DE1764805A1

DE1764805A1 - Regelstab fuer Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1764805A1
Application number: DE19681764805
Authority: DE
Inventors: Eich Walter J
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1967-08-29
Filing date: 1968-08-08
Publication date: 1971-11-04
Also published as: US3485717A; CH503347A; BE719729A; JPS4821399B1; ATA803168A; FR1579222A; AT328572B

Description

WESTINGHOUSE 1764805 ^J^-e,, aerify. M »SÄ

Electric Corporation " tferuer-v.m-bieinens-otr. ;a)

Pittsburgh, Pa., USA

he ge Is tab für Kernreaktoren

Die Priorität der entsprechenden Anme tuuM.' vom S'-). <-^J>. 1-K.· 7, SeriaJ No. bb4,17!> in den USA wird in Anspruch ,";enomine η.

Die Erfindung bezieht sich au Γ kernreaktoren uriu speziell auf Hegelstäbe zur Neutronenabsorption. Dabei wird von bekannten Kegelstäben ausgegangen, die im wesentlichen Hafnium, Silber-Indium-Cadmium oder Borcarbid enthielten. Die Hüllroi;re mit α en.

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Absorbermaterial sind bei derartigen Absorberinateri alien meist' in Kreuzform oder in Bündelform angeordnet.

Ea hat sich jedoch ergeben, daß die bekannten Anordnungen einen hohen Prozentsatz von Stäben aufweisen, die weitgehend überflüssig sind. So haben z.B. Experimente gezeigt, daß ein kreuzförmiger Regelstab mit 25 Einzelstäben einen Neutronenabsorptionsgrad von 84 i° einer ähnlichen Anordnung mit 49 Stäben hatte. Es war ursprünglich angenommen worden, daß dies für die zusätzliche Bremswirkung der 25 kreuzförmig angeordneten Stäbe erforderlich sei. Spätere Experimente haben gezeigt, daß der absolute Absorptionsgrad eines einzigen Stabelementes in einem quadratischen Wasserkanal geringer ist, als wenn er dicht mit Brennstoff gefüllt ist und daß sein Absorptionsgrad abnimmt, wenn der Querschnitt des quadratischen Wasserkanals ansteigt. Dieses Experiment sollte zeigen, daß ein Stab mit 25 Elementen genauso viel wert ist wie die 49 Elemente, obwohl die Abbremsung des Neutronenflusses ansteigt. Darüber hinaus beträgt der thermische Einfang nur 20 i» der Gesamtzahl der Einfänge.

Die jetzige Kenntnis zeigt, daß die kleine Differenz (16 # Verminderung des Einfangs der 25 kreuzförmig angeordneten Elemente) auf die Tatsache zurückzuführen ist, daß die 24 zusätzlichen Stabelemente in der 49er Anordnung weitgehend geometrisch abgeschirmt sind. In anderen Worten, die zusätzlichen 1b Stäbe besitzen ein geringes statistisches Absorptions^ewicht wegen der umgebenden Abschirmung im Hesonanzenergiefluß.

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Der Hauptnachteil dieser älteren bekannten Anordnung besteht also darin, daü viele der Stabeletnente keine /xenügenae Anzahl von Neutronen eini'ingen, um ihr volles Potential auszunutzen.

Die Erfindung geht von einer derartigen bekannten Anordnung aus und hat sich die Aufgabe gestellt, Regelstäbe in einer solchen Anordnung und mit einem derartigen Material zu verwenden, daß ihr Absorptionsvermögen weitgehend ausgenutzt wird.

Die Erfindung besteht dabei darin, daß der Hegelstab aus mindestens zwei Gruppen von Stabelementen mit jeweils unterschiedlichem Neutronen-Absorbermaterial besteht, von denen die Einfangresonanzen der beiden Gruppen in verschiedenen Energiebereichen liegen, und daß die Stabelemente in einer derartigen geoemtrischen und alternierenden Anordnung gehalten sind, daß die Absorption in _t^eder Gruppe nicht wesentlich durch die Abschirmung umgebender Stabelemente mit derselben Absorptionscharakteristik vermindert wird.

Die beiden Gruppen der Stabelemente können dabei parallel zