DE102011108990A1 - Fuel element storage rack for container, has receiving slots, neutron-absorbing metal alloy of structural elements, and coating containing boron, gadolinium , cadmium, samarium, europium or dysprosium, coated on structural elements - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Brennelementlagergestell mit einer Mehrzahl von Aufnahmeschächten für Brennelemente, wobei das Brennelementlagergestell aus Strukturelementen zusammengesetzt, insbesondere zusammengesteckt und/oder zumindest teilweise verschweißt ist, wobei die Strukturelemente aus einer neutronenabsorbierenden Metalllegierung bestehen.The invention relates to a fuel storage rack with a plurality of receiving wells for fuel, wherein the fuel storage rack composed of structural elements, in particular assembled and / or at least partially welded, wherein the structural elements consist of a neutron-absorbing metal alloy.
Derartige Brennelementlagergestelle, auch bezeichnet als Körbe, zur Aufnahme von Brennelementen aus Kernkraftwerken und Forschungsreaktoren sind bekannt und werden unter anderem in Transport- und Lagerbehältern für Brennelemente eingesetzt, um die entsprechenden Aufnahmen für die in den Transport- und Lagerbehälter einzubringenden Brennelemente zu schaffen.Such fuel element storage racks, also referred to as baskets for receiving fuel elements from nuclear power plants and research reactors are known and are used inter alia in transport and storage containers for fuel to create the appropriate images for the introduced into the transport and storage containers fuel assemblies.
Aus der der
Ferner sind Transport- und Lagerbehälter für Brennelemente bekannt, die ein Brennelementlagergestell oder Aufnahmekorb aus borlegiertem Stahl aufweisen.Furthermore, transport and storage containers for fuel elements are known, which have a fuel storage rack or basket of boron-alloyed steel.
Brennelemente in oder aus einem Kernkraftwerk oder Forschungsreaktor werden in Brennelementlagergestellen oder Aufnahmekörben aufgenommen.Fuel elements in or from a nuclear power plant or research reactor are being received in fuel element storage racks or baskets.
Hierbei wird die größtmögliche Packungsdichte angestrebt, wobei im kerntechnischen Sinne eine Unterkritikalität sowie eine Wärmeabfuhr auch bei Störfällen gewährleistet sein müssen. Ferner muss durch das Brennelementlagergestell die entsprechende mechanische Stabilität gewährleistet sein. Diese mechanische Stabilität wird durch entsprechende Strukturelemente aus Stahl, insbesondere Edelstahl oder aus Aluminiumlegierungen erreicht.In this case, the greatest possible packing density is sought, whereby in the nuclear sense a subcriticality and a heat dissipation must be ensured even in case of incidents. Furthermore, the appropriate mechanical stability must be ensured by the fuel element storage rack. This mechanical stability is achieved by corresponding structural elements made of steel, in particular stainless steel or aluminum alloys.
Die Wärmeabfuhr erfolgt über Wärmeleitung über die Gesamtstruktur und über Wärmeleitung des umgebenden Mediums, wie beispielsweise Wasser oder Gas. Hier wird üblicherweise Heliumgas eingesetzt. Ein geringerer Anteil des Wärmetransportes erfolgt über Wärmestrahlung.The heat dissipation via heat conduction over the entire structure and heat conduction of the surrounding medium, such as water or gas. Helium gas is usually used here. A smaller proportion of the heat transport takes place via thermal radiation.
Die Kritikalitätssicherheit wird durch Borzugabe zu dem Material der Konstruktionselemente erreicht, da es sich bei Bor um ein sogenanntes Neutronengift handelt. Zum Einsatz kommen dann borlegierter Edelstahl oder boriertes Aluminium. Dabei kann das Bor nur begrenzt eingebracht werden, da die Weiterverarbeitbarkeit der so entstandenen Werkstoffe sehr eingeschränkt ist. Verwendet werden Materialien, wie beispielsweise borlegierter Edelstahl oder borangereichertes Alumium mit einem begrenzten Boranteil.The criticality safety is achieved by boron addition to the material of the structural elements, since boron is a so-called neutron poison. Boron-alloyed stainless steel or borated aluminum are then used. In this case, the boron can be introduced only limited, since the further processability of the resulting materials is very limited. Materials are used, such as boron-alloyed stainless steel or boron-enriched aluminum with a limited boron content.
