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atw Vol. 63 (2018) | Issue 6/7 ı June/July 404 DECOMMISSIONING AND WASTE MANAGEMENT Nomenclature C p D H e → FI Specific Heat (J/kg-K) Hydraulic diameter (m) Internal energy (J/kg) Friction at vapor-liquid interface (N/m 3 ) → Fwk Wall friction for phase k (N/m 3 ) → g Gravity (kg/m-s 2 ) l P pi Characteristic mixing length (m) Pressure (Pa) Void dispersion term (Pa/m) Pr tur Turbulent Prandtl number (0.9) Q H Q I Q w Internal heat source in porous structure (W/m 3 ) Heat exchange between phases (W/m 3 ) Heat exchange between structure and fluid (W/m 3 ) t Time (s) → V, V Velocity of fluid (m/s) Greek letters α β Γ I λ λ k λ tur Volume fraction of vapor Mixing coefficient Rate of evaporation/condensation (kg/m 3 -s) Total thermal conductivity (W/m-K) Turbulent conductivity of the fluid (W/m-K) Turbulent conductivity (W/m-K) μ Effective viscosity (Pa-s) μ mol Molecular viscosity (Pa-s) μ tur Turbulent viscosity (Pa-s) ρ Fluid or clad density (kg/m 3 ) φ Subscripts L v Porosity Bibliography Liquid Phase Vapor phase [1] U. Imke, “Porous media simplidied simulation of single- and two-phase flow heat transfer in micro-channel heat exchangers,” Chemical Engineering Journal, pp. 295-302, 2004. [2] B. Alma, U. Imke, R. Knitter, U. Schygulla and S. Zimmermann, “Testing and simulation of ceramic micro heat exchangers,” Chemical Engineering Journal, no. 135, pp. 179-184, 2008. [3] J. Jimenez, N. Trost, U. Imke and V. Sanchez, “Recent developments in TWOPORFLOW, a two-phase floew porous media code for transient thermo- hydraulic simulations,” in Annual Meeting on Nuclear Technology, Frankfurt, Germany, 2014. [4] F. S. Castellana, W. T. Adams and J. E. Casterline, “Single-Phase Sub-channel Mixing in a Simulated Nuclear Fuel Assembly,” Nuclear Engineering and Design, no. 26, pp. 242-249, 1974. [5] M. Valette, “Analysis of Subchannel and Rod Bundle PSBT Experiments with CATHARE 3,” Science and Technology of Nuclear Installations, 2012. [6] S. J. Kim and S. P. Jang, “Effects of the Darcy number, the Prandtl number, and the Reynolds number on local thermal non-equilibrium,” International Journal of Heat and Mass Transfer, no. 45, pp. 3885-3896, 2002. [7] A. Malhotra and S. Kang, “Turbulent Prandtl number in circular pipes,” International Journal of Heat and Mass Transfer, no. 27, pp. 2158-2161, 1984. [8] NUPEC, “OECD/NRC Benchmark based on NUPEC PWR Sub-channel and Bundle Tests (PSBT) Volume I: Experimental Database and Final Problem Specifications,” NUPEC, Japan, 2010. [9] NUPEC, “NUPEC BWR Full-size Fine-mesh Bundle Test (BFBT) Benchmark. Volume I: Specifications,” Japan, 2006. Authors Verónica Jáuregui Chávez Uwe Imke Javier Jiménez V.H. Sánchez-Espinoza Karlsruhe Institute of Technology Institute for Neutron Physics and Reactor Technology Hermann von Helmholtz Platz 1 76344 Eggenstein-Leopoldshafen, Germany Besonderheiten bei Messungen zur radiologischen Charakterisierung hochradioaktiver Abfälle Marina Sokcic-Kostic und Roland Schultheis 1 Einführung Beim Betrieb von Kernkraftwerken fallen gelegentlich hochradioaktive Abfälle an, wie zum Beispiel Bruchstücke defekter Brennelemente oder Filter von heißen Zellen. In manchen Kraftwerken wurden diese Abfälle über lange Zeit in unterirdischen Depots gelagert. Diese Depots entsprechen jedoch nicht den Zielsetzungen für eine sichere Langzeitlagerung, bis die im Abfall enthaltenen radioaktiven Isotope ausreichend zerfallen sind und der Abfall dann als nicht-radioaktiver Abfall weiterverarbeitet oder entsorgt werden kann. Für solche Abfälle hat die NUKEM Technologies Engineering Services Abfallbehandlungsmöglichkeiten konzipiert und in Projekten umgesetzt, die hochradioaktive Abfälle charakteri sieren und entsprechend den An forderungen für die Langzeitlagerung konditionieren. Dies schließt auch eine Volumenverminderung ein, um so die künftigen Lagerkosten zu minimieren. Der Schwerpunkt dieses Artikels liegt in der Messung von hochaktivem Abfall und seinen Impli kationen. 2 Charakterisierung der Abfälle Nach der Verfüllung der konditio nierten Abfälle in geeignete Behälter werden die Abfälle wie folgt charak terisiert: a) Dosisleistung an der Behälteroberfläche b) Kontamination der Behälteroberfläche c) Spezifische Aktivität des Inhaltes der Behälter d) Zeit bis zum Abklingen der Aktivität (Halbwertszeit der enthaltenen Isotope) a) und b) sind wichtig für die Handhabung und den Transport der Behälter, c) und d) hingegen für die Lagerung des Abfalls. Decommissioning and Waste Management Special Features of Measurement for the Radiological Characterization of High-level Radioactive Waste ı Marina Sokcic-Kostic and Roland Schultheis
atw Vol. 63 (2018) | Issue 6/7 ı June/July Die Grenzwerte für eine Klassifizierung gemäß a)-d) sind in den einzelnen Ländern teilweise unterschiedlich. Typische Werte sind: a) > 2 mSv/h b) Wischtestwerte: Beta-Aktivität > 10 7 Teilchen/cm 2 /min Alpha-Aktivität > 10 6 Teilchen/cm 2 /min c) Beta-Aktivität > 3.7*10 9 Bq/kg Alpha-Aktivität > 3.7*10 8 Bq/kg d) Der Abfall wird als langlebig deklariert, wenn er einen signifikanten Anteil von Isotopen mit einer Halbwertszeit größer 30 Jahre hat (Ausnahme: Cs-137). Wie gezeigt, gibt es für hochaktiven Abfall nur einen unteren Grenzwert. Bei der Planung von Anlagen und Messeinrichtungen muss man zunächst auch obere Grenzwerte definieren. So müssen die Räume für die Handhabung eine ausreichende Abschirmung aufweisen. Das fängt damit an, dass die Räume für die Handhabung ausreichende Abschirmung aufweisen. Aber auch die Instrumentierung muss so ausgelegt sein, dass sie bei den zu erwartenden Aktivitäten noch funktionsfähig ist. 3 Allgemeine Eigenschaften des hochaktiven Abfalls Bevor man die geeignete Messmethode für den hochaktiven Abfall auswählt, sollte man zunächst einmal Herkunft und Eigenschaften des Abfalls betrachten. Hochaktive Abfälle können sowohl fest wie auch flüssig sein. Wenn man einmal die hochaktiven Abfälle aus der Wiederaufarbeitung von Brennstäben ausklammert, so eignen sich für die Langzeitlagerung nur feste Stoffe, weswegen flüssige Abfallstoffe zuvor in feste Formen umgewandelt werden müssen (z.B. durch Eindampfung etc.). Flüssige Stoffe sind für die Langzeitlagerung nicht geeignet, da hier chemische Reaktionen nicht ausgeschlossen werden können, die zum Beispiel Korrosion der Behälter zur Folge haben können. Kernbrennstoff ist bei Abfällen aus Kernkraftwerken im Allgemeinen nur in sehr kleinen Mengen im Abfall präsent, da generell Kernbrennstoff kein Abfall ist. Kleinere Mengen können zum Beispiel dadurch entstehen, dass Material von defekten Brennelementen im Reaktor nach unten fällt (sogenannter „fuel debris“). Die Hauptaktivität der hoch aktiven Abfälle resultiert aus Aktivierungsprozessen (z.B. Aktivierung von | | Abb. 1. Geiger-Müller-Zählrohr mit Energiekompensation. Stahl) oder aus der Freisetzung von Cs-137, welches durch mangelnde Rückhaltung der Kernbrennstäbe in den Kühlkreislauf gelangt. Letzteres wird durch Filtrierung zurückgehalten. Diese Filter können dann hohe Aktivitäten aufweisen. Etwas anders verhält es sich, wenn der Abfall aus Unfällen, wie zum Beispiel Tschernobyl, stammt. Dann können sehr wohl auch Isotope wie Uran oder Plutonium in relevanten Mengen vorliegen. Um die im Folgenden beschriebenen Messmethoden so einfach wie möglich zu halten, ist folgende Vorgehensweise empfehlenswert: • Zunächst ist die Herkunft des Abfalls zu klären • Dann sollte auf der Basis von Probenahmen die zu erwartenden Isotope in einem Labor bestimmt werden • Anschließend sollte der Isotopenvektor bezogen auf Co-60 und Cs-137 bestimmt werden, welche dann als Leitisotope bei der Berechnung der Aktivitäten heran gezogen werden können. 4 Messung der Oberflächendosisleistung bei hochaktiven Abfällen Für die Messung der Oberflächendosisleistung werden in der Regel Geiger-Müller-Zählrohre eingesetzt, die aufgrund ihrer geringen Baugröße auch Hot Spot Erkennung erlauben (Abbildung 1). Der Abstand zwischen Zählrohr und Oberfläche ist gewöhnlich mit 10 cm spezifiziert. Die Zählrohre sind mittels Filter energiekompensiert und in Sv/h geeicht. Ein wichtiger Punkt bei Messungen an hochaktiven Abfällen ist die Vermeidung einer Paralyse des Zählrohres. Diese könnte zu einer Unterschätzung der Dosisleistung und ernsthaften Konsequenzen für die an der Hantierung beteiligten Arbeiter führen. Aus diesem Grund werden oft Geräte mit zwei Zählrohren unterschiedlicher Empfindlichkeit eingesetzt, wodurch die Messdynamik des Gerätes erweitert wird. Weiterhin arbeiten die Geräte in einem totzeitlosen Modus um den Messbereich zu erweitern und Messfehler durch die ansonsten benötigte Totzeitkorrektur zu minimieren (Abbildung 2). Hierbei wird die Hochspannung für das Messgerät zunächst unterhalb der Einsatzgrenze eingestellt. Anschließend wird die Hochspannung über die Einsatzgrenze erhöht und die Zeit bis zum Auftreten des ersten Pulses gemessen. Dann wird die Hochspannung wieder abgesenkt. Nach einem fest vorgegebenen Zeitintervall wird der Vorgang wiederholt. Die so gemessenen Zeitintervalle sind umso kleiner, je höher die Zählrate ist. Diese Messmethode ist bei hohen Zählraten recht genau, bei kleinen Zählraten sind die statistischen Fehler etwas größer, was bei hochaktiven Abfällen ohne Bedeutung ist. 5 Messung der Oberflächenkontamination bei hochaktiven Abfällen Wenn die Behälter mit Abfall außerhalb von kerntechnischen Anlagen (z.B. in Zwischen- oder Endlager) transportiert werden müssen, so muss zur Verhinderung der Verschleppung von Radioaktivität die Behälteroberfläche auf Kontaminationsfreiheit geprüft werden. Wegen der Eigenstrahlung derartiger Behälter kann die Kontamination bezüglich Alphaoder Betastrahlung nicht direkt gemessen werden. Daher wird ein zweistufiges Verfahren angewandt. | | Abb. 2. Dosisleistungsmessgerät mit zwei totzeitfrei arbeitenden Geiger-Müller-Zählrohren DECOMMISSIONING AND WASTE MANAGEMENT 405 Decommissioning and Waste Management Special Features of Measurement for the Radiological Characterization of High-level Radioactive Waste ı Marina Sokcic-Kostic and Roland Schultheis
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