DE19725922A1 - Verfahren zur Herstellung eines Behälters sowie ein Behälter selbst - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Behälters zum Transport und zur Lagerung von radioaktiv strahlendem Material sowie einen Behälter, mit dem radio­ aktiv strahlendes Material transportiert und gelagert werden kann.

Derartige Behälter haben in der Ausführungsform sogenannter "Castor-Behälter" in der Vergangenheit große Bedeutung erlangt. Sie dienen dazu, radioaktiv strahlendes Material, beispielsweise abgebrannte Brennelemente aus Kernreaktoren, vom Kraftwerk zu einer Zwischen- oder Endlagerungsstelle zu transportieren.

Dabei sind teilweise große Strecken zu überwinden. Ein solcher Transport erfordert ein extrem hohes Maß an Sicher­ heit. Dies gilt nicht nur für die Transportfahrzeuge (Last­ kraftwagen, Züge, Schiffe), sondern vor allem auch für die Behälter, in denen beispielsweise die Brennelemente transportiert werden.

Dabei geht es vor allem um zwei Sicherheitsaspekte:

• 1. Der Behälter muß so aufgebaut sein, daß der Austritt radioaktiver Strahlung und Gase zuverlässig verhindert wird.
• 2. Der Behälter muß so ausgelegt werden, daß die Sicherheit gemäß 1. auch dann besteht, wenn es zu einem Unfall, bei­ spielsweise einem Herabstürzen des Behälters von einem Transportfahrzeug, kommt.

Insoweit werden an die radioaktive Abschirmung des Behälters ebenso hohe Anforderungen gestellt wie an dessen Festigkeit und Stabilität.

Unter Zugrundelegung dieser Aspekte liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines ent­ sprechenden Behälters beziehungsweise einen den vorgenannten Anforderungen genügenden Behälter zur Verfügung zu stellen.

Zu den radioaktiven Strahlen gehören Alpha-Strahlen, Beta- Strahlen, Gamma-Strahlen und Neutronenstrahlen. Alpha- und Beta-Strahlen haben im allgemeinen so kurze Reichweiten, daß für ihre Abschirmung geringe Materialdicken (Größenordnung: einige Millimeter) genügen. Bei der Projektierung eines Strahlenschutzbehälters kommt es deshalb in der Hauptsache auf die Schwächung und Absorption der Neutronen- und Gamma- Strahlung an.

In diesem Zusammenhang ist es bekannt, daß die Masse und damit die Rohdichte einer entsprechenden Behälterwandung eine wesentliche Größe ist.

Insoweit wurden in der Vergangenheit Stahlbehälter wie der genannte Castor-Behälter verwendet. Daneben sind sogenannte Stahl-Stahlbetonbehälter bekannt, die aus einer Kombination Stahl/Beton aufgebaut sind.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Abschirmwirkung derartiger Stahl-Stahlbetonbehälter durch eine spezielle Auswahl eines Schwerbetons zwischen Stahl­ wänden erreicht werden kann.

In ihrer allgemeinsten Ausführungsform schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Behälters zum Transport und zur Lagerung von radioaktiv strahlendem Material mit folgenden Merkmalen vor:

• - ein Innenrohr aus Metall wird in einem Außenrohr aus Metall so eingestellt, daß zwischen Innen- und Außenrohr ein Ringspalt konstanter Breite entsteht,
• - danach wird der Ringspalt mit einem Zuschlag oder einem Zuschlaggemisch ausgefüllt, dessen minimale Korngröße 2 mm und dessen maximale Korngröße 20 mm beträgt, wobei min­ destens 95 Gew.-% des Zuschlages eine Rohdichte < 4,2 g/cm³ aufweisen,
• - anschließend wird durch mindestens eine Öffnung am boden­ seitigen Ende des Innen- und/oder Außenrohres eine Suspension aus Zement, Wasser und einem Verflüssiger unter Hochdruck in den Ringspalt eingepreßt, bis die Suspension unter vollständiger Verfüllung der zwischen dem Zuschlag vorhandenen Zwickel das obere Ende des Außenrohres erreicht hat,
• - wobei die Suspension aus Zement, Wasser und Verflüssiger so eingestellt wird, daß der (gemeinsam mit dem Zuschlag) entstehende Beton eine Rohdichte < 4.100 g/cm³ und eine Beton-Druckfestigkeit gemäß DIN 1048 Teil 2 von < 45 N/mm² nach 28 Tagen aufweist.

