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Neue Lösung für die Trockenlagerung abgebrannter Brennelemente im Freien

Die Brennelemente eines Kernreaktors produzieren nach einiger Zeit keine Energie mehr und müssen ersetzt werden. Der Umgang mit abgebrannten Brennelementen, die immer noch hochradioaktiv sind und viel Wärme erzeugen, stellte für die Atomländer eine Herausforderung dar. Ein Projekt bietet jedoch eine Antwort.

Energie

Während des Abbaus von angereichertem Uran erzeugen Spaltreaktionen eine Reihe instabiler radioaktiver Isotope. Diese sind in Brennstäben eingeschlossen und wandeln die Brennelemente in eine hochradioaktive Wärmequelle um. Sobald das spaltbare Material in den Brennstäben verbraucht ist, werden diese vom Reaktorkern entfernt und ersetzt. Kernkraftwerke lagern abgebrannte Brennelemente in der Regel in Unterwasserbecken (Nasslagerung), um sie zu kühlen und den Austritt von Strahlung zu verhindern. Die Erschöpfung der Lagerkapazität von Nasslagern macht eine trockene Lagerung erforderlich, bei der die Brennstäbe luftgekühlt werden und die Lagerbehälter als Schutzschilde fungieren. Bis zur endgültigen Entsorgung ist derzeit die trockene Zwischenlagerung in Transportbehältern die beste Lösung. Diese Trockenlager müssen jedoch die festgelegten Dosisgrenzwerte einhalten, wodurch die Anzahl der Behälter, die ein solches Zwischenlager aufnehmen kann, begrenzt wird. Das EU-finanzierte Projekt ASM lieferte eine kostengünstige Lösung, das sogenannte Auxiliary Shielding Module (ASM), für die trockene Zwischenlagerung von abgebrannten Brennelementen, bei der die Aufnahmekapazität durch optimierte Metallbehälter mit doppeltem Verwendungszweck (Lagerung und Transport) erhöht wird. Eine neue Lösung Das ASM besteht aus mehreren Edelstahlringen mit zwei Flanschen (oben und unten) und zwei mit Beton gefüllten Ferrulen (innere und äußere), die den Metallbehälter mit den abgebrannten Brennelementen umgeben. Nach Abschluss des vorläufigen Entwurfs wurde die Lösung in einem Prüfverfahren unter anderem radiologischen, strukturellen und thermischen Analysen unterzogen, um die Konstruktion noch weiter zu verbessern. Bei der radiologischen Analyse wurde die Abschirmung, einschließlich Dicke und Höhe, unter Berücksichtigung der Gewichtsbeschränkungen für Trockenlager optimiert. Im Rahmen der Strukturanalyse wurde der voraussichtliche Einfluss von Unfällen basierend auf bekannten Vorfällen bewertet und festgestellt, dass sich das ASM erfolgreich als zusätzliche Schutzschicht gegen Stöße, Kippen und seismische Erschütterungen bewährte. Während der thermischen Analyse wurden die Temperaturgrenzen sowie die Konstruktion eines Belüftungssystems mit sechs Einlässen im untersten Ring zur Erzeugung eines Luftstroms im Spalt zwischen dem Metallbehälter und dem ASM getestet. „Das ASM verbessert nicht nur das Verhalten des Metallbehälters gegenüber radioaktiven Stoffen, sondern bietet auch eine hervorragende thermische und strukturelle Leistung, wodurch sich die langwierigen Konstruktions- und Genehmigungsphasen von alternativen Lösungen wie geschlossenen Lagern vermeiden und die Kosten auf 32 % reduzieren lassen“, so Projektkoordinator Jokin Rico. Das ASM und der Metallbehälter sind auf Leichtigkeit ausgelegt. Sie wiegen zusammen nicht mehr als 100 metrische Tonnen (MT), erreichen jedoch die gleiche Dosisreduktion wie Betonbehälter. Seine Dicke kann je nach Anforderung angepasst werden. Zudem kann es mit dem gleichen Kran wie für die Handhabung der Behälter montiert werden, so dass keine zusätzliche Ausrüstung mehr benötigt wird. Ein sich rasch verschärfendes Problem Derzeit befinden sich immer noch zwei Drittel (rund 250 000 MT) der weltweit 370 000 MT an abgebrannten Brennelementen in Nasslagern. Da die Menge abgebrannter Brennelemente bis 2030 von 10 000 auf 15 000 MT pro Jahr ansteigen soll, müssen ältere Chargen in Trockenlager ausgelagert werden, um Platz zu schaffen, was über 25 000 Behälter erfordert. Schätzungen zufolge müssen 70 % dieser prognostizierten 560 000 MT an abgebrannten Brennelementen bis 2030 trocken gelagert werden. „ASM berücksichtigt die Bedenken der Interessengruppen im Bereich der Behandlung abgebrannter Brennelemente im Hinblick auf das Fehlen einer Möglichkeit zur kostengünstigen Lagerung von abgebrannten Brennelementen, mit der sowohl die vorgeschriebenen Dosisgrenzwerte eingehalten, als auch die Aufnahme einer großen Anzahl von Behältern in bereits bestehende Trockenlager ermöglicht werden kann“, so Rico. Die nächste Phase sieht den Bau eines ASM-Prototypen vor, der den Herstellungs- und Montageprozess sowie die Leistung demonstrieren soll. Darüber hinaus wird weiterhin an der Zertifizierung der Lösung gearbeitet, die jetzt von den neuesten Daten des Projekts in Bezug auf Brennelemente und Behälter profitiert.

Schlüsselbegriffe

ASM, abgebrannte Brennelemente, Brennstäbe, Behälter, Lagerung, Kernkraftwerke, Reaktor, Uran, radioaktiv, spaltbar

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