DE1764471A1 - Kernreaktor-Regelstab - Google Patents

Kernreaktor-Regelstab

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DE1764471A1
DE1764471A1 DE19681764471 DE1764471A DE1764471A1 DE 1764471 A1 DE1764471 A1 DE 1764471A1 DE 19681764471 DE19681764471 DE 19681764471 DE 1764471 A DE1764471 A DE 1764471A DE 1764471 A1 DE1764471 A1 DE 1764471A1
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Description

WESTINGHOUSE w ' ErTaYiSBfT, den 1 0. JUNI 1968
Electric Corporation Werner-von-Siemens-Straße
Pittsburgh, PA, USA
PLA 68/8220 Kernreaktor-RegeIstab
In der Kernreaktortechnik ist es bekannt, Neutronenabsorber in Form von abbrennbarem Neutronengift zu verwenden. Ein derartig abbrennbares Gift ist in der Lage, Neutronen zu absorbieren, ohne neue oder zusätzliche Neutronen zu erzeugen oder zu neuem Gift umzuwandeln. Ein derartiges abbrennbares Gift ist z.B. Bor. Das in der Natur vorkommende Bor besteht aus zwei Isotopen,· nämlich dem Isotop B und B . Wenn das Bor-Isotop B von thermischen Neutronen bestrahlt wird, vollzieht sich folgende
209813/0467 M8/Di
Π64471
PLA 68/8220
Reaktion: B10 + η1 -■·» Li7 + He4. Das bedeutet, daß ein B -Atom und ein Neutron je ein Li- und ein He -Atom ergeben.
Das in der Natur vorkommende Bor besteht zu 20 # aus dem Bor-Isotop B , das einen Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen von ungefähr 3»84 barns hat. Bei der Reaktion dieses Oor-Isotops reduziert sich der Absorptionsquerschnitt von 3ι84 barns auf 0,03 barns für die Reaktionsprodukte.
Das Bor-Isotop B , aus dem 80 # des gesamten Bor besteht, hat jedoch einen wesentlich kleineren Absorptionsquerschnitt, so daß lediglich das Bor Isotop B von Interesse für die Anwendung als Neutronengift ist.
Die Verwendung eines abbrennbaren Giftes in einem Kern-
reaktor hat verschiedene Vorteile. Zunächst kann dadurch die Brennatoffbeladung des Kernes erheblich ansteigen, was zu einer längeren Einsatzdauer des Kerns führt. Wenn ferner das abbrennbare Gift in einer derartigen Menge eingeführt wird, daß die Anfangsreaktivität ungefähr auf die am Ende der Einsatzdauer einer Kernladung bestehend« Reaktivität absinkt, so sind weniger
Regelstäbe erforderlich, um den Reaktor zu kontrollieren. Außerdem können die Stäbe während des Betriebes aus dem Kern gezogen werden, wodurch eine verbesserte Leistungsvertei-
lung erreicht wird. Schließlich kann das abbrennbare Gift an solchen Stellen in Kern angeordnet werden, daß dadurch die Leiatungsverteilung über dtn Kern einen gleichen Wert
Ein weiterer Vorteil in der Verwendung von abbrennbarem Gift
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176U71
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besteht in der Verminderung des Temperaturkoeffizienten des Moderators für die Reaktivität des Reaktors. Ohne abbrennbares Gift hat der Temperaturkoeffizient des Moderators von Druck- und Siedewasserreaktoren einen hohen positiven Wert im Gegensatz zur Verwendung von Borsäure im Wasser als chemische Trimmung. Ein hoher positiver Temperaturkoeffizient hat jedoch eine nachteilige Wirkung auf die Kontrollierbarkeit der Reaktoranlage und ihrer Sicherheit. Wenn nämlich die Temperatur während de3 Betriebes des Reaktors ansteigt, expandiert das Bor enthaltende Wasser, so daß ein Teil des Wassers den Kernbereich verläßt und dadurch die Reaktivität ansteigt. Eine gesonderte Quelle für festes Bor als abbrennbares Gift erlaubt eine Reduzierung der Borsäuremenge im Wasser, wodurch die Kontrollierbarkeit und die Sicherheit des Reaktors steigt.
Die Verwendung eines abbrennbaren Giftes an verschiedenen Stellen im Reaktorkern, wie z.B. in den Brennstofftabletten selbst, in den überzügen der Tabletten oder in den Hüllen der Bohre hatte unterschiedliche Ergebnisse. Versuche, die Brennstofftabletten mit einem abbrennbaren Gift zu versehen, das gleichmäßig im Brennstoff verteilt ist, waren nicht ganz zufriedenstellend.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, gesonderte Regeletäbe mit einem abbrennbaren Neutronengift zu schaffen.
Die Erfindung besteht darin, daß die Regeletäbe als abbrennbares Neutronengift borhaltiges Glas enthalten. Dabei kann
- 3 - Ms/Di
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PLA 68/8220
dieses Glae 2 bi· 25 Gewichtsprozent Boroxid enthalten.
Das Borsilikatglas ist dabei ala Bohr auegebildet und zwischen einer Äußeren metallischen BUlIe und einem inneren metallischen Bohr angeordnet, wobei innerhalb dee inneren Rohres ein Hohlraum für entetehendea Helium vorgesehen ist.
Die metallische Hülle und dae innere metallische Rohr können dabei aus einer Zinnlegierung oder au β rostfreiem Stahl bestehen.
An Hand einer echematiechen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen Figur 1 und 2 einen Längsschnitt durch ein Brennelement mit den entsprechenden Regeletäben, während in Figur 3 und 4 ein Längsschnitt und ein Querschnitt durch einen Regelstab mit Borsilikatglas dargestellt sin«·
I» Figur 1 iet ein Brennelement 10 mit einer oberen Endplatte 12 umd einer unteren Endplatte 14 dargestellt. Darüber hinaus weist dieses Brennelement 10 Führungsrohr« 16 für die Finger-
regeIbtabe 22, Abstandshalter 18, Brenmttäbe 20, sowie die Fingerregeletäbe 22 mit dem abbrennbaren Heutronengift auf.
Für den Aufbau des Brennelementes 10 sind die im Abstand voneinander angeordneten Abstandshalter 18 zunächst von den Führungsrohren 16 der Fingerregelatäbe 22 gehalten, während die untere Endplatte 14 an den unteren Enden der FUhrungsrohre 16 befestigt 1st. Die Brennstäbe 20 werden durch die Abstanda-
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halter 18 von oben eingesetzt und von der unteren Endplatte gehalten. Die obere Endplatte 12 ist ebenfalls an die oberen Enden der Führungsrohre 16 angeschweißt, während die Regelstäbe 22 in diese Führungsrohre 16 eingesetzt sind. Während des Betriebes des Reaktors strömt das Druckwasser im wesentlichen ungeführt nach oben durch das Brennelement 10 und wird so aufgewärmt. Der von dem heißen Wasser erzeugte Dampf treibt dann die Turbine an.
In Figur 3 ist ein Regelstab 22 mit abbrennbarem Gift in einer Ausführungsform nach der Erfindung näher dargestellt. Der Regelstab besteht aus einem äußeren Rohr 46, einer Endkappe 51, die das untere .binde des äußeren Rohres 46 an der Schulter 49 abschließt, sowie einer Federhalterung 52, die das andere Ende des Rohres 46 abschließt und eine Schraubenfeder 5t> innerhalb des Rohres festhält. Das obere Ende dieser Schraubenfeder 53 drückt gegen die Federhalterung 52, während das andere Ende gegen eine Seite des Borsilikatglasrohres drückt. Dieses Glasrohr 54 kann aus einem einzigen Stück oder aus mehreren rohrförmigen Abschnitten bestehen. Die Feder 53 drückt das Glasrohr 54 gegen die Schulter 56 des Abschlußkegels 51 und ist durch dessen Endstück 59 gesichert. Das innere Rohr 57 innerhalb des Glasrohres begrenzt einen zylindrischen Hohlraum 61 in der Achse des Regeistabes.
In Figur 4 ist der Aufbau des Regelstabes 22 mit abbrennbarem Gift im Querschnitt gezeichnet. Der Regelstab besteht aus der äußeren rohrförmigen Umhüllung 46, die aus einer
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Zirkonlegierung wie Zircaloy oder aus rostfreiem Stahl besteht« Innerhalb dieses äußeren Rohres 46 befindet sich das Rohr 54 aus Borsilikatglas, das unter dem Hamen "Pyrex" im Handel ist. Zwischen dem äußeren Rohr und dem Borsilikatrohr ist ein schmaler Zwischenraum von 0,025 bis 1,5 mm (0,001 - 0,006 inch) vorgesehen, um eine Ausdehnung der einzelnen Rohre zu ermöglichen. Innerhalb des Borsilikatglasrohres ist ein inneres Rohr 57 mit einer Wandstärke von etwa 0,2 bi3 0,25 mm (B - 10 mils) angeordnet, das aus einer Zirkonlegierung oder aus rostfreiem Stahl besteht und das von dem Borsilikatglasrohr durch einen Spalt von einigen Hundertstel Millimeter getrennt ist. Innerhalb dieses Innenrohres 57 ergibt sich eine zentrale Kammer 61, die einen Gasraum für das entstehende Heliumgas bildet, das auf Grund der Neutronenreaktion des Bor-Isotop B entsteht.
Das Glas enthält 2 bis 25 Gewichtsprozent B2O^, was die günstigste Zusammensetzung für den Verwendungszweck nach der Erfindung bedeutet. Das bevorzugte Borglas, wie es in Segelstäben nach der Erfindung verwendet wird, enthält im wesentlichen Borsilikat und ist unter dem lamen Pyrex im Handel. Dieses Glas hat ungefähr folgende Zusammensetzung:
Bestandteil: 20981' Gewichtsprozent: BAD ORIGINAL Ms/Di
SiO2 81 - 80
Al2O5 2.0
B2O5 12,0 - 13,0
H2O 4,5
andere 0,5
PLA 68/8220
Ίτ 176U71
Nach eines Aueführungabeiapiel nach der Erfindung besteht das äußere Rohr des Regeistabes aus Zircalov oder rostfreien Stahl und weist einen Außendurchmesser von 11,2 am (O#44 inch) und eine Wandstärke τοπ 0,51 mm (0,02 inch) auf. Sas Borsilikat~ glasrohr besteht zu ungefähr 12,6 Gewichtsprozent aus B2O* und hat einen' Außendurchmeseer von 10 mm (0,394 inch), sowie einen Innendurchmesser von 5,1 mm (0,2 inch). Das innere Rohr aus Zircaloy c-dsr rostfreiem Stahl hat einen lußendurchmesser von 4,93 mm (0,196 inch) und eine Wandstärke von etwa 0,2 mn (0,008 inch).
Das Bor enthaltende Glas kann in ein amorphes Pulver zerfallen, wenn es bestrahlt wird. Daher ist der Stab aus dem abbrennbaren Gift nach.der Erfindung so aufgebaut, daß der Glasstab zwischen innere und äußere Metallrohre gefaßt ist und keine wesentliche -Bewegung sufier Schwell· und Schrumpfbewegungen durchführt. Dabei 1st ein Schrumpfen von geringerer Gefahr, weil dafür eine Bewegung durch die Zwischenräume zwischen den Rohren «ad dsm Glasstab gegeben ist.
Eine mehr als 20 £ige Schwellung dea Glaaatabes wird dadurch aufgenommen, daß daa innere Metallrohr weicher ist als das äußere Rohr. Dadurch verformt sich das innere Rohr ohne Risse bevor das äußere Rohr beschädigt würde. Der Hohlraum, den das innere verformte Rohr einnimmt, steht für das aus dem abbrsnnbaren Gift freiwerdende Helium in dem sich ausdehnenden Glas zur Verfugung.
- 7 - Ms/Di
, 209813/0*67
PIA 68/a220
F V/6U71
Falle das Glas im amorphen Zustand vorliegt, wird das Helium beinahe vollständig frei. Bei hundertprozentigem Auebrennen des Bor-Isotop B und einem Gasraum von 20 jC des Gesamtvolumens innerhalb des Bors würde der Heliumdruck auf 158 at (2250 pai) ansteigen* Der Druck außerhalb der Begelstäbe mit dem abbrennbaren Gift beträgt also 158 at. Wenn aber ein geringerer innerer Gasdruck gewünscht wird, kann der zur Verfugung stehende axiale Hohlraum duroh Vergrößerung des inneren Durohmessere des Glasrohree anwachsen, wodurch eine Druckabnahme erreicht wird Dadurch wird jedoch die Borkonzentration verringert, sodaß deswegen die Zahl der Regelstäbe im Brennelement ansteigen müSte.
Auf die beschriebene Art und Weise erhält man also einen billigen Stab aus einem abbrennbaren Meutronengift für einen Kernreaktor·
In Bestimmten Fällen kann das Borsilikatglas auch als Pulver in den ringförmigen Zwischenraum zwischen den Rohren 46 und 57 eingeführt werden. Trotidem aber kann ein Glasrohr sehr viel schneller in einen schmalen ringförmigen Hohlraum eingesetzt werden, wobei außerdem die volle Sicherheit besteht, daß keine unausgefüllten Spalte oder Hohlräume verbleiben, wie das bei der Verwendung von Glaspulver auftreten könnte.
8 Patentansprüche 4 Figuren
- 8 - Ms/Di
££9813/0467
BAD ORIGINAL

