DE1223470B - Brennelement fuer Kernreaktoren - Google Patents
Brennelement fuer KernreaktorenInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. Cl.:
G21d
Deutsche Kl.: 21 g - 21/31
Nummer: 1223 470
Aktenzeichen: R 37337 VIII c/21 g
Anmeldetag: 28. Februar 1964
Auslegetag: 25. August 1966
Die Erfindung betrifft ein Brennelement für Kernreaktoren, bei dem der Kernbrennstoff in Tablettenform
in einer Hülle angeordnet ist und das zum Zweck der Kompensation des Abbrandes des Kernbrennstoffes
eine ausbrennbare neutronenabsorbierende Substanz enthält, die in Foirm von diskreten
Teilchen, z. B. Körnern, in einem Trägermaterial verteilt ist. Dieser neutronenabsorbierende Stoff, auch
als »verschwindendes Gift« bezeichnet, wird während des Reaktorbetriette allmählich so umgesetzt,
daß die neutronenabsorbierenden Eigenschaften abnehmen.
Diese Abnahme entspricht der Zunahme des Neutronenabsorptionsvermögens
infolge der Spaltung und der Abnahme des Spaltvermögens im Spaltstoff selbst.
Falls diese Zunahme bzw. Abnahme aufeinander gut abgestimmt sind, so erweist es sich nicht oder
beinahe nicht als nötig, eine sich allmählich zeigende Reaktivitätsänderung des Reaktors durch Stellstäbe
aufzufangen.
Derartige Spaltstoffelemente sind bereits bekannt. Im allgemeinen sind jedoch die bekannten Spaltstoffelemente,
die verschwindendes Gift enthalten, so zusammengesetzt, daß das Gift möglichst homogen
(d. h. atomar) verteilt ist.
Wie man wohl als bekannt annehmen darf, wird mit der Zufügung von verschwindendem Gift die Beherrschung
des Reaktivitätsverlaufes eines Reaktors während seiner Lebensdauer angestrebt.
Wenn man für die bekannten Spaltstoffe mit Gift eine Kurve zeichnet, die das Absorptionsvermögen
des Giftes in Abhängigkeit von der Zeit darstellt, so zeigt sich bei der normalerweise verwendeten gleichmäßigen
oder homogenen Verteilung des Giftes, daß dieses Vermögen sehr schnell abfällt.
Es sind ferner Spaltstoffelemente bekannt, bei denen die ausbrennbare neutronenabsorbierende Substanz
in Form von diskreten Teilchen in einem Trägermaterial verteilt ist.
Dieses Trägermaterial hat jedoch die Form einer rohrförmigen Hülle, die den in Tablettenform vorliegenden
Brennstoff umgibt.
Mit der Erfindung wird nun bezweckt, die neutronenabsorbierende Substanz zweckmäßig zu verteilen
und das Niederbrennen besser zu regeln, was erfindungsgemäß dadurch erreicht wird, daß das Trägermaterial
ebenfalls in Tablettenform vorliegt und diese Tabletten abwechselnd mit einer oder mehreren
der Brennstofftabletten in der Hülle angeordnet sind.
Es ist ferner möglich, in den genannten Tabletten
eine Öffnung, Aussparung oder Einkerbung anzu-Brennelement für Kernreaktoren
Anmelder:
Reactor Centrum Nederland, Den Haag
Vertreter:
Dr. F. Zumstein, Dr. E. Assmann
und Dr. R. Koenigsberger, Patentanwälte,
München 2, Bräuhausstr. 4
Als Erfinder benannt:
Maarten Bogaardt, Den Haag;
Wilhelmus Wijnandus Nijs, Rijswijk;
Johannes Coehoorri, Bergen (Niederlande)
Maarten Bogaardt, Den Haag;
Wilhelmus Wijnandus Nijs, Rijswijk;
Johannes Coehoorri, Bergen (Niederlande)
Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 21. Februar 1964 (6 401 633)
bringen. Durch eine größere oder kleinere Aussparung oder dureh Änderung der Anzahl der Aussparungen
kann man die Giftmenge im Reaktor örtlich ändern. Je größer die Öffnung z.B. im Mittelteil
einer derartigen Gifttablette ist, desto weniger Gift ist an einer bestimmten Stelle vorhanden. Die
Folge ist, daß die Temperatur im Mittelpunkt einer Gifttablette erniedrigt wird.
Die Öffnung im Mittelteil der Trägertabletten
braucht nicht genau zentrisch zu sein. In vielen Fällen kann es von Nutzen sein, eine derartige Öffnung
gerade exzentrisch anzuordnen, damit man durch geeignete Orientierung dieser Öffnung die örtliche Flußverteilung
im Reaktorkern beeinflussen kann.
Zusätzlich zu einer derartigen Aussparung können die Körner in den Trägertabletten ungleichmäßig verteilt
sein, z. B. so, daß die Giftkörnerkonzentration am Außenumfang der Trägertablette größer ist als
am Innenumfang, oder umgekehrt. Zwischen diesen Extremwerten der Körnerkonzentration soll diese
Konzentration allmählich verlaufen.
Falls das Trägermaterial magnetisch ist, so entsteht noch ein zusätzlicher Vorteil, weil es beim Aufarbeiten
der benutzten Spaltstoffelemente auf einfache Weise möglich wird, auf magnetischem Weg
die Gifttabletten aus den alten Spaltstoffelementen zu entfernen. Bekanntlich sind zum Demontieren
derartiger Spaltstoffelemente besondere Vorsichtsmaßnahmen zu treffen, weil die Elemente eine zeit-
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lang radioaktiv bleiben. Alle Demontierungsarbeiten
müssen daher in sogenannten »hot-cells« stattfinden, wobei Manipulatoren und Geräte mit Fernbedienung
benutzt werden. Wenn die Spaltstoffstäbe offen sind, so kann ein mit einem kräftigen Magnet (vorzugsweise
einem Elektromagnet) versehener Manipulator die Gifttabletten, an denen magnetisches Material,
z. B. Eisen, angebracht ist, festhalten und von dem Spaltstoffmaterial trennen.
Dasselbe läßt sich, bei unmagnetischem Trägermaterial
ebenfalls erreichen, wenn man die Gifttabletten außen z. B. mit einer Eisenschicht überzieht.
Dieser Überzug kann das Trägermaterial völlig umhüllen, was aber nidht unbedingt notwendig ist. In
vielen Fällen genügt es, wenn ein Teil der Außen- oder Innenseite des Überzugs aus magnetischem
Materials hergestellt ist. Es ist sogar möglich, in die Öffnung des Trägerplättchens wieder einen Kern aus
magnetischem Material einzusetzen, der durch Umbördeln der Enden befestigt wird.
In den Figuren werden einige Ausführungen beispielsweise
näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen Querschnitt über ein Giftplättchen, worin die Giftkörner homogen verteilt sind,
Fig. 2 einen Querschnitt über ein Giftplättchen, das an der Außenseite mit einer dünnen Eisenschicht
bekleidet ist,
F i g. 3 einen Querschnitt über ein Giftplättchen, das nur teilweise an der Außenseite mit einer dünnen
Eisenschicht bekleidet ist,
F i g. 4 und 5 einen Querschnitt über Giftplättchen, wobei in der Mitte eine Öffnung angeordnet ist,
Fig. 6 einen Querschnitt über ein Giftplättchen, wobei wenigstens eine der angebrachten Öffnungen
exzentrisch angeordnet ist,
F i g. 7 einen Querschnitt über ein Giftplättchen, worin die Giftkörner ungleichmäßig verteilt sind;
F i g. 8 bis 10 zeigen Querschnitte über Giftplättchen, die mit einem magnetischen Kern versehen
sind;
Fig. 11 zeigt einen Spaltstoff stab teilweise in Ansicht,
teilweise im Querschnitt;
F i g. 12 gibt eine Draufsicht eines Stützgitters, worin
Spaltstoffstäbe gestützt werden;
Fig. 13 zeigt einen vertikalen Querschnitt durch
ein Reaktorgefäß und .über eines der Spaltstoffelemente in dessen Kern;
F i g. 14 zeigt einen horizontalen Querschnitt über
das Reaktorgefäß von F i g. 13.
F i g. 1 gibt einen. Querschnitt über ein Giftplättchen 1, das z. B. eine runde Form besitzen kann. Wie
die Körnerverteilung in der Figur zeigt, handelt es sich hierbei um eine praktisch gleichmäßige Verteiteilung
der Körner 7.
In nachstehenden Fig. 2 bis 6 und 8 bis 10 ist
nicht näher angegeben, ob die Körnerverteilung gleichmäßig ist oder-nicht. Die Giftplättchen sind
hierbei auf einfache Weise schraffiert. F i g. 2 zeigt,
wie ein Giftplättchen an der Außenseite mit einer Eisenschicht 2 bekleidet ist.
In der in F i g. 3 dargestellten Ausführung ist nur der Außenumfang des Giftplättchens mit einer
Schicht magnetischen Materials 24 bekleidet.
In Fig. 4 ist in dem Giftp'lättchen 1 eine zentrale Öffnung oder Bohrung 3 angebracht. Dasselbe gilt für
F i g. 4, wo jedoch die Verhältnisse anders sind.
Falls in den in den;F i g. 4 und 5 dargestellten Fällen
eine gleichmäßige Körnerverteilung verwendet wird, so kann die Menge des Giftes geändert werden
durch Änderung der Abmessung der Öffnung. Auf diese Weise ist bei einer und derselben gleichmäßigen Körnerverteilung
die in dem in F ig. 5 dargestellten Plättehen vorhandene Giftmenge geringer als diejenige
im Plättchen von Fig. 4.
In Fig. 6 ist in dem gezeichneten Querschnitt eine
Bohrung oder Öffnung 5 angebracht, derart, daß diese hinsichtlich der Mitte 6 des Giftplättchens exzentrisch
angeordnet ist.
F i g. 7 zeigt ein Giftplättchen 1, worin eine Bohrung
3 angebracht ist und worin die Körner 7 derart ungleichmäßig verteilt sind, daß die Körnerkonzentration
an der Außenseite 8 des Plättchens größer ist als an der Innenseite 9 der zentralen Bohrung 3.
F i g. 8 zeigt ein Giftplättchen 1, versehen mit einer Öffnung, worin ein Kern magnetischen Materials 25
durch Umbördeln des Trägermaterials bei 28 befestigt ist.
Fig. 9 stellt eine einigermaßen abgeänderte Ausführung
dar, wobei jedoch das magnetische Material 26 bei 29 umgesetzt ist.
Schließlich zeigt F i g. 10 eine Variante von F i g. 9, wobei im magnetischen Kern 27 eine Öffnung angebracht
ist.
Fig. 11 zeigt einen Spaltstoff stab 10, worin abwechselnd
Giftplättchen 1 und Spaltstoffplättchen 11 angehäuft sind. Obwohl aus dem Beispiel zu ersehen
ist, daß jeweils auf ein Giftplättchen ein Spaltstoffplättchen folgt, sind auch andere Anhäufungen
möglich. So kann z.B. jeweils auf zwei Spaltstoffplättchen oder -tabletten ein Giftplättchen folgen. .
Die auf diese Weise erhaltene Anhäufung von Plättchen wird vom Außenmantel 12 des Spaltstoffstabes
umhüllt.
Fig. 12 gibt eine Draufsicht eines Stützgitters, worin
eine Anzahl Spaltstoffstäbe 10 unterstützt wird. Dieses Gitter ist aus einem Außenmantel 13 aufgebaut,
mit sich dazwischen erstreckenden plattenförmigen Streifen 14. Diese Streifen 14 sind in zwei
Lagen, einer Lage über der anderen, derart angeordnet, daß in jeder Lage die Streifen parallel zueinander
liegen. Diese Streifen umschließen zusammen eine Anzahl rautenförmiger Fächer 15, welche die Spaltstoffstäbe
10 eng umschließen.
Fig. 13 zeigt'im vertikalen Querschnitt über ein Reaktorgefäß, wie die Spaltstoffstäbe 10 hierin angeordnet
sind. Auch hier stellt 13 wieder den Außenmantel eines jeden Spaltstoffelements dar. Eine große
Anzahl Spaltstoffelemente 16 sind nebeneinander im Reaktorgefäß angeordnet, derart, daß ein Reaktorkern
entsteht. Zwischen einer Anzahl Spaltstoffelemente ist zum Einbringen von Regelstäbe 17 Raum
offen gelassen.
