DE4017987A1

DE4017987A1 - Conditioning spent control rods and fuel cans - from boiling water nuclear reactors for final storage

Info

Publication number: DE4017987A1
Application number: DE4017987A
Authority: DE
Inventors: Evangelos Dr Gidarakos; Werner Dr Spalthoff; Dietrich Dipl Ing Wittstock
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Ingenieurtechnik GmbH
Priority date: 1990-06-05
Filing date: 1990-06-05
Publication date: 1991-12-12
Also published as: DE4017987C2

Abstract

Conditioning of spent control rods and fuel cams from boiling water reactors for final storage is carried out by transporting the whole rods and cams to a plant accommodating one or more hot cells, disintegrating the rods and cams in the hot cell(s) and packing them into final storage screened containers. ADVANTAGE - Contamination problems are avoided, since any dust and debris are retained in the air filters of the hot cells, and tritium release is insignificant since the control rods do not contact water in the hot cells. Additionally, waste volume redn. is achieved so that fewer containers and less final storage space are required.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Konditionierung, d. h. zur Zerkleinerung und Verpackung, verbrauchter Steuerelemente und Brennelementkästen aus Kernkraftwerken mit Siedewasserreaktor für die Endlagerung.The invention relates to methods for conditioning, i. H. to Shredding and packaging, used controls and Fuel assemblies from nuclear power plants with boiling water reactors for the final storage.

Bestehende Kernkraftwerke mit Siedewasserreaktor enthalten in ihrem Reaktorkern außer den Brennelementen bis zu 205 Steuerelemente und bis zu 840 Brennelementkästen. (Einem derartigen Typ entspricht das 1300-MW-Kernkraftwerk Krümmel, wobei eine entsprechende Erläute rung in "Atomwirtschaft" 20, 1975, Seiten 66 bis 73 von P. Banz, K. Lange-Stalinski und H. Mitschel zu finden ist.)Existing nuclear power plants with boiling water reactors contain in their Reactor core in addition to the fuel elements up to 205 controls and up to 840 fuel assemblies. (It corresponds to such a type 1300 MW nuclear power plant Krümmel, with a corresponding explanation tion in "Atomwirtschaft" 20, 1975, pages 66 to 73 by P. Banz, K. Lange-Stalinski and H. Mitschel can be found.)

Die Brennelemente enthalten in ihrem Inneren Uran oder ein anderes spaltbares Material als Kernbrennstoff. Nach etwa vier Betriebsjah ren ist der Kernbrennstoff soweit aufgebraucht, daß die Brennele mente aus dem Reaktorkern entnommen werden müssen. Sie werden nach speziellen Verfahren, die nicht Gegenstand der Erfindung sind, wei terbehandelt.The fuel elements contain uranium or another inside fissile material as nuclear fuel. After about four years of operation Ren is the nuclear fuel so far that the fuel elements have to be removed from the reactor core. You will after special methods that are not the subject of the invention, white treated.

Die Steuerelemente sind im Reaktorkern beweglich angeordnet und dienen zur Regulierung des Neutronenflusses. Sie bestehen im allge meinen aus vier kreuzförmig angeordneten Blättern, welche ein neu tronenabsorbierendes Material, z. B. Borcarbid (B₄C), enthalten. Das Strukturmaterial ist überwiegend nichtrostender Stahl. Die Steuerelemente weisen eine Länge von bis zu 4370 mm und eine Breite von bis zu 258 mm auf. Die Blattdicke beträgt etwa 8 mm.The control elements are movably arranged in the reactor core and serve to regulate the neutron flow. They generally consist of four cross-shaped leaves, which contain a new tron-absorbing material, e.g. B. boron carbide (B ₄ C). The structural material is predominantly stainless steel. The controls have a length of up to 4370 mm and a width of up to 258 mm. The sheet thickness is about 8 mm.

Jedes Brennelement im Reaktorkern ist von einem quadratischen Brennelementkasten umschlossen, der zur Kühlwasserführung dient und vom Brennelement abgezogen werden kann. Die Brennelementkästen be stehen überwiegend aus der Zirkoniumlegierung Zirkaloy-4. Ihre Länge beträgt bis zu 4239 mm und ihre Breite bis zu 139 mm. Die Wandstärke ist etwa 3 mm. Each fuel element in the reactor core is of a square Enclosed fuel box, which serves for cooling water and can be deducted from the fuel assembly. The fuel boxes are mainly made of zirconium alloy Zirkaloy-4. Your Length is up to 4239 mm and their width up to 139 mm. The Wall thickness is about 3 mm.

Die Steuerelemente und Brennelementkästen erleiden während ihres Einsatzes im Reaktorkern strukturelle und stoffliche Veränderungen, die dazu führen, daß sie nach etwa 8 bis 10 Jahren verbraucht sind und aus dem Reaktorkern entnommen werden müssen. Diese Reaktorkom ponenten sind hoch radioaktiv und zudem sehr sperrig und werden in Kernkraftwerken zunächst in Brennstofflagerbecken aufbewahrt.The controls and fuel boxes suffer during their Use of structural and material changes in the reactor core, which lead to the fact that they are used up after about 8 to 10 years and must be removed from the reactor core. This reactor comm components are highly radioactive and also very bulky initially stored in fuel storage basins in nuclear power plants.

Hauptsächlich aus Platzgründen ist es erforderlich, sowohl die verbrauchten Steuerelemente als auch die Brennelementkästen möglichst bald aus dem Lagerbecken zu entfernen. Bisher war vorgesehen, diese Komponenten in den Kernkraftwerken zu konditio nieren, d. h. sie z. B. im Brennstofflager oder einem anderen Becken unter Wasser mit geeigneten Vorrichtungen zu zerkleinern und in abgeschirmte Behälter zu verpacken, die anschließend über Wasser durch Abpumpen getrocknet und für den Transport zu einem Zwischen- oder Endlager für radioaktive Abfälle vorbereitet werden.Mainly for reasons of space, it is necessary to use both spent controls as well as the fuel boxes to be removed from the storage pool as soon as possible. So far provided to condition these components in the nuclear power plants kidneys, d. H. they z. B. in the fuel store or another pool to shred under water with suitable devices and in to pack shielded containers, which are then placed over water dried by pumping and for transport to an intermediate or repositories for radioactive waste are prepared.

Als abgeschirmte Behälter für die radioaktiven Abfälle kommen in der BRD für das Endlager Konrad standardisierte zugelassene Gußbe hälter vom Typ II in Frage. (Erläuterungen hierzu finden sich in "Anforderungen an endzulagernde radioaktive Abfälle-Schachtanlage Konrad", P. Brennecke, E. Warnecke, interner Arbeitsbericht PTB- SE-IB-53 der Physikalisch Technischen Bundesanstalt Braunschweig).As shielded containers for the radioactive waste come in Germany approved standardized cast iron for the Konrad repository type II container in question. (Explanations can be found in "Requirements for radioactive waste mine to be disposed of Konrad ", P. Brennecke, E. Warnecke, internal work report PTB- SE-IB-53 of the Physikalisch Technische Bundesanstalt Braunschweig).

Erste Versuche zur Zerkleinerung und Verpackung von verbrauchten Brennelementkästen im Brennstofflagerbecken einiger Kernkraftwerke zeigten, daß dieses Verfahren die folgenden erheblichen Nachteile aufweist. Die zu entsorgenden Teile sind von einer bis zu 0,5 mm dicken Ablagerungsschicht überzogen, die sich bei den Handhabungen ablöst und als Staub im Wasser ausbreitet. Dies führt zu einer starken radioaktiven Verschmutzung des Brennstofflagerbeckens und seiner Umgebung.First attempts to shred and pack used Fuel boxes in the fuel storage pool of some nuclear power plants showed that this method has the following significant disadvantages having. The parts to be disposed of are from up to 0.5 mm thick layer of deposit that is covered during handling peels off and spreads as dust in the water. This leads to a heavy radioactive pollution of the fuel storage pool and its surroundings.

Darüber hinaus kommt bei der Konditionierung verbrauchter Steuerele mente in einem Lagerbecken hinzu, daß die Elemente aufgrund der Bestrahlung im Reaktor erhebliche Mengen an radioaktivem Tritium (etwa 2 bis 3 _* 10¹²Bq) enthalten und einige Prozent des Tritiums bei der Zerlegung der Steuerelemente unter Wasser freigesetzt werden. Infolgedessen ist eine Kontamination des Lagerbeckens durch das freigesetzte Tritium, welches ein besonders gefährliches Radio nuklid darstellt, nicht vermeidbar.In addition, in the conditioning of used control elements in a storage tank, the elements contain considerable amounts of radioactive tritium (about 2 to 3 _* 10 ¹² Bq) due to the radiation in the reactor and a few percent of the tritium in the disassembly of the controls under water to be released. As a result, contamination of the storage pool by the released tritium, which is a particularly dangerous radio nuclide, cannot be avoided.

Ein weiterer gravierender Nachteil der Konditionierung im Lagerbec ken besteht darin, daß die besagten Komponenten einen erheblichen Platz im Brennstofflagerbecken beanspruchen und dadurch zu einer Beeinträchtigung des laufenden Reaktorbetriebs führen.Another serious disadvantage of conditioning in the Lagerbec ken is that the said components have a significant Take up space in the fuel storage pool and thus become one Impairment of the ongoing reactor operation.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Konditionierung verbrauchter Steuerelemente und Brennelementkästen anzugeben, das die oben beschriebenen Kontaminationsprobleme und nachteiligen Auswirkungen vermeidet und eine möglichst endlagerge rechte Konditionierung gestattet.The invention is therefore based on the object of a method for Conditioning of used controls and fuel boxes to indicate that the contamination problems and avoids adverse effects and a repository as possible right conditioning allowed.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the subject matter of patent claim 1 solved.

Danach werden die genannten Nachteile vermieden, indem die Kompo nenten nicht im offenen Brennstofflagerbecken des Kernkraftwerks sondern in einer Heiße-Zellen-Anlage in geschlossenen Heißen Zellen zerlegt und endlagergerecht verpackt werden. Die bei der Handhabung und Zerkleinerung der Komponenten freigesetzten Stäube und Bearbei tungsspäne werden in den Abluftfiltern der Heißen Zellen zurückge halten und können nicht in die Umgebung gelangen. Das in den Steuerelementen vorhandene Tritium wird nur in vernachlässigbaren Mengen freigesetzt, da die Steuerelemente bei der Zerlegung und Handhabung in der Heißen Zelle nicht mit Wasser in Berührung kommen. Then the disadvantages mentioned are avoided by the Kompo not in the open fuel storage pool of the nuclear power plant but in a hot cell system in closed hot cells be disassembled and packaged for disposal. The handling and crushing the components released dust and processing Processing chips are returned in the exhaust air filters of the hot cells hold and cannot get into the environment. That in the Controls existing tritium will only be negligible Quantities released as the controls break down and Handling in the hot cell not in contact with water come.

Ein weiterer wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be steht im Hinblick auf die erzielbare Volumenreduzierung. Aufgrund der besseren Hantierungsmöglichkeiten in einer Heißen Zelle können die Lagerbehälter mit den Abfällen platzsparender gefüllt werden, und es werden dadurch weniger Behälter und Endlagerraum benötigt.Another important advantage of the method according to the invention be stands with regard to the achievable volume reduction. Because of the better handling options in a hot cell the storage containers are filled with the waste to save space, and less containers and final storage space are required.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Zeich nungen näher erläutert. Es zeigenIn the following the method according to the invention is shown in the drawing nations explained in more detail. Show it

Fig. 1 ein gebräuchliches Steuerelement sowie einen Brennele mentkasten jeweils von der Seite und im Querschnitt und Fig. 1 is a common control element and a Brennele mentkasten each from the side and in cross section and

Fig. 2 einen normierten Endlagerbehälter im Längsschnitt und von oben mit darin aufgenommenen Teilen zerkleinerter Steuer elemente. Fig. 2 is a standardized repository container in longitudinal section and elements from above with shredded control elements.

Das erfindungsgemäßen Verfahrens der trockenen Zerlegung eines Steuerelements ist grundsätzlich in jeder über eine oder mehrere Heiße Zellen ausreichender Größe zur Aufnahme der in Frage ste henden Komponenten verfügenden Anlage ausführbar. Z. B. ist die Heiße-Zellen-Anlage des GKSS-Forschungszentrums in Geesthacht geeignet. Die in den Heiße-Zellen-Anlagen oder Strahlenschutzzel lenanlagen dieser Art bestehenden Einrichtungen (Schleusen, Absaug einrichtungen, Maschinen und Manipulatoren) zur Handhabung radioak tiver Materialien weisen alle technischen Voraussetzungen für eine effektive Zerlegung von Steuerelementen und Brennelementkästen auf. Dasselbe gilt auch für die Verpackung der zerlegten Teile.The inventive method of dry decomposition of a Control is basically in everyone over one or more Hot cells of sufficient size to hold the cells in question existing components executable system. For example, that is Hot cell system of the GKSS research center in Geesthacht suitable. The one in the hot cell systems or radiation protection cell oil plants of this type existing facilities (locks, suction facilities, machines and manipulators) for handling radioactive tive materials have all the technical requirements for one effective disassembly of controls and fuel boxes. The same applies to the packaging of the dismantled parts.

Nachdem die aus dem Reaktorkern entnommenen Steuerelemente bzw. Brennelementkästen in unzerlegtem Zustand in entsprechenden Sicherheitsfahrzeugen zu einer derartigen Anlage transportiert worden sind, werden die Elemente und Kästen parallel oder aufeinan derfolgend in eine oder mehrere der vorhandenen Zellen einge schleust und dort zerlegt, gegebenenfalls komprimiert und in Standard-Endlagerbehälter verpackt. After the control elements or removed from the reactor core Fuel assemblies in undismantled condition in appropriate Security vehicles transported to such a facility the elements and boxes are parallel or on top of each other subsequently inserted into one or more of the existing cells lock and disassembled there, if necessary compressed and in Standard repository container packed.

Dabei wird vorzugsweise in der folgenden Weise für die Zerlegung eines in Fig. 1 in vereinfachter Weise gezeigten Steuerelements und eines dort ebenfalls schematisch skizzierten Brennelementkastens vorgegangen.The following procedure is preferably followed for the disassembly of a control element shown in a simplified manner in FIG. 1 and a fuel element box likewise schematically outlined there.

In einem ersten Arbeitsgang werden das Steuerelement 1 bzw. der Brennelementkasten 2 in der Heißen Zelle in ihrer Längsrichtung in Abschnitte solcher Länge zerlegt, daß sie senkrecht in einen für das Endlager vorgesehenen Behälter passen. Die schematisch angedeu teten Unterteilungen 3 erfolgen bevorzugt durch Sägen mit einer Bügelsäge, können jedoch auch durch andere Methoden wie Trenn schleifen, Plasmabrennen oder Schneidbrennen erfolgen.In a first operation, the control element 1 or the fuel assembly box 2 in the hot cell are broken down in their longitudinal direction into sections of such a length that they fit vertically into a container intended for the repository. The schematically indicated subdivisions 3 are preferably carried out by sawing with a hacksaw, but can also be done by other methods such as cutting, plasma burning or cutting.

In einem zweiten Arbeitsgang werden die so gewonnenen Abschnitte in der Heißen Zelle durch eine dort vorgesehene manipulierbare Preßeinrichtung in eine flache Form gebracht oder durch in Fig. 1 angedeutete Längsschnitte 4 in flache Teile zerlegt.In a second operation, the sections obtained in this way are brought into a flat shape in the hot cell by means of a manipulable pressing device provided there, or broken down into flat parts by longitudinal cuts 4 indicated in FIG. 1.

Die Längsschnitte erfolgen bevorzugt durch Fräsen, jedoch sind auch andere Methoden wie Sägen, Trennschleifen, Plasmabrennen oder Schneidbrennen anwendbar.The longitudinal cuts are preferably made by milling, but are also other methods such as sawing, abrasive cutting, plasma burning or Cutting torch applicable.

Die linke Hälfte der Fig. 2 zeigt in vereinfachter Form einen für das Endlager Konrad vorgesehenen Lagerbehälter für radioaktive Abfälle. Dieser Gußbehälter Typ II mit einer Abschirmung von 160 mm Stahl 5 und bis zu 100 mm Blei 6 ist unter den für das Endlager vorgesehenen Behältern für die Einlagerung von Steuerelementen oder Brennelementkästen der geeigneteste.The left half of FIG. 2 shows in simplified form a storage container for radioactive waste provided for the Konrad repository. This cast iron container type II with a shield of 160 mm steel 5 and up to 100 mm lead 6 is the most suitable of the containers intended for the repository for the storage of control elements or fuel boxes.

Die in den beiden beschriebenen Arbeitsgängen gewonnenen flachen Teile werden in einem dritten Arbeitsgang in der Heißen Zelle in den geöffneten Lagerbehälter eingebracht. Anschließend wird der Behälter in der Zelle mit dem Behälterdeckel 7 verschlossen und dann aus der Zelle ausgeschleust. The flat parts obtained in the two operations described are introduced into the opened storage container in a third operation in the hot cell. The container in the cell is then closed with the container lid 7 and then discharged from the cell.

Die rechte Hälfte der Fig. 2 zeigt ein Beispiel für eine platzspa rende Raumaufteilung des Behälters für die Einlagerung von Steuer elementteilen. Der Innenraum des Lagerbehälters ist vergrößert in Draufsicht dargestellt. Die Raumaufteilung erfolgt in der in der Figur angedeuteten Weise durch senkrechte Bleche. Die Steuerelemen te sind gemäß dem oben erläuterten Verfahren zunächst in Längsab schnitte zerlegt worden, die daraufhin in vier Blatteile und ein Mittelteil zerlegt worden sind. Die mit 8 angedeuteten Blatteile von 8 mm Dicke werden senkrecht nebeneinander in die angezeigten rechteckigen Fächer und die bei 9 angedeuteten Mittelteile in die übrigen Fächer am Rand gebracht. Es ist auf diese Weise möglich, beispielsweise die Teile von mindestens acht Steuerelementen wie sie z. B. im Kernkraftwerk KRB-A in Gundremmingen eingesetzt wurden, in Fächer der gezeigten Größe in einem Gußbehälter Typ II unterzu bringen.The right half of Fig. 2 shows an example of a space-saving room layout of the container for the storage of control element parts. The interior of the storage container is shown enlarged in plan view. The division of space takes place in the manner indicated in the figure by means of vertical metal sheets. The Steuerelemen te were first broken down into longitudinal sections according to the method explained above, which were then broken down into four leaf parts and a central part. The 8 mm thick sheet parts indicated with 8 are placed vertically next to each other in the rectangular compartments shown and the middle parts indicated with 9 in the other compartments on the edge. It is possible in this way, for example the parts of at least eight control elements such as. B. were used in the nuclear power plant KRB-A in Gundremmingen to accommodate in compartments of the size shown in a cast iron container type II.

