DE1589472A1 - Brennstoffpatrone - Google Patents

Description

Die Erfindung "betrifft eine Brennstoffpatrone mit mehreren parallel verlaufenden Brennstoffstäben für Kernreaktoren.

Bei in herkömmlicher Weise ausgeführten Brennstoffpatronen sind die Brennstoffstäbe mit gleichem Abstand voneinander in der ganzen Brennstoffpatrone gleichmässig verteilt. Wenn solche Patronen in einem Reaktorkern mit Wasser als neutronenmoderierendem Stoff verwendet werden, entsteht eine ungleichmässige leistungsdichteverteilung in der Patrone. Dies beruht darauf, daj3s die Randstäbe in einer Brennstoffpatrone aufgrund von · vorkommenden Wasserspalten zwischen den Brennstoffpatronen von einer grösseren Wassermenge umgeben sind als die Stäbe innerhalb der Patrone. Ein Eckstab in einer Patrone mit quadratischem Querschnitt kann z.B. eine Wärmeleistung entwickeln, die mit 35 bis 50$ den mitlleren Wert der Leistungsentwioklung der .Brennstoffstäbe in der Patrone übersteigt.

Um eine tjberleistung in den Randstäben zu vermindern, ist es bekannt, die Anreicherung des spaltbaren Kernbrennstoffes in den Eck- und Randstäben zu reduzieren, die Dimension dieser Stäbe im Vergleich mit den übrigen Brennstoffstäben in der - ; " ■ .■'.■■■ -2-

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Patrone zu verkleinern und die Neutronenabsorbtionsfähigkeit der erstgenannten Stäbe durch Einmischen eines fertilen oder anderen nicht spaltbaren Materials zu steigern. Diese bekannten Verfahren können auch kombiniert werden.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist, Brennstoffpatronen zu schaffen, die ohne Überbelastung eines einzelnen BrennstoffStabes eine grössere Gesamtleistung .entwickeln können als herkömmliche Patronen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Brennstoffstäben verschieden ist, so dass die Brennstoffstäbe in den zentralen Teilen der Patrone einen grösseren Abstand voneinander haben als an den äusseren Seiten der Patrone. Indem man in dieser Weise die Teilung im Stabmuster modifiziert, erreicht man, dass die Neutronenstromdichte in der Patrone so ausgeglichen wird, dass die entwickelte Wärmeleistung sich gleichmässig-J&uf die einzelnen Brennstoff stäbe in der Patrone verteilt. Der Grad des erreichten Leistungsausgleichs hängt davon ab, in wie grossem Masse und in welcher Weise der Abstand zwischen den Stäben innerhalb der Patrone variiert wird. Der Leistungsausgleich ermöglicht eine Erhöhung der mittleren Leistung pro Brennstoffstab, ohne' dass die am meisten belasteten Stäbe überbelastet werden. Dadurch erhält man eine grössere Gesamtleistung der Brennstoffpatrone und folglich eine entsprechend grössere Leistungsentwicklung in einem Reaktorkern von gegebener Grosse. Weiter bietet die Erfindung den Vorteil, dass alle Brennstoffstäbe gleich ausgeführt werden können, was die Herstellung der Stäbe und Patronen beträchtlich vereinfacht. In gewissen Fällen

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kann■ e.,ä auch zweckmässig sein, auf diesen Vorteil zu verzichten und den Jjeistungsausgleich nach der Erfindung mit irgendeiner oder irgendwelchen der obengenannten Methoden zu kombinieren, um dadurch in einfachster Weise den grösstmb'glichen Grad eines Leistungsausgleichs zu erreichen.

Beim /Festsetzen des Stababstandes in einer.erfindungsgemässen Brennstoffpatrone wird die Leistungsentwicklung an jedem Brennetoffstab berechnet. Bei grossen Leistungsunterschieden der Stäbe wird der Abstand in leistungsaußgleicliender Richtung korrigiert. Die Leistuhgsverteilung in der Brennstoffpatrone wird in bekannter Weise mit Hilfe von 2-dimensionaler Diffusionstheorie in xy-Geometrie und in 2 Neutronenenergiegruppen ^J berechnet. Die Patrone wird berechnungsmässig in Stabzellen aufgeteilt, die je aus einem Brennstoffstab mit zugehörigem Kühlmittel bestehen. Die makroskopischen Heutrcnenquerschnitte der Stabzellen, die bei der Leistungsbestimmung erforderlich sind, werden mit Hilfe von 1-dimensionaler Transport-Theorie in 4 Energiegruppen berechnet. Die makroskopischen Querschnitte für die Gebiete ausserhalb des Stabzellenbereichs können aus Durchschnittstaiellen erhalten werden, die auf experimentellen Messungen und Transporttheorieberechnungen aufgebaut sind.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben, die schematisch Querschnitte verschiedener Brennstoffpatronen nach der Erfindung zeigt. " ' '

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Fig. 1 und 2 zeigen Patronen mit quadratischem Querschnitt. . Fig. 3 und 4 zeigen eine Patrone mit hexagonalem QuerBohnitt.

In Fig. 1 sind die Brennstoffstäbe 1 voll gezeichnet, aber in den übrigen Figuren sind nur deren Mittelpunkte gezeigt, die das für die Brennstoffpatrone charakteristische Querschnittmuster oder Stabgitter bilden. Die Mittelpunkte der Brennstoff stäbe sind mit Linien 2 verbunden, die jedoch nicht einen konstruktiven Teil darstellen, sondern nur gezeichnet sind, um die Struktur des Stabgitters zu veranschaulichen. In einer kompletten Brennstoffpatrone sind die Brennstoffstäbe 1 gewöhnlich von einem äuseeren Mantel 3 umgeben, der in Fig. 1, aber nicht in den übrigen Figuren gezeichnet ist. Fig. 1 zeigt ein Stabgitter, das voreinander winkelrecht schneidenden parallelen Linien gebildet ist, die so gelegt sind, dass der Abstand zwischen ihnen am grössten im mittleren Teil der Brennstoff patrone und am kleinsten an den mit der nächsten Gitterlinie parallelen äusseren Kanten der Brennstoffpatrone ist. Ein solches Gitter bietet den wesentlichen Vorteil, dass der Aufbau der Brennstoffpatrone verhältnismässig einfach wird und gleichzeitig ein. verhältnismässig grosser Grad von Leistungsausgleich erreicht werden kann. .

Es ist üblich, dass die Brennstoffpatronen in einem Reaktorkern von Vasserspalten umgeben sind, die verschieden breit bei entgegengesetzten Seiten und gleich breit bei naheliegenden Seiten der Patrone sind. In solchen Fällen kann es zweckmässig

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sein, das .Steggitter unsymmetrisch mit dichter angeordneten Stäben am nächsten der "breiteren Spalten auszuführen. Ein solches Gitter wird in einfacher Weise vom Gitter in Fig. 1 ausgehend erhalten, indem man die Stäbe oberhalb und rechts von der Linie A-A weglässt.

Fig. 2 zeigt ein symmetrisches Gitter, das eine homologe Transformation eines regelmässigen Quadatmusters ist. Charakteristisch für diese Transformation ist, dass der Abstand zwischen den Stäben, d.h. die Teilung des Gitters, konstant um den Umkreis herum und kleiner als die Teilung im Mittelteil der Brennst off patrone ist. Eine solche Transformation eines regelmässigen quadratischen Musters kann in mehreren verschiedenen Weisen ausgeführt werden. Man kann dae Gitter mit auf das Zentrum hin kontinuierlich zunehmendem Stababstand ausführen, aber in der "Praxis erreicht· man oft auch einen vollständig ausreichenden Eeistungsausgleich, wenn man das Gitter in irgendeiner Weise vereinfacht, z,B, wie in der Figur gezeigt ist, so dass gröaaere Teile der Musterlinien rechtlinig gezogen werden, um dadurch den Aufbau der Brennstoffpatrone zu vereinfachen. Es sind auch andere Verfahren zum Erhalten.einer solchen Yereinfaohung denkbar. Die Gitterlinien können z.B. geradlinig zwischen den Diagonalen der Figur und zwischen den Diagonalen und den Kantenlinien gezogen werden.

Die in Fig. 2 gezeigte Transformation eines regelmässigen Musters kann auch bei anderen Mustertypen als dem mit der

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quadratischen Grundform angewendet werden. Fig. 3 und 4 zeigen eine solche Transformation eines hexagonalen Musters. In Pig. 3 nehmen die Stababstände kontinuierlich auf den Mittelteil der Patrone hin zu. Fig. 4 zeigt ein einfacheres Gitter, das von 'drei regelmässigen Sechsecken ausgehend aufgetaut ist*

Die gezeigten Ausführungsformen sind nur Beispiele von praktischen Anwendungsarten des Grundgedankens der Erfindung. Die Figuren sollen nicht exakte Abstandsverhältnisse zwischen den Brennstoffstäben angeben, sondern sie veranschaulichen nur das Prinzip der Erfindung. Über die gezeigten Ausführungsformen hinaus kann man sich eine sehr grosse Anzahl von Variationen und Modifikationen der Gitterfonn im Rahmen der Patentansprüche vorstellen.

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Claims (6)

Patentansprüche t

1) .Brennstoffpatrone mit mehreren parallel verlaufenden Brennstoffstäben für Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Brennstoffstäben verschieden ist, so dass die Brennstoffstäbe in den zentralen Teilen der Patrone einen grösseren Abstand voneinander haben als an den äusseren Seiten der Patrone. .

2. Brennstoffpatrone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß die Mittelpunkte der Brennstoffstäbe in einem Querschnitt der Patrone die Eckpunkte in einem karierten Muster voneinander winkerrecht schneidenden parallelen Linien bilden, wobei der Abstand zwischen den genannten Linien am kleinsten am nächsten der äusseren Kante des Querschnitts ist.

3. Brennstoffpatrone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelpunkte der Brennstoffstäbe in einem Querschnitt der Patrone eine homologe Transformation eines regelmässigen Musters bilden, wobei die Teilung des Musters an den Kanten des Querschnitts vorzugsweise gleichmässig und kleiner als die Teilung im Mittelteil des Querschnitts ist. ,

4. Brennst off patrone nach Anspruch 3-, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundform des Musters quadratisch ist.

5. Brennstoffpatrone nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundform des Musters hexagonal ist.

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6. Brennstoffpatrone nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der Brennstoffstäbe in einem Querschnitt der Patrone asymmetrisch ist.

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