用于核技术设备的燃料元件的中间储存系统 及其运行方法 本发明涉及一种用于核技术设备的燃料元件的中间储存系统。本发明另外涉及一种用于运行这种中间储存系统的运行方法。
在核技术设备中，尤其是核发电厂中通常采用核燃料。该核燃料被气密地封在包封管内。大量的这种含有燃料的包封管或者燃料棒在此分别构成了一个个燃料元件，它们通常应用在一个核反应堆压力容器内。在核反应堆压力容器内的放射性射线引发核燃料中的核反应。所述核燃料一方面通过核反应被消耗并释放出能量，另一方面又通过核反应释放出新的放射性射线。这些新的放射性射线是为维持所述核反应所必需的。作为核燃料在此通常采用浓缩的氧化铀或者再生燃料，尤其是由铀和钚组成的混合氧化物。
当一个燃料元件在其使用过程中所消耗的中子数超过由其核燃料中的核反应所产生的中子数时，就表示该燃料元件已被烧尽，并可用一个新的燃料元件来替换。这样用尽地燃料元件可输送到一个再生装置，以回收其中还可以用的、尚可裂变的材料来用在新的燃料元件中，或者也可输送到一个最终储存地。将用尽的燃料元件输送到最终储存地通常按三个阶段来进行。在第一个阶段中通常会出现这样的麻烦，即，一刚刚由所述核反应堆压力容器中取出的燃料元件还有很强的放射性，以致不能立刻考虑对其进行直接处理或通过陆路运输。在这一阶段中，所述燃料元件还要在水中储存较长时间，直至其残余活性和由此产生的再裂变热在很大程度上减弱为止。这种储存所需的时间视燃料元件的状态可能高达好几年。通常直接在核发电站中的一个所谓的衰减池槽中进行这样的储存。
在之后的第二阶段中，通常要对所述烧尽的燃料元件进行一种所谓的中间储存。在此规定所述中间储存是为了将燃料元件的残余活性和再裂变热量进一步减弱，以便可以随后没有过高热量输入地将所述用尽的燃料元件置放到一个最终储存容器中。在中间储存时，通常将燃料元件置放到专门为此设计的传输和储存容器中。这类容器公知的例如有“Castor”。在这类容器中，所述燃料元件得到适当的封装并保持与外界屏蔽开来。较大数量的此类运输和储存容器可整合成一个总的中间储存器。这种中间储存原理也被称为“容器-干燥式储存法”。
在完成中间储存后，通常也就是在大约50年至100年之后，在燃料元件的残余活性和再裂变热量衰减到一个低于将燃料元件转移到一个最终储存器中所需的极限值的数值之后，在第三阶段将所述燃料元件转移到一个相配属的最终储存地。该最终储存地例如可以是矿工在山岳中所开采出的空腔。
目前通常采用的用于将燃料元件送到最终储存地的原理从其最基本的预先规定出发基本上是致力于在一个再生循环中符合标准地利用燃料元件。在一个再生循环中使燃料元件这样运行要利用这样的效应，即，在所述核燃料转换时也还可能形成新的可分裂的材料。该材料通过恰当的分离可从所述燃料中回收，然后作为燃料用在新的燃料元件上。然而在此需要予以考虑的是，在所谓的燃料元件循环周期开始时，亦即在各个燃料元件的典型使用期限开始时，因核反应附加形成的燃料的产生率高于燃料因其正在进行的核反应被消耗的降低率。然而，随着燃料元件的运行时间的增加，这一效应逐渐朝着不利于所述附加的可分裂材料的产生率的方向发展，直至最后连在应用燃料元件时所产生的燃料因核反应消减的速率比其因核反应所产生的速率更大为止。因此，按照一个基于再生的设计方案，在使用燃料元件时仅仅规定一个较短的使用寿命，以便在随后的再生过程中还能回收较多的新产生的燃料。为此，规定用于再生的燃料元件(例如在其燃料中有成分大约为3.5-4％的可分裂材料)通常应用到有大约40.000MW/dtU的平均燃耗。一旦一个燃料元件达到这样一个燃耗，就将其从核反应堆压力容器中取出，并随后将其送到再生装置中，以回收新产生的可分裂材料。
然而作为替代方案，却期望在使用燃料元件时放弃对燃料进行再生利用，取而代之的是在一次性利用后随即将其输送到最终储存地。在这种情况下不需要在对燃料元件进行基本设计时，尤其是在预先规定燃料元件的使用寿命时还要考虑所产生的新的可分裂材料随时间会日益加剧地减少这一现象。这种规定不用于再生循环中的燃料元件因此可例如设计为具有初始浓度约为5％的可分裂材料，并且只有在达到例如大约60.000MW/dtU的燃耗时才从核反应堆容器中取出。因此，不考虑为一个再生循环所必需的边界条件，就可提高所述核燃料的利用程度并随后立即将燃料元件转送到一个最终储存地。
然而，在为最终储存来制备这种更大程度地予以利用的燃料元件方面，在处理这种燃料元件时会出现其他附加的问题。这种燃料元件因为其较高的燃耗具有特别高的残余放射活性而且还具有特别高的再裂变热量。这些参数值有些时候可能对于中间储存所述燃料元件有重要意义。因为，在干式中间储存法中，亦即在将燃料元件暂存(中间储存)到为此所设置的运输和储存容器中时，燃料元件的一些特征参数，例如封装管的温度以及总放射线值对于在将燃料元件装入所述容器中时的堆积密度和载荷有限制作用。因此，恰恰在处理具有较高燃耗和相应较高再裂变热量的燃料元件时只能使用通常的运输和储存容器，其中装载的燃料元件的载荷密度显著下降。这样一种中间储存过程十分费劲也很昂贵。
因此，本发明的目的在于提供一种用于核技术设备的燃料元件的中间储存系统，该系统在以特别低的成本和有利的方式方法保持高的安全系数情况下，也允许可靠地中间储存具有较高燃耗的燃料元件。此外，本发明还提供了一种特别适合于运行这种中间储存系统的方法。
上述目的首先通过一种用于核技术设备的燃料元件的中间储存系统来实现，其具有一湿储存池槽，该储存池槽的内腔通过一与之配置的可按自然循环工作的次级冷却循环回路来循环冷却。
本发明基于以下构思：一个专门设计用于处理具有较高燃耗的燃料元件的中间储存系统应当特别适合于承载在此情形下所预计会有的较高的再裂变热量。为了在具有合理的高的燃料元件堆放密度或装载密度以及遵守很高安全标准的情况下也能实现这一点，应当背弃通常的干式中间储存器设计原则对各个燃料元件也进行特别强的冷却。而这可通过将中间储存系统转向设计为湿式储存器来实现。为了在这样的湿式储存器设计原则下，确保即便在燃料元件的装载量出现变化时也能特别可靠地运行，应当对用于所述燃料元件的冷却剂进行循环冷却，以使得在本身用于所述燃料元件的装载腔室中，亦即湿储存池槽中有一个近似不变的冷却剂温度。通过在很大程度上放弃主动式元件的情况下将所述循环冷却系统设计成一个被动式系统，所述中间储存系统即便在经过长时间的特别疏于维护的工作之后仍能特别可靠地运行。为此，所述为循环冷却所设置的次级冷却循环回路按自然循环原理工作，用以维持所述循环冷却。
一个按照自然循环原理工作的系统是一种热交换回路，其中，冷却介质的循环通过一个与一吸热元件相比其地理学位置设置更高的放热或本身由此被冷却的元件来保持。
对于用于冷却燃料元件的位于湿储存池槽中的冷却介质、尤其是冷却水的循环冷却，在此是通过将热量输入在次级循环回路中导引的次级冷却介质来实现的。为了实现该热量输入，在次级冷却循环回路中比较有利地连接有一些设置在湿储存池槽中的热交换器。通过将这些热交换器以有利的扩展结构设计悬挂在所述湿储存池槽中可获得一种特别简单和便于维护检修的布置结构。这种构造方式，亦即使用悬挂在湿储存池槽中的热交换器或冷却器，同时另外还因为用于输入和输出次级冷却介质的连接头位于上方，可以特别便利地对于故障情况实行有效管理。这是因为例如当次级冷却循环回路发生漏泄时可用简单的方式、例如通过一个消防水连接头向所述悬挂式冷却器补充进水。在这样的构造方式中，能始终确保将有时候容易被污染的池水与所述次级冷却介质分离开来。
为了另一方面可靠地对次级冷却回路中循环流动的次级冷却介质进行循环冷却，并因此特别能够保持湿储存池槽中有恒定的温度，按照另一种有利的扩展设计，使所述热交换器通过所述次级冷却回路与一些循环冷却元件相连。为可靠地维持自然循环，这些循环冷却元件在此有利地定位在湿储存池槽中的热交换器的上方。按照一种特别有利的设计，所述循环冷却元件定位在各个热交换器上方约5至10米处。
为了遵守高安全标准，所述湿储存池槽比较有利地特别针对漏泄、即便是管道破裂所导致的漏泄采取防护措施。为此，在坚定地放弃穿孔或放弃对管道开孔的情况下，所述湿储存池槽比较有利地具有一直通式池槽壁，尤其是一混凝土池槽壁。通过采用悬挂在湿储存池槽中的热交换器特别有利于实现这样一种一体式结构的构造方式，因为这些热交换器可以从一个位于所述湿储存池槽上方的区域被馈予次级冷却介质，并因此可放弃对池槽壁开设穿孔。此外，通过采用一个用于湿储存池槽中冷却介质的循环清洁系统也特别有助于实现这样一种一体式结构的构造方式。在这种循环清洁系统中，冷却介质通过一些循环泵循环流过清洁过滤器，从而保持冷却介质有恒定的高质量，无需为此在池槽中开设排污孔眼。
一种对于所述中间储存系统有特别高的防故障安全性及可靠性的扩展设计可由此来实现，即，用于所述燃料元件的位于湿储存池槽中的冷却介质通过许多冗余的且可相互独立地运行工作的元件来循环冷却。为此，所述次级冷却循环回路比较有利地包括一些相互并联连接的、供次级冷却剂在其中流过的并且可相互独立地被操纵运行的分支管路。
本发明有关方法方面的目的这样来实现，即，一种在一湿储存池槽中用于冷却所述燃料元件的冷却剂通过一个按照自然循环来运行的次级冷却循环回路来循环冷却。在此，通过一个相对于一个被所述冷却剂加热的热交换器设置于更高位置处的循环冷却元件来维持所述自然循环，就以特别简单和可靠的方式保证了所述次级冷却回路的循环。
恰恰在按照需求地处理具有较高燃耗、高达60.000MW/dtU的燃料元件时，比较有利地将处于所述湿储存池槽中的冷却剂的平均温度调节到大约40℃到45℃。
本发明所实现的优点主要在于，通过将所述中间储存系统按湿储存器原理来设计，具有相对较高再裂变热量的燃料元件也能以特别高的装载密度或堆放密度可靠地予以中间储存。正是在湿储存池槽中采用水作为用于冷却燃料元件的初级冷却剂时，该池槽中的储存条件在很大程度上与所述衰减池槽中的储存条件相同。这样一来，对于处理核废燃料的所述两个阶段，在运行工作条件方面就实现了高的兼容性。由于在这样一种中间储存器设计方案中，只需在很短时间内完成在储存池槽中的装载或卸载工作，因此可以将所述中间储存系统设计为只需很低的维护检修及操作成本。这一点通过将所述循环冷却系统基本上设计为被动式会得到进一步加强。按此设计，所述次级冷却介质按照自然循环原理流动，并因而在很大程度上放弃了主动式元件。尽管如此却仍能确保有特别高的运行安全性。
通过采用悬挂式冷却器、亦即悬挂在所述湿储存池槽中的并连接在所述次级冷却回路中的热交换器，还另外实现了所述湿储存池槽的池槽壁的完整结构，也就是说一种没有穿孔或打眼的结构。进而特别好地避免了所述湿储存池槽发生漏泄。此外，所述中间储存系统的简便且只需较少维护检修的可操作性以这样一种分散式总体结构方式来实现，即，在放弃采用大尺寸的中间储存器的同时设置许多相对较小的中间储存器，这些较小的中间储存器例如能够设置成在空间上与各个核技术设备紧邻，从而使得有待克服的运输路程特别短。
下面将结合附图详细描述本发明的一种实施方式。附图中：
图1为一个用于燃料元件的中间储存系统的俯视轮廓图；
图2为图1所示中间储存系统的局部纵剖视图；以及
图3为用于所述中间储存系统的一个循环冷却系统的线路方框图。
附图中的所有相同部件均用相同的附图标记来表示。
图1中以俯视图的形式以及在图2中以截取纵剖视图的形式示出的中间储存系统1被规定用于按照需要地中间储存燃料元件2。这些燃料元件2在图1中仅示意性地示出。为此，所述中间储存系统1具有一主建筑4，其内部规定作为用于燃料元件2的储存地。该主建筑4被一个封闭的具有高结构强度的例如混凝土的外壳6环绕。该外壳在其强度、材料选择和壁厚方面设计成能够完全或至少近似不受损伤地经受住很大的外界作用、例如飞机撞击。
在主建筑4内设有一些传统的操作或操纵元件8，它们设计成符合需求地处理各种燃料元件2。另外，在主建筑4内设有一可走行的桁梁式吊车10，它可以按照需要实现所述燃料元件2在主建筑4内的位置转移。此外，在所述外壳6之外以主建筑4的附属建筑物的形式连接有一个系统侧翼12，其中除了技术运行系统外还设有一个楼梯间以及其他服务单元。
所述中间储存系统1特别有利地设计成也可用于储存这一类燃料元件2，即，这类燃料元件从其运行方案看不是用于再生循环，而是更多地用于仅一次性使用后就运送到一个最终储存器中。这类燃料元件2依据其核燃料的成分就能相应地设计，其中，在其核燃料中可以有成分例如高达5％的可分裂材料。采用这类燃料元件2可以达到例如约60.000MW/dtU的较高燃耗。因此，从现在起就将所述中间储存系统1设计成，能够在较便利的条件下以特别低的成本可靠且安全地中间储存即便是具有这么高的燃耗及相应高的再裂变热的燃料元件。
为此，所述中间储存系统1按照一种湿式中间储存方案来设计。在所述中间储存系统1中，用来中间储存燃料元件2的储存地处于一个设置于主建筑4内部的湿储存池槽14中。该湿储存池槽14通过一高强度的具有很强结构承受力的池槽16来构成。该池槽在其侧部被一直通式池槽壁18限定。在此，该池槽壁18的所谓直通式结构的含义是指放弃穿孔或穿透管获得一种不间断的完整的壁结构。
在所述湿储存池槽14中是规定用于燃料元件2的中间储存位置。在作为中间储存器使用时，可向该湿储存池槽14中充入水W作为用于燃料元件2的冷却介质直至达到图2中线20表示的设计料位。因此，所述燃料元件2通过与湿储存池槽14中的水W进行直接的热交换得到冷却。一个始终有效的冷却作用在此通过在湿储存池槽14中形成的翻滚水波以及由此引起的局部介质交换来确保。
所述湿储存池槽14的内腔及因此位于其中的冷却水W本身通过一个次级冷却回路22来循环冷却。所述次级冷却回路22在此设计成在高的运行安全性的情况下有特别低的维护检修成本，并且基于在很大程度上放弃了主动元件如泵等而基本上被设计为被动式系统。为此，所述次级冷却循环22可按自然循环原理来工作。为了循环冷却所述冷却水W，在所述次级冷却循环回路22中连接有一些设置在湿储存池槽14中的热交换器24。这些热交换器24在此悬挂在所述湿储存池槽14中，使得为了其可靠的运行无需有穿透所述池壁18的管状穿孔。另外，通过热交换器24的悬挂结构方式确保了有特别高的运行可靠性。特别是在发生漏泄损失时，可以简单的方式、例如通过一消防水连接头向所述热交换24补给次级冷却水。
所述热交换器24本身通过所述次级冷却回路与一些循环冷却元件26相连接。这些循环冷却元件26在此设置在一些处于主建筑4之外的冷却塔28内。通过所述次级冷却回路22，所述冷却水W从燃料元件2中所吸收的热量被所述热交换器24吸收并继续传输到所述循环冷却元件26。这些循环冷却元件26尤其能设计成空气热交换器，它们在冷却塔28内将热量散发到周围的大气里。为了针对可能的飞机撞击也能特别安全可靠，这些冷却塔相互相隔较远地设置，以便在任何情况下都还至少能提供50％的冷却能力。
为了通过自然循环原理来可靠地维持次级冷却回路22中的次级冷却剂的循环流动，所述循环冷却元件定位成比所述热交换器24高5至10米。因此，本身通过所述热交换器24和所述循环冷却元件26所受到的不同加热再加上它们之间的不同地理高度位差就能维持所述次级冷却回路22中的循环，而无需进一步对所述次级冷却回路22的循环性能加以主动干预。为了有助于或加强循环冷却元件26的循环冷却，所述冷却塔配备有一些鼓风机30或通风扇。
为了有特别高的运行安全性，所述次级冷却回路22可如图3的方框草图所示设计成有多条分支。所述次级冷却回路22为此包括一些相互并联连接的、供次级冷却剂在其中流过的并且可相互独立地被操纵运行的分支管路32。其中，图示实施例中的每根分支管道32分别将两个设置在湿储存池槽14中的热交换器24在次级冷却介质侧与一个相对应的循环冷却元件26连接。
所述中间储存系统1基于其设计成湿式储存器，即便在装入具有较高燃耗的燃烧元件2时也能特别便利和较少维护保养地运行。在此，高的运行安全性还能由此得以加强，即，使得仅次级冷却介质在所述次级冷却回路22中循环，而并不直接与所述燃料元件2接触。因此，即便在管道漏泄时也不用顾虑沾染核燃料的冷却剂流出。
附图标记清单：
1 中间储存系统 W 冷却水
2 燃料元件
4 主建筑
6 外壳
8 操纵元件
10 桁梁式吊车
12 系统侧翼
14 湿储存池槽
16 池槽
18 混凝土池槽壁
20 线
22 次级回路
24 热交换器
26 循环冷却元件
28 冷却塔
30 通风机
32 分支管路