Bor ist ein bekanntes Neutronengift und muss zwingend vorgesehen sein, um zu gewährleisten, dass innerhalb solcher Transport- und Lagerbehälter für Brennelemente stets ein im kerntechnischen Sinne unterkritischer Zustand herrscht. Hierzu muss der von den Brennelementen ausgehende Neutronenfluss beherrscht werden.Boron is a known neutron poison and must be provided in order to ensure that there is always a subcritical state in nuclear-like terms within such transport and storage containers for fuel assemblies. For this, the emanating from the fuel neutron flux must be controlled.
Problematisch bei der Verwendung borierten Stahles für derartige Brennelementlagergestellte ist es, dass der Legierungszusatz Bor den Stahl sehr hart und spröde werden lässt, so dass sich Stahl und Edelstahlsorten mit einem Legierungsanteil oberhalb von 1% bis 1,5% Bor schweiß- und fertigungstechnisch nur begrenzt verarbeiten lassen.The problem with the use of borated steel for such fuel storage is that the alloying boron makes the steel very hard and brittle, so that steel and stainless steel grades with an alloy content above 1% to 1.5% Boron welding and manufacturing technology limited only process.
Nachteilig ist aufgrund der nur beschränkt möglichen Einbringung von Bor, dass zwangsläufig mit Wanddickenerhöhungen gearbeitet werden muss, um die geforderte Kritikalitätssicherheit zu erreichen respektive weiter zu steigern. Aus solchen Wanddickenerhöhungen der Strukturelemente des Brennelementlagergestelles resultieren erhebliche Gewichtszunahmen und ein erheblicher Materialverbrauch.A disadvantage is due to the limited possible introduction of boron, that inevitably has to be worked with wall thickness increases in order to achieve the required criticality security, respectively, to further increase. Such increases in wall thickness of the structural elements of the fuel storage rack result in significant weight increases and a significant material consumption.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennelementlagergestell der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass dieses eine erhöhte Kritikalitätssicherheit aufweist und dabei geringere Wandstärken zulässt, um somit eine insgesamt leichtere und materialsparende Ausführung zu gestatten.The object of the invention is to develop a fuel storage rack of the type mentioned in such a way that it has an increased criticality safety and thereby allows smaller wall thicknesses, thus allowing an overall lighter and material-saving design.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Brennelementlagergestell gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a fuel storage rack according to claim 1. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.
Mit dem Begriff des Brennelementlagergestells sind dabei Brennelementtransport- und Brennelementlagergestelle umfasst, wie sie insbesondere in Transport- und Lagerbehälter für Brennelemente eingesetzt werden, um die entsprechenden Aufnahmen für die in den Transport- und Lagerbehälter einzubringenden Brennelemente zu schaffen.The term of the fuel element storage rack includes fuel element transport and fuel element storage racks, as used in particular in transport and storage containers for fuel assemblies, in order to create the corresponding receptacles for the fuel elements to be introduced into the transport and storage containers.
Besonders vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Brennelementlagergestell mit einer Mehrzahl von Aufnahmeschächten für Brennelemente, wobei das Brennelementlagergestellt aus Strukturelementen zusammengesetzt, insbesondere zusammengesteckt und/oder zumindest teilweise verschweißt ist, wobei die Strukturelemente aus einer neutronenabsorbierenden Metalllegierung bestehen, ist es, dass die Strukturelemente eine Beschichtung aufweist, die zumindest ein Element der Gruppe bestehend aus Bor, Gadolinium, Cadmium, Samarium, Europium und Dysprosium.Particularly advantageous in the fuel assembly bearing frame according to the invention with a plurality of receiving shafts for fuel elements, wherein the fuel storage layer composed of structural elements, in particular assembled and / or at least partially welded, wherein the structural elements consist of a neutron-absorbing metal alloy, it is that the structural elements have a coating which is at least one element of the group consisting of boron, gadolinium, cadmium, samarium, europium and dysprosium.
Besonders bevorzugt kommt dabei eine Beschichtung enthaltend Bor zum Einsatz.Particular preference is given to using a coating containing boron.
Vorzugsweise weisen alle Strukturelemente des Brennelementlagergestells eine solche Beschichtung auf. Es ist jedoch auch möglich, nur ausgewählte Strukturelemente, insbesondere tragende Strukturelemente derartig auszuführen, dass diese eine solche Beschichtung aufweisen. Insbesondere ist es möglich, einzelne Strukturelemente mit einer solchen Beschichtung auszurüsten, wenn das Brennelementlagergestell zumindest teilweise zusammengesteckt ist.Preferably, all the structural elements of the fuel storage rack have such a coating. However, it is also possible to design only selected structural elements, in particular supporting structural elements, such that they have such a coating. In particular, it is possible to equip individual structural elements with such a coating, if the fuel storage rack is at least partially assembled.
Die Aufnahmeschächte für die Brennelemente können rechteckig, insbesondere quadratisch, sechseckig oder rund ausgeführt sein. Damit ist der Querschnitt der Aufnahmeschächte für Brennelemente bezeichnet. Die Geometrie der Aufnahmeschächte kann den jeweiligen Anforderungen der aufzunehmenden Brennelemente angepasst werden.The receiving wells for the fuel assemblies may be rectangular, in particular square, hexagonal or round. Thus, the cross section of the receiving wells for fuel elements is called. The geometry of the receiving wells can be adapted to the respective requirements of the fuel assemblies to be recorded.
Besonders bevorzugt weist das Brennelementlagergestell Wärmeleitprofile auf, die insbesondere aus einer neutronenabsorbierenden Metalllegierung bestehen, insbesondere der Gruppe Stahl, Aluminium oder Kupfer, und ferner eine Beschichtung enthaltend zumindest ein Element der Gruppe Bor, Gadulium, Kadmium, Samarium, Europium und Dysprosium aufweisen.Particularly preferably, the fuel element bearing frame on Wärmeleitprofile, which consist in particular of a neutron-absorbing metal alloy, in particular the group steel, aluminum or copper, and further comprising a coating containing at least one element of the group boron, gadulium, cadmium, samarium, europium and dysprosium.
Durch die Anordnung derartiger Wärmeleitprofile kann die zuverlässige Wärmeabfuhr aus den Wärme entwickelnden Brennelementen gewährleistet werden.The arrangement of such Wärmeleitprofile the reliable heat dissipation from the heat-generating fuel elements can be ensured.
Dadurch, dass die Wärmeleitprofile selbst wiederum aus einer neutronenabsorbierenden Metalllegierung bestehen und ferner eine Beschichtung aufweisen, die ein Neutronengift enthält, kann die Kritikalitätssicherheit weiter gesteigert werden.The fact that the Wärmeleitprofile itself consist of a neutron-absorbing metal alloy and also have a coating containing a neutron poison, the criticality safety can be further increased.
Bei der neutronenabsorbierenden Metalllegierung der Strukturelemente und/oder der Wärmeleitprofile handelt es sich vorzugsweise um borlegierten Stahl, borlegierten Edelstahl oder boriertes Aluminium.The neutron-absorbing metal alloy of the structural elements and / or the heat-conducting profiles are preferably boron-alloyed steel, boron-alloyed stainless steel or borated aluminum.
Ferner besteht die Möglichkeit, dass das Brennelementlagergestell aus Strukturelementen und/oder Wärmeleitprofilen verschiedener borlegierter Metalllegierungen der Gruppe bestehend aus Stahl, Aluminium oder Kupfer zusammengesteckt ist.Furthermore, there is the possibility that the fuel element bearing frame is composed of structural elements and / or heat conduction profiles of various boron-alloyed metal alloys of the group consisting of steel, aluminum or copper.
Hierdurch ist es in besonders vorteilhafter Weise möglich, die Strukturelemente, welche gleichzeitig die mechanische Stabilität des Brennelementlagergestells gewährleisten, beispielsweise aus borlegiertem Edelstahl auszuführen und weiter die Wärmeleitprofile des Brennelementlagergestells aus einer Kupferlegierung auszuführen, die verbesserte Wärmeleitungseigenschaften aufweist. Ferner sind erfindungsgemäß die Strukturelemente und/oder die Wärmeleitprofile mit einer Beschichtung versehen, die wiederum ein Neutronengift, vorzugsweise Bor, enthält.This makes it possible in a particularly advantageous manner, the structural elements, which simultaneously ensure the mechanical stability of the fuel storage rack, for example made of boron-alloyed stainless steel and continue to carry out the Wärmeleitprofile the fuel storage rack made of a copper alloy having improved thermal conduction properties. Furthermore, according to the invention, the structural elements and / or the heat conduction profiles are provided with a coating, which in turn contains a neutron poison, preferably boron.
Hierdurch können die jeweiligen Werkstoffeigenschaften in besonders vorteilhafter Weise genutzt und kombiniert werden, indem einerseits die mechanische Stabilität des Brennelementlagergestells gewährleistet wird, des weiteren eine optimierte Wärmeabfuhr herbeigeführt wird und ferner die Kritikalitätssicherheit dadurch gesteigert ist, dass die Strukturlemente und/oder die Wärmeleitprofile, wie beispielsweise Wärmeleitbleche oder dergleichen, eine Beschichtung enthaltend ein sogenanntes Neutronengift wie Bor aufweisen.In this way, the respective material properties can be used and combined in a particularly advantageous manner, on the one hand the mechanical stability of the fuel storage rack is ensured, further optimized heat dissipation is brought about and also the criticality is increased by the Strukturlemente and / or the Wärmeleitprofile, such as Wärmeleitbleche or the like, a coating containing a so-called neutron poison such as boron.
Die Beschichtung ist vorzugsweise durch elektrolytisches Galvanisieren in einem Dispersionsbad erzeugt. Dabei kann insbesondere während des Beschichtungsvorganges eine Relativbewegung zwischen den Strukturelementen und/oder Wärmeleitprofilen und dem Dispersionsbad erzeugt werden. Durch eine solche Relativbewegung wird die Qualität der galvanischen Beschichtung gesteigert.The coating is preferably produced by electrolytic plating in a dispersion bath. In this case, in particular during the coating process, a relative movement between the structural elements and / or Wärmeleitprofilen and the dispersion bath can be generated. By such a relative movement, the quality of the galvanic coating is increased.
Besonders bevorzugt wird die Beschichtung der Strukturelemente und/oder der Wärmeleitprofile durch eine galvanisch abgeschiedene Nickelmatrix mit einer Einlagerung von Borcarbidpartikeln erzeugt. Die Strukturelemente und/oder Wärmeleitprofile des Brennelementlagergestells werden dabei galvanisch vernickelt, wobei Borcarbid (B4C) in Mikrokörnung in der galvanisch abgeschiedenen Nickelmatrix eingelagert wird, um den Boranteil in den Lagerstrukturen zu erhöhen.Particularly preferably, the coating of the structural elements and / or the Wärmeleitprofile is generated by an electrodeposited nickel matrix with a deposit of boron carbide particles. The structural elements and / or Wärmeleitprofile the fuel storage rack are galvanically nickel-plated, with boron carbide (B 4 C) is stored in micrograin in the electrodeposited nickel matrix in order to increase the boron content in the storage structures.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Brennelementlagergestell um eine Schweißkonstruktion, die vollständig mit einer Beschichtung enthaltend zumindest ein Element der Gruppe bestehend aus Bor, Gadolinium, Cadmium, Samarium, Europium und Dysprosium beschichtet ist.In a preferred embodiment, the fuel storage rack is a welded construction completely coated with a coating containing at least one element of the group consisting of boron, gadolinium, cadmium, samarium, europium and dysprosium.
