DE3101540C2 - Vorrichtung zur Lagerung wärmefreisetzender Radionuklidkonfigurationen - Google Patents

Abstract

Zur Lagerung wärmefreisetzender Radionuklidkonfigurationen, insbesondere abgebrannter Brennelemente, bei freier Kühlung mit Umgebungsluft, werden Vorrichtungen benötigt, die im allgemeinen aus einem Gehäuse bestehen, versehen mit Beschickungsgang, Zu- und Abluftkanälen und geschlossenen Lagerzellen, die Lagergestelle mit waagrecht oder schräg angeordneten Lagerschächten zur Aufnahme der Radionuklidkonfigurationen, enthalten. Diese Vorrichtungen sollen eine sichere Wärmeabfuhr gewährleisten, bei möglichst optimaler Kühlluftführung und die Umgebungsluft gegen Direkteinstrahlung schützen. Dazu werden die Decken der Lagerzellen als Wärmetauscher ausgebildet und innerhalb der Lagerzellen an den Lagerschachtöffnungen an funktionell und getrennte Auftriebs- und Abtriebskamine angeordnet.

Description

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Beschreibung

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Lagerung wärmefreisetzender Radionuklidkonfigurationen mit einem Gebäude mit darin befindlichen, mit Decken versehenen geschlossenen Lagerzellen, die ein- oder beidseitig eines Beschickungsganges angeordnet sind, die Lagergestelle mit waagerecht oder schräg angeordneten Lagerschächten als Lagerpositionen für die Radionuklidkonfigurationen enthalten und in denen die Radionuklidkonfigurationen durch einen aufgrund natürlicher Konvektion innerhalb der Lagerzellen gebildeten inneren Kühlluftumlauf gekühlt werden, indem die Kühlluft entlang der Radionuklidkonfigurationen strömt, an Wärmetauschern abkühlt und in einem Abtriebskamin zwischen den Wänden der Lagerzellen and den Lagergestellen zu den Einlaßöffnungen der Lagerschächte zurückströmt, und mit einem äußeren Kühlluftumlauf zur Abkühlung der Wärmetauscher. Eine derartige Vorrichtung ist aus der Zeitschrift »Atom und Strom«, Jahrgang 26 (1980), Heft 4. Seiten 97 bis 106 bekannt.

Radioaktive Stoffe und Radionuklidkonfigurationen, wie z. B. abgebrannte Kcrnbrennelemente oder verglaster hochradioaktiver Abfall, erzeugen beim Zerfall Wärme, so daß bei ihrer Lagerung eine ständige Kühlung erforderlich ist. Dies setzt voraus, daß das stete Vorhandensein eines Kühlmcdiums sichergestellt ist und daß keine unzulässigen Aktivitätsmengen mildem Kühlmedium abgeleitet werden. Diese Forderungen werden beispielsweise durch ein mit Umgebungsluft direkt oder indirekt gekühltes Lager erfüllt.

Für die trockene Zwischenlagerung von wärmefreisetzenden Radionuklidkonfigurationen sind verschiedene Konzeptionen bekannt.

So ist aus der DE-OS 27 30 729 bekannt, die Behälter mit dem radioaktiven Abfall in senkrechten, axial von unten nach oben mit Luft durchströmten Schächten, einzeln oder mehrfach übereinander gestapelt, zu lagern. In der DE-OS 29 06 629 erfolgt die Lagerung in horizontalen, von außen in vertikaler Richtung querangeströmten Schächten, wobei die Behälter einzeln oder mehrfach hintereinander angeordnet sind. In beiden Fällen kann sowohl mit direktem, als auch mit indirektem Kühlsystem gearbeitet werden.

Die DK-OS 28 37 839 beschreibt die Lagerung von Behältern in horizontalen l.agcrblöckcn mit seitlich angeordneten, in vertikaler Richtung qucrangesirömlcn Kühlkörpern. Auch die Lagerung in vertikalen Lagerbehältern mit stirnseitigem Abschirmdcckel, der gleichzeitig als Kühlkörper dient, ist bekannt (Nuclear Technology, Vol. 24, Dez. 1974).

