DE1179652B

DE1179652B - Regelelement fuer Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1179652B
Application number: DEU7283A
Authority: DE
Inventors: Richard Joseph Beaver; Carl Frederick Leitten Jun; Oak Ridge
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1959-08-14
Filing date: 1960-06-29
Publication date: 1964-10-15
Also published as: US3030294A; NL253336A; GB902786A; NL113500C; BE592930A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G 21

Nummer: Aktenzeichen: Anmeldetag: Auslegetag:

Deutsche KL: 21g-21/31

U 7283 VIII c/21,
29.Juni 1960
15. Oktober 1964

Die Erfindung betrifft ein Regelelement für Kernreaktoren mit in einem Grundmaterial ungleichmäßig verteiltem neutronenabsorbierendem Stoff.

Mit festen Brennstoffen und thermischen Neutronen arbeitende Reaktoren werden fast immer durch die Absorption von Neutronen in Regelstäben geregelt, die herausnehmbar in den Reaktorkern eingesetzt sind. Eine Regelung durch Neutronenabsorption wird auch in anderen Kernreaktoren angewendet. Ein Regelstab besteht gewöhnlich aus einem Kern, der den neutronenabsorbierenden Stoff enthält, und einer diesen umgebenden Schutzumhüllung. Beispielsweise wurden mit Aluminium umhüllte Bor-Aluminium-Legierungen und mit korrosionsbeständigem Stahl umhüllte Eisen-Bor-Legierungen für Regelzwecke verwendet.

Regelstäbe, insbesondere solche mit einer Umhüllung, können durch Neutronenbestrahlung beschädigt werden, wenn ein neutronenabsorbierender Stoff verwendet wird, bei dem eine Neutron-Alpha-(n,«)-Reaktion stattfindet. Bor 10 ist das einzige Material, bei welchem die Neutron-Alpha-Reaktion stattfindet und das allgemein verwendet wird; jedoch ist es wegen seiner Verfügbarkeit, seines hohen Einfangquerschnitts und der verhältnismäßig geringen Kosten gegenwärtig einer der am meisten bevorzugten neutronenabsorbierenden Stoffe. Helium ist eines der Produkte der Neutron-Alpha-Reaktionen, und es wird nach einer verhältnismäßig kurzen Bestrahlung eines borhaltigen Stabes durch Neutronen ausreichend Helium freigesetzt, um den Stab ernstlich zu beschädigen. Bestrahlungsschäden dieser Art werden durch ein Schwellen oder Wachsen des Regelstabes bemerkbar. Durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß bei einer Platte mit 97,19 Gewichtsprozent Eisen und 2,81 Gewichtsprozent Bor 10, die mit einer Umhüllung aus korrosionsbeständigem Stahl versehen war, eine Dickenzunahme von 2,6% nach einem Borabbrand von ll,5°/o eintrat und eine Dickenzunahme von 34,0% nach einem Abbrand des Bors 10 von 32,9%. Eine solche Dickenzunahme macht einen Regelstab für den Reaktorbetrieb gewöhnlich unbrauchbar.

Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, die Lebensdauer eines Regelelements, das in einem Kernreaktor Verwendung findet, zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird gelöst, indem erfindungsgemäß die Konzentration des neutronenabsorbierenden Stoffes über den Querschnitt des Regelelementes von einem Minimum an der Oberfläche bis zu einem Maximum in der Mitte des Elements zunimmt. Dadurch wird der prozentuale Abbrand über den Querschnitt des Regelelement für Kernreaktoren

Anmelder:

United States Atomic Energy Commision,

Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,

München 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:

Richard Joseph Beaver, Knoxville, Tenn.,

Carl Frederick Leitten jun.,

Oak Ridge, Tenn. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 14. August 1959

(833 896)

Regelelementes gleichmäßiger verteilt und kann damit wesentlich größer werden, ohne daß die Bestrahlungsschäden bekannter Regelelemente auftreten.

Es ist bereits ein Regelelement, nämlich ein Trimmstab für Kernreaktoren bekannt, der zum Ausgleich örtlich konzentrierter Flußüberhöhungen an dem in den Reaktor eingetauchten Ende eine ausdehnungsmäßig auf die Störstelle abgestimmte Häufung neutronenabsorbierender Substanzen aufweist. Dadurch können unabhängig von der Stellung der übrigen Regelstäbe diese bekannten Stäbe jeweils so weit in den Reaktor eingefahren werden, daß sie mit ihrem vorderen Ende im Bereich der Flußverteilung liegen. Dem bekannten Gegenstand liegt nicht nur eine andere Aufgabe als der Erfindung zugrunde, sondern er ist auch hinsichtlich seiner Wirkung von dem Erfindungsgegenstand völlig verschieden. Eine Verteilung des Abbrandes über den Querschnitt des Regelelementes und dadurch eine Verlängerung der Lebensdauer ist bei dem bekannten Gegenstand nicht gegeben.

An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine graphische Darstellung verschiedener Abbrandprofile einer 2,86 Gewichtsprozent enthaltenden Eisen-Bor-Dispersion und

F i g. 2 eine graphische Darstellung einer Borkonzentrationsverteilung über dem Regelelement-

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querschnitt, die über einen großen Querschnittsbereich einen gleichmäßigen Borabbrand ergibt.

Es wurde durch Untersuchung bestrahlter, mit korrosionsbeständigem Stahl umhüllter Proben von gleichmäßigen Eisen-Bor-Dispersionen festgestellt, daß der Strahlenschaden hauptsächlich auf den Bereich der Grenzfläche zwischen dem Kern und der Umhüllung begrenzt ist und daß das Ausmaß des Schadens von dem Betrag des in diesen Bereichen während der Bestrahlung ausgebrannten Bors abhängt. Der Strahlenschaden ist wegen der starken Absorption des Bors auf diesen Bereich begrenzt.

Diese Begrenzung des Abbrandes auf den Grenzflächenbereich ist in F i g. 1 gezeigt, in welcher eine graphische Darstellung des Abbrandes von Bor 10 in Abhängigkeit von der Anordnung eines Regelstabes innerhalb des Reaktorkerns gegeben ist. F i g. 1 bezieht sich auf einen Regelelementkern mit einem Durchmesser von 2,2860 mm. In F i g. 1 ist auf der Abszisse von links nach rechts der Abstand von der Oberfläche bis zum Zentrum in willkürlichen Einheiten abgetragen und auf der Ordinate die Borkonzentration in Gewichtsprozent. Die ursprünglich gleichmäßig verteilte Konzentration von Bor 10 beträgt 2,86 Gewichtsprozent. Die Kurve A in F i g. 1 zeigt das Abbrandprofil eines Regelstabes, in welchem ein Abbrand von 3 % der ursprünglichen Bor-10-Atome stattgefunden hat. In der gleichen Weise zeigt die Kurve B das 9 %-Abbrandprofil, die Kurve C das 17%-Abbrandprofil und die Kurve D das 25%-Abbrandprofil. Aus einer Betrachtung dieser Kurven ergibt sich, daß im wesentlichen der gesamte Bor-Abbrand im Bereich des äußersten Drittels des Halbmessers des Kerns des Regelstabes stattfindet und daß praktisch keine Reaktion zwischen dem Bor 10 und Neutronen innerhalb des Kerns erfolgt.

Aus einer Untersuchung von Mikrobildern und Messungen bestrahlter Proben wurde festgestellt, Zentimeter an der Stelle des Abschnitts / des Querschnitts des Regelelementes, N° die Zahl der Boratome oder anderen neutronenabsorbierenden Atome je Quadratzentimeter an der Stelle des Abschnitts 1 des Querschnitts des Regelelementes,

CfI₀ die Neutroneneinfangwahrscheinlichkeit an der Stelle des Abschnitts 1,

/ die Gesamtzahl der auf 1 Quadratzentimeter an der Stelle des Abschnitts 1 während der Hälfte der gewünschten Regelelementlebensdauer einfallenden Neutronen,

/ die Zahl, welche die entsprechende Stelle eines Abschnitts in dem Querschnitt des Regelelementes bezeichnet, wobei alle Abschnitte mit der gleichen Stellenzahl eine konstante Dicke haben und die Zahlen um ganze Zahlen von der äußersten Zahl 1 zur Mitte des Elementes zu ansteigen, und

σ der Absorptionsquerschnitt der absorbierenden Atome ist.

Die Wahrscheinlichkeit des Einfangs eines Neutrons, das in einen Querschnittsabschnitt / dieses Regelelementes eintritt, ist C/I, wobei C gleich die Zahl der in diesem Querschnittsabschnitt absorbierten Neutronen und / gleich die Zahl der in die Schicht eintretenden Neutronen ist. Diese Wahrscheinlichkeit wird ferner durch den folgenden Ausdruck bestimmt:

= Na,

wobei

N die Zahl der Absorberatome im jeweiligen Abschnitt und

σ der Absorptionsquerschnitt des Absorbermaterials ist.

Für den besonderen Fall des Abschnitts 1 ist die

/0

= Ν°σ,

daß keine Strahlenschäden in Eisen-Bor-Dispersion eintreten, die 2,86 Gewichtsprozent Bor 10 enthalten, 40 Wahrscheinlichkeit wenn der gesamte Abbrand bei etwa 3 Gewichtsprozent oder weniger gehalten wird. Aus F i g. 1 ergibt sich, daß bei einem Gesamtabbrand von 3 Gewichtsprozent die Verringerung der Konzentration von Bor 10 an der Grenzfläche (d. h. am Schnittpunkt des 45 3°/o-Profils mit der Ordinate) 0,86 Gewichtsprozent beträgt, was einem prozentualen örtlichen Abbrand von 0,86/2,86-100 = 30% entspricht. Wenn das Abbrandprofil ausgeflacht werden könnte, wie durch die gestrichelte Linie E in F i g. 1 angedeutet wird, 50 würde der Bor-10-Gesamtabbrand von 3 Gewichtsprozent auf 30 Gewichtsprozent zunehmen, ohne Schaden zu verursachen. Die starke Absorption des Bors macht die Ausflachung des Abbrandprofils in einem Kern, der eine gleichmäßige Dispersion von 55 Bor enthält, jedoch unmöglich.

Um einen gleichmäßigeren Absorberabbrand als in Regelelementen mit homogen-dispergierter Absorber zu erhalten, wird der Absorber gemäß der Erfindung vorzugsweise in Übereinstimmung mit der 60 zeichnet werden und wird für eine bestimmte An-

wobei I₀ die Zahl der in den Teilbetrag 1 eintretenden

Neutronen und

N° die Zahl der Absorberatome im Teilbetrag 1 ist. Die Gleichung (1) kann in der folgenden Form angeschrieben werden:

N=N⁰

1
1 - (/ - 1) CII₀

N⁰

1
1 - (/ - 1) C/I_o

(al). (4)

Der erste Ausdruck auf der linken Seite der Gleichung (4) (d. h. N° ■ ^J . ) kann mit N' be-

folgenden Gleichung verteilt:

N=N⁰

1
1 '-(/-"I)CMe

N die erforderliche Zahl der Boratome oder anderen neutronenabsorbierenden Atome je Quadratwendung in der folgenden Weise zahlenmäßig ausgedrückt. Da der Absorptionsquerschnitt (σ) in einem gegebenen Regelstab in einem besonderen Reaktor 0) im wesentlichen konstant ist, wird die Absorptions-

Wahrscheinlichkeit im Teilbetrag 1 (CII₀) aus der Gleichung (3) durch die Annahme eines Wertes für die Zahl der Absorberatome je Quadratzentimeter im Teilbetrag 1 (N°) berechnet.

Nach der Berechnung der Werte für CfI₀ und N° ermöglicht das Einsetzen derselben in den ersten Ausdruck der vorangehenden Gleichung (4) die Bestimmung von N' für jeden Teilbetrag im jeweiligen Regelelement.

N' ist die Zahl der Absorberatome je Quadratzentimeter, die in jedem Abschnitt des Regelelementes erforderlich sind, um genau den gleichen Abbrandgrad in jedem Abschnitt zu erzielen. Die Ergebnisse einer Berechnung von N' für eine Eisen-Bor-Dispersion ist durch die KurveF in Fig. 2 dargestellt.

In Fig. 2 ist auf der Ordinate N in Gewichtsprozent und auf der Abszisse der Abstand von der Oberfläche des Regelelements in willkürlichen Einheiten aufgetragen. In F i g. 2 ist N in Gewichtsprozent umgewandelt. Die Kurve F ist eine ideale Kurve, da sie die einzigen Konzentrationsverteilung wiedergibt, welche einen gleichmäßigen Abbrand liefert. Aus einer Untersuchung der Gleichung (2) ergibt sich, daß, wenn eine ideale Verteilung bestrahlt wird, die Einfangwahrscheinlichkeit (C//_o) an allen Punkten längs der Verteilungskurve abnimmt und daß der Betrag der Abnahme mit Bezug auf die Tiefe nicht konstant ist. Daher ergibt die auf N' beruhende Verteilung den gleichmäßigen Abbrand nur für einen unendlich kleinen Neutronenimpuls.

Aus diesem Grunde wird ein gleichmäßiger Abbrand annähernd dadurch erzielt, daß anfänglich eine ausreichende Menge Neutronenabsorber vorgesehen Die ausgebrannte Bormenge ist durch den Flächeninhalt dargestellt, welcher zwischen der 2,86-Linie und jeder der Abbrandprofilkurven liegt.

In F i g. 2 ist die anfänglich vorhandene Bormenge durch den Flächeninhalt unter der Kurve G dargestellt, und diese Menge ist gleich der Menge, die im Element vorhanden'ist, für welches Fig. 1 gezeichnet ist. Die Gesamtmenge des ausgebrannten Bors des Elementes in Fig. 2 ist proportional dem schraffierten Bereich zwischen der Kurve G und der Kurve H und beträgt annähernd 20 Gewichtsprozent. Wie ersichtlich, beträgt die maximale differentielle Verringerung in der Bor-10-Konzentration 0,9 Gewichtsprozent.

Aus Fig. 1 ergibt sich, daß die Kurvet, welche einen Gesamtabbrand von 3 % darstellt, die Ordinate bei etwa 2,0 Gewichtsprozent Bor 10 oder bei einer Verringerung von 0,86 Gewichtsprozent in der Bor-10-Konzentration schneidet. Hieraus ergibt sich, daß für eine maximale differentielle Verringerung der Bor-10-Konzentration von etwa 0,9 Gewichtsprozent eine Platte, welche eine gleichmäßige Dispersion von Bor (Fig. 1) enthält, nur auf 3 Gesamtgewichtsprozent Bor 10 ausgebrannt werden kann, während, wenn die Konzentration in der erörterten Weise verändert wird, ein Gesamtabbrand von etwa 20% erzielt werden kann.

Die Herstellung eines Regelelementes mit einem Absorber-Konzentrations-Gradienten kann dadurch

des Regelelementes mit dem idealen Gradienten zusammenfällt. Der zweite Ausdruck

wird, so daß der Bor-10-Konzentrationsgradient über 30 erzielt werden, daß eine Reihe von dünnen dichten einem Teil (vorzugsweise die Hälfte) der Lebensdauer Körpern oder Platten gebildet wird, wobei in jedem

dieser Körper bzw. in jeder dieser Platten der Absorber gleichmäßig mit Konzentrationen dispergiert ist, welche den berechnetem Überlastungs-Konzentrations-Gradienten (z. B. Kurve G in F ig. 2) und der Lage, welche der dichte Körper im fertigen Regelelement einnimmt, entspricht. Beispielsweise kann jede Hälfte eines Regelelementes, das den nach F i g. 2 erforderlichen Konzentrationsgradienten aufweist, aus einer

menge dar, die für das Erzielen des idealen Gradienten 40 Reihe von dichten Körpern oder Platten, wie in der bei mittlerer Lebensdauer erforderlich ist. nachfolgenden Tabelle vorgeschrieben, hergestellt

N°

(σ I)

auf der rechten Seite der Gleichung (4) stellt die Bor-

Die Kurve G (F i g. 2) ist die vollständige Lösung der Gleichung (4) für eine Eisen-Bor-Dispersion in Plattenform von einer Gesamtdicke von 2,2860 mm, welche die gleiche Bormenge enthält, wie eine ähnliche Platte, in der 2,86 Gewichtsprozent Bor 10 homogen dispergiert sind. Die Differenz zwischen der Kurve G und der Kurve F ist proportional dem zweiten Summanden der Gleichung (4). Sie ergibt die ideale Verteilung (Kurve F) bei der Bestrahlung durch ein Teilchen, das die gleiche Reaktionswahrscheinlichkeit mit dem Absorber hat wie der Absorber mit einem Neutron, durch dessen Absorption jedoch ein Absorberatom gebildet wird. Aus dem Vorangehenden ergibt sich, daß die Berechnung des zweiten Ausdrucks der Gleichung (4) lediglich eine Umkehrung eines Abbrandproblems ist.

Die KurveH in Fig. 2 gibt den Verlauf der Konzentration nach dem Abbrand und wird dadurch berechnet, daß der zweite Summand auf der rechten Seite der Gleichung (4) subtrahiert statt addiert wird.

