CH639792A5 - Fuel units in a nuclear reactor moderated and cooled by pressurised water - Google Patents
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Description
Gegenstand der Erfindung ist eine Brennstoffeinheit in einem mit Druckwasser moderierten und gekühlten Kernreaktor. Die Brennstoffeinheit ist besonders für schnelle Brüter gedacht, die Plutonium als Brennstoff und Leicht- oder Schwerwasser als Kühlmedium und Moderator verwenden.
Im Hinblick auf die begrenzten Weltvorräte an spaltbarem Material liegen die Vorteile der schnellen Brüter auf der Hand; sie sind in der Lage, Brutmaterial unter Wärme-, d.h. Energieerzeugung, im Spaltmaterial umzuwandeln. Besonders erwünscht sind Brut-Reaktoren, welche das reichlicher vorhandene Brut-Uranium 238 in spaltbares Plutonium 239 verwandeln und das letztere als Brennstoff verwenden, möglicherweise zusammen mit aus andern Reaktorarten gewonnenem Plutonium. Da die Entwicklung bezüglich Aufbau und Konstruktion von Leicht- und Schwerwasser-Druckreaktoren bereits weit fortgeschritten ist, erscheint die Anwendung der Druckwassertechnologie bei einem Brüter besonders vorteilhaft.
Schwerwasser (Deuteriumoxyd D2O) besitzt im wesentlichen die gleichen physikalischen und chemischen Eigenschaften wie Leichtwasser (H2O); deren Kerneigenschaften aber sind verschieden. So sind der Neutronen-Absorptionsquer-schnitt und das Bremsvermögen von D2O erheblich kleiner als bei H2O. Somit erscheint die Verwendung von D2O als Kühlmedium in einem schnellen Brüter dank der Kerneigenschaften von D2O und der Anwendbarkeit der Druckwassertechnologie besonders erfolgversprechend. In einem Plutonium-Uranium-Deuteriumoxyd (Pu-U-D20)-Reaktorsystem mit abnehmendem Atomverhältnis von Kühlmedium und Brennstoff nehmen bekanntlich die Umwandlungs- oder Brutverhältnisse zu. Das Brutverhältnis ist das Verhältnis der Zahl der erzeugten spaltbaren Atome zur Zahl der verbrauchten Atome. Hohe Brutverhältnisse, die sich dem Wert 1,40 nähern, können in einem Pu-U-D20-System erreicht werden, wenn eine solche Brennstoff-Gittergeometrie erzeugt wird, in welcher die Mode-rator-zu-Brennstoffvolumen-Verhältnisse so eingestellt sind, dass die Moderator-zu-Brennstoff-Atomverhältnisse ausgenützt werden können, die gegen den Wert 1,0 hin oder niedriger liegen. Da die Wahl eines Moderator-zu-Brennstoff-Atomverhältnisses das Volumen an Kühlmedium pro Brennstoff-Masseneinheit festlegt, versteht es sich, dass beim Bestimmen eines Brennstoffgitters, das bei niedrigem Modera-tor-zu-Brennstoff-Verhältnis einen genügenden Kühlmedium-durchfluss gestattet, Schwierigkeiten auftreten können. Die hohen Durchflussmengen, die nötig sind, um die erforderliche Reaktorkernkühlung zu gewährleisten, führen zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten in den zur Erzielung eines niedrigen Moderator-zu-Brennstoff-Verhältnsises sehr eng gehaltenen Kanälen. In den eng gepackten Brennstoffstabgittern ist die Verwendung der üblichen Abstandsgitter nachteilig, da diese zwischengelegten Gitter das enge Packen der Stäbe begrenzen, und da ferner die Strömung Schwingungen der Abstandsgitter anregen kann; nachteilig ist auch die parasitäre Absorption des Gittermaterials und die Zunahme hydraulischer Druckverluste als Folge der in die engen Strömungskanäle eingesetzten Abstandsgitter.
Der heutige Stand der Technik schreibt für schwerwasser-moderierte und gekühlte Reaktoren besondere Brennstoffstabdurchmesser und Abstände innerhalb eines Bereichs des Moderator-zu-Brennstoff-Atomverhältnisses von 0,35 bis 4,0 vor und nimmt an, dass ein Moderator-zu-Brennstoff- Atomverhältnis von annähernd 0,3 erreicht werden kann, wenn ein Brennstoffgitter verwendet wird, in welchem sich die Brennstoffstäbe in Dreieckanordnung gegenseitig berühren. Wird dabei der Wärmefluss auf einen Wert gesenkt, der örtliche Überhitzung an den Stabberührungsstellen vermeiden lässt, wird die Möglichkeit des Betriebs eines solchen Reaktorkerns unter Druckwasserreaktorbedingungen stark eingeschränkt. Ferner kann das enge Packen der Brennstoffstäbe zum Verstopfen der Kanäle durch im Kühlmedium enthaltenen Feststoffen und zu unzulässig grosser Pumpleistung zur Förderung des Kühlmediums führen. Es können auch andere Schwierigkeiten auftreten. Einerseits ist es erwünscht, Abstandsgitter zu vermeiden, um höhere Kühlmedium-Strömungsgeschwindigkeiten zu gestatten, die nötig sind, um zu Moderator-zu-Brenn-stoff-Atomverhältnissen zu führen, welche die hohen Umwandlungsverhältnisse im Bündel der sich berührenden Stäbe auszunützen gestatten. Anderseits kann das Weglassen von Abstandsgittern zu ungenauen Stababständen, zu strömungsbedingten Schwingungen und zu ungleichmässiger Kühlung führen.
Die Erfindung bezweckt die Vermeidung der genannten Nachteile. Zu diesem Zweck ist die erfindungsgemässe Brennstoffeinheit dadurch gekennzeichnet, dass jeder Brennstoffstab eine rohrförmige, den Brennstoff tragende Hülle aufweist, an deren Oberfläche wenigstens eine Längsrippe vorgesehen ist, welche Rippen zur Bildung der Brennstoffeinheit mit benachbarten Brennstoffstäben metallurgisch verbunden sind, und dass die Hüllen und Rippen Kühlwasserdurchflusskanäle begrenzen, wobei die mit Rippen versehenen Brennstoffstäbe so bemessen sind, dass die Brennstoffeinheit einen Struktur-Volumenanteil von weniger als 0,166 und ein Brennstoff-Kühlmedium-Volumenanteilverhältnis im Bereich von 2,43 bis 3,20 aufweist. Eine derart ausgebildete Brennstoffeinheit gestattet die Erfüllung jener thermischen und hydraulischen Bedingungen, welche bei Verwendung sehr dicht gepackter Gitter gestellt sind, um hohe Brutverhältnisse zu erzielen. Dies gelingt besonders gut, wenn die gerippten Stäbe durch Hartlöten miteinander verbunden sind. Es ist auch möglich, die Rippen gewisser Stäbe direkt mit der Rohrwand anderer Stäbe zu verbinden, wobei Moderator-zu-Brennstoffvolumen-Verhältnisse erreichbar sind, die in einem Pu-U-D20-Reaktorkern ein hohes Brutverhältnis ergeben.
Die Nachteile bekannter Brennstoffeinheiten lassen sich durch die Erfindung dadurch vermeiden, dass durch sie Moderator-zu-Brennstoff-Verhältnisse erreichbar sind, die in
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einem Pu-U-DiO-Reaktor zu einem hohen Brutverhältnis führen, während das genaue Einhalten der Brennstoffstabab-stände ohne parasitäre Verluste möglich ist, wie sie bei Verwendung der bekannten Abstandsgitter vorkommen. Ebenso sind durch solche bekannten Abstandsgitter bedingte hydraulische Druckverluste und Stabschwingungen vermieden. Die Rippen der Brennstoffstäbe erhöhen auch deren Festigkeit, vergrössern die Wärmeübertragungsfläche und verbessern den Gesamt-Wärmeübertragungskoeffizienten.
In der beiliegenden Zeichnung sind Ausführungsarten der Erfindung beispielsweise dargestellt; in dieser Zeichnung zeigt:
Fig. 1 einen Teilquerschnitt durch ein Beispiel einer Brennstoffeinheit,
Fig. 2 in Ansicht ein Teil einer Variante der Ausführung nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Ansicht analog Fig. 2 eines Teils einer weiteren Variante zu Fig. 1, und
Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Teil einer weiteren Variante der Einheit nach Fig. 1.
Fig. 1 zeigt einen Teil einer Brennstoffeinheit 10 aus dicht gepackten Brennstoffstäben 11, die mit zueinander parallelen Achsen zu einem Bündel zusammengefasst sind. Jeder Brennstoffstab 11 besitzt eine rohrförmige Hülle 12, die aussen eine Mehrzahl von Längsrippen 13 aufweist. Die mit der Hülle 12 einstückigen Längsrippen 13 sind in Abständen voneinander am Hüllenumfang verteilt angeordnet. Ein durch ein Gemisch aus Spalt- und Brutmaterial gebildeter Kernbrennstoff 14 ist in der Hülle 12 angeordnet. Die Brennstoffstäbe 11 sind nach Fig. 1 so angeordnet, dass die Aussenfläche jeder Rippe 13A gegen die Aussenfläche einer Rippe 13B eines benachbarten Stabes anliegt. Rippen von aussen im Bündel angeordneten Stäben liegen beim gezeichneten Beispiel gegen den Mantel 15 der Brennstoffeinheit an. Die gegeneinander stossenden Rippen sind ebenso wie die gegen den Mantel 15 stossenden Rippen durch Hartlöten bei 16 bzw. 17 miteinander bzw. mit dem Mantel verbunden, so dass eine in sich fest verbundene Einheit 10 gebildet ist.
Bei einer Ausführungsform erstrecken sich die Rippen 13 der Stäbe 11 durchgehend über die ganze Stablänge, so dass zwischen den benachbarten Rippen Kanäle 20 für den zu den Stabachsen parallelen Durchfluss des Kühlmediums. Die Rippen brauchen sich jedoch nicht über die ganze Stablänge zu erstrecken; sie können, wie bei 21 in Fig. 2 gezeigt, durch im Abstand aufeinanderfolgende Rippenstücke gebildet sein. Die axial unterbrochenen Rippen 21 gemäss den in Fig. 2 und 3 gezeigten Varianten ermöglichen auch ein Umspülen der Stäbe in Umfangsrichtung, wobei sich das Kühlmedium in den einzelnen Längskanälen mischen kann. Die axial unterbrochenen Rippen 21 benachbarter Stäbe können durch Hartlöten, wie bei 22 gezeigt, miteinander verbunden sein, oder, wie bei 23 in Fig. 3 gezeigt, können die Rippen 21 eines Stabes direkt mit der Umfangspartie der Hülle der benachbarten Stäbe 11 durch Hartlöten verbunden sein. Es ist auch eine Kombination der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Varianten (also Rippe-Rippe-Berührung und Rippe-Hülle-Berührung) möglich.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher relativ breite Rippen 24 der Stäbe 26 bei 25 miteinander verlötet sind. Breite Rippen reduzieren den Moderatorvolumenanteil auf Kosten der spezifischen Kernleistung.
Durch Weglassen der üblichen Abstandsgitter und Anordnen von mit den Stabhüllen einstückigen Rippen gestattet es den Volumenanteil des Moderators im Reaktorkern auf Werte herabzusetzen, welche zu den gewünschten Moderator-zuBrennstoff-Atomverhältnissen führen. Aus der folgenden Tabelle sind die physikalischen Aufbauparameter einiger Beispiele ersichtlich.
Tabelle
Beispiel 1 2 3
Brennstoffstab-Durch-
0,889
1,016
1,016
messer
Brennstoffstab-Teilung
0,990
1,092
1,092
Hüllen-Wanddicke
0,038
0,051
0,051
Hüllen-Material
Incoloy
Typ 316
Typ 316
800
rostfreier rostfreier
Stahl
Stahl
Teilung-Durchmesser
0,102
0,076
0,076
Rippenzahl pro Stab
6
3
3
Rippenhöhe
0,051
0,076
0,076
Rippenbreite
0,051
0,076
0,076
Rippenunterbrechung
0
0
30
% pro Länge
Brennstoffvolumenan
0,6105
0,6357
0,6357
teil
Struktur-Volumenanteil
0,1381
0,1659
0,1541
Kühlmedium-Volumen-
0,2514
0,1984
0,2102
anteil
Brennstoff/Kühlme-
2,43
3,20
3,02
dium-Volumenanteilver-
hältnis
Moderator/Brennstoff-
0,82
0,624
0,66
Atomverhältnis
Die bei den Beispielen nach Tabelle verwendeten Brennstoffstäbe sind in Stangenform vorgesehen. Diese Stäbe der Beispiele 1 und 2 sind mit über deren Länge durchgehenden Rippen versehen. Das Beispiel 3 ist eine Variante des Beispiels 2, und seine Rippen sind über 30% der Stablänge unterbrochen. Die Werte der in Tabelle genannten Moderator/Brennstoff-Atomverhältnisse entsprechen etwa jenen von üblichen Druckwasserreaktoren, bei den dort üblichen Primärkühlmedium-Temperaturen und Drücken, Brennstofform, Spiel zwischen Brennstoffteil und Hülle und im Brennstoff erreichter Prozentsatz der theoretischen UCh-Dichte.
Die Brennstoffeinheiten gemäss Tabelle werden zweckmässig im Lötofen in einer Wasserstoffatmosphäre bei 1055 bis 1085°C hergestellt; als Lot wird z.B. die unter dem Markennamen «Nicrobraz 50» (der Wall-Colmonoy Corp., Detroit, USA) bekannte Legierung verwendet, wobei die üblichen Lehren, Befestigungsvorrichtungen und Lotanordnungen verwendbar sind.
Dank der mit dieser Ausbildung der Brennstoffeinheit erreichbaren Moderator-zu-Brennstoff-Atomverhältnisse lassen sich Technologien von schnellen Reaktoren auf Technologien von Druckwasserreaktoren anwenden. Diese Kombination ergibt wesentliche Vorteile:
a) Vermeidung von bei schnellen Brütern sonst üblichen Gas- oder Flüssigmetall-Kühlmedien;
b) herabgesetzte Hüllentemperatur;
c) Möglichkeit der Anwendung zusätzlicher Reaktivitätskontrollmethoden, wie chemische Schwimmregelung und Spektral-Verschiebungsregelung.
Die Möglichkeit der Anwendung zusätzlicher Reaktivitätskontrollmethoden vermindert die übliche Abhängigkeit eines schnellen Brüters von Regelstäben. Sie ermöglichen eine allgemeine Herabsetzung der notwendigen Hochwertigkeit der Regelstäbe und gestatten eine kontinuierliche Einstellung eines Reaktivitätsüberschusses auf einen Minimalwert. Dies schliesst zwangsläufig die Verwendung höherwertiger Stäbe ausserhalb des Kerns ein.
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2 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Brennstoffeinheit in einem mit Druckwasser moderierten und gekühlten Kernreaktor, mit einer Mehrzahl von ax-parallel zu einem dichten Bündel gepackten Brennstoffstäben, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Brennstoffstab (11) eine rohrförmige, den Brennstoff tragende Hülle (12) aufweist, an deren Oberfläche wenigstens eine Längsrippe (13) vorgesehen ist, welche Rippen zur Bildung der Brennstoffeinheit mit benachbarten Brennstoffstäben metallurgisch verbunden sind, und dass die Hüllen und Rippen Kühlwasserdurchflusskanäle (20) begrenzen, wobei die mit Rippen versehenen Brennstoffstäbe so bemessen sind, dass die Brennstoffeinheit einen Struktur-Volumenanteil von weniger als 0,166 und ein Brennstoff/Kühlmedium-Volumenanteilverhältnis im Bereich von 2,43 bis 3,20 aufweist.
2. Brennstoffeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen mit benachbarten Stäben durch Hartlöten verbunden sind.
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PATENTANSPRÜCHE
3. Brennstoffeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsrippen sich kontinuierlich über die Mantelfläche der Hüllen parallel zur Längsachse der Brennstoffstäbe erstrecken.
4. Brennstoffeinheit nach Anspruch 1, in einem mit schwerem Wasser als Druckwasser moderierten und gekühlten Kernreaktor, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff Plutonium ist.
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