CH626739A5 - Burnable neutron absorber rod - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen abbrennbaren Neutronenabsorberstab für Kernreaktoren, der.eine langgestreckte rohrför-mige Hülle und einen darin enthaltenen Neutronenabsorber aufweist.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen abbrennbaren Neutronenabsorberstab mit verhältnismässig grossem Moderator/Absorber-Verhältnis.
Bei vielen Kernreaktorbauarten wird ein gleichzeitig als Moderator dienendes Kühlmittel durch den Reaktorkern hindurchzirkuliert, um die beim Spaltvorgang innerhalb des Reaktorkerns erzeugte Wärme abzuführen. Der Reaktorkern besteht aus einer bestimmten Anzahl von Brennstäben, die zu als Brennelemente bezeichneten Brennstabbündeln zusammen-gefasst sind und die in jedem Brennelement durch Abstandshal-tegitter und den Brennelementkopf sowie den Brennelementfuss gehalten werden. Die Brennstäbe bestehen aus zylindrischen Hüllrohren, die den Kernbrennstoff enthalten, beispielsweise aus schwach angereichertem Urandioxid bestehende Brennstofftabletten. Die Brennelemente sind so angeordnet, dass ihre Gesamtheit etwa die Form eines geraden Kreiszylinders hat.
Während des Reaktorbetriebs absorbieren die in den Brennstofftabletten enthaltenen spaltbaren Isotope Neutronen und werden dadurch gespalten, wobei Wärme entsteht. Ausser dem Verbrauch von spaltbarem Material findet beim Spaltvorgang auch die Bildung von Spaltprodukten statt, von denen einige leicht Neutronen absorbieren. Diese Wirkungen, nämlich der Verbrauch spaltbaren Materials und die Bildung von neutronenabsorbierenden Spaltprodukten, werden teilweise durch den Aufbau von spaltbaren Isotopen, wie beispielsweise Plutonium, kompensiert, der bei einer nicht zu einer Spaltung führenden Absorption von Neutronen in brütbaren Stoffen, wie beispielsweise U-238, stattfindet. Deshalb baut man am Beginn jedes Brennstoffzyklus Überschussreaktivität in den Reaktor ein, um die Reaktivitätsabnahme im Reaktorkern zu kompensieren, die mit zunehmendem Verbrauch des spaltbaren Materials und mit dem Aufbau der Spaltprodukte auftritt. Diese Überschussreaktivität wird mit Hilfe von Neutronenabsorbern beherrscht, die in Form von im Primärkühlmittel gelöstem Bor und in Form von abbrennbaren Neutronenabsorberstäben zur Anwendung kommen.
Die Konzentration des im Primärkühlmittel gelösten Bors ist zum Zwecke der Reaktivitätssteuerung und der Kompensation der Langzeit-Reaktivitätsbeeinflussungen infolge Brennstofferschöpfung, infolge der Wirkung von Spaltprodukten als Neutronengift und der Erschöpfung von abbrennbaren Neutronenabsorbern und zur Kompensation der Wirkung der Moderatortemperaturänderung zwischen Kaltzustand und Betriebstemperatur veränderlich. Bei Erhöhung der Borkonzentration im Primärkühlmittel wird der Moderatortemperaturkoeffizient jedoch weniger negativ. Die Verwendung lediglich eines löslichen Neutronenabsorbers allein könnte deshalb am Beginn der ' Brennstoffstandzeit während des ersten Brennstoffzyklus zu einem positiven Moderatorkoeffizienten führen und könnte auch bei folgenden Brennstoffzyklen einen positiven Koeffizienten bedingen, je nach der Brennstoffbeschickung für den betreffenden Zyklus. Deshalb verwendet man abbrennbare Neutronenabsorberstäbe, um die Konzentration an gelöstem Bor so weit herabsetzen zu können, dass sichergestellt ist, dass der Moderatortemperaturkoeffizient unter den Bedingungen des Leistungsbetriebs negativ ist.
Ein abbrennbarer Neutronenabsorber absorbiert Neutronen, ohne neue Neutronen zu erzeugen und ohne aufgrund der Neutronenabsorption in ein neues Neutronengift umgewandelt zu werden. Ein typischer, diese Eigenschaften aufweisender abbrennbarer Neutronenabsorber ist Bor-10, das etwa 20% des natürlichen Bors ausmacht. Bor-10 unterliegt bei Bestrahlung durch thermische Neutronen der Reaktion B10 + n1 — Li7 + He4, die zur Absorption eines Neutrons und zum Verbrauch des Bors ohne Erzeugung eines weiteren Neutronengiftes führt.
Abbrennbare Neutronenabsorber finden üblicherweise in Stäben Anwendung, die innerhalb eines Brennelements an freien' Steuerstabstellen eingebaut sind. Die Konzentration des abbrennbaren Neutronenabsorbers in den Stäben und die Anzahl der abbrennbaren Neutronenabsorberstäbe im Reaktorkern ist so gewählt, dass die Konzentration an im Kühlmittel gelöstem Bor so weit herabgesetzt werden kann, dass bei den Bedingungen des Leistungsbetriebs stets ein negativer Moderatortemperaturkoeffizient sichergestellt ist. Während des Betriebs erschöpft sich der Neutronenabsorbergehalt in diesen Stäben, so dass zusätzliche Reaktivität frei wird, die einen Teil des durch Brennstofferschöpfung und Entstehung von als Neutronengift wirkenden Spaltprodukten bedingten Reaktivitätsabfalls ausgleicht. Gegen Ende der Standzeit kann aber noch etwas restlicher Neutronenabsorber vorhanden sein, was eine Verkürzung der Lebensdauer des Reaktorkerns bedingt. Ausserdem verdrängen die abbrennbaren Neutronenabsorberstäbe den Moderator und die parasitären Konstruktionswerkstoffe der abbrennbaren Neutronenabsorberstäbe absorbieren ebenfalls Neutronen, wodurch die verfügbare Reaktivitätsstandzeit des Reaktorkerns weiter verkürzt wird. Ausserdem sind die abbrennbaren Neutronenabsorberstäbe derart im Reaktorkern verteilt angeordnet, dass sie ausser ihrer Funktion der Reaktivitätssteuerung auch noch eine günstige radiale Leistungsverteilung im Reaktorkern herbeiführen.
Aus der US-PS 3 510 350 ist ein abbrennbarer Neutronenabsorberstab bekannt, bei welchen ein Borsilicatglasrohr in einem zwischen zwei konzentrischen Metallrohren gebildeten Ringraum angeordnet ist. Innerhalb des inneren Metallrohres ist ein Leerraum gebildet, der als Gassammeiraum zur Aufnahme der bei der Neutronenabsorption durch das Bor entstehenden gasförmigen Reaktionsprodukte, wie beispielsweise Heliumgas, dient. Die abbrennbaren Neutronenabsorberstäbe sind in geeigneter Weise an freien Steuerstabstellen innerhalb eines Brennelements plaziert. Die eben genannte Druckschrift beschreibt zwar eine besondere Bauart eines abbrennbaren
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Neutronenabsorberstabs, jedoch wäre es vorteilhaft, die Menge des abbrennbaren Neutronenabsorbers, der am Ende der Standzeit noch verbleibt, zum Zwecke der Verlängerung der Standzeit des Reaktorkerns auf ein Minimum zu verringern.
In der US-PS 3 663 366 ist ein Brennelementmantel beschrieben, der einen abbrennbaren Neutronenabsorber enthält. Der Mantel besteht aus Verbundplatten aus rostfreiem Stahl und Zirconium, wobei in den aus rostfreiem Stahl bestehenden Blechen angereichertes Bor-10 dispergiert ist. In dieser Druckschrift ist jedoch nicht die Verwendung eines abbrennbaren Neutronenabsorbers in Absorberstäben beschrieben, die zwischen den Brennstäben innerhalb eines Brennelements angeordnet werden können.
Aus der US-PS 3 110 656 ist die Verwendung von Borsäure oder Borsilicatglas in Steuerstäben von Lehrreaktoren bekannt. Die Verwendung eines Neutronenabsorbers in Steuerstäben ist natürlich eine fundamentale Massnahme, die aber den, den Steuerstäben im allgemeinen anhaftenden Nachteil aufweist, dass die Steuerstäbe nicht so ausgelegt sind, dass sie sich bei Bestrahlung verbrauchen. Ausserdem sind abbrennbare Neutronenabsorber auch schon dem Brennstoff material beigemengt und auch schon im Werkstoff der Brennstabhüllen verwendet worden.
Obwohl bereits zahlreiche Anwendungsformen für abbrennbare Neutronenabsorber in Kernreaktoren bekannt sind, ist das Problem, am Beginn der Standzeit des Reaktorkerns ausreichend viel abbrennbaren Neutronenabsorber zur Kompensation der Überschussreaktivität zur Verfügung zu stellen, dagegen die durch den Neutronenabsorber bedingte Reaktivitätsdämpfung gegen Ende der Standzeit des Reaktorkerns zum Zwecke der Standzeitverlängerung auf ein Minimum herabzusetzen, noch immer nicht befriedigend gelöst.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen abbrennbaren Neutronenabsorberstab im Hinblick auf die eben genannten Forderungen zu verbessern, um dadurch eine längere Standzeit und einen vollständigeren Abbrand des Reaktorkerns zu erzielen.
Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die Hülle des abbrennbaren Neutronenabsorberstabs mindestens während des Reaktorbetriebs auch einen Moderator enthält.
Die am Beginn der Standzeit des Reaktorkerns vorhandene Überschussreaktivität wird unter Erschöpfung des abbrennbaren Neutronenabsorbers während der Lebensdauer des Reaktorkerns kompensiert, so dass die Standzeit des Reaktorkerns verlängert wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine Ansicht eines Brennelements,
Fig. 2 einen Querschnitt in der Ebene II-II in Fig. 1, Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen abbrennbaren Neutronenabsorberstab,
Fig. 4 einen Querschnitt durch den in Fig. 3 gezeigten Neutronenabsorberstab, und
Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen abgewandelten abbrennbaren N eutronenabsorberstab.
Gemäss den Fig. 1 und 2 weist ein Brennelement 10 einen Brennelementkopf 12, einen Brennelementfuss 14, Führungsrohre 16, Abstandshaltegitter 18, Brennstäbe 20 und Neutronenabsorberstäbe 22 auf. Der Brennelementkopf 12 und der Brennelementfuss 14 tragen die Führungsrohre 16 und die Brennstäbe 20, und die Abstandshaltegitter 18 dienen zur Aufrechterhaltung der richtigen gegenseitigen Ausrichtung der Führungsrohre und der Brennstäbe. Die Führungsrohre 16 können zylindrische Rohre aus Zirconium oder einem anderen, nur schwach neutronenabsorbierenden Werkstoff sein, welche die-
darin angeordneten Neutronenabsorberstäbe 22 halten.
In einem (nicht gezeigten) Reaktorbehälter sind Brennelemente 10 vertikal angeordnet, die zusammen den Reaktorkern bilden und in bekannter Weise Wärme durch Kernspaltung erzeugen. Das Reaktorkühlmittel, bei welchem es sich um Wasser handeln kann, strömt nach oben durch den Reaktorbehälter hindurch und steht mit den Brennelementen 10 in Wärmeaustausch. Dadurch wird die erzeugte Wärme von den Brennelementen 10 an das Kühlmittel abgegeben.
Die Neutronenabsorberstäbe 22 absorbieren Neutronen und steuern dadurch den Reaktivitätspegel im Reaktorkern, so dass es möglich ist, Überschussreaktivität durch Erhöhung der Anreicherung des Brennstoffs in den Brennelementen 10 vorzusehen. Die Beschickung des Reaktorkerns mit anfänglicher Überschussreaktivität verlängert die Standzeit, während welcher der Reaktorkern ohne Neubeschickung mit frischen Brennelementen Wärme erzeugen kann. Dabei ist es jedoch-wichtig, dass die Neutronenabsorberstäbe 22 gegen Ende der Standzeit des Reaktorkerns erschöpft werden, so dass sie dann keine Reaktivitätsminderung durch Absorption von Neutronen mehr bewirken.
Gemäss den Fig. 3 und 4 weist ein Neutronenabsorberstab 22 eine zylindrische, metallene Aussenhülle 24 auf, die aus Zir-caloy-Rohrmaterial hergestellt sein und einen Aussendurch-messer von etwa 9,6 mm sowie einen Innendurchmesser von etwa 8,4 mm aufweisen kann. Am unteren Ende der Aussenhülle 24 ist, beispielsweise durch Schweissung, eine untere Endkappe 26 mit einer mittigen Bohrung 28 befestigt. Konzentrisch innerhalb der Aussenhülle 24 ist eine ebenfalls zylindrische metallene Innenhülle 30 angeordnet und mit ihrem unteren Ende an der unteren Endkappe 26 befestigt. Diese Innenhülle 30 kann ebenfalls aus Zirkaloy-Rohrmaterial hergestellt sein und einen Aussendurchmesser von etwa 5,1 mm sowie einen Innendurchmesser von etwa 4,1 mm aufweisen. Am oberen Ende der Aussenhülle 24 und der Innenhülle 30 ist eine obere Endkappe 32 mit einer Öffnung 34 befestigt. Die Innenhülle 30 und die Aussenhülle 24 bilden zwischen sich einen Ringraum 36, der an seinen beiden Enden durch die untere Endkappe 26 und die obere Endkappe 32 verschlossen ist. In diesem Ringraum 36 ist eine Schraubenfeder 38 angeordnet, die auf der unteren Endkappe 26 aufsitzt. Ausserdem sind in dem.Ring-raum 36 damit konform ausgebildete ringförmige Tabletten untergebracht, die auf der Schraubenfeder 38 aufsitzen. Die Tabletten 40 bestehen aus einem abbrennbaren Neutronenabsorber, beispielsweise aus Borcarbid-Aluminiumoxid (B-tC -AI2O3), anderen Boriden wie beispielsweise Zirconiumdiborid (ZrB2), oder aus Oxiden wie beispielsweise Gadoliniumoxid (GdzOa). Die Schraubenfeder 38 dient dazu, die Tabletten 40 in der gewünschten, etwa gleichbleibenden Relativlage mit Bezug auf die Aussenhülle 24 zu halten.
Bei der Absorption von Neutronen verbrauchen sich die Tabletten 40 und setzen Reaktionsprodukte wie beispielsweise Heliumgas frei. Am oberen Ende des Neutronenabsorberstabes 22 kann zwischen der oberen Endkappe 32 und der Oberseite des Tablettenstapels ein freier Ringraumbereich 42 vorgesehen sein, der als Sammelraum zur Aufnahme der in den Tabletten 40 entstehenden Reaktionsprodukte dient. Natürlich können diese Reaktionsprodukte aber auch im unteren Teil des Ringraums 36, nämlich in dem um die Schraubenfeder 38 herum befindlichen freien Raum, aufgefangen werden.
Mit ihrer Innenwandung umschliesst die Innenhülle 30 eine innere Bohrung 44, die sich von der unteren Endkappe 26 bis zur oberen Endkappe 32 erstreckt. Diese Bohrung 44 steht unten mit der mittigen Bohrung 28 der unteren Endkappe 26 und oben mit einer Bohrung 46 der oberen Endkappe in Verbindung, die mit der Öffnung 34 in Verbindung steht. Das Reaktorkühlmittel, das normalerweise Wasser ist und gleichzeitig als Moderator dient, strömt demzufolge nicht nur um die Aussen-
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hülle 24 herum, sondern auch durch das jeweilige Führungsrohr Erschöpfung des abbrennbaren Neutronenabsorbers beschleu-
16 und die Bohrungen 28,44 und 46 und die Öffnung 34 nach nigt wird, womit man eine Steigerung des Brennstoffabbrandes oben durch den Stab 22 hindurch. Die innere Bohrung 44 ist im erreicht.
Betrieb also mit Wasser gefüllt. Das darin befindliche Wasser Abgesehen von der oben beschrieben bevorzugten Ausfüh-
verstärkt die Neutronenmoderation in dem und um den Neu- 5 rungsform der Erfindung sind natürlich zahlreiche Abwandlun-
tronenabsorberstab 22, wodurch die Erschöpfung der Tablet- gen möglich. Beispielsweise kann die Schraubenfeder 38 durch ten 40 während der Standzeit des Reaktorkerns wesentlich eine andere Vorspannmassnahme ersetzt sein. Anstelle von gesteigert und dadurch der Abbrand des Reaktorkerns verbes- Tabletten 40 kann Pulver mit höherem Neutronenabsorberge-
sert wird. Die Verwendung eines derartigen Neutronenabsor- halt Anwendung finden. Die Verwendung von Pulver ermög-
berstabes ermöglicht eine Steigerung der Anfangsreaktivität 10 licht eine Verkleinerung des Ringraumes 36 und folglich eine des Reaktorkerns ohne nachteilige Auswirkunen auf dessen Vergrösserung des Innenraumes 44 für das Wasser, so dass also Standzeit. Die Verwendung des hier beschriebenen Neutronen- die Wasserverdrängung noch weiter herabgesetzt wird. Ferner absorberstabes 22 erhöht den ersten Reaktorkernabbrand kann eine Wandung des Führungsrohres 16 mit einem elek-
schätzungsweise um etwa 350 MWD/MTU, wodurch die trisch aufgebrachten Überzug aus einem abbrennbaren Neutro-
Brennstoffzykluskosten für den ersten Reaktorkern um etwa 15 nenabsorbermaterial versehen sein, wodurch die Tabletten 40
1,3% gesenkt werden. Die sich dabei ergebende Einsparung an und die Innenhülle 30 entfallen können.
gelber Masse (IhOs) beträgt etwa 6400 kg. Eine weitere Alternative ist in Fig. 5 gezeigt, gemäss wel-
Während kleinere Differenzen der Grösse der Tabletten 40 eher die untere Endkappe 26 und die obere Endkappe 32
unbedeutend sind, wirkt sich eine Erhöhung des Wasseranteils geschlossen und dicht mit der Aussenhülle 24 verbunden sind,
des Neutronenabsorberstabs 22 wesentlich aus. Deshalb sollte 20 Innerhalb der Aussenhülle 24 ist Wasser mit einem darin gelö-
nicht nur die radiale Dicke der Tabletten 40 möglichst klein sten Neutronenabsorbermaterial wie beispielsweise Bor oder gewählt werden, sondern auch die von dem Neutronenabsor- Cadmium eingeschlossen. Bei dieser Ausführungsform ver-
berstab 22 verdrängte Wassermenge sollte zur Steigerung der bleibt nach der Erschöpfung des abbrennbaren Neutronenab-
Neutronenmoderation möglichst klein sein. sorbers nur noch Wasser, so dass also die Wasserverdrängung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung hat also einen 25 weitgehend herabgesetzt ist. Ausserdem erhält man bei dieser abbrennbaren Neutronenabsorberstab mit einem inneren, zum Ausführungsform aufgrund der Strömungsmitteleigenschaft
Reaktorkühlmittel hin offenen Kanal zum Gegenstand, der Lösung eine gleichmässigere Erschöpfung des in dem Stab wodurch die Kühlmittelverdrängung möglichst klein gehalten enthaltenen Neutronenabsorbers.
und dadurch die Neutronenmoderation gesteigert und die
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2 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Abbrennbarer Neutronenabsorberstab für Kernreaktoren, der eine Aussenhülle (24) und eine mit Abstand darin koaxial angeordnete, zwischen sich und der Aussenhülle einen Ringraum (36) bildende Innenhülle (30) aufweist, woei die Hüllen an ihren beiden Enden durch Endkappen (26,32) verschlossen sind und der Ringraum ringförmige Tabletten (40) aus einem abbrennbaren Neutronenabsorber enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Endkappen axiale Bohrungen (28,46) aufweisen, die in das Innere (44) der Innenhülle münden und im Betrieb ein Hindurchströmen von Reaktorkühlmittel durch das Innere der Innenhülle ermöglichen.
2. Abbrennbarer Neutronenabsorberstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ringraum (36) ausserdem eine Feder (38) angeordnet ist, die auf der unteren Endkappe (26) aufsitzt und die ringförmigen Tabletten (40) trägt.
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PATENTANSPRÜCHE
3. Abbrennbarer Neutronenabsorberstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen Tabletten (40) aus Borcarbid-Aluminiumoxid bestehen.
4. Abbrennbarer Neutronenabsorberstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen Tabletten (40) aus Zirconiumdiborid bestehen.
5. Abbrennbarer Neutronenabsorberstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen Tabletten (40) aus Gadoliniumoxid bestehen.
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