DE1564078A1

DE1564078A1 - Brennstoffelement fuer UEberhitzungs-Kernreaktor

Info

Publication number: DE1564078A1
Application number: DE19661564078
Authority: DE
Inventors: Noboru Hokkyo; Tsutomu Kanai; Toshio Kawai; Yasuyuki Uyeda; Tsunetaka Wajima
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1965-05-24
Filing date: 1966-05-24
Publication date: 1970-02-19
Also published as: GB1102137A

Description

Brennstoffelement für Fberhitzungs-Kernreaktor

Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoffelemente für Überhitzungsreaktoren und sie "betrifft insbesondere eine Verbesserung hinsichtlieh der Materialien der Druckrohre oder Prozeßrohre (process tubes) der Brennstoffelemente. ·

Ein Überhitzungsreaktor ist eine Art von Siedewasserreaktor, bei dem Kühlmittel und Moderator zumindest im größeren Teil des Kerns getrennt voneinander angeordnet sind. Die Brennstoffelemente sind bei diesen Reaktoren üblicherweise, innerhalb eines zylindrischen Körpers bzw. Rohres mit einer Wärmeisolierung untergebracht, das als Druckrohr oder Prozeßrohr bezeichnet wird} der Zwischenraum zwischen dem Kernbrennstoff und der Druckrohrwand bildet den Kanal für die Durchleitung eines Kühlmittels. Dieses Druckrohr umfaßt üblicherweise Seile aus Aluminiumoxyd, die gemäß gewisser Vorschläge auch durch stagnierenden Wasserdampf ersetzt sein können.

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Ziel und Besonderheiten der vorliegenden Erfindung lassen sich am besten anhand der angefügten Zeichnungen verständlich machen; es zeigen schematisch:

Pig. 1 verschiedene Arten von Querschnitten von Brennstoffelementen für einen Überhitzungsreaktor;

Pig. 2 einen Querschnitt durch einen Teil des Kerns eines solchen Reaktorsj

Pig. 3 den Querschnitt eines weiteren Brennstoffelementes für einen Überhitzungsreaktor;

Pig. 4 die Beziehung zwischen dem Yolumen des dem Druckrohr zugemischten Borearbids (B,C), der Plutungsreaktivität und der Brennelementreaktivität in Porm von Kurven;

Pig. 5 die Beziehung zwischen dem Yolumen an U-238, das dem Druckrohr beigemischt wurde, der Plutungsreaktivität und der Brennelementreaktivität; und

Pig. 6 verschiedene Kernparameter in Abhängigkeit von der Bestrahlung bei Verwendung von 3^-angereichertem UO₂.

Die Pig. 1 (a-c) zeigt einige Beispiele für konventionelle Arten von Brennstoffelementen jeweils im Querschnitt. Dabei bezeichnet 1 den Brennstoff bzw. Spaltstoff, 2 das Druckrohr und 3 den Kühlkanal. Der Keraaiifbau. des Überhitzungsreaktors entspricht der Pig. 2, wobei Brennstoffelemente der beschriebenen Art in einer angemessenen Weise angeordnet und von einem Moderator umgeben sind. Mehr im einzelnen zeigt die Pig. 2 schematisch einen Querschnitt durch eine Zone eines

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Überhitzungsreaktorkerns: 11 ist ein Brennstoffelement, 12 eine Brennstoff anordnung, 13 ein Kontrollstab und 14 ein Wasser-Spalt des Moderators. Der Kern wird aus einzelnen Brennstoffanordnungen 12 in geometrischer Anordnung aufgebaut, von denen jede einige Brennstoffelemente 11 umfaiot, die in einem Behälter vom Blocktyp untergebracht sindj ein Moderator 14 "and Kontrollstäbe 13 sind um derartige Anordnungen vorgesehen. Durch die Kühlkanäle eines solchen Überhitzungsreaktors zirkuliert bei normalem Betrieb Wasserdampf. Wenn jedoch der um die Brennstoffelemente angeordnete Moderator beispielsweise infolge eines Druckrohrbruches in einen Kühlkanal eintritt (was im nachfolgenden als "Fluten" bezeichnet wird), führt ein derartiges Fluten zu einer starken Änderung der Reaktivität des Reaktors. Das Ausmaß der Reaktivitätsänderung beim Fluten oder der sogenannte Flutungsreaktivitätseffekt hat einen starken Einfluß auf die Sicherheit sCharakteristiken des Reaktorbetriebes (der Reaktivitätsanstieg beim Fluten aller Kühlkanäle wird als Flutungsreaktivität bezeichnet, während die Änderung durch ein partielles Fluten als Flutungsgrad bezeichnet wi

Um diesen Fltttungsreaktivitätseffekt möglichst klein zu machen, wurden in bekannten Überhitzungsreaktoren Brennstoffelemente mit einem Querschnitt gemäß Fig. 3 verwendet. Bei Brennstoffelementen dieser Art bilden die nach Innen weisenden Teile des Druckrohres abgeflachte Torsprünge ("blütenähnlicher"

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Konfiguration) zur Verengung der Kühlkanäle, zur Verstärkung des thermischen Wirkungsgrades und Verringerung des Flutungsreaktivitätseffektes durch möglichst starke Verminderung der beim Fluten in das Druckrohr eintretenden Moderatormenge.

Bei diesen bekannten Brennstoffelementen wird die ITutungsreaktivität durch eine bestimmte Gestalt und bestimmte Abmessungen als Ganzes primär festgelegt und ihre weitere Verringerung ist außerordentlich schwierig. (Die Bezugszeichen 5 und 6 (Fig.3) bezeichnen die äußere bzw. innere Begrenzung oder Hülse des Druckrohres).

Der Aufbau des Kerns des Überhitzungsreaktors entspricht Fig. 2. Bei dem Überhitzungsreaktor dieser Art wird die durch den Abbrand des Brennstoffs bedingte Reaktivitätsänderung im Kern durch entsprechende Betätigung einer Vielzahl von Kontrollstäben 13 kompensiert, die in die Zwischenräume zwischen den Brennstoffanordnungen eingelassen sind. Mit zunehmendem Abbrand werden diese Kontrollstäbe nach und nach herausgezogen. Bei einem Kontrollsystem dieser Art besteht jedoch die Tendenz zu starken lokalen Änderungen oder Unterschieden der Neutronenflußdichte zwischen den mit der Wasserschicht 14 in Kontakt stehenden Brennstoffelementen und den Teilen der Brennstoffelemente, die zum Kontrollstab 13 benachbart sind und außerdem besteht eine Tendenz zu starken Verzerrungen der Plußverteilung in Längsrichtung. Wenn die

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Kontrollstäbe allmählich ausgefahren werden, wird diese Verzerrung der Umverteilung in Längsrichtung noch ausgeprägter und komplexer, so daß eine Abflachung oder Glättung der Reaktorleistungsverteilung stark behindert wird.

Andererseits ist die Durchführung bzw. das Einsetzen einer Zahl von Kontrollstäben für die Kompensation des Abbrandes in den Druckbehälter des Reaktors hinsichtlich, der Reaktorkonstruktion und der Anlagekosten nicht wünschenswert.

Aus diesem Grunde wurde versucht, dem Brennstoff oder seiner Hülle ein. "abbrennbares" Reaktorgift zur Vereinfachung des Kontrollsystems der Siedewasserreaktoren der bekannten Art zuzumischen. Das Zumischen eines abbrennbaren Giftes zu der Umhüllung des Brennstoffs ist mit beträchtlichen metallurgisch-technischen Schwierigkeiten verbunden und führt oft zu einem unerwünschten Ergebnis hinsichtlich der Retention des Spaltproduktes und der Druckbeständigkeit des Brennstoffs.

Bei Brennstoffelementen der vorerwähnten Überhitzungsreaktoren der bekannten Art ist das Volumen der Druckrohre, in denen der Brennstoff aus einem niedrig angereicherten Uranoxyd enthalten ist, größenordnungsmäßig 0,6 bis 1,2 mal so groß wie das Volumen des Brennstoffs. Der vom Druckrohr eingenommene Raum wirkt jedoch für die Neutronen wie ein luftleerer Raum und insbesondere in Fällen, wo dieses Druckrohr aus

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Aluminiumoxyd, das im allgemeinen verwendet wird, hergestellt ist, werden die moderierten "bzw. abgebremsten Neutronen gestreut, so daß die Zahl der vom Moderator absorbierten Neutronen zunimmt. Die vorerwähnten Druckrohre der bekannten Art sind daher nicht sehr vorteilhaft hinsichtlich des Neutronenhaushaltes und außerdem sind sie in der Weise ungünstig, daß sie eine Vergrößerung der Kapazität bzw. Größe des Kerns erforderlich machen.

Abweichend von diesen Bestrebungen wurden Brennstoffelemente ohne Druckrohr für tJberhitzungareaktoren vorgeschlagen. Die Brennstoffelemente dieser Art zeigen einen Doppelrohraufbau für den unterzubringenden Brennstoff, wobei der äußere Brennstoff in Rohrform als Wärmeisolator zwischen dem Moderator und dem Kühlmittel dient. Die Brennstoffelemente dieser Art sind jedoch in der Weise nachteilig, als die vom Moderator od.dgl. absorbierte Wärmemenge groß ist und das Brennstoffkonversionsverhältnis im Gegensatz zur Höhe der Fabrikationskosten, der eingesetzten Brennstoffmenge und der Kosten für den laufenden Ersatz des erschöpften Urans nicht hoch genug ist. Selbst wenn die vom Moderator absorbierte Wärme auf die eine oder andere Weise mit Erfolg wiedergewonnen wird, ist es äußerst schwierig, die Wärmemenge zur Kompensierung der Brennstoffkosten genügend auszunutzen. Die Brennstoffelemente der erwähnten Art haben daher einen merklich geringen Wirkungsgrad hinsichtlich Wärmegewinnung und sind

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daher als Brennstoffelemente für Überhitzungsreaktoren recht ungünstig.

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Sicherheitscharakteristiken von Fberhitzungsreaktoren durch Verminderung des vorerwähnten Flutungsreaktivitätseffektes zu verbessern.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Steigerung des Spaltstoffkonversionsverhältnisses und des Wärmegewinns im Verhältnis zur Zunahme des Kernvolumens durch die zu verwendende Art von Druckrohren.

Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Verminderung der Zahl der im Reaktorkern angeordneten Kontrollstäbe.

Gemäß der Erfindung wird daher ein Brennstoffelement die Verwendung in einem Reaktorkern vorgesehen, der gekennzeichnet ist durch eine Anordnung von Druckrohren, die für die thermische Isolierung eines Moderators von einem Kühlmittel im-Kern bestimmt sind* sowie für die Bereitstellung eines vom Moderator unabhängigen Kühlkanals um den Brennstoff; bei diesen Brennstoffelementen sind die besagten Druckrohre zumindest lokal aus einem Material hergestellt, das ein brütbares Material enthält, dessen Anteil an spaltbarem Material geringer ist als derjenige des Kernbrennstoffmaterials (der eigentlichen Brennelemente); oder aus einem Material,

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das eine geringe Menge an Nukliden mit einer hohen Neutronenabsorptionsfähigkeit enthält, die durch den bzw. nach dem Einfang von Neutronen in Neutronen nicht-absorbierende Nuklide umgewandelt werden, d.h. eine geringe Menge eines sogenannten abbrennbaren Giftes.

Das gemäß der vorliegenden Erfindung brauchbare vorerwähnte brütbare Material umfaßt erschöpftes Uranoxyd oder Oxyde von natürlichem Uran oder deren Mischungen, während das abbrennbare Gift eine sehr geringe Menge von Borcarbid (B.C), Europium (Eu) oder Dysprosium (Dy) umfaßt. Die Brennstoffelemente gemäß der Erfindung haben einen Aufbau, wie er in den Fig. 1 und 3 gezeigt wird.

Einer der typischen Unterschiede zwischen den erfindungsgemäßen Druckrohren der Brennstoffelemente und den Druckrohren der bekannten Jirt aus Aluminiumoxyd oder ähnlichen Materialien besteht darin, daß die erfindungsgemäßen Rohre per se Neutronen absorbieren. Eine weitere Besonderheit, die bei den neuen Druckrohren festgestellt wird, die das vorerwähnte brütbare Material enthalten, besteht darin, daß die Druckrohre nicht nur Neutronen absorbieren, sondern auch Neutronen abgeben, Wärme erzeugen und darüber hinaus spaltbares Material bilden können. Ein weiterer Unterschied gegenüber bekannten Elementen besteht darin, daß die erfindungsgemäßen Druckrohre eine Wärmeleitfähigkeit haben, die etwa

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vier mal so groß ist wie diejenige der üblicherweise aus Aluminiumoxyd als Bestandteil hergestellten Druckrohre.

Pig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der verwendeten Menge an B^C, der KLutungsreaktivität und der Änderung der Reaktivität der Brennelemente, bei denen eine sehr geringe Menge an BiC als äbbrennbares Gift einheitlich in einem Druckrohr verteilt ist, das hauptsächlich aus Aluminiumoxyd zusammengesetzt ist. Dieses Brennstoffelemente hat eine Gruppe von sieben Aluminiumrohren einer Dicke von 0,8 mm, die mit TJO2-Pellets mit einer Anreicherung (enrichment factor) von 2,5$ und einem Durchmesser von 10 mm gepackt bzw. gefüllt sind, wobei der äußere Umfang aller dieser Rohre durch ein Druckrohr aus Aluminiumoxyd mit B^C mit einem AuBendurchmesser von 45 mm umschlossen wird. Die Kurven A^ind A¹ gelten für ein Druckrohr mit einer Dicke von 1,5 mm, die Kurven B und B' für Druckrohre einer Dicke von 2,5 mm. Wie anhand der Kurven klar wird, ist es möglich, den Flutungsreaktivitätseffekt der jeweiligen Brennstoffelemente eines Reaktorkerns im Anfangsstadium durch einen B^C-Gehalt des Druckrohres von Ο,01 Volumen^ auf ein Drittel des mit konventionellen Druckrohren erhaltenen Wertes zu vermindern, wenn die Dicke des Druckrohres 1,5 mm beträgt und .bis nahezu Null bei einer Dicke von 2,5 mm.

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Durch Zusatz einer sehr geringen Menge eines abtrennbaren Giftes zum Material des Druckrohres kann die Anfangsreaktivität des Kerns wesentlich vermindert werden und zwar bis auf ein Reaktivitätsniveau, für das keine Kontrollstäbe im Anfangsstadium des Kerns notwendig sind. Bei Verwendung von Brennstoffelementen gemäß der Erfindung kann die Zunahme des Brennstoff-Abbrandes durch den Verbrauch bzw. die Abnahme des abbrennbaren Giftes kompensiert werden. Wie z.B. die Kurven A¹ und B^f der Pig. 4 zeigen, wird die Reaktivität des Kerns durch das dem Bestandteil des Druckrohres zugemischte abbrennbare Gift um größenordnungsmäßig 10$ vermindert. Außerdem kann durch dieses zugemischte abbrennbare Gift eine Kompensation von 2 bis yf» unmittelbar vor dem Auswechseln des Brennstoffs erreicht werden, bei dem das abbrennbare Gift etwa ausgebrannt ist.. Mit anderen Worten kann eine Reaktivitätsänderung von 7 bis 8$ durch das abbrennbare Gift kompensiert werden, das dem Bestandteil des Druckrohree beigemischt wird. Dieser Wert entspricht im allgemeinen im wesentlichen der ReaktivitätseH*abnahme durch Abbrand in Überhitzungsreaktoren. Die Zahl der in den Kern eingesetzten Kontrollstäben kann also entsprechend dieser durch das abbrennbare Gift bewirkten Kompensation vermindert werden.

Pig. 5 zeigt die Beziehung zwischen dem Volumenverhältnis (£) des U-238, der Verminderung der Plutungsreaktirität und

der Kernreaktivitätsabnahme, wenn U-238 dem Bestandteil des

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Druckr£>hres des Brennstoffelementes mit vorerwähntem Aufbau mit einer Gruppe von sieben Rohren zugemischt ist. Die Kurven G und C¹ geben die Werte wieder, die erhalten werden, wenn Druckrohre mit einer Dicke von 1,5 mm verwendet werden, während die Kurven D und D¹ mit Rohren einer Dicke von 2,5 mm erhalten wurden. Durch Verwendung von Druckrohren mit 40 bis 100 Vol.i&U-2;58 kann die ELutungsreaktivität des Kerns im Anfangsstadium auf größenordnungsmäßig 1/2 bis 1/3 derjenigen vermindert werden, die mit Druckrohren ohne zugemischtes U-238 erhalten wird. Diese Verminderung der Reaktivität ist jedoch niemals ausreichend für die Kompensierung des Brennstoff -Abbrandes im Kern. Andererseits haben jedoch derartige Druckrohre den Vorteil, daß spaltbares Material in diesen Rohren erzeugt werden kann und daß sie daher hinsichtlich einer Unterstützung des Neutronenhaushalts sehr brauchbar sind. Dasjverwendete U-238 kann außerdem durch allgemein brütbares Material ersetzt werden. Brütbare Materialien, die in der Praxis in Druckrohren gemäß der Erfindung verwendet werden, umfassen Abfälle der Brennstoffanreicherung, ausgebranntes bzw. erschöpftes Uran, bereits verwendeten Brennstoff oder ein Oxyd, wie Thoriumoxyd.

Die Anwesenheit einer sehr geringen Menge, eines spaltbaren Materials im Bestandteil der Druckrohre, wie sie gemäß der Erfindung vorgesehen wird, bietet einen bemerkenswerten Vorteil. So hat im einzelnen Urandioxyd beispielsweise eine Wärmeleit-

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fähigkeit, die etwa viermal so groß ist wie die von Aluminiumoxyd und aus diesem Grunde müßte die Dicke des Druckrohres theoretisch viermal so groß sein wie die von Aluminiumoxyd-Druckrohren, um eine vergleichbare Wärmeisolation zwischen Kühlmittel und Moderator zu erreichen. In der Praxis ist jedoch die vom Druckrohr selbst durch Kernspaltungen des in sehr kleiner Menge enthaltenen spaltbaren Materials erzeugte Wärme für eine Verschiebung des Hauptteils der abfließenden Wärmemenge von innerhalb des Rohres zur Moderatorseite hin verantwortlich.

Dae Verhältnis der Wärmeerzeugung beispielsweise eines Brennstoffelementes mit einem Druckrohr gemäß der Erfindung mit Urandioxyd aus erschöpftem Uran, dessen U-235 Anreicherung 0,4$ beträgt und mit einem Brennstoffmaterial, das ein niedrig angereichertes Dioxyd mit einer Anreicherung von 2,8$ enthält, wird in der nachfolgenden Tabelle angegeben.

Brennstoff (UO₂)
Druckrohr (UO₂)

Volum verhältnis	Anreicherung	Verhältnis der Wärmeerz eußung
1	2,8$	1
1,4	0,4$	0,2

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsart ist die Menge der durch das Druckrohr entwickelten Wärme etwa zweimal so groß wie die vom Brennstoff an den Moderator abgegebene Wärme bei (üblichen) Druckrohren, die selbst keine Wärme

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entwickeln. Folglich ist die vom Druckrohr (gemäß der Erfindung) an den Moderator abgegebene Wärmemenge im wesentlichen gleich der Wärmemenge, die von diesem Druckrohr an das Kühlmittel übertragen wird, wodurch die (in Äummä) vom Brennstoff (der eigentlichen Brennstoffelemente an den Moderator abgegebene Wärmemenge zu Null gemacht werden kann.

Schließlich soll noch die Änderung der Kerncharakteristiken betrachtet werden, wenn im Druckrohr Spaltstoff erzeugt worden ist: Im Falle,daß ein brütbares Material mit darin enthaltenem spaltbaren Material mit sehr niedrigem Anreicherungsfaktor, wie gemäß der vorliegenden Erfindung, verwendet wird, tritt kaum irgendein bemerkenswertes Problem auf.

Fig. 6 zeigt die Änderungen der Kerncharakteristiken, infolge der Neutronen-Bestrahlung von oxydiertem Uran mit einer Anreicherung (enrichment factor) von 35».·. Die Kurve E gilt für das Produkt, V Σ-ί (cm), aus der mittleren Anzahl tf der pro Spaltung emittierten Neutronen und dem Spaltungsquerschnitt ^-f (cm~), während der NeutronenabsorptionscLuerschnitt *£-ol (cm" ) durch die Kurve F wiedergegeben wird und die Kurve 6· die Abhängigkeit der Ansammlung (#) von Pu-239 von der Neutronen-Bestrahlung zeigt; längs der Abszisse ist die Flußzeit (nvt) und der G-rad der Brennstoff exposition aufgetragen, Ea ist zu vermerken, daß Pu-239 im Druckrohr in einer Menge angesammelt wird, die im wesentlichen gleich derjenigen ist, die im Brennstoffmaterial während des Betriebes

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angesammelt wird. Dieses angesammelte Pu-239 wirkt merklich verzögernd auf die Reaktivitätsabnahme infolge des Spaltstoff abbrandes. Dadurch wird eine Verringerung der zur Erzielung des gewünschten Spaltstoffabbrandes notwendigen ursprünglichen Anreicherung und darüber hinaus eine Verminderung der Zahl der Eontrollstäbe, die in den Kern eingelassen werden und zur Unterdrückung der Überschußreaktivität dienen und weiterhin trägt dies zu einer Abflachung bzw. G-lättung der Leistungsverteilung im Reaktorkern bei.

