brennelements und der inaktive Abschnitt des anderen Brennelements nebeneinander liegen.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen stellen dar:

Pig, 1 eine ausschnittweise schematisehe

Draufsicht auf eine Lagereinrichtung nach der Erfindung,

die Pig, 2 bis 5 verschiedene Abwandlungen der in

Pig, I gezeigten Einrichtung,

Pig. 6 einen Schnitt längs der

Linie VI-VI in Pig, I bzw. Fig, 3

709831/0629

Pig. 7

δ -	längs	2655403
bzw. Fig, 4,	in Pig
einen Schnitt		der
Linie VII-VII	. 2 bzw.
Fig. 5,

Fig, 8 eine Abwandlung der in Fig, 6

gezeigten Anordnung,

Fig. 9 eine Abwandlung der in Fig, 7

gezeigten Anordnung, und

Pig. IO einen Schnitt längs der Linie X-X

in Fig. 1 bzw, Fig. 3 bzw. Fig, 4,

Gemäß den Fig, 1, 6 und IO weist eine längliche Behälterkonstruktion 12 eine Vielzahl länglicher Zellen 14, 16, 18 und 20 auf. Die Behälterkonstruktion 12 ist typischerweise innerhalb eines nicht dargestellten Lagerbehälters angeordnet. Innerhalb der Zellen 14, 16, 18 und ist eine Vielzahl von länglichen Brennelementen 22 untergebracht. Die Brennelemente 22 bestehen in Längsrichtung jeweils aus mindestens zwei verschiedenen Abschnitten, von denen einer, nämlich der aktive Abschnitt 24, den Kernbrennstoff enthält. Der andere, nämlich der inaktive Ab-

709831/0629

2655A03

schnitt 26, enthält keinen Brennstoff,

Wie in den Zeichnungen gezeigt ist, erstreckt sich der inaktive Abschnitt 26 sowohl oberhalb als auch unterhalb des aktiven Abschnitts 24, Typischerweise liegen die aktiven Abschnitte 24 aller Brennelemente 22 innerhalb eines Reaktorkerns auf der gleichen Höhe längs der Brennelementenachsen, was jedoch keine Voraussetzung für die vorliegende Erfindung darstellt.

Zur Positionierung der Brennelemente 22 längs der Längsachsen der Zellen 14, 16, 18 und 20 dienen Positionierungsvorrichtungen 28, Diese Positionierungsvorrichtungen 28 positionieren die Brennelemente 22 derart, daß jeweils der aktive Abschnitt 24 eines Brennelements radial neben dem inaktiven Abschnitt 26 jedes der direkt radial benachbarten Brennelemente 22 liegt.

Wie insbesondere Pig, 1 zeigt, sind die einzelnen Zellen 14, 16, 18 und 20 derart nebeneinander angeordnet, daß sie zusammen eine Vielzahl von Gruppen von jeweils vier Zellen bilden. Zur Erzielung einer kompakten Anordnung sind die vier zylindrischen Zellen einer Gruppe in einer parallelogrammartigen Konfiguration angeordnet (die

709831/0629

Schnittlinie VI-VI durchquert eine solche Zellengruppe), Jede Zelle 14, 16, 18 und 20 einer Zellengruppe enthält ein Brennelement 22, das sich innerhalb der Zelle auf einer Höhenposition längs der Zellenlängsachse befindet, die sich von den Vertikalpositionen der Brennelemente in allen anderen Zellen der betreffenden Gruppe unterscheidet. Dies ist in Fig, I schematisch dargestellt, indem unterschiedliche Schraffuren zur Darstellung der auf verschiedenen Höhenpositionen befindlichen Brennelemente 22 innerhalb der Zellen verwendet sind. Beispielsweise kann das Brennelement 22 in der mit 18 bezeichneten Zelle vertikal niedriger als die Brennelemente in allen anderen Zellen der betreffenden Zellengruppe positioniert sein; die Zelle 14 kann das auf dem nächsthöheren Niveau befindliche Brennelement enthalten, das Brennelement in der Zelle 16 kann auf einer nochmals höheren Position angeordnet sein und die Zelle 20 enthält das in der höchsten Vertikalposition befindliche Brennelement,

Wie dargestellt, liegt der aktive Abschnitt 24 jedes Brennelements 22 einer Zellengruppe neben den inaktiven Abschnitten 26 aller anderen Brennelemente dieser Gruppe, Bei der dargestellten parallelogrammartigen Zellenkonfiguration bedingt dies die Anordnung der Brennelemente in vier verschiedenen Höhenpositionen_e Dazu können in den

709831/0629

einzelnen Zellen an vorgegebenen Stellen Positionierungsplatten 30 eingebaut werden. Alternativ zur Verwendung der Positionierungsplatten 30 zur Herstellung des Längsversatzes der Brennelemente können die einzelnen Zellen gemäß Fig. 7 in Zellenlängsrichtung mit Bezug zueinander versetzt sein, um den erforderlichen Versatz der Brennelemente zu erhalten.

Nunmehr wird auf Pig, 10 Bezug genommen, welche die Auswirkung der höhenmäßigen Staffelung der Brennelemente 22 im Hinblick auf die Ausbreitung einer Kettenreaktion verdeutlicht. Der Radialabstand 32 zwischen benachbarten aktiven Abschnitten 24 ist mindestens gleich einem Zellendurchmesser, Bei bekannten Anordnungen war diese Distanz gewöhnlich zwischen benachbarten Brennelementer? notwendig. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist also der gleiche Abstand zwischen aktiven Brennelementenabschnitten 24 der Brennelemente 22 wie bei den bekannten Anordnungen vorhanden, jedoch wird die Distanz 32 zur Unterbringung eines weiteren Brennelements 22 ausgenützt, dessen aktiver Abschnitt 24 sich jedoch auf einer anderen Höhe befindet. Polglich kann durch die höhenmäßige Staffelung der Brennelemente 22 innerhalb einer Zellengruppe die Anzahl der auf einer gegebenen Fläche unterzubringenden Brennelemente beträchtlich erhöht werden bzw, ist umgekehrt zur Lagerung

- 9 709831/0629

einer gegebenen Anzahl von Brennelementen ein erheblich geringerer Platzbedarf erfoderlich.

Die Fig. 3 und 4 zeigen Abwandlungen der Zellenkonstruktion 12 nach Pig, 1. In Fig. 4 sind die Zellen 14, l6, 18 und 20 im Querschnitt nicht kreisrund, sondern viereckig. Die Verwendung viereckiger Zellen ist wünschenswert, wenn auch die Brennelemente 22 anstatt eines Sechseck- oder ähnlichen Querschnitts einen Viereckquerschnitt haben. Bei der in Fig, 4 gezeigten Zellenkonfiguration weist eine Zellengruppe wiederum vier Zellen mit auf jeweils verschiedenen Höhenpositionen befindlichen Brennelementen auf, die wiederum parallelogrammartig angeordnet sind. In Fig, 3 sind ebenso wie in Fig, 4 rechteckige Zellen 14, 16, 18 und 20 vorgesehen, jedoch sind die vier Zellen einer Zellengruppe in einer Rechteckkonfiguration angeordnet. Diese Rechteckkonfiguration kann aus der Sicht der Herstellung wünschenswert sein. Bei beiden in den Fig, 3 und 4 gezeigten Abwandlungen entsprechen die Höhenpositionen der Brennelemente 22 in den Zellen 14, 16, 18 und 20 den Höhenpositionen der Anordnung nach Fig, 1 und der aktive Abschnitt 24 jedes Brennelementes innerhalb einer Zellengruppe liegt neben den inaktiven Abschnitten 26 aller übrigen Brennelemente dieser

- 10 -

709831/0629

Gruppe. Obwohl die Zellen eine rechteckige bzw, quadratische Querschnittsform haben, wird auch hier der Ausdruck "radial" zur Bezeichnung der Querrichtungen verwendet.

Die Pig, 2 und 5 zeigen weitere Abwandlungen der in Pig, I gezeigten Zellenkonstruktion 12. Gemäß Pig, 2 weist die Zellenkonstruktion 12 zylindrische Zellen 36, und 40 aufg Diese Zellen sind im Gegensatz zur Parallelogrammanordnung der Zellengruppen in Pig, 1 in dreieckförmigen Zellengruppen angeordnet. Bei dieser Anordnung sind die Brennelemente 22 in drei verschiedenen Höhenpositionen angeordnet. Wie oben beschrieben, liegt der aktive Abschnitt 24 eines Brennelements jeweils neben den inaktiven Abschnitten 26 der beiden benachbarten Brennelemente einer Zellengruppe, Diese dreieckförmige Zellengruppenkonfiguration kann zur Vereinfachung der Zellenkonstruktion und zur Verringerung der erfoderliehen Anazhl von Positionierungsvorrichtungen 28 wünschenswert sein.

Die -in Pig, 5 gezeigte Zellenkonstruktion 12 ist ähnlich ausgebildet wie die Anordnung nach Pig, 2, mit der Ausnahme, daß die einzelnen Zellen 36, 38 und 40 nicht zylindrisch, sondern rechteckig sind. Diese letztere Aus-

- 11 -

709831/062»

führungsform eignet sich wie bereits erwähnt, für rechteckige Brennelemente 22,

Die Fig, 8 und 9 zeigen eine Abwandlung der Anordnung nach den Fig. 6 und 7, gemäß welcher» um mehr Lagerraum im Lagerbehälter zu gewinnen, die Brennelemente 22 innerhalb der Zellen vertikal übereinander angeordnet sind. Dadurch entstehen beispielsweise zwei übereinanderliegende Schichten von gestaffelten Brennelementen 22. Gemäß der Darstellung ist nach Fig. 8 für die rechteckige oder parallelogrammartige Zellengruppenkonfiguration über jedem der vier auf verschiedenen Höhenpositionen befindlichen Brennelemente 22 ein weiteres Brennelement 42 zugeordnet, das sich auf einer weiteren Höhenposition befindet. Die Möglichkeit, eine weitere Brennelementenschicht hinzuzufügen, hängt von der Lage der aktiven Abschnitte 24 der Brennelemente 22 und 42 ab. Bei einer vier Zellen umfassenden Zellengruppe können die Brennelemente nur dann übereinander gestapelt werden, wenn die Beziehung

h-(a+b) > 3a - b

erfüllt ist, wobei h die vertikale Länge eines Brennelements ist. Die Maße a und b sind in Fig. 8 angedeutet,

- 12 -

709831/0629

Die angegebene Beziehung verlangt also, daß der inaktive Abschnitt 26 unter dem aktiven Abschnitt 24 länger als die Gesamtlänge (3a) dreier aktiver Abschnitte 24 innerhalb der Zelle minus der Länge b des oberhalb des aktiven Abschnittes 24 befindlichen inaktiven Abschnitts ist.

Für die dreieckförmige Zellenfiguration, auf welche sich Fig.- 9 bezieht, gilt die Beziehung

h - (a + b) ^ 2a - b

Diese Beziehung berücksichtigt die Tatsache, daß nur drei Zellen 36_S 38 und 40 eine Zellengruppe bilden und folglich braucht die Länge des unteren inaktiven Abschnitts 26 nur größer als die Gesamtlänge (2a) von zwei aktiven Abschnitten 24 minus der Länge b des oberhalb des aktiven Abschnitts befindlichen inaktiven Abschnitts zu sein.

Die Erfindung beinhaltet also eine kompakte Brennstofflagereinrichtung, bei welcher die erfoderlichen Abstände zwischen benachbarten Brennelementen zur Verhinderung der Anhäufung einer kritischen Masse eingehalten sind und bei welcher die Anzahl der innerhalb eines gegebenen

- 13 -

709831/0629

2655ΙΘ3

Volumens unterbringbaren Brennelementen beträchtlich vergrößert ist.

709331/0629 original inspected

Claims

Patentansprüche

I₈) Einrichtung zur Lagerung länglicher Kernbrennelemente, die in Längsrichtung jeweils einen aktiven, Brennstoff enthaltenden Abschnitt und einen inaktiven, keinen Brennstoff enthaltenden Abschnitt aufweisen, wobei die Einrichtung eine Rahmenkonstruktion aufweist, die eine Vielzahl von länglichen Zellen zur Aufnahme der Brennelemente bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen (IM, 16, 18, 2Oj 36, 38, 40) so angeordnet sind, daß die in den Zellen befindlichen Brennelemente (22) im wesentlichen ohne Zwischenräume radial nebeneinander liegen, und daß Positionierungsvorrichtungen (28, 30) die Brennelemente derart axial in den Zellen positionieren, daß von benachbarten Brennelementen jeweils der aktive Abschnitt (2¹O des einen Brennelements und der inaktive Abschnitt (26) des anderen Brennelements nebeneinander liegen,

2, Einrichtung nach Anspruch 1, wobei jeweils eine Anzahl einander benachbarter Zellen zusammen eine Zellengruppe bilden und die Einrichtung zur Lagerung von Brennelementen dient, bei welchen der aktive Abschnitt stets in der gleichen Zone längs der Brennelementenachse liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierungs-

- 15 709831/062 9 original inspected

vorrichtungen (28, 30) die Brennelemente (22) in jeder Zelle einer Zellengruppe in einer anderen Höhenposition längs der Zellenachse halten,

3, Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Zelle (14, 16, 18, 2Oj 36, 38, ¹IO) mehrere Brennelemente (22, 42) vertikal übereinander angeordnet sind,

4, Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierungsvorrichtungen Positionierungsplatten (30) sind, die an bestimmten Stellen der Zellenlängsachsen in den Zellen angeordnet sind.

- 16 709831/062»