Der Hauptnachteil der in DE-OS 27 30 729 beschriebenen Lagerung besteht in der Kühlung mit seitlich angeordneten Wärmetauschern (Wände) und der dazu erforderlichen Strömungsführung. Die dort aus den vertikal angeordneten Schächten mit maximaler Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit austretende Zellenluft prallt auf die ebene Decke und wird dann horizontal zu den seitlichen Wärmetauschern geführt. Durch eine Prallströmung auf die ebene Decke wird Strömungsenergie vernichtet. Desweiteren wird die horizontale Strömung zu den Wärmetauschern durch das äußere Kraftfeld (Gravitation) nicht begünstigt, da die erwärmte Luft bestrebt ist, nach oben aufzusteigen.

Ein weiterer Nachteil des in der DE-OS 27 30 aneeführten Konzeptes besteht darin, daß eine eindeutige Zuordnung der aus dem Lagergestellbereich abzuführenden Wärme zu einem der beiden Wärmetauscher nicht möglich ist.

Der Haupinachteil der in der DE-OS 28 37 839 und in »Nuclear Technology« beschriebenen Vorrichtung besteht darin, daß für den Wärmefluß aus den Lagerbehältern an den Kühlkörper steile Temperaturgradienten erforderlich sind, die zu thermischen Belastungen des Lagergutes führen können. Besonders nachteilig bei der to Lagerkonzeption nach der DE-OS 28 37 839 ist, daß der Kühlkörper aus einem massiven, gut wärmeleitenden Stoff besteht, in der Regel aus Metall, wodurch sich sehr hohen Kosten ergeben. Außerdem müssen durch das große Gewicht der Lagerblöcke mit Kühlkörper besondere bautechnische Anforderungen an die Lagergestelle gerichtet werden.

Bei der in der DE-OS 29 06 629 beschriebenen Vorrichtung ist auch der Umstand nachteilig, daß die Umgebungsluft dem Strahlenfeld der radioaktiven Stoffe ohnc größere Abschirmungsmaßnahmen ausgesetzt ist

Bei der gattungsgemäßen Vorrichtung sind die Brennelemente in Stahlbüchsen horizontal übereinander in Lagergesteüen gelagert und werden durch vorbeiströmende Luft in Naturkonvektion gekühlt. Die Wärmeabfuhr ei folgt mittels Wärmerohren durch die Gebäudeaußenwand zu einem zweiten Kühlkreislauf. Hierbei erfolgt die Wärmeabfuhr aber seitlich über die Gebäudewand, so daß keine optimale Strömungsführung und Wärmeabfuhr gegeben ist. Außerdem gibt es keine praktischen Erfahrungen über das Verhalten von Wärmerohren im Strahlenfeld.

Bei allen bisher bekannten Vorrichtungen zur Zwischenlagerung wärmerzeugender Radionuklidkonfigurationen mit indirekter Kühlung infolge freier Konvektionsströmung haben sich also wesentliche Nachteile vor allem hinsichtlich einer optimalen Strömungsführung und damit auch einer optimalen Wärmeabfuhr ergeben.

Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 zu schaffen, mit der eine optimale und sichere Wärmeabfuhr gewährleistet sein sollte.

Diese Aufgabe wurde durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch die Maßnahmen der Unteransprüche.

Dabei kann es vorteilhaft sein, für jedes Lagergestell jeweils einen separaten Auftriebs- und Abtriebskamin anzuordnen, oder den Beschickungsgang als gemeinsamen Auftriebs- oder Abtriebskamin für zwei Lagergestelle auszugestalten.

Weiterhin ist es vorteilhaft, die Lagerzellcndecke in Richtung des Abtriebskamines zu neigen, wobei sich Winkel von <15° als günstig erwiesen haben. Durch die Anordnung eines separaten Auftriebkamins, über den die erwärmte Luft der als Wärmetauscher gestalteten Decke der Lagerzelle zugeführt wird, und eines separaten Abtriebkamins wird eine eindeutige Funktionstrennung von Auftriebskamin für das erwärmte Kühlmittel und Abtriebskamin für das an der Decke abgekühlte Kühlmittel erzielt. Sowohl Auftriebskamin als auch Abtriebskamin sind in Richtung des Erdschwerefeldes, d. h. senkrecht ausgerichtet, was besonders günstig im Hinblick auf die Größe der Druck-Verluste ist und was damit das Temperaturniveau im Lager günstig beeinflußt.

