DE1414199B1 - Kernreaktor - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen heterogenen, insbe- Effekt bewirkt, ist beispielsweise in der F i g. 2 durch

sondere mit Leichtwasser moderierten Kernreaktor, die Kurve 3 dargestellt.

bei dem infolge der spezifischen Verteilung von Um derartige Heißstellen abzuschwächen, ist es beModerator und Brennstoff und deren Anordnung kannt (z. B. aus »Nuclear Engineering«, August 1957,

zueinander in örtlich begrenzten Bereichen zu ört- 5 S. 332, und November 1957, S. 478), auf die Spitze

liehen Leistungsspitzen führende Spitzen des Neu- des Neutronenflusses durch an den betreffenden

tronenflusses auftreten. Stellen der Brennelemente angebrachte starke Ab-

Bekanntlich ist die örtliche Verteilung des Neu- sorbermaterialien einzuwirken. Abgesehen davon,

tronenflusses in der Spaltzone eines Kernreaktors daß derart starke Absorber auch den Flußverlauf in

stark anisotrop. Bei einer als homogen idealisierten io der weiteren Umgebung relativ stark beeinflussen,

kritischen Anordnung ergibt sich etwa ein Verlauf, entsteht an der betreffenden Stelle ein starker Fluß-

wie er als Kurve 1 in der F i g. 1 dargestellt ist. Der einbruch und damit ein Leistungseinbruch. Außer-

Neutronenfluß nimmt hier mit wachsendem Abstand dem wird die Flußverteilung sehr ungleichmäßig,

von der Mitte stark ab, da zum Rande hin zahlreiche wobei unter Umständen zusätzliche, wenn auch

Neutronen aus der Spaltzone wegdiffundieren. 15 niedrige Flußspitzen auftreten können.

Da die aus den Spaltvorgängen ergebende ther- Es ist die Aufgabe der Erfindung, die durch die

mische Leistung proportional dem Produkt aus Neu- Spitzen des Neutronenflusses bedingten örtlichen

tronenfluß und Spaltstoffkonzentration in den Brenn- Leistungsspitzen so abzubauen, daß die vorerwähnten

elementen ist, stellt das Integral des Neutronenflusses Nachteile nicht auftreten. Dadurch kann der Reaktor

über den Bereich der Spaltzone ein Maß für die ab- 20 bei gleicher Größe der Spaltzone mit einem Verlauf

gegebene Leistung des Reaktors dar. Die Kurve 1 der Leistungsdichte gemäß F i g. 2, Kurve 4 betrieben

gibt daher gleichzeitig ein Maß für die Leistungsdichte werden, wodurch sich eine Erhöhung der abgeb-

in der Spaltzone des Reaktors an. baren maximalen Leistung gemäß den schraffierten

Da aus Werkstoffgründen eine maximale ther- Bereichen 5 erzielen läßt. Diese Möglichkeit ist für mische Leistungsdichte an keiner Stelle in der Spalt- 25 Leistungsreaktoren von großer Bedeutung im Hinzone des Reaktors überschritten werden darf, kann blick auf die Wirtschaftlichkeit,
der Reaktor zulässigerweise nur so viel Leistung Der die Erfindung tragende Gedanke besteht nun abgeben, daß an seiner thermisch am höchsten be- darin, durch die gezielte Kombination einer entlasteten Stelle diese maximale Dichte nicht über- sprechend dem örtlich begrenzten Bereich abgestuften schritten wird. Es wird daher in der Reaktortechnik 30 Spaltstoffkonzentrationsverteilung mit einem Abangestrebt, die örtliche Verteilung der Leistungs- sorber, der bestimmte Eigenschaften aufweist, die dichte in der Spaltzone möglichst gleichmäßig zu gewünschte Verteilung der Leistung zu erreichen, gestalten, insbesondere aber Maxima und Spitzen Der Absorber muß dabei relativ schwach sein, und abzubauen und die Verteilungskurve zu glätten. außerdem muß sein Abbrandverhalten dem des be-

Um in diesem Sinne die Leistung eines Reaktors 35 treffenden Brennelementes angepaßt sein, damit er

zu erhöhen, ist es beispielsweise bekannt, durch Ab- auch für die Abbrandzeit des Brennelementes ent-

sorberstangen in der Umgebung der Mittelachse der sprechend wirksam ist. Ein solcher Absorber ist

Spaltzone den Neutronenfluß so zu vergleichmäßigen, Thorium 232.

daß über möglichst weite Bereiche der Spaltzone ein Es ist zwar allgemein bekannt, Thorium in Kernmöglichst hoher mittlerer Fluß herrscht und daß 40 reaktoren als Brennstoff zu verwenden. Ein derartiger dessen Abfall am Rande der Spaltzone steiler wird Brennstoffstab ist beispielsweise in der USA.-Patentals ohne diese Mitten-Absorberstangen. Dieser Ver- schrift 2 798 848 dargestellt. Brutstoff und Brennlauf ist in der Kurve 2 der F i g. 1 dargestellt. stoff sind dort jedoch, getrennt durch eine Moderator-

Bei schnellen Reaktoren ist es auch bekannt, einen schicht, an verschiedenen Stellen im Stab angeordnet.

