DE2836762A1

DE2836762A1 - Vorrichtung und verfahren zum aufbewahren von nuklear-brennstoff

Info

Publication number: DE2836762A1
Application number: DE19782836762
Authority: DE
Inventors: Frank Bevilacqua
Original assignee: Combustion Engineering Inc
Current assignee: Combustion Engineering Inc
Priority date: 1977-09-19
Filing date: 1978-08-23
Publication date: 1979-03-22
Also published as: US4177385A; JPS5450796A; DE2836762B2; IT1098581B; DE2836762C3; SE7809759L; JPS612199B2; ES473494A1; BR7806083A; SE433020B; CA1098629A; IT7827570A0

Description

Beschreibung
zum Patentgesuch

der Firma Combustion Engineering, Inc., Windsor, Conn. 06095/üSA

betreffend:

"Vorrichtung und Verfahren zum Aufbewahren von Nuklear-Brennstoff"

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufbewahren von Nuklear-Brennstoff in einem wassergefüllten Becken.

Reaktorbrennstoffelementgruppen werden häufig in Aufbewahrungsbecken aufbewahrt, die entweder neue oder verbrauchte Brennstoffgruppen aufnehmen können. Das Becken ist mit Wasser gefüllt, das boriert sein kann. Dies liefert Kühlung für die Brennstoffgruppen als auch einen Moderator sowie eine Vergiftung, wenn das Wasser boriert ist. Es ist natürlich wichtig, daß die aufbewahrte Masse keine Geometrie annehmen kann, die entweder kritisch oder superkritisch ist.

Das Aufbewahrungsbecken muß während der anfänglichen Konstruktion der Anlage vorgesehen werden, um einen Aufbewahrungsort für irgendwelche Brennstoffeinheiten zu schaffen, die aus dem Reaktor gegebenenfalls entfernt werden müssen. Das Aufbewahrungsbecken braucht zu dieser Zeit nicht zur Aufbewahrung mit seiner endgültigen Kapazität eingerichtet zu sein. Investitionen für teure Materialien als Komponenten der Aufbewahrungseinrichtung erfordern eine augenblickliche Investition, wenn sie mit dem anfänglichen Aufbewahrungsgestell geliefert werden.

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Es ergäbe sich eine offensichtliche ökonomische Einsparung, wenn eine derartige Investition verzögert werden könnte.

Die meisten Aufbewahrungseinrichtungen sind für eine besondere Brennstoffanreicherung ausgelegt und daher vollständig ungeeignet, wenn Brennstoff mit einer zusätzlichen Anreicherung zukünftig darin aufbewahrt werden sollte. Während boriertes Wasser in dem Becken verwendet werden kann, um diese zusätzliche Anreicherung zu kompensieren, stellt dies doch einen Unsicherheitsfaktor dar, wenn man sich vollständig auf den Borgehalt verläßt. In dem Fall, daß das Becken ein Leck bekommt, und Wasser durch Frischwasser ersetzt werden muß, ist der Borgehalt beseitigt. Weiterhin besteht immer die potentielle Möglichkeit für einen Betriebsfehler, wobei die Borkonzentration nicht auf dem Sicherheitswert gehalten wird.

Aufbewahrungsgestelle, die das Flußfallenprinzip verwenden, wurden konstruiert, vgl. US-PS 4,004,154. Bei einem derartigen Gestell umgibt eine Platte aus rostfreiem Stahl einen Brennstoffeinsatz, der aufbewahrt werden soll, fest, während Wasser zwischen den Platten enthalten ist. Schnelle Neutronen aus dem Brennstoff laufen durch die Platten und werden durch das Wasser zu thermischen Neutronen abgebremst. Im thermischen Bereich können sie durch die Platten nicht zu dem Brennstoff zurückkkehren. Der erforderliche Abstand für eine bestimmte Brennstoffanreicherung wird nach den bekannten Prinzipien der Kernphysik berechnet. Hierbei ergeben sich hohe Kosten beim Einhalten der Toleranzen eines derartigen Gestells, bei dem eine Vielzahl von Platten verwendet wird und gleichzeitig die Toleranzen eingehalten werden müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vielseitiger einsetzbares und einfach und billiger herstellbares Gestell zu schaffen.

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Diese Aufgabe wird entsprechend Anspruch 1 gelöst.

In einem derartigen Gestell kann Brennstoff in einem Schachbrettmuster bei hoch angereichertem Brennstoff oder in allen Öffnungen untergebracht werden, wenn der Brennstoff nur niedrig angereichert ist. Die Platten des Gestells werden in einer ähnlichen Anbringung in jeder Öffnung untergebracht, so daß ein Wasserspalt und daher eine Flußfalle zwischen benachbarten Brennstoff auf bewahrungsorten gebildet wird. Die Einsätze können später hinzugefügt werden, so daß ein Teil der Investition für das Gestell hinausgezögert werden kann, bis eine vergrößerte Kapazität des Gestells erforderlich wird, wobei ferner Brennstoff mit einer höheren Anreicherung in jeder Öffnung aufbewahrt werden kann.

Wenn es gewünscht wird, Brennstoff mit einer noch größeren Anreicherung aufzubewahren, können Giftplatten dem Wasserspalt

inzugesetzt werden, der durch die installierten Einsatzplatten gebildet wird, oder anstelle der Einsatzplatten verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann der Brennstoff in Kästen mit hohem Neutronenabsorptionsgift untergebracht werden, der die Brennstoffeinheit umgibt, um Brennstoff mit noch größerer Anreicherung aufzubewahren. Normalerweise wird erwartet, daß die Einsätze wegen der physikalischen Probleme der Aufbewahrung von Brennstoffeinheiten gleicher Größe mit einem umgebenden Kasten dann entfernt werden müssen. Kästen aus rostfreiem STahl, die in dieser Weise installiert werden, übernehmen dann die Funktion der Erzeugung einer wirksamen Neutronenflußfalle.

Die Einsätze aus rostfreiem Stahl und die Giftplatten sind jeweils solange nicht erforderlich, bis die Kapazität der grundlegenden Gitterstruktur annähernd erreicht ist. Die Anschaffung dieser Teile kann daher mehrere Jahre hinausgezögert werden. Sollte der Brennstoff, der aufzunehmen ist, einen höheren Anreicherungsgrad als anfänglich vorgesehen besitzen, wird es mit Hilfe der Anordnung von Giftplatten möglich, eine vergrößerte Vergiftung in den Platten zu erzielen, um der neuen Anforderung zu genügen. 909812/0725

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Selbst wenn das Aufbewahrungsgestell anfänglich mit allen Einsätzen nach dem Neutronenflußfallenprinzip versehen wird, sind die Herstellungskosten reduziert. Während Grundtoleranzen noch bezüglich der Gitterstruktur eingehalten werden müssen, werden die Einsätze mit ihren eigenen Toleranzen hergestellt, die, da sie zu den Toleranzen der Grundstruktur in Bezug stehen, nicht gleichzeitig eingehalten werden müssen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht mit einer allgemeinen

Anordnung eines Brennstoffaufbewahrungsgestells,

Fig. 2 zeigt eine Teilansicht von Fig. 1,

Fig. 3 zeigt im einzelnen neun Kästen des Gestells mit installierten winkelförmigen Einsätzen,

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch einen der Kästen

von Fig. 3, wobei die Anordnung des Einsatzes dargestellt ist,

Fig. 5 zeigt eine Gestellöffnung mit winkelförmigen Einsätzen und zusätzlichen Giftplatten,

Fig. 6 zeigt eine Gestellöffnung mit einem darin befindlichen Neutronengiftkasten.

Gemäß Fig. 1 und 2 besitzt das Aufbewahrungsgestell eine Gitterstruktur 10 aus Platten aus rostfreiem Stahl. Diese Platten, die sich über die gesamte Höhe des Gestells erstrecken, müssen in ihrer Länge allgemein gleich oder größer als die aktive Länge der Brennstoffeinheiten sein, die aufgenommen werden sollen, und müssen mit diesen enden, wenn die Einheiten in dem

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Gestell aufbewahrt werden. Trägerleisten 12 verlaufen durch den unteren Teil des Gestells zum Tragen der Brennstoffeinheiten, die aufgenommen werden sollen. Die Gitterstruktur 10 bildet vertikal sich erstreckende rechteckige Öffnungen 14 bis 22. Brennstoff mit niedriger effektiver Anreicherung kann in jeder der öffnungen 14 untergebracht werden. Brennstoff mit höherer Anreicherung (typischerweise etwa 3,5 bis 4,0 Gew.-% U 235), der normalerweise aufbewahrt wird, kann sicher in einem Schachbrettmuster unter Verwendung der öffnungen 15, 17, 19, 21 usw. aufbewahrt werden. Dies liefert normalerweise eine sichere Aufbewahrung für den am höchsten angereicherten Brennstoff, der erwartungsgemäß gespeichert werden soll. Wenn nur eine Hälfte der Öffnungen verwendet wird, ist die Kapazität des Gestells bei einer derartigen Aufbewahrungsart auf die Hälfte der möglichen Kapazität begrenzt.