Der wesentliche Aspekt dieses Verfahrens besteht in der speziellen Einbringtechnik des Schwerbetons zwischen die genannten Metallwände.

Mit einer fertig aufbereiteten Betonmischung, die in den Ringspalt eingefüllt würde, ließen sich die geforderten Rohdichten und Druckfestigkeiten ebensowenig erreichen wie die notwendige Abschirmung gegen radioaktive Strahlung.

Dies gelingt erst durch die Auswahl spezieller Zuschläge, die in einem ersten Verfahrens schritt in den Ringspalt gefüllt werden und durch die sich daran anschließende Injektion des Zementleims unter Druck, wobei der Verfüllungsgrad des Zementleims maßgeblich dadurch optimiert wird, daß die Injektion von unten nach oben erfolgt. Auf diese Weise kann eine hervorragende und nahezu optimale Verfüllung der Zwickel zwischen den Zuschlagteilen erfolgen und damit ein dichter, hochfester Beton im Ringraum ausgebildet werden.

Der Begriff Zement steht dabei stellvertretend für alle Arten von hydraulischen Bindemitteln. Bevorzugt werden jedoch Portlandzemente eingesetzt, und zwar Portlandzemente des Typs CEM I 42,5 oder höherwertig (zum Beispiel CEM I 52,5).

Zuschläge, die die geforderte Rohdichte aufweisen, sind beispielsweise Baryt, Ferrophosphor, Magnetit, Eisen (Stahl), Blei, Haematit und Hartgußgranulat sowie andere Metalle, insbesondere Schwermetalle, wobei die Zuschläge einzeln oder in Mischungen eingesetzt werden können.

Eine Mischung aus Baryt, Ferrophosphor, Magnetit, Haematit oder Mischungen daraus in Kombination mit Stahlkugeln führt zu sehr guten Dichte- und Druckfestigkeitswerten des Frisch­ betons beziehungsweise ausgehärteten Betons.

In Vorversuchen wurden verschiedene Zuschlaggemische getestet. Besonders günstige Eigenschaften zeigen danach Zuschlaggemische aus Baryt, Ferrophosphor, Magnetit, Haematit oder Mischungen daraus in den Kornfraktionen 4 bis 8 mm sowie 8 bis 16 mm in Kombination mit Stahlkugeln mit einem Durchmesser zwischen 4 und 10 mm. Die Stahlkugeln können auch eine sphärische Form aufweisen und ganz oder teilweise durch Bleikugeln oder Hartgußgranulat ersetzt werden.

Die Mengenanteile der einzelnen Zuschlag-Komponenten können dabei beispielsweise wie folgt sein:

• - Zuschlag der Kornfraktion 4/8: 15 bis 25 Gew.-%
• - Zuschlag der Kornfraktion 8/16 : 15 bis 25 Gew.-%
• - Stahlkugeln mit einem Durchmesser zwischen 4 und 10 mm: 45 bis 55 Gew.-%.

Soweit vorstehend von Metallrohren gesprochen wurde, so umfaßt dieser Begriff insbesondere Stahlrohre und hier wiederum insbesondere Stahlrohre mit Kreisquerschnitt, wenn­ gleich auch andere Querschnittsformen, beispielsweise Polygone, eingesetzt werden können.

Eine Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, ein Innenrohr zu verwenden, welches an seinem oberen Ende geschlossen und kürzer als das Außenrohr ist. In diesem Fall werden Außen­ rohr und Innenrohr beispielsweise auf einen Boden (eine Platte) aufgestellt und anschließend nicht nur der Ringraum zwischen Innen- und Außenrohr mit dem Zuschlag verfüllt, sondern auch der Raum zwischen dem oberen geschlossenen Ende des Innenrohres und dem oberen Rand des Außenrohres. An­ schließend wird neben dem Ringraum auch der Raum zwischen dem geschlossenen Ende des Innenrohres und dem oberen Rand des Außenrohres mit der Zement/Wasser/Verflüssiger- Suspension verfüllt. Auf diese Weise entsteht eine Art "Betondeckel", der in der späteren Anwendung (nach Drehen um 180°) den Behälterboden bildet. Zusätzlich kann eine Metall-/­ Stahlplatte am oberen Rand des Außenrohres befestigt, zum Beispiel aufgeschraubt oder angeschweißt werden.

Das Herstellungsverfahren wird dadurch vereinfacht, wenn Innenrohr und Außenrohr vor dem Einfüllen des Zuschlages an ihrem unteren Ende mit einem Metall-/Stahldeckel verschlossen werden. Vorzugsweise geschieht dies durch Auf­ schrauben auf die korrespondierenden Rohrenden. Auf diese Weise wird die koaxiale Ausrichtung von Innen- und Außenrohr erleichtert, und zwar auch beim Einfüllen des Zuschlages beziehungsweise beim Injizieren der Zementsuspension.

Dieses, bei der Herstellung des Behälters untere Behälter­ ende bildet beim fertigen Behälter (nach Drehung um 180°) das obere Behälterende. Auf diese Weise können zum Beispiel nach Abschrauben des Stahldeckels, abgebrannte Brennelemente in den Freiraum des Innenrohres eingelegt und der Behälter danach wieder verschlossen werden.

Die Stabilität des Behälters wird nennenswert verbessert, wenn vor dem Einfüllen des Zuschlages eine Armierung in den Ringspalt beziehungsweise den zwischen dem oberen geschlossenen Ende des Innenrohres und dem offenen Ende des Außenrohres ausgebildeten Raum eingelegt wird. Hierdurch wird auch die Wärmeableitung bei der Hydratation des Zement s verbessert.

Eine solche Armierung kann zum Beispiel aus einem Bewehrungskorb bestehen, der sich im wesentlichen über das gesamte Volumen des Ringspaltes beziehungsweise des genann­ ten Raumes erstreckt.

Soweit vorstehend davon gesprochen wurde, daß die Zement­ suspension unter Hochdruck eingedüst wird, so bedeutet dies zunächst einen Druck über 1 bar. Mit zunehmender Füllungs­ höhe des Ringspaltes und einem entsprechend höheren hydro­ statischen Druck ist es notwendig, auch den Injektionsdruck der Zementsuspension zu erhöhen, was je nach Behälterhöhe (beispielsweise 3 m) auf einen Injektionsdruck bis zu 15 bar führen kann.

Dabei wird von einer Breite des Ringspaltes von beispiels­ weise 20 bis 30 cm ausgegangen. Auch die genannte "Beton- Bodenplatte" kann eine entsprechende Dicke aufweisen.

Da die Dichte von Stahl höher ist als die Dichte des Schwer­ betons, können die endseitigen Behälterdeckel etwas geringere Wandstärken aufweisen, beispielsweise 5 bis 15 cm.

Wie ausgeführt umfaßt die Erfindung auch einen Behälter zum Transport und zur Lagerung-von radioaktiv strahlendem Material, der entsprechend durch folgende Merkmale gekenn­ zeichnet ist:

• - Der Behälter besteht aus einem Außenrohr aus Metall und einem darin mit umlaufend gleichem Abstand angeordneten Innenrohr aus Metall unter Ausbildung eines Ringspaltes konstanter Breite zwischen Innen- und Außenrohr,
• - der Ringspalt zwischen Innen- und Außenrohr ist mit einem Schwerbeton ausgefüllt, der aus einem Zuschlag oder Zuschlaggemisch mit einer Rohdichte < 4,2 g/cm³ und einem, Zwickel zwischen dem Zuschlag ausfüllenden Zement besteht, wobei der Schwerbeton eine Rohdichte von < 4.100 g/cm³ und eine 28-Tage-Druckfestigkeit gemäß DIN 1048 Teil 2 von < 45 N/mm² aufweist, und
• - Außenrohr und Innenrohr endseitig mit einem Metallboden und einem Metalldeckel verschlossen sind, wobei wenigstens der Metalldeckel lösbar angeordnet ist.

In einer Ausführungsform kann der Behälter so ausgebildet sein, daß das Innenrohr mit Abstand vor dem unteren Ende des Außenrohres endet, an diesem Ende verschlossen ist und zwischen dem verschlossenen unteren Ende des Innenrohres und dem unteren Ende des Außenrohres eine Schwerbetonplatte vor­ handen ist, die materialschlüssig mit dem im Ringspalt vor­ handenen Schwerbeton ist.

Dabei beschreibt diese Ausführungsform den Behälter im Gebrauchszustand. Zur Herstellung werden Innen- und Außen­ rohr um 180° gedreht angeordnet, wie vorstehend beschrieben.

Entsprechend dem beanspruchten Verfahren kann der Schwer­ beton armiert sein, wobei die Armierung beispielsweise aus einem Bewehrungskorb besteht.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Merk­ malen der Unteransprüche sowie den sonstigen Anmeldungs­ unterlagen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispieles näher erläutert.

Dabei zeigen - jeweils in schematisierter Darstellung -

Fig. 1 eine Anordnung von Stahl-Außen- und Stahl-Innenrohr vor dem Einfüllen eines Beton-Zuschlages,

Fig. 2 die Anordnung nach Fig. 1, wobei der zwischen Außen- und Innenrohr ausgebildete Raum mit Zuschlag gefüllt ist,

Fig. 3 die Anordnung nach Fig. 2, bei der der Raum zwischen Außen- und Innenrohr etwa hälftig zusätz­ lich mit einer Zementsuspension ausgefüllt ist,

Fig. 4 einen fertigen Behälter im Längsschnitt.

In Fig. 1 ist ein Stahl-Außenrohr 10 und ein darin konzen­ trisch angeordnetes Stahl-Innenrohr 12 zu erkennen.

Außenrohr 10 und Innenrohr 12 stehen mit ihrem jeweils unteren Ende auf einem Deckel 14 auf, wobei der Deckel 14 über zwei konzentrische Flansche 16, 18 mit Innengewinde auf korrespondierende Außengewinde am unteren Ende des Außen­ rohres 10 und des Innenrohres 12 aufgeschraubt ist.

Das Innenrohr 12 ist kürzer als das Außenrohr 10 und endet entsprechend mit Abstand zum oberen Rand des Außenrohrs 10. Das Innenrohr 12 ist am oberen Ende mit einer Stahlplatte 20 verschlossen.

Entsprechend wird zwischen Außenrohr 10 und Innenrohr 12 ein Ringspalt 22 konstanter Breite (b) und zwischen der Stahl­ platte 20 und dem oberen Ende des Außenrohrs 10 ein Raum 24 ausgebildet.

Im nächsten Arbeitsschritt werden der Ringspalt 22 und der Raum 24 mit einem Bewehrungskorb 26 aus Stahl ausgefüllt (Fig. 2). Die Bewehrung kann auch vorher an der Innenwand des Außenrohrs und/oder an der Außenwand des Innenrohrs befestigt, zum Beispiel angeschweißt sein.

Anschließend wird ein Schwerbeton-Zuschlag in den Ringspalt 22 und den Raum 24 gefüllt, der hier aus 20 Gew.-% Baryt der Kornfraktion 4/8 mm, aus 30 Gew.-% Baryt der Kornfraktion 8/16 mm und 50 Gew.-% Stahlkugeln mit einem Durchmesser zwischen 5 und 8 mm in homogener Mischung besteht (Fig. 2).

Danach schließt sich die Injektion eines Zement/Wasser/Ver­ flüssiger-Gemisches in den vom Bewehrungskorb 26 und Zuschlag 28 eingenommenen Raum an (Fig. 3).

Dazu weist das Außenrohr 10 zwei, um 180° zueinander ver­ setzte Öffnungen 30 auf, in die jeweils ein rohrförmiger Adapter 32 eingeschraubt ist. Die Öffnungen sind am unteren Ende des Außenrohres 10 angeordnet.

An die Adapter 32 wird anschließend eine Förderleitung (schematisch durch den Pfeil 34 dargestellt) angeschlossen.

Über die Förderleitung wird anschließend ein Zement/Wasser/ Verflüssiger-Gemisch in Form einer viskosen Suspension unter Druck in den Ringspalt 22 eingedüst. Im vorliegenden Fall besteht die Suspension aus Zement des Typs CEM I 42,5, einem Wassergehalt von 35%, bezogen auf den Zement und einem Anteil von 3% Verflüssiger (Fließmittel hier: Melamin­ sulfonat), bezogen auf den Zementanteil.

Während unmittelbar nach Beginn der Injektion die Zement­ suspension nach unten auf die Innenseite des Deckels 14 gelangt, wird der Ringspalt 22 anschließend nach und nach von unten nach oben mit der Zementsuspension ausgefüllt, die dabei die Freiräume (Zwickel) zwischen den Zuschlagteilen und der Bewehrung ausfüllt.

In Fig. 3 ist ein etwa 50%-iger Füllungsgrad des Ring­ spaltes 22 durch die Linie 36 gekennzeichnet.

Unter ständiger Erhöhung des Injektionsdrucks (bis etwa 15 bar) wird die Zementsuspension anschließend weiter injiziert, bis der Ringspalt 22 und der darüber angeordnete Raum 24 vollständig mit der Zementsuspension gefüllt sind.

Nach dem Abbinden und Aushärten des Zements wird eine Stahl­ platte 38 (in Fig. 3 gestrichelt dargestellt) auf das obere Ende des Außenrohres 10 aufgeschweißt.

Danach wird die Anordnung um 180° gedreht (Fig. 4). Bei Bedarf kann der Behälterdeckel 14 anschließend durch einen anderen Stahldeckel 40 ersetzt werden.

Vorzugsweise werden die Öffnungen 30 am fertigen Behälter ebenfalls verschlossen.

Die 7-Tage-Druckfestigkeit gemäß DIN 1048, Teil 2 des Schwerbetons beträgt 26 N/mm², die entsprechende 28-Tage- Druckfestigkeit 46 N/mm².

Der Elastizitätsmodul des Betons wurde in Anlehnung an DIN 1048 Teil 5 mit 30.000 N/mm² bestimmt.

Claims (15)

1. Verfahren zur Herstellung eines Behälters zum Transport und zur Lagerung von radioaktiv strahlendem Material, mit folgenden Schritten:

• 1.1 ein Innenrohr aus Metall wird in ein Außenrohr aus Metall so eingestellt, daß zwischen Innen- und Außen­ rohr ein Ringspalt konstanter Breite entsteht,
• 1.2 danach wird der Ringspalt mit einem Zuschlag oder Zuschlaggemisch ausgefüllt, dessen minimale Korngröße 2 mm und dessen maximale Korngröße 20 mm beträgt, wobei mindestens 95 Gew.-% des Zuschlages eine Roh­ dichte < 4,2 g/cm³ aufweisen,
• 1.3 anschließend wird durch mindestens eine Öffnung am bodenseitigen Ende des Innen- und/oder Außenrohres eine Suspension aus Zement, Wasser und Verflüssiger unter Hochdruck in den Ringspalt eingepreßt, bis die Suspension unter vollständiger Verfüllung der zwischen dem Zuschlag vorhandenen Zwickel das obere Ende des Außenrohres erreicht hat,
• 1.4 wobei die Suspension so eingestellt wird, daß der gemeinsam mit dem Zuschlag gebildete Beton eine Roh­ dichte < 4.100 g/cm³ und der im Ringspalt abgebundene Zement gemeinsam mit dem Zuschlag eine Beton-Druckfestigkeit gemäß DIN 1048 Teil 2 von < 45 N/mm² nach 28 Tagen aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Zement ein Port­ landzement des Typs CEM I 42,5 oder höherwertig eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Zuschlag Baryt, Ferrophosphor, Magnetit, Eisen, Blei, Haematit, Hart­ gußgranulat sowie andere Metalle oder Mischungen der vorgenannten Zuschläge eingesetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem als Zuschlag ein Gemisch aus Baryt, Ferrophosphor, Magnetit, Haematit oder Mischungen daraus in Kombination mit Stahlkugeln einge­ setzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem als Zuschlag ein Gemisch aus Baryt, Ferrophosphor, Magnetit, Haematit oder Mischungen daraus in den Kornfraktionen 4/8 mm und 8/16 mm in Kombination mit Stahlkugeln mit einem Durchmesser zwischen 4 und 10 mm eingesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem als Zuschlag ein Gemisch aus Baryt, Ferrophosphor, Magnetit, Haematit oder Mischungen daraus in einem Anteil von 15 bis 25 Gew.-% für eine Kornfraktion 4/8 mm und in einem Anteil von 25 bis 35 Gew.-% für eine Kornfraktion 8/16 mm in Kombination mit 45 bis 55 Gew.-% Stahlkugeln mit einem Durchmesser zwischen 4 und 8 mm eingesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein am oberen Ende geschlossenes Innenrohr verwendet wird, das kürzer als das Außenrohr ist, wobei der Raum zwischen dem oberen geschlossenen Ende des Innenrohres und dem oberen Rand des Außenrohres ebenfalls mit Zuschlag ausgefüllt und die Zwickel zwischen dem Zuschlag mit der Suspension verfüllt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Innenrohr und das Außenrohr vor dem Einfüllen des Zuschlages an ihrem unteren Ende mit einem Metalldeckel verschlossen werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 7, bei dem vor Einfüllen des Zuschlages eine Armierung in den Ringspalt und/oder den zwischen dem oberen geschlossenen Ende des Innen­ rohres und dem offenen Ende des Außenrohres ausgebildeten Raum eingelegt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem als Armierung ein Bewehrungskorb verwendet wird, der sich im wesentlichen über das gesamte Volumen des Ringspaltes und/oder Raumes erstreckt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das obere, untere oder das obere und untere Ende des Außenrohres nach dem Abbinden der Suspension mit einem Metalldeckel oder einer Metallhaube dichtend geschlossen wird, wobei min­ destens ein Metalldeckel oder eine Metallhaube lösbar auf das Außenrohr aufgesetzt wird.

12. Behälter zum Transport und zur Lagerung von radioaktiv strahlendem Material mit folgenden Merkmalen:

• 12.1 der Behälter besteht aus einem Außenrohr (10) aus Metall und einem darin mit umlaufend gleichem Abstand angeordneten Innenrohr (12) aus Metall unter Ausbildung eines Ringspaltes (22) konstanter Breite zwischen Innen- und Außenrohr (12, 10),
• 12.2 der Ringspalt (22) zwischen Innen- und Außenrohr (12, 10) ist mit einem Schwerbeton ausgefüllt, der aus einem Zuschlag oder Zuschlaggemisch (28) mit einer Rohdichte < 4,2 g/cm³ und einem, Zwickel zwischen dem Zuschlag ausfüllenden Zement besteht, wobei der Schwerbeton eine Rohdichte von < 4.100 g/cm³ und eine 28-Tage-Druckfestigkeit gemäß DIN 1048, Teil 2 von < 45 N/mm² aufweist,
• 12.3 Außenrohr (10) und Innenrohr (12) sind endseitig mit einem Metallboden (38) und einem Metalldeckel (14) verschlossen, wobei wenigstens der Metalldeckel (14) lösbar angeordnet ist.

13. Behälter nach Anspruch 12, bei dem das Innenrohr (12) mit Abstand vor dem unteren Ende des Außenrohres (10) endet, an diesem Ende verschlossen ist und zwischen dem verschlossenen unteren Ende des Innenrohres (12) und dem unteren Ende des Außenrohres (10) eine Schwerbetonplatte vorhanden ist, die materialschlüssig mit dem im Ring­ spalt vorhandenen Schwerbeton ist.

14. Behälter nach Anspruch 12 oder 13, bei dem der Schwer­ beton armiert ist.

15. Behälter nach Anspruch 14, bei dem die Armierung aus einem Bewehrungskorb (26) besteht.