Leistungsverlauf entsprechend dem Flußverlauf nach 45 Infolge dieser räumlichen Trennung von Thorium

Kurve 2 in F i g. 1 dadurch zu erreichen, daß die und Brennstoff ist dann aber eine Beeinflussung einer

Spaltstoffkonzentration in der Mitte niedrig und am etwaigen Heißstelle im Brennstoff durch das Thorium

Rande höher gewählt wird (Genfer Berichte, Bd. 5, nicht möglich.

1956, S. 395). Die Lösung nach der Erfindung besteht bei einem

Aus dem Vergleich der beiden Kurven in Fig. 1 50 Kernreaktor der eingangs genannten Art darin, daß

ist ersichtlich, daß durch die angegebenen Maß- jeweils in den Bereichen der Heißstellen in den

nahmen die maximal abgebbare Leistung vergrößert Brennelementen die Konzentration des Spaltstoffes

werden kann, ohne eine maximale Leistungsdichte in herabgesetzt ist und zusätzlich Thorium 232 als Ab-

der Spaltzone zu überschreiten. Der schraffierte sorber eingebracht ist.

Bereich zwischen den Kurven 1 und 2 ist ein Maß für 55 Durch die Verringerung der Spaltstoffkonzen-

den Leistungsgewinn. tration wird, ohne den Neutronenfluß direkt zu

Aus konstruktiven Gründen ist es jedoch bei ändern, die Leistungsspitze zunächst wesentlich abheterogenen Reaktoren nicht zu vermeiden, daß trotz gebaut, ohne daß ein Leistungseinbruch entsteht. Der etwaiger Maßnahmen der angegebenen Art in der schwache Absorber Thorium bewirkt zusätzlich ein Spaltzone örtlich begrenzte Bereiche auftreten, inner- 60 Glätten der Leistungsverteilung,
halb welcher infolge der spezifischen Verteilung von Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der ErModerator und Brennstoff und deren Anordnung zu- findung besteht darin, daß bei Brennstoffelementen, "einander örtlich begrenzte Spitzen des Neutronen- die Uran 238 enthalten, das Uran 238 ganz oder teilflusses auftreten, die zu örtlichen Leistungsspitzen weise durch Thorium 232 oder eine Thoriumverbinfuhren; es entstehen dann lokale Überhitzungen, 65 dung ersetzt wird, wobei der Spaltstoffgehalt am Ort sogenannte Heißstellen* an den in diesen Bereichen der Heißstelle im gewünschten Maße reduziert wird, befindlichen Brennstoffelementen. Ein derartiges Brennstoffelement hat den Vorteil der

Eine Neutronenflußverteilung, die einen solchen einfachen Herstellung.

Die Erfindung sei nun an Hand der F i g. 3 ergänzend erläutert.

In F i g. 3 ist als Ausführungsbeispiel ein Bereich 11 dargestellt, welcher die Stoßstellen übereinanderliegender Brennstoffelemente umfaßt. Die Halterung der Brennstoffelemente 12 erfolgt durch eine Grundplatte 13. Durch das Fehlen von Brennstoff in diesem Teil bildet sich in dem Bereich 11 eine Flußspitze aus, die die Brennstoffelementenenden lokal stark überhitzen würde. Der Brennstoff 14 besitzt daher erfindungsgemäß zunächst innerhalb des schraffiert gezeichneten Bereiches 15 eine geringere Konzentration des Spaltstoffes, so daß die abgegebene Leistung trotz des örtlich erhöhten Flusses nicht so stark ansteigt. Wegen der nun verminderten Neutronenabsorption erhöht sich der zuerst örtlich relativ eng begrenzte Flußanstieg und breitet sich so aus, daß nun kleinere überhitzungen an der Übergangsstelle zwischen dem Gebiet mit vermindertem Spaltstoffgehalt und dem mit normalem Spaltstoffgehalt auftreten. Um auch diese Überhitzungen möglichst gering zu halten oder ganz zu vermeiden, ist erfindungsgemäß zusätzlich im Bereich 15 Thorium 232 als Absorber vorgesehen, der das Auftreten einer Leistungsüberhöhung durch gezieltes Eingreifen an den entsprechenden Stellen in den Neutronenfluß selbst verhindert.

Die vorgeschlagenen Maßnahmen zur Vermeidung der Leistungsspitzen können auch an anderen Stellen als den im Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 erwähnten Enden der Brennelemente Anwendung finden, beispielsweise an den vertikalen Trennstellen zwischen zwei Brennstoffelementboxen oder in der Nähe der Führungsscheiden für die Regelelemente, wo ebenfalls relative Moderatoranhäufungen auftreten.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Heterogener, insbesondere mit Leichtwasser moderierter Kernreaktor, bei dem in der Reaktorspaltzone infolge der spezifischen Verteilung von Moderator und Brennstoff und deren Anordnung zueinander in örtlich begrenzten Bereichen zu örtlichen Leistungsspitzen führende Spitzen des Neutronenflusses auftreten, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils in diesen Bereichen in den Brennelementen die Konzentration des Spaltstoffes herabgesetzt ist und zusätzlich Thorium 232 als Absorber eingebracht ist.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dessen Brennelemente Uran 238 enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß in den genannten Bereichen das Uran 238 ganz oder teilweise durch Thorium 232 oder eine Thoriumverbindung ersetzt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen