Regelstab für Kernreaktoren
Die Erfindung bezieht sich auf Regelstäbe zur Neutronenabsorption in Kernreaktoren. Dabei wird von bekannten Regelstäben ausgegangen, die im wesentlichen Hafnium, Silber-Indium-Cadmium oder Borcarbid enthielten. Die HülIrohre mit dem Absorbermaterial sind bei derartigen Absorbermaterialien meist in Kreuzform oder in Bündelform angeordnet,
Es hat sich jedoch ergeben, dass die bekannten Anordnungen einen hohen Prozentsatz von Stäben aufweisen, die weitgehend überflüssig sind. So haben zum Beispiel Experimente gezeigt, dass ein kreuzförmiger Regelstab mit 25 Einzelstäbhen einen Neutronenabsorptionsgrad von 84% einer ähnlichen Anordnung mit 49 Stäben hatte. Es war ursprünglich angenommen worden, dass dies für die zusätzliche Bremswirkung der 25 kreuzförmig angeordneten Stäbe erforderlich sei.
Spätere Experimente haben gezeigt, dass der Wert eines einzigen Stabelementes in einem quadratischen Wasserkanal geringer ist, als wenn er dicht mit Brennstoff gefüllt ist und dass sein Wert6 abnimmt, wenn der Querschnitt des quadratischen Wasserkanals ansteigt. Dieses Experiment hat gezeigt, dass ein Stab mit 25 Elementen genau denselben Wert wie derjenige mit 49 Elementen aufweist, obwohl die Abbremsung des Neutronenflusses ansteigt. Darüber hinaus erwies sich, dass der thermische Einfang nur 20% der Gesamtzahl der Einfänge beträgt.
Die jetzige Kenntnis zeigt, dass die kleine Differenz (16% Verminderung des Einfangs der 25 kreuzförmig angeordneten Elemente) auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass die 24 zusätzlichen Stabelemente in der 49er Anordnung weitgehend geometrisch abgeschirmt sind. Mit anderen Worten, die zusätzlichen 24 Stäbe besitzen ein geringes statistisches Absorptionsgewicht wegen der umgebenden Abschirmung des Neutronenflusses im Gebiet der Resonanzenergie,
Der Hauptnachteil dieser älteren bekannten Anordnung besteht also darin, dass viele der Stabelemente eine ungenügende Anzahl von Neutronen einfangen, so dass ihr volles Absorptionsvermögen schlecht ausgenutzt ist.
Die Erfindung geht von einer derartigen bekannten Anordnung aus und hat sich die Aufgabe gestellt, Regelstäbe in einer solchen Anordnung und mit einem derartigen Material zu verwenden, dass ihr Absorptionsvermögen weitgehend ausgenutzt wird.
Die Erfindung besteht darin, dass der Regelstab aus mindestens zwei Gruppen von Stabelementen mit jeweils von Gruppe zu Gruppe unterschiedlichem Neutronen-Absorbermaterial besteht, so dass die Gruppen Einfangsresonanzen in verschiedenen Energiebereichen aufweisen, und dass die Stabelemente unterschiedlichen Materials jeweils abwechselnd und in einer derartigen Geometrie angeordnet sind, dass der tiber dem Energiebereich der Neutronen-Einfangsresonanzen gemittelte Selbstbschirmungskoeffizient der Stabelemente gleichen Materials praktisch Eins ist.
Die beiden Gruppen der Stabelemente können dabei parallel zu einander und in abwechselnder Reihenfolge angeordnet sein. Sie werden im allgemeinen von korrosionsfesten Hüllrohren umschlossen.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Gruppe von Elementen mit Silber-Indium-Cadmium und eine zweite Gruppe mit Europium gefüllt. Diese Stäbe sind in abwechselnder Reihe angeordnet, um eine maximale Wirksamkeit zu erreichen. Das Schema kann dabei eine kreuzförmige oder bündelförmige Anordnung sein.
Die zweite Gruppe der Stabelemente kann Europium in Oxidform enthalten. Obwohl Europiumoxidform teurer ist als dasselbe Volumen von Silber-Indium Cadmium, kompensieren das geringere Gewicht, die geringeren Kosten der Fabrikation und der Zahl der Elemente pro Anordnung als auch die erhöhte Lebensdauer des Kernes und des Regelstabes die höheren Materialkosten.
Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Darin zeigen
Fig. 1 eine isometrische Ansicht eines kreuzförmigen Regelstabes nach der Erfindung, währened in
Fig. 2 ein schematischer Querschnitt dargestellt ist,
Fig. 3 zeigt eine ringförmige Anordnung eines anderen Ausführungsbeispieles nach der Erfindung, während in
Fig. 4 eine Mehrringanordnung gezeigt ist.
Die Güte eines Regelstabes ist primär abhängig von seinen Absorptionscharakteristiken oder dem Einfangquerschnitt und der Zahl der einfangbaren Partikel.
Das erste Kriterium soll anhand des Einfangquerschnittes (gemessen in barns) diskutiert werden. Der Einfangquerschnitt verändert sich mit der Energie der ankommenden Partikel und hat Maxima in einem oder mehreren Energiebereichen. Wie man aus zahlreichen graphischen Darstellungen des Einfangquerschnittes bzw. der Energie ersehen kann, haben die verschiedenen Absorbermaterialien spezielle unterschiedliche Einfangquerschnitte für verschiedene Energiebereiche. Zum Beispiel haben Silber-Indium-Cadmium, Borcarbid und Europium Einfangsresonanzen für verschiedene Energiebereiche. In anderen Worten, Neutronen mit einer bestimmten Energie, für die die Einfangsquerschnitte von Silber-Indium-Cadmium oder Borcarbid niedrig sind, so dass die Wahrscheinlichkeit eines Einfanges durch diese Absorber gering ist, können dagegen von Europium praktisch alle eingefangen werden.
Das andere Kriterium bezieht sich auf die Anordnung eines Absorberstabelementes in bezug auf die um- gebenden Absorberstäbe. Ein einzelner Stab aus Absorbermaterial kann geometrisch so abgeschirmt sein, dass die meisten der Neutronen in ihrem hohen Einfangsquerschnittsbereich von den Absorbern in den anderen Stäben eingefangen werden, die dichter an der Neutronenquelle angeordnet sind. So eignet sich zum Beispiel Indium am besten zum Einfang von Neutronen, die eine Energie von 1,5 Elektronenvolt haben. Dabei hat Indium einen Einfangquerschnitt von bis zu 10 000 barns für Neutronen mit einer Energie von 1,5 Elektronenvolt.
Wenn also diese Neutronen von Stäben eingefangen werden, die dichter an der Neutronenquelle liegen, so ist das Indium in einem nachfolgenden Regelstab weiter von der Neutronenquelle entfernt und ist weniger geeignet, die verbleibenden Neutronen zu fangen, so dass es weitgehend überflüssig ist. Aus diesem Grunde würde nach diesem Beispiel ein Material vo höherem oder niedrigerem Enertgiebereich mit hohe Einfangquerschnitt, das weiter entfernt ist, wirkungsvoller sein im oben erwähnten nachfolgenden Regelstab.
Eine teilweise wirkungsvolle Kombination wurde durch die Anordnung von Stabelementen gefunden, die abwechselnd einesteils Silber-Indium-Cadmium und andernteils Europiumoxid enthalten. Die speziellen Ausfrührungsformen dieser Erfindung sollen im Hinblick auf diese Absorber erläutert werden. Dabei soll das so verstanden werden, dass sich das Wesen der Erfindung auf die Auswahl von zwei oder mehr Absorbern bezieht, die in abwechselnder Reihenfolge angeordnet sind und die unterschiedliche Resonanz-Parameter oder unterschiedliche Energiebereiche haben, in denen ihre Einfangquerschnitte verhältnismässig gross sind.
Anhand eines Zahlenbeispieles soll nun das Wese der Erfindung näher dargestellt werden. Es sei angenommen, dass in einem Stab mit 25 kreuzförmig angeordneten Elementen 84 % der Neutronen einer ähn- lichen Anordnung mit 49 Stäben absorbiert werden.
Von diesen Neutronen sollen ungefähr 60 % epithermisch und 40 % thermisch eingefangen werden. Wenn man die Anordnung auf 49 Stäbe vom gleichen Typ erhöht, würden 82 epithermisch und 18% thermisch eingefangen. Der Wert von 60 % ist aufgeteilt zwischen die 25 Stabelemente, während die 82 % unter den 49 Elementen aufgeteilt sind. Wenn auf der anderen Seite Europium in den 24 zusätzlichen Stabelementen verwendet wird, wiirde beispielsweise eine relative epithermische Einfangquote von 110 oder 105 % erreicht werden bei etwa gleichem thermischen Einfang von 18 %. Die 110 % teilen sich auf in 50 % in den 25 Silber-Indium-Cadmium-Stabelementen und in 60 % in den 24 Europiumstäben. Dies berücksichtigt einigermassen die Tatsache, dass einige der Europium- und einige der Silber-Indium-Cadmium-Resonanzen auf demselben Energieniveau liegen.
Das bedeutet, dass für das Europium keine höhere epithermischer Einfangsquote angesetzt zu werden braucht als für die Silberlegierung. Dabei ist angenommen, dass 5/8 der Resonanzen der beiden unterschiedlichen Materialien im selben Energiebereich angeordnet sind. Das ist die Grundlage für die Berechnung der epithermischen Einfangsquote, wobei (5/8 + 3/8 + 3/8). 82% ungefähr 110% als epithermische Einfangsquote ergeben.
Der kreuzförmige Regelstab, der in Fig. 1 und 2 dargestellt ist, besteht aus einer Mehrzahl von Röhren, die das Absorbermaterial enthalten. Die einzelnen Rohre bestehen aus zylindrischen Hüllen mit dünnem Querschnitt, die aus einem Material mit einer hohen Temperaturbeständigkeit, wie z. B. rostfreier Stahl oder eine
Zirkonlegierung, gefertigt sind. Die Rohre sind mit neutronenabsorbierendem Material in der üblichen Form gefüllt, wobei die Endkappen an beiden Enden angeschweisst sind. Die Regelstabelemente bestehen aus zwei Gruppen von abwechselnd angeordneten Röhren 2 und 3 mit unterschiedlichem Absorbermaterial. So kann z. B. die Gruppe 2 Silber-Indium-Cadmium enthalten, während die Elemente der Gruppe 3 Europiumoxid enthalten.
Die einzelnen Gruppen sind durch nicht näher dargestellte Stege sowie durch eine Bodenplatte 4 und mit einer mechanischen Halterungsplatte 5 am oberen Ende zusammengehalten.
Der Querschnitt nach Fig. 2 zeigt die unterschiedlichen Absorbermaterialien, wobei die Gruppe mit den schraffierten Elementen 3 Europiumoxid enthält, während die abwechselnd jeweils dazwischen angeordneten Elemente der Gruppe 2 Silber-Indium-Cadmium enthalten.
Fig. 3 zeigt eine andere mögliche Anordnung der Stabelementgruppen, wobei der Regelstab aus einem einzigen Ring von Elementen gebildet wird. Hierbei enthält die Elementgruppe 6 Europiumoxid, während abwechselnd dazwischen auf einer kreisförmigen Bahn Elemente der Gruppe 7 mit Silber-Indium-Cadmium angeordnet sind. Diese Elemente werden Ebenfalls durch eine Deckel- und Bodenplatte zusammengehalten, wie das in der Fig. 1 gezeigt ist.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist in den wesentlichen Teilen dem nach Fig. 3 ähnlich, lediglich mit dem Unterschied, dass hier zwei ringförmige Anordnungen vorgesehen sind. Dabei bilden die Gruppen 10 und 11 des äusseren Ringes und die Gruppen 12 und 13 des inneren Ringes lediglich eine Verdoppelung der Anordnung nach Fig. 3. Diese Gruppen können natür- lich zusätzliche Ringe enthalten, soweit dies für das spezielle System aus reaktorphysikalischen Gründen erforderlich ist.
Es soll noch einmal herausgehoben werden, dass hiermit ein Regelstab beschrieben worden ist, der wirkungsvoller als die bisher bekannten ist und dessen Anzahl an nicht voll wirksamen Regelelementen gegen über derjenigen von älteren Systemen verringert ist.