Den Wärmetauscher dort anzuordnen, wo die höchste Lufttemperatur innerhalb des Kühlkreislaufes auf-

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tritt nämlich oberhalb der Lagergestelle, erweist sich aus thermodynamischer Sicht als besonders günstig, da dadurch der thermodynamische Wirkungsgrad des Wärmetauschers am größten ist

Um die Umgebungsluft beim Durchströmen des Wärmelauschers (Decke) vor dem Einwirken von Direkt-, strahlung seitens des Lagergutes noch besser zu schützen, können vorteilhafterweise Einbauten unterhalb und seitlich der Decke zur Abschirmung der Strahlung angeordnet werden. Auftriebs- und Abtriebskamin sind dabei konstruktiv so gestaltet, daß Streustrahlungseffekte vermieden werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen A b b. I bis VI näher erläutert.

Die Vorrichtung besteht aus einer oder mehreren Lagerzellen (15), normalerweise getrennt durch Beschikkungsgänge (10), die in einem Gebäude untergebracht sind. In diesen Lagerzellen (15) befinden süh Lagergestelle (9) mit Lagerschächten (2). Mit Lagergut gefüllte Lagerbehälter (1) werden in die leicht geneigten Lagerschächte (2) eingebracht und gegebenenfalls durch diese kontinuierlich hindurchgeschoben. Zur Zentrierung der Lagerbehälter (1) im Lagerschacht (2) dienen normalerweise Abstandshalter (12), die gleichzeitig als Berippung der Behälteroberfläche wirken können. Lagerbehälter

(1) und Lagerschächte (2) bilden dabei einen freien Strömungsraum (17) aus, der von der Kühlluft in axialer Richtung durchströmt werden kann. Bei kreisförmigen Lagerbehältern (1) und kreisförmigen Lagerschäch>en

(2) ergibt sich als freier Strömungsquerschnitt ein Ringspalt. Andere geeignete Schachtquerschnitte, z. B. für rechteckige Lagerbehälter, sind möglich. Die Anordnung der Lagerschächte (2) in den Lagergestellen (9) ist beliebig, vornehmlich jedoch horizontal und quadratisch oder hexagonal (Abb. II). Die Kühlluft erwärmt sich auf ihrem Weg durch die freien Strömungsräume (17) entlang der beheizten Lagerbehälter und Lagerschachtoberflächen. Die innenseitige Schachtoberfläche wird dabei sekundär durch Wärmetransport infolge Wärmestrahlung von den Lagerbehälteroberflächen beheizt. Die erwärmte Kühlluft strömt aus dem Lagerschacht (2) in einen senkrechten Auftriebskamin (3) und steigt dort auf.

Bei der Vorrichtung handelt es sich um ein indirekt gekühltes Lager, bei dem die erwärmte Kühlluft zu der leicht in Strömungsrichtung geneigten, als Kühlfläche ausgebildeten Decke (4) geführt wird, entlang der sie sich bis auf die Lagerschachteintrittstemperatur abkühlt. Nach Austritt aus einem längs der Decke (4) angeordneten und von der Decke (4) und das Lagergestell (9) bzw. von Einbauten (21) gebildeten Kühlkanal (5) gelangt die Kühlluft über einen Abtriebskamin (8) wieder zu den Lagerschächten (2). Die Umgebungsluft, die als äußere Kühlluft für die Kühlfläche über die Decke (4) streicht, gelangt über einen Zuluftkanal (7) an die Decke (4), wo sie erwärmt wird. Die so erwärmte Umgebungsluft wird über einen Abluftkanal (6) an die Umgebung zurückgeführt.

Auftriebskamin (3) und Abtriebskamin (8) sind dabei durch Beladeöfihungen (13) enthaltende Begrenzungswände (14) vom Beschickungsgang (10) und gegebenenfalls von einem Entnahmegang (11) abgetrennt.

Wird auf einen kontinuierlichen Lagerbetrieb verzichtet, so entfallen der Entnahmegang (11) und damit die BcladeöfTnungen an dieser Begrenzungswand.

Daneben ist es auch möglich, die örtliche Trennung zwischen Auftriebskamin (3) bzw. Abtriebskamin (8) und Beschickungsgang (10) aufzuheben und den Beschickungsgang direkt als Auftriebskamin (3) bzw. Abtriebskamin auszubilden (A b b. V). In diesem Fall entfallen auch hier die Begrenzungswände (14) mit den Beladeöffnungen (13).

Durch die Neigung der Decke (4·) und der Lagerschächte (2), wird für eine eindeutige Richtung der Umluftströmung gesorgt.

Die Vorgabe einer eindeutigen Richtung der Umluftströmung kann auch erreicht werden, wenn die Ausgestaltung der einzelnen Lagerschächte (2) im Lagergestell (9) und des Kühlkanals (5) so erfolgt, daß die Slrömungswiderstände für beide Durchsirömungsrichtungen unterschiedlich groß sind. Der Strömungswiderstand in der gewünschten Strömungsrichtung muß dabei kleiner sein als derjenige für die entgegengesetzte Richtung. Das erreicht man durch entsprechend geformte Einbauten (20) an den Lagerschachtöffnungen (18,19).

Die Strömungsrichtung im äußeren Kühlkreislauf kann durch unterschiedliche Höhen des Zuluftkanals (7) und Abluftkanals (6) ain Gebäude ebenfalls gewählt werden.
Ein Deckenneigungswinkel von < 15° hat sich als vorteilhaft erwiesen. Er ist auch aus bautechnischen Gründen anzustreben, um die Gebäudehöhe nicht höher als notwendig werden zu lassen.

Die Ausstattung der als Wärmetauscher ausgestalteten Decke (4) mit Kühlrippen (22) erweist sich aus thermodynamischen Gesichtspunkten als empfehlenswert. Durch die Vergrößerung der wärmeübertragenden Fläche wird das Temperaturniveau im Lager gesenkt und außerdem wird bei bestimmter Kühlleistung der Raumbedarf für die Decke (4) verkleinert.

Die Abschirmung der Decke (4) durch die Einbauten (21) (z. B. eine eingezogene dicke Betondecke) verhindert eine Direktbestrahlung der im äußeren Kühlkreis geführten Umgebungsluft. Staubaktivieriing und Bestrahlung anderer Substanzen, die mit der Umgebung in den Wärmetauscher gelangen, wird somit auf minimale Werte begrenzt.

Für die Einbauten (21) werden Materialien verwendet, die vor allem eine Schwächung der Strahlendosis bewirken. Geeignete Materialien sind z. B. Beton, Eisen oder Blei. Die strahlcnabschirmenden Einbauten (21) sind beispielsweise als abgehängte Betondecken ausgeführt. Diese Decke (21) kann direkt über dem Lagergestell (9) angeordnet werden. Sie hat im Bereich der Auf-(3) bzw. Abtriebskaminc (8) öffnungen (24), die ein Ein- bzw. Ausströmen der Kühlluft in bzw. aus dem Kühlkanal (5) ermöglichen.

Auftriebs- (3) bzw. Abtriebskamine (8) sind konstruktiv so gestaltet, daß Streustrahlungseffekie vermieden werden, d. h. eine ungehinderte Einstrahlung vom radioaktiven Material in die Auf- (3) bzw. Abtriebskamine (8) und Strahlungsfortpflanzung durch Streuungen an den Begrenzungswänden wird verhindert.

Die Decke (4) aus einem metallischen Werkstoff (z. B. Stahl) herzustellen, erweist sich deshalb als besonders

bO günstig, da Metalle in der Regel sehr gute wärmeleitende Eigenschaften besitzen und damit der Wärmedurchgangswiderstand zwischen innerem und äußerem Kühlkreislauf minimiert wird. Aus dem gleichen Grunde ist es empfehlenswert, die Oberfläche der metallischen

b5 Decke (4) einer den Würmctransport durch Strahlung begünstigenden Behandlung (z. B. Eloxieren, schwarzer Anstrich) zu unterziehen.

Ein Korrosionsschutz fz. B. Verzinken. Eloxieren) bie-

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let die Gewähr, daß die Decke (4) auch über einen längeren Zeitraum den gestellten Anforderungen entspricht.

Die verschließbaren BeladeöfFnungen (13) in den Begrenzungswänden (14) erweisen sich deshalb als ■> besonders günstig, da durch sie eine örtliche Trennung zwischen Lagerzelle (15), Beschickungsgang (10) und Entnahmegang (11) möglich ist, was im Hinblick auf eventuelle Interventionsmaßnahmen von großem Vorteil ist. ίο

Querströmungsbehindernde Einbauten (16) innerhalb der Lagergestell (9) können vorteilhafterweise das Ausbilden eines Wärmestaus am höchsten Punkt des Lagergestells und somit auch die Möglichkeit lokaler heißer Stellen verhindern.

Durch die Aufheizung der Wände der Lagerschächte (2) infolge des Wärmetransports durch Strahlung von der Oberfläche der Lagerbehälter wird die Luft in den Zwischenräumen der Lagergestelle (9) erwärmt und steigt nach oben, wo sie sich im oberen Bereich der Lagergestelle (9) sammelt, womit dort die Möglichkeit eines Wärmestaus besteht.

Um dies zu vermeiden, sind als Einbauten (16) quer angeordnete Bleche in den Zwischenräumen der Lagergestelle (9) angebracht, um die Luft am Aufwärtsströmen zu hindern.

Selbstverständlich läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auch mit mehreren hintereinander geschalteten Wärmetauschern als mehrstufiges Wärmetauschersystem ausführen (A b b. Vl), wobei die Decke (4) mehrstufig ausgeführt ist.

Dies bedeutet, daß die in der Lagerzelle (15) erzeugte Wärme an der Lagerzellcndecke (4) nicht direkt an die Umgebungsluft abgegeben wird, sondern an einen weiteren geschlossenen Kreislauf (23), der dann die Wärme an die Umgebungsluft abgibt.

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Claims (11)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Lagerung wärmefreisetzender Radionuklidkonfigurationen

mit einem Gebäude mit darin befindlichen, mit Decken versehenen geschlossenen Lagerzel- « len, die ein- oder beidseitig eines Beschickungsganges angeordnet sind, die Lagergestelle mit waagerecht oder schräg angeordneten Lagerschächten als Lagerpositionen für die Radionuklidkonfigurationen enthalten und in denen die Radionuklidkonfigurationen durch einen aufgrund natürlicher Konvektion innerhalb der Lagerzellen gebildeten inneren Kühlluftumlauf gekühlt werden, indem die Kühlluft entlang der Radionuklidkonfigurationen strömt, an Warmetauschern abkühlt und in einem Abtriebskamin zwischen den Wänden der Lagerzellen und den Lagergestellen zu den Einlaßöffnungen der Lagerschächte zurückströmt, und
- mit einem äußeren Kühlluftumlauf zur Abküh- «> lung der Wärmetauscher,

dadurch gekennzeichnet.

— daß innerhalb der Lagerzellen (15) an den öffnungen (18, 19) der Lagerschächie senkrecht stehende, räumlich und funktionell getrennte Auftriebs- (3) und die Abtriebskamine (8) angeordnet sind, wobei zur Erzwingung einer gerichteten Konvektionsströmung innerhalb der Lagerzellen (15) die Decke (4) oder die Lagerschächte (2) in Richtung des Abtriebskamins (8) geneigt oder die Lagerschächte (2) mit eine Richtung bevorzugenden strömungshindernden Einbauten (20) versehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auftriebs- (3) und Abtriebskamine (8) im Bereich der Lagergestelle (9) gegen diese offen und gegen den Beschickungsgang (10) mit schließbaren Beladeöffnungen (13) versehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschickungsgang (10) als Auftriebs- (3) oder Abtriebskamin (8) ausgestaltet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Lagergestell (9) ein Auftriebs- (3) und ein Abtriebskamin (8) vorhanden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel der Decke (4) < 15° beträgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Decke (4) der Lagerzellen (15) mit Kühlrippen (22) verschen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Decke (4) mit strahlungsabschirmenden Einbauten (21) innerhalb der Lagerzellen (15) versehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Decke (4) aus einem metallischen Werkstoff besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der metallischen Decke (4) einer korrosionshcmmendcn und/oder einer die Wärmeabgabe durch Strahlung begünstigenden Behandlung unterzogen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Decke (4) der Lagerzellen (15) mehrstufig ausgeführt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Raum zwischen den übereinander angeordneten Lagerschächten (2) querströmungsbehindernde Einbauten (16) enthält.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

— daß die Lagerschächte (2) in axialer Richtung von der Kühlluft durchströmt werden,

- daß die Decken (4) der Lagerzellen (15) als Wärmetauscher ausgebildet sind und

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