Claims (8)

Patentansprüche
1. Kernreaktor mit stabförmigen Brennelementen und Regelstäben, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelstäbe (22) als abbrennbarea Neutronengift borhaltiges Glas enthalten.
2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas 2 bis 25 Gewichtsprozent Boroxyd enthält.
3. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelstab (22) mit abbrennbarem Neutronengift eine metallische Hülle (46) für das rohrförmig ausgebildete Borsilikatglas (54) aufweist.
4. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (54) aus Borsilikatglas zwischen einer äußeren· metallischen Hülle (46) und einem inneren metallischen Rohr (57) angeordnet ist, und daß innerhalb des inneren Rohres (57) ein Hohlraum (61) für entstehendes Helium vorgesehen ist.
5. Kernreaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere metallische Hülle (46) und das innere metallische Rohr (57) aus einer Zirkonlegierung bestehen.
6. Kernreaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere metallische Hülle (46) und das innere metallische Rohr (57) aus rostfreiem Stahl bestehen.
7. Kernreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der äußeren Hülle (46) mit Abschlußstücken (51) verschlossen sind.
8. Kernreaktor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
- 9 - Ms/Di
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"* 176U71
daS das Boreilikatglas folgend· Zusammensetzung aufweist:
Bestandteilt Gewichtsprozent:
SiO2 81 -
Al2O3 2,0
B2O3 12,0 - 13,0
H2O 4,5
andere 0,5
- 10 - Ms/Di
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Lee rseite
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