F i g. 13 zeigt zwei Regelstäbe in etwas ausgezogener Stellung. Der horizontale Querschnitt über ΙΙ-Π,
wie in Fig. 14 dargestellt, zeigt wieder klarer, auf welche Weise die Regelstäbe zwischen den Spaltstoffelementen
verteilt sind.
Die Spaltstoffelemente stützen auf eine Bodenplatte 18, die an deren Außenseite im Reaktorgefäß
bei 19 an der Innenseite des Reaktormantels 20 befestigt ist; 21 sind die Bedienungsstäbe der Regelstäbe.
Die Zufuhr- und Abfuhranschlüsse des Kühlmittels sind in F i g. 13 nicht gezeichnet.
In Fig. 14 ist nur in drei Spaltstoff elementen 13
angezeigt, wie die Verteilung der Spaltstoffstäbe ist. In den übrigen Querschnitten über die Hülsen der
Spaltstoffelemente sind klarheitshalber die Spaltstoffstäbe nicht gezeichnet.
An deren Stelle ist bei Regelstab 22 angezeigt, für welche Spaltstoffstäbe 23 Giftplättchen in die Spaltstoffstäbe
aufzunehmen sind, um den sogenannten Neutronenflußspritzen EMialt zu tun. Dies sind also
alle Spaltstoffstäbe, die in unmittelbarer Nähe eines Regelstabes liegen. Die übrigen Spaltstoffstäbe im
Inneren derselben Umhüllung 13, die im allgemeinen nicht mit Giftplättchen versehen sind, sind für die
den Stab 22 umringenden Spaltstoffelemente nicht gezeichnet.
Der Effekt, der dem Entstehen von Neutronenflußspitzen
Einhalt tut, kann noch verstärkt werden, indem man Giftplättchen benutzt, die mit einer exzentrisch
angeordneten Öffnung versehen sind (s. F i g. 6) und man diese Plättchen derart im Reaktor
aufstellt, daß die Öffnung von der benachbarten Regelstaboberflädhe abgewandt ist. Die Giftkonzentration
ist dann in demjenigen Teil des Spaltstoff-Stabes, der sich in der Nähe des Regelstabes befindet,
besonders groß.
Claims (9)
1. Brennelement für Kernreaktoren, bei dem der Kernbrennstoff in Tablettenform in einer
Hülle angeordnet ist und das zum Zweck der Kompensation des Abbrandes des Kernbrennstoffes
eine ausbrennbare neutronenabsorbierende Substanz enthält, die in Form von diskreten Teilchen,
z. B. Körnern, in einem Trägermaterial verteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß
das Trägermaterial ebenfalls in Tablettenform vorliegt und diese Tabletten (1) abwechselnd mit
einer oder mehreren der Brennstofftabletten (11) in der Hülle (12) angeordnet sind.
2. Brennelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstofftabletten den
gleichen Durchmesser haben wie die Trägermaterialtabletten.
3. Brennelement gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial
aus Graphit besteht.
4. Brennelement gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial
aus SiO2 besteht.
5. Brennelement gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens ein Teil der Oberfläche der Trägermateriatabletten mit einem magnetischen
Material überzogen ist.
6. Brennelement gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Trägermaterialtabletten mit wenigstens einer exzentrischen Ausnehmung versehen sind.
7. Brennelement gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Konzentration der ausbrennbaren neutronenabsorbierenden Substanz am Außenumfang
einer jeden Tablette größer ist als ihre Konzentration im Mittelteil dieser Tablette, wobei diese
Konzentration zwischen diesen Stellen einen stetigen Verlauf aufweist.
8. Kernreaktor mit einem aus stabförmigen Brennelementen und Regelstäben aufgebauten
Kern, bei dem ein Teil der Brennelemente gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 mit
einer ausbrennbaren neutronenabsorbierenden Substanz ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß lediglich die Brennelemente, welche die Regelstäbe unmittelbar umgeben, mit der ausbrennbaren
neutronenabsorbierenden Substanz ausgestattet sind.
9. Kernreaktor gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die exzentrisch angeordnete
Ausnehmung in den Trägermaterialtabletten von der benachbarten Regelstaboberfläche abgerückt
ist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1336 233;
britische Patentschrift Nr. 914 163.
Französische Patentschrift Nr. 1336 233;
britische Patentschrift Nr. 914 163.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
609 657/318 8.66 © Bundesdruckerei Berlin
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 |