Hierdurch ergibt sich eine fertigungstechnisch besonders zu bevorzugende Ausführungsform, in dem das Brennelementlagergestell aus Strukturelementen aus Borstahl, Boraluminium oder anderen borlegierten Metalllegierungen als Schweißkonstruktion ausgeführt wird. Um den Boranteil in der Struktur des Brennelementlagergestells nunmehr zu erhöhen, wird erfindungsgemäß die gesamte Schweißkonstruktion, d. h. das gesamte Brennelementlagergestell, vollständig mit einer Beschichtung enthaltend ein sogenanntes Neutronengift versehen, wobei vorzugsweise Bor insbesondere in Form körnigen Borcarbides in der Beschichtung eingelagert wird. Dadurch wird der Boranteil in der gesamten Brennelementlagergestellstruktur deutlich erhöht, so dass die Kritikalitätssicherheit stark gesteigert werden kann.This results in a manufacturing technology particularly preferred embodiment, in which the fuel storage rack is made of structural elements made of boron steel, boron aluminum or other boron-alloyed metal alloys as a welded construction. To the boron content in the structure of the fuel storage rack now too increase, according to the invention, the entire weldment, ie the entire fuel element storage rack, completely provided with a coating containing a so-called neutron poison, preferably boron in particular in the form of granular boron carbide is incorporated in the coating. As a result, the boron fraction in the entire fuel element storage rack structure is significantly increased, so that the criticality safety can be greatly increased.
Dementsprechend sind die Strukturen des Brennelementlagergestells aus Borstahl, Boraluminium oder anderen borierten Materialien vorzugsweise vernickelt, wobei in die Nickelmatrix Borcarbid in Mikrokörnung eingelagert ist. Die Wärmeleitprofile sind vorzugsweise ebenfalls vernickelt, wobei in die galvanisch abgeschiedene Nickelmatrix ebenfalls Borcarbid in Mikrokörnung eingelagert ist, um den Boranteil in der Gesamtstruktur weiter zu erhöhen. Ferner sind die tragenden Strukturen des Brennelementlagergestells, welche die mechanische Festigkeit garantieren, ebenfalls mit einer solchen Beschichtung enthaltend Borcarbid versehen, um den Gesamtboranteil des Brennelementlagergestells weiter zu erhöhen.Accordingly, the structures of the fuel storage rack of boron steel, Boraluminium or other borated materials are preferably nickel-plated, wherein embedded in the nickel matrix boron carbide in micrograin. The Wärmeleitprofile are preferably also nickel-plated, wherein in the electrodeposited nickel matrix boron carbide is also embedded in micrograin, in order to further increase the boron content in the overall structure. Furthermore, the supporting structures of the fuel storage rack, which guarantee the mechanical strength, are also provided with such a coating containing boron carbide in order to further increase the total boron content of the fuel storage rack.
Somit kann der Anteil des Neutronengiftes Bor in Lager- und/oder Transportgestellen für Brennelemente beträchtlich erhört und die nukleare Sicherheit gesteigert werden.Thus, the proportion of neutron poison boron in storage and / or transport racks for fuel can be heard considerably and the nuclear safety can be increased.
Eine besonders bevorzugte Anwendung eines solchen Brennelementlagergestells ist in einem Transport- und/oder Lagerbehälter für abgebrannte Brennelemente mit einem Behälterinnenraum, in den ein solches Brennelementlagergestell gemäß der Erfindung eingesetzt ist.A particularly preferred application of such a fuel storage rack is in a transport and / or storage tank for spent fuel with a container interior, in which such a fuel storage rack is used according to the invention.
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|---|---|---|---|---|
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