Wenn die Kapazität des Aufbewahrungsgestells mit dieser Aufbewahrungsart erreicht wird, kann es wünschenswert sein, die Kapazität zu vergrößern. Dies kann erzielt werden, indem Einsätze 24 aus rostfreiem Stahl oder einem anderen neutronenabsorbierenden Material entsprechend Fig. 3 angebracht werden. Diese Einsätze werden aus zwei Platten 26, 28 gebildet, die sich parallel zu benachbarten Seiten der öffnung erstrecken und von diesen mit einem vorbestimmten Abstand entfernt sind. Die geeigneten Abstände und die Brennstoffanreicherungsmöglichkeit werden durch Inbetrachtziehen der Gesamtmasse des aufzubewahrenden Brennstoffs, der Platten der Gitterstruktur 10, der Einsätze 26 und des Wasserspaltes 30 zwischen den Seiten der Kästen und Platten berechnet.

Jeder Einsatz 24 besitzt einen gebogenen Abschnitt oder Abstandshalter 32 an jedem Ende und ein Abstandhalterstück an der dazwischen liegenden Kante. Diese halten den Einsatz

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24 mit genauem Abstand innerhalb der Öffnung und liefern einen vorbestimmten Abstand für den Wasserspalt 30. Wie am besten aus den Fig. 2 bis 4 ersichtlich ist, sind rechteckige Öffnungen 34 in den Platten der Gitterstruktur 10 vorgesehen. Die Einsätze 24 besitzen eine sich aufwärts erstreckende Nase 36, die gebogen ist, damit sie in die Öffnung 34 eingreifen kann. Ein Nasenansatz 38 ist an die Nase 36 angeschweißt und verhindert, daß die Nase 36 durch die Öffnung 34 hindurchgelangt. Der Einsatz 24 wird von der Platte 12 getragen und die Nasen 36 besitzen die Funktion, den Einsatz 24 in seiner Position zu halten, auch wenn die aufbewahrten Brennstoffeinheiten entfernt werden.

Wenn Brennstoff mit einer noch höheren Anreicherung aufbewahrt werden soll, gibt es verschiedene Möglichkeiten, von denen jede die Verwendung einer Platte mit hoher Neutronenabsorption etwa aus einem Bor 10 oder Hafnium enthaltenden Material umfaßt. Gemäß Fig. 5 werden Giftplatten 40 und 42 in dem Wasserspalt 30 zwischen dem Einsatz 24 und den Seitenplatten des Gitters 10 der Öffnung angeordnet. Gemäß der dargestellten Ausführungsform können diese Platten 40, 42 durch Zurückfedern des Nasenansatzes 38 und Einsetzen der Platte eingefügtverden. Sie können entweder von der Nase 36 selbst oder von einem zusätzlichen Träger gehalten werden, der am Boden der Gitterstruktur 10 angeordnet wird. Die Anreicherung des Brennstoffs, der hierbei aufbewahrt werden soll, muß berechnet werden, indem die Giftplatte als auch die übrigen Teile in Betracht gezogen werden, die im Zusammenhang mit der Neutroinenflußfallenanordnung erwähnt wurden.

Alternativ kann zusätzlich angereicherter Brennstoff gemäß Fig. 6 gespeichert werden, indem die Giftplatten 40 und 42 von Fig. 5 zusammen mit dem Einsatz 24 entfernt werden. Ein rechteckiger Äufbewahrungskasten 50 aus rostfreiem Stahl

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oder einem Giftmaterial mit hoher Neutronenabsorptxon, der kommerziell erhältlich ist, kann in der Öffnung angeordnet und von den Trägerleisten 12 getragen werden. Die Anreicherung des Brennstoffs, der dann gespeichert werden kann, kann wieder nach den Prinzipien der Kernphysik entsprechend der bestehenden physikalischen Struktur berechnet werden.

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Claims

Combustion Engineering, Inc.

Windsor, Conn. 06095
U.S.A.