Die Temperaturdifferenz zwischen Kühlmittel und Moderator ist jedoch weder an allen (Seilen des Kerns, noch in allen Bereichen der Brennstoffelemente gleichmäßig. Bei üblichen Überhitzungsreaktoren ist die Differenz am Kühlmittelauslaß maximal und erreicht Werte von 40O⁰O. In einem solchen Pail kann das Abfließen von Wärme bzw. ein Wärmeverluat verhindert werden, durch die Anwendung eines Materials, wie Aluminiumoxyd, einer Mischung von üranoxyd und Aluminiumoxyd oder eines erschöpften Uranoxyds mit einer etwas höheren Anreicherung, welches ausgezeichnete Wärmeisolations- oder Wärmeerzeugungseigenschaften hat, an Stellen, wo eine große Temperaturdifferenz zwischen Kühlmittel und Moderator herrscht.

Während andererseits die Reaktorleistung dazu neigt im zentralen Bereich des Kerns größer zu werden, ist es hinsichtlich eines gleichmäßigen Abbrandes im Kern wichtig, die

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Leistungsverteilung über den Kern hinweg zu glätten. Zu diesem Zweck ist es notwendig, die Dichteverteilung des neutronen- ■ flusses im Kern abzuflachen. Dieses kann jedoch leicht erreicht werden durch Kontrolle der Dichteverteilung des abbrennbaren Giftes oder des brütbaren Materials, das gemäß der Erfindung dem Bestandteil der Druckrohre zugemischt wird. Konkret werden Brennstoffelemente mit Druckrohren, die ein abbrennbares Gift oder ein brütbares Material in einem etwas größeren Ausmaß enthalten, vor dem Betrieb in Kernbereichen angeordnet, wo der Feutronenfluß die Tendenz hat, anzusteigen. Weiterhin wird insbesondere in Anteilen bzw. Bereichen der einzelnen Brennstoffelemente, wo die leutronenflußdichte eine Anstiegstendenz hat» der Gehalt dee abbrennbaren Giftes oder brütbaren Materials erhöht, während in Bereichen, wo keine große Temperaturdifferenz zwischen Moderator und Kühlmitt auftritt, ein Oxyd oder Carbid od.dgl., das prinzipiell aus einem brütbaren Material, wie Uran oder Thorium erhalten wird, welches die Wärmeisolation etwas verschlechtert, in einem größeren Anteil verwendet wird, um dadurch den Heutronenhaushalt zu unterstützen. .

Wie bereits erwähnt, wird in den Druckrohren selbst, die

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ein Oxyd von erschöpftem Uran mit einem U-235 Ansammelungsfaktor (hold-up factor) in der Gegend von 0,4 enthalten, eine Wärmemenge erzeugt, die etwa zweimal so groß ist wie diejenige, die bei konventionellen Druckrohren mit Aluminiumoxyd vom

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Kühlmittel an den Moderator abgegeben wird. Der größere Teil dieser Wärme wird zur Aufheizung des Moderators verwendet. Diese Wärmemenge kann jedoch wiedergewonnen und beispielsweise im Speisewasser-Vorwärmer oder ähnlichen Systemen in einem Siedewasserreaktor oder einer ähnlichen Anlage verwendet werden, die als Quelle für Wasserdampf dient, welcher als Kühlmittel in einem Überhitzungsreaktor verwendet wird, wodurch der (zusätzliche) Leistungsbedarf einer solchen Wasserdampfquelle vermindert wird.

Die voranstehend angegebene Wirkung kann durch Zahlenwerte veranschaulicht werden: In einem Reaktorkern eines Überhit zungsreakt or s, der unter Verwendung von Brennstoffelementen gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut wird, die Uranoxyd mit einer Anreicherung von 3$ als Brennstoff und Uranoxyd mit einer Anreicherung von 0,25$ in den Druckrohren enthalten, beträgt die jährlich notwendige Menge an Spaltstoff 8011 kgü, die jährlich erforderliche Menge an erschöpftem Uran für die Druckrohre 5608 kg U und die jährliche Produktion von Pu-239 49 kg. Folglich wird ein zusätzlicher Profit von etwa 1.570 000 DM ( ^ 140 Mill.) als Aufstockung des Profits eines konventionellen Überhitzungsreaktors erreicht, bei dem Aluminiumoxyd-Druckrohre verwendet werden und der ursprüngliche Anreicherungsfaktor und die thermische leistung mit den Werten für den angegebenen Reaktor mit erfindungsgemäßen Brennstoffelementen identisch sind. Die jährlich erzeugte

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Energie 'beträgt 42!Hx 10 kWh. Bei Berttcfcsichtigung des angegebenen zusätzlichen Profits können damit die Kosten für die Erzeugung von 1 kWh. um 0,09 "mil" verringert werden. !Diesen 0,09 mil/kWh entsprechen 20$ der Brennstoffkosten des Überhitzungsreaktors und etwa 6$ der gesamten Brennstoffkosten, die für die Leistungserzeugung erforderlich sind.

Der primäre Vorteil der erfindungsgemäßen Brennstoffelemente oder der Brennstoffelemente mit Druckrohren, die in einer geringen Menge ein Material enthalten, welches ein ITUklid mit einem extrem hohen Ueutroxienabsorptionsquerschnitt umfaßt, welches nach der Absorption neutronennichtabsorbierend wird, besteht darin, daß die wesentliche Wärmeisolation und die Plutungsreaktivität der Bruckrohre ohne Änderung von Gestalt, oder Volumen verändert werden kann. Mit anderen Worten bringt die vorliegende Erfindung hinsichtlich der Ausbildung der Druckrohre und folglich der Entwicklung des Reaktorkerns zusätzlich zu der freien Wahl der gewünschten Gestalt und Struktur der Druckrohre zwei "[Freiheitsgrade", nämlich die freie »fahl der anzuwendenden Menge des abbrennbaren Giftes und des spaltbaren (bzw. brütbaren) Materials und auch die freie Wahl der lokalen Verteilung dieser Materialien. Diese Vorteile tragen nicht nur zu-einer Verminderung der Jlutungsreaktivität des Kerns bei, "sondern auch dazu, daß eine Abflachung oder Glättung der Feutronenflußverteilung und der Leistung des Kerns sehr einfach wird -und außerdem zu einer Vermingrderung der Wärmeverluste»

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Bin weiterer Vorteil besteht darin, daß ein Anteil der Abbrand-Reaktivität des Kerns durch das in den Druckrohren enthaltene abbrennbare Gift oder brütbare Material kompensiert wird und ebenfalls durch die Erzeugung von neuem spaltbarem Material.

Bin weiterer Vorteil ist schließlich, wie bereits erwähnt, durch die Erleichterung der Glättung der Flußverteilung und der Reaktorleistung gegeben.

Schließlich ist noch als Vorteil anzugeben, daß bei Verwendung eines brütbaren Materials, wie erschöpften TJrans od.dgl. mit einem niedrigen Anreicherungsfaktor, im Bestandteil der Druckrohre durch die Spaltstofferzeugung innerhalb der Druckrohre und durch die Wärmeentwicklung durch die Druckrohre selbst ein merklicher zusätzlicher Profit erzielt werden kann.

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Claims

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Patentansprüche

Brennstoff element für einen Überhitzungsreaktor mit einem Druckrohr zur thermischen Isolation zwischen Kühlmittel und Moderator und darin unter Freilassen eines Kühlkanals bzw. von Kühlkanälen untergebrachtem Kernbrennstoff, dadurch g e k e η η ζ « i ohne t, daß das Druckrohr (2) zumindest lokal unter Verwendung eines Materials hergestellt ist, das ein brütbares Material und/oder ein abbrennbares Reaktorgift, wie Bor, Europium oder Dysprosium enthält, und dessen Gehalt an spaltbarem Material geringer ist als derjenige des Kernbrennstoffs (1).
2. Brennstoff element nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet,-daß das zur Herstellung des Druckrohres verwendete Material 0,01 Vo.fa Borcarbid (B-G) enthält.
3. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Herstellung des Druckrohres (2) verwendete Material Uran enthält, dessen Ü-235-Anreicherung größenordnungsmäßig um einen" Faktor 10 geringer ist als derjenige des Kernbrennstoffs (1).
4. Brennstoffelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Variation des Gehaltes der Druckrohre (2) an abbrennbarem Reaktorgift und/oder brütbarem Material längs der Brennstoffelemente und über den gesamten Reaktorkern, derart, daß eine Glättung bzw. Abflachung der Feutronenflußverteilung erzielt wird.

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