DE1279230B

DE1279230B - Brennelementstab zum Aufbau von Reaktorkernen

Info

Publication number: DE1279230B
Application number: DEG49554A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Agmar Mueller; Dr Werner Spalthoff
Original assignee: KERNENERGIEVERWERT GES fur
Current assignee: KERNENERGIEVERWERT GES fur
Priority date: 1967-03-11
Filing date: 1967-03-11
Publication date: 1968-10-03

Description

Brennelementstab zum Aufbau von Reaktorkernen Die Erfindung betrifft einen zylindrischen Brennelementstab zum Aufbau von Reaktorkernen mit einer metallischen Hülse, in der sich eine von Keinbrennstoff umgebene Seele aus hochtemperaturfestem Material und eine ausbrennbare neutronenabsorbierende Substanz befindet.
Die neutronenabsorbierende Substanz, die nachfolgend auch in üblicher Weise »abbrennbares Gift« genannt werden soll, dient der Kompensation der Abbrandreaktivitätsreserve des Brennelernentstabes, der im folgenden als Brennstab bezeichnet wird, und damit auch des aus solchen Stäben aufgebauten Reaktorkerns.
Wenn in einem aus Bündeln solcher Brennstäbe aufgebauten Reaktorkern das abbrennbare Gift bezüglich seiner neutronenphysikalischen Eigenschaften so ausgewählt und in einer solchen Konzentration in die Brennstäbe eingebracht wird, daß Kernbrennstoff und abbrennbares Gift im Reaktorbetrieb synchron abbrennen, so ändern sich die Reaktivitätsverhältnisse .des Kerns über seine volle Standzeit nur wenig. Ein mit einem derartigen Kern versehener Kernreaktor hat den Vorteil, daß er nur wenige Regelstäbe benötigt, die im Betriebszustand nahezu völlig aus dem Kern herausgezogen sind, da die Kompensation einer hohen Abbrandreaktivitätsreserve des Kerns zu Beginn seiner Standzeit ebenso wie die Abbrandtrimmung entfallen. Zusätzlich kann durch die Verwendung von Brennstäben, die ein. abbrennbares Gift enthalten, eine sehr gleichmäßige Leistungsdichteverteilung im Reaktorkern erzielt werden.
Die Verwendung von fest in den Reaktorkern eingebauten, abbrennbaren Giften zur Kompensation der Abbrandreaktivitätsreserve und zur Abbrandtrimmung ist bereits bei Reaktorkernen, die aus Bündeln von zylindrischen Brennstäben mit metallischer Hülse aufgebaut sind, in mehreren nachfolgend kurz erläuterten Ausführungsformen bekannt.
So hat man bereits das abbrennbare Gift in gesonderten Stäben untergebracht, die keinen Brennstoff enthalten und an einzelnen Brennstabpositionen im Reaktorkern eingebaut sind. Hieraus resultiert der Nachteil einer ungleichmäßigen Leistungsdichteverteilung im Reaktorkern.
Bei einer weiteren bekannten Ausführungsforrn ist das abbrennbare Gift Legierungsbestandtell der metallischen Hülse der Brennstäbe und besteht aus Bor. Hier ist nachteilig, daß beim Abbrand des Bors Helium entsteht, das die Sprödigkeit des Hülsenmaterials heraufsetzt.
Wenn man in ebenfalls bekannter Weise das abbrennbare Gift in Form kleiner Teilchen in den Brennstoff einbettet, müssen Form und Größe dieser Teilchen sehr eng toleriert werden, dd wegen der Selbstabschirmung das Abbrandverhalten eines Giftes sehr wesentlich von seiner geometrischen Verteilung im Reakiorkern abhängt. Hieraus resultieren erhebliche Herstellungsschwierigkeiten. Durch die- Einbettung des abbrennbaren Giftes wird außerdem das Werkstoffverhalten des Brennstoffs, z. B. das Wärmeleitvermögen und die Spaltproduktzurückhaltung, verschlechtert.
Bekannt ist ferner, das abbrennbare Gift in Gifttabletten anzuordnen, die in gewissen Abständen zwischen die im Brennstab aufgereihten Brennstofftabletten eingefügt sind. Während des Reaktorbetriebes wird in den Gifttabletten wesentlich weniger Wärine als in den Brennstofftabletten freigesetzt, so daß sich dadurch an den Brennstabhülsen zusätzliche thermische Belastungen ergeben.
Weiterhin sind zylindrische Brennstäbe mit metallischer Hülse bekannt, die zur Herabsetzung der zentralen Brennstofftemperatur eine von Kernbrennstoff freie Seele besitzen. Die Seele ist entweder leer oder besteht aus neutronenökonomischen Gründen aus einem Material möglichst geringer Neutronenabsorption.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das abbrennbare Gift so in einen Brennstab einzubringen, daß keine wesentlichen Eigenschaften des Brennstabes beeinträchtigt werden. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, bei einem Brennstab der einleitend genannten Art die ausbrennbare neutronenabsorbierende Substanz in das Seelenmaterial einzubetten. Die Seele hat vorzugsweise die Gestalt eines Kreiszylinders und kann sowohl zentral als auch exzentrisch in der Hülse gelagert sein. Die Oberfläche einer etwa kreiszylindrischen Seele kann duch die Anordhung-von Längsrillen bzw. Längswülsten vergrößert sein.
Die Ausgestaltung des Brennstabes gemäß der Erfindung beseitigt nicht -nur die einleitend genannten Nachteile bekannter Anordnungen, sondern hat noch außerdem den Vorteil, daß die zur Steuerung- des Giftabbrandes wünschenswerte heterogene Anordnung des abbrennbaren Giftes gegenüber deni Brennstoff erreicht wird, oliiie die relativ gleichmäßIge,Verteilung des abbrennbaren Giftes über den Reaktorkein zu zerstören.
In der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise veranschaulicht. Inder Zeichnung zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen-Brenristab m-it zentraler Giftseele und mit Bi.eünstoff'iti Form von Hohltabletten, F i-g. 2 einen Längsschnitt durch-einen Brennstab mit zentraler Giftseele und mit Brennstoff in Form von einvibriertem Pulver, F i g. 3 . einen Queisähintt dÜich# einen Brennstab mit zentraler,. kfeiszylindri'sd'her Giftseele, .
F i g. 4 einen Querschnitt- durch einen Brennstab mit zentraler Giftseele, die mit Längsrillen versehen ist, und F i g. 5 einen Querschnitt durch einen Breniistab mit exzentrischer, kreiszylindrischer Giftseele.
In den Zeichnungen sind bei den verschiedenen -Ausführungsfonnen die -einander entsprechenden Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, und zwar bezeichnet das Bezugszeichen 1 die Hülse, das Bezugszeichen 2 den Kembrennstoff und das Bezugszeichen 3 die Seele mit abbrehnbarem Gift. , .
Bei allen dargestellten Ausführungsformen besteht der Brennstab aus einer zyliiidrischen MetaRh-ülse 1, die im Inneren eine zentrale oder exzentrische Seele 3 aus hochtemperaturfestem Material und im Zwischenraum zwischen Hülse 1 und Seele 3 den Kernbrennstoff 2 enthält. Der Kernbrennstoff 2 wird dabei entweder in Form von Tabletten mit zentralem oder exzentrischem Loch, sogenannten Hohltabletten, auf die Seele 3 aufgefädelt (Fig. 1) -oder in -Form -#on Pulver geeigneter Körnigkeit mit IMe eines Rüttel- oder Einstampfverfahrens in den Zwischenraum zwischen Hülse 1 und -Seele 3 -eingebracht (F i g. 2).
Die Seele 3 hat die Form eines Kreiszylinders, dei zur Vergrößerung seiner effektiven Oberfläche mit Längsrillen oder Ungswillsten versehen sein kann (F i g. 4). Die Konzentration des abbrennharen- Giftes in der Seele 3 kann in Richtung der Längsachse vari-'abel sein, um eine axiale Abflachung des Neutronenflusses zu erzielen. In radialerUichtung können Neutronenflußspitzen in der Nähe von Regelstäben oder anderen Gitterstörungen dadurch abgebaut werden, daß dort Brennstäbe mit exzentrischer Giftseele eingesetzt werden- (F i g. 5).
Das Seelenmaterial besteht vorzugsweise überwiegend aus- Kohlenstoff und Bor und enthält z. B. als ausbrennbares neutronenabsorbierendes Isotop 'Bor-10. e -:Es gibt äüch di&'Möglichkeit, zusätzlich dem Hülsenmaterial oder dem Brennstoff eine ausbrennbare neutronenabsorbierende'Subitanz hinzuzufügen.

Claims

Patentanspräche: 1 1. Zum Aufbau von Reäktorkemen dienender zylindrischer Brennelementstab mit metallischer Hülse,' in"dei -siäh eine von Kernbrennstoff um-#ebene, Se#le'.#aus -hochtemperaturfestem Material und eine ausbrennbare neutronenabsorbierende Substanz befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die ausbrennbare neutronenabsorbierende Substanz in das Seelenmaterial eingebettet ist-.
2. Brennelementstab gemäß Ansprachl, dadurch gekennzeichnet,'daß die Seele in der Hülse eine zentrale Lage hat, 3. Biemieleinentstab #gemäß -Ajispruch 1, da--durch-gekennzeichnet, -daß'die Seel-eln-,#der Hülse eine exzentrische Lage hat.--l# 4. Brennelementstab gemäß eiriem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gokennzeichnet,-daßdieSeelee,inK,r,eiszyhnderisf.#--5. Brennelementstab gemäß einem-. oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Seeleein -mit Lätigsrillen und/ Öder.Längswülsten velseheuer Kreiszylinder. ist. 6. Brennelementstab.-gemäß einem oder meh" reren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch. gekenn# zeichnet, daß die, ausbrennbare zioutrönenabsorbierende Substanz ün Seelenmaterial- homogen verteilt ist. 7. Brennelem6ntstab gbmäß-, einem oje r mehreren . der --Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichndt, daß die ausbräniihare nQütronenabsor-'bierende Substanz in - der'Seele eine inhoniogene Verteilung, ihsbesondere eine in Längsrichtung der Seele variable Konzentration hat. - 8. Brenhelementstab gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Seelenmaterial überwiegend aus Kohlenstoff und Bor besteht und als ausbrennz. bares - neutionenabsorbiereiides Isotop - Bor-10 enthält. 9. Brennelementstab gemäß einem oder mehrereil der Ansprüche 1 big 8, dadurch gekennzeichnet ' daß er zusätzlich eine ausbrennbare neutronenabsorbierände Substanz als Bestandteil des Hülsenmaterials und/oder des Brennstoffs enthält. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1223 470; Kemenergie-Forschungsschiff »Otto Hahn«, Jahresbericht 1965, EUR 3066.d, S. 32ff.; . Directory of Nuälear Reactors, Vol. IV, Power Rbactor§, IMA, Wien 1962, S. 103 ff.; Nero Development Program, Report Covering the Period 'January 1963 to, June 1964, EUR 2180.e, S. 11; 'Directory of Nuclear Reactors, International Atomic Energy Agency, Wien 1962, Vol. IV, Power Reactors, S. 239 ff. (Experimental Gascooled Reactor).