Für Brennelementkästen, die ebenfalls in entsprechend dünne Teile ähnlicher Abmessungen zerlegbar sind, sind vergleichbar günstige Unterbringungsmöglichkeiten realisierbar.For fuel boxes, which are also in correspondingly thin parts Similar dimensions can be dismantled, are comparably cheap Accommodation options possible.

Wie bereits erwähnt, enthalten verbrauchte Steuerelemente Tritium. Um eine zusätzliche Sicherheit gegen eine Tritiumfreisetzung zu schaffen, ist es möglich, die Steuerelemente in der Heißen Zelle zunächst in einen Zwischenbehälter z. B. aus nichtrostendem Stahl zu packen, der mit einem Deckel versehen ist und beispielsweise durch eine Lippenschweißung in der Heißen Zelle verschlossen werden kann. Anschließend wird der auf die Innenabmessungen des Endlager- Gußbehälters abgestimmte Innenbehälter in der Zelle in den Gußbe hälter eingebracht und dieser dann verschlossen.As previously mentioned, spent controls contain tritium. To provide additional security against tritium release create, it is possible the controls in the hot cell first in an intermediate container z. B. made of stainless steel to pack, which is provided with a lid and, for example sealed by a lip weld in the hot cell can. Subsequently, the internal dimensions of the repository Cast container matched inner container in the cell in the Gußbe inserted and this then closed.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich außer für die Steuerele mente und Brennelementkästen der gezeigten Form und aufgeführten Abmessungen auch auf anders bemessene und geformte Komponenten dieser Art anwenden. Dasselbe gilt für die Endlagerbehälter. Der geschilderte Typ II ist zur Zeit unter den zugelassenen Standardbe hältern für das angesprochene Endlager der geeigneteste. Sollten jedoch in Zukunft oder auch bei anderen Lagerstandorten andersartig geformte und bemessene Lagerbehälter vorgesehen sein, so können die Steuerelemente und Brennelementkästen ohne weiteres mit dem erfin dungsgemäßen Verfahren in den Heißen Zellen in flache und kompakte Einzelteile zerlegt werden, die platzsparend in solchen anderen Behältern unterbringbar sind.The method according to the invention can be used except for the control elements elements and fuel boxes of the shape shown and listed Dimensions also on differently dimensioned and shaped components apply this type. The same applies to the repository. The Type II described is currently under the approved Standardbe the most suitable for the addressed repository. Should however different in the future or at other storage locations shaped and dimensioned storage containers can be provided, so the Controls and fuel boxes with the erfin Process according to the invention in the hot cells in flat and compact Individual parts can be disassembled to save space in such others Containers can be accommodated.

Claims

1. Procedure for conditioning used controls and Fuel assemblies from boiling water reactors in nuclear power plants for final storage, in which these elements and boxes as Whole to a sufficient over at least one hot cell Size-disposing hot-cell system can be transported and disassembled in this one or more hot cells and in shielding containers suitable for final storage.

2. The method according to claim 1, characterized in that the controls and focal element boxes in the hot cell mechanically or through different separation processes in longitudinal sections of such dimensions gen be broken down into one of the approved shielding container for a respective repository (like the Konrad repository for the FRG) fit.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the elements and boxes or their Longitudinal sections in the hot cell using a press device tion can be converted into flat parts.

4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the elements and boxes or their Longitudinal sections in the hot cell mechanically or by others Separation processes can be broken down into flat parts.

5. The method according to any one of claims 2 to 4, characterized in that the longitudinal sections or flat Parts standing vertically next to each other in the hot cell largely fill the space in an approved shielding container (for the Konrad repository in a type II cast iron container) ver be packed.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the disassembled elements and boxes, their longitudinal sections or flat parts in the hot cell first in an inner container with a gas-tight lid be packed, which then in the cell in the final storage right shielding container is brought.