DE1223470B - Brennelement fuer Kernreaktoren - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

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)

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)

Patentansprüche:

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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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