Patentansprüche

ifil Aufbewahrungsvorrichtung für Nuklearbrennstoff in einem wassergefüllten Becken, gekennzeichnet durch ein Gitter (10) aus thermischen neutronenabsorbierendem Material, das vertikal sich erstreckende rechteckige Öffnungen (14 - 22) aufweist, wobei benachbarte Öffnungen eine gemeinsame Wandung besitzen, die sich über eine Höhe allgemein gleich oder größer als die aktive Länge des aufzunehmenden Brennstoffs erstreckt, mit einer Vielzahl von Einsätzen (24) aus neutronenabsorbierendem Material, die jeweils derart angepaßt sind, daß sie in eine entsprechende Öffnung (14-22) passen, wobei jeder Einsatz (24) eine erste Platte (26) parallel zu einer Seite der Öffnung (14-22) und eine zweite Platte (28) parallel zu der benachbarten Seite der Öffnung (14-22) aufweist, wobei die Platten (26, 28) eine Länge allgemein gleich oder größer als die aktive Länge des aufzunehmenden Brennstoffs aufweisen, während Mittel (32, 34) zum Halten der Einsätze (24) in den Öffnungen (14-22) mit einem vorbestimmten Abstand der Platten (26, 28) von den parallelen Seiten der Öffnung (14-22) und Mittel (12) zum Tragen von Brennstoff vorgesehen sind, der durch die Platten (26, 28) und die Seiten der entsprechenden Öffnung ( 14-22) begrenzten Orte aufgenommen wird.
2) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (26, 28) in benachbarten Öffnungen (14—22) in jeder Öffnung in gleichartiger Position angeordnet sind.

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3) Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (26, 28) eine Einheit in Form einer einfachen gebogenen Platte bilden.
4) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als neutronenabsorbierendes Material rostfreier Stahl verwendet ist.
5) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die rechteckigen Öffnungen (14-22) quadratisch sind.
6) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze (24) durch rechteckige Kästen (50) aus neutronenabsorbierendem Material ersetzt sind, die jeweils in eine entsprechende Öffnung (14-22) passen und deren Seiten parallel zu den Seiten der Öffnung (14-22) verlaufen, wobei die Kästen (50) eine Länge im allgemeinen gleich oder größer als die aktive Länge des aufzunehmenden Brennstoffs besitzen, während Mittel zum Halten der Kästen (50) in den Öffnungen (14-22) mit Abstand zu den parallelen Seiten der Öffnung (14-22) und Mittel zum Tragen des Brennstoffs in den Kästen (50) vorgesehen sind.
7) Verfahren zum Handhaben einer Aufbewahrungsvorrichtung für Nuklearbrennstoff, die aus einem Aufbewahrungsgesteil mit einer Vielzahl von vertikal angeordneten rechteckigen Öffnungen mit einer gemeinsamen Wandung zwischen den Öffnungen in einem wassergefüllten Becken besteht, dadurch gekennzeichnet, daß anfänglich Brennstoffeinheiten in Form eines Schachbrettmusters in dem Gestell angeordnet werden, bis dessen Kapazität bei dieser Anordnung ausgeschöpft äst, Platten in den Öffnungen parallel zu und mit Abstand zu den benachbarten Seiten von ausgewählten Öffnungen eingesetzt werden, wobei ein Wasserspalt hierzwischen und eine Neutronenflußfalle zwischen den Platten und den gegenüberliegenden Seiten der Öffnungen gebildet wird, wonach Brenn-

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stoff in den Aufnahmeräumen mit Neutronenflußfalle mit einer Anreicherung angeordnet wird, daß die Gesamtmasse unterkritisch ist, wenn die gemeinsamen Wände, Platten und der Wasserspalt in Betracht gezogen werden.
8) Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brennstoff mit größerer Anreicherung durch Einsetzen von Giftplatten in eine Vielzahl von öffnungen in wenigstens zwei Ebenen bezüglich jeder öffnung, die für die Aufnahme des Brennstoffs mit größerer Anreicherung vorgesehen ist, angeordnet wird.
9) Verfahren lach Anspruch7, dadurch gekennzeichnet, d=ß zum Aufbewahren von Brennstoff mit noch größerer Anreicherung die Platten aus dem thermischen neutronenabsorbierenden Material und die Giftplatten aus den öffnungen entfernt, rechteckige Kästen aus Giftmaterial in den öffnungen angeordnet und der Brennstoff in diesen Kästen aufbewahrt wird.

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