Der Vorteil, der darin besteht, daß ein Absorber in der dargestellten Weise dispergiert wird, kann durch einen Vergleich der Fig. 1 und 2 demonstriert werden. In F i g. 1 ist die anfänglich im Regelelement vorhandene Bormenge proportional dem Flächeninhalt, der unter der waagerechten, mit »2,86« gekennzeichneten Linie liegt.

werden. In dieser Tabelle hat der äußere Körper bzw. die äußere Platte die Nummer 1, während der innere Körper bzw. die innere Platte die Nummer 11 hat.

Nummer	Dicke	B-10-Konzentration
der Platte	mm	Gewichtsprozent
1	0,3810	0,8
2	0,1270	1,0
3	0,1270	1,25
4	0,0635	1,50
5	0,03175	1,80
6	0,03175	2,20
7	0,0254	2,60
8	0,0254	3,30
9	0,0254	4,35
10	0,0254	5,40
11	0,2794	6,00

Jede der Platten kann in einer größeren Dicke hergestellt werden, als sie später gebraucht wird. Die Dickenverringerung wird durch einen Walzvorgang herbeigeführt. Beispielsweise könnte jede der Platten nach der Tabelle zehnmal so dick wie vorgeschrieben hergestellt, in ein Walzgerüst gebracht und in ihrer Dicke durch einen Warmwalzvorgang mit einem Faktor 10 verringert werden. Dieses Ver-

fahren hat den Vorteil, daß es eine Diffusion von Bor zwischen benachbarten Schichten zuläßt, wodurch der gewünschte Konzentrationsgradient mit größerer Annäherung erreicht wird.

Obwohl die Erfindung vorangehend unter besonderer Bezugnahme auf eine Eisen-Bor-Dispersion in Plattenform beschrieben wurde, ist sie nicht auf diese beschränkt. Es können viele Abweichungen und Abänderungen bei dieser besonderen Regelmasse vorgesehen werden. Die Erfindung ist auf Regelelemente von beliebiger Form und Zusammensetzung anwendbar. Es kann jeder Neutronenabsorber gleichmäßig ausgebrannt werden, wenn er in der vorangehend beschriebenen Weise verteilt wird und wenn der Absorber ein Neutron-Alpha-(n,*>Absorber ist, wird die Betriebslebensdauer eines Regelelementes, in das er eingebracht ist, beträchtlich verlängert.

Claims

Patentansprüche:

1. Regelelement für Kernreaktoren mit in einem Grundmaterial ungleichmäßig verteiltem neutronenabsorbierendem Stoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des neutronenabsorbierenden Stoffes über den Querschnitt von einem Minimum an der Oberfläche bis zu einem Maximum in der Mitte des Regelelementes zunimmt.

2. Regelelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der neutronenabsorbierende Stoff Bor 10 ist.

3. Regelelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung des neutronenabsorbierenden Stoffes nach folgender Gleichung erfolgt:

wobei N die Anzahl der Boratome oder anderen neutronenabsorbierenden Atome je Quadratzentimeter an der Stelle des Abschnittes i des Querschnitts des Regelelementes, N° die Anzahl der Boratome oder anderen neutronenabsorbierenden Atome je Quadratzentimeter an der Stelle des Abschnittes 1 des Querschnitts des Regelelementes, C//_o die Neutroneneinfangwahrscheinlichkeit an der Stelle des Abschnittes 1, / die Gesamtzahl der auf 1 Quadratzentimeter an der Stelle des Abschnittes / des Querschnitts während der Hälfte der gewünschten Regelelementlebensdauer einfallenden Neutronen,

die Zahl, welche die entsprechende Stelle eines Abschnittes in dem Querschnitt des Regelelementes bezeichnet, wobei alle Abschnitte mit der gleichen Stellenzahl eine konstante Dicke aufweisen und die Zahlen um ganze Zahlen von der äußersten Zahl 1 zur Mitte des Elementes zu ansteigen, und

σ der Absorptionsquerschnitt der absorbierenden Atome ist.

4. Regelelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es von einer Schutzhülle umgeben ist.

5. Regelelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es einen zusammengesetzten Mittelkern aus einer Anzahl dünner Längsabschnitte von sich verändernder Absorberkonzentration besitzt, die zwischen der Mitte des Elementes und der Schutzumhüllung angeordnet sind.

M = W°

1 - (/ - 1) · CII₀

σ I), In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 1 027 809, 1 033 810; deutsche Auslegeschriften Nr. 1 055 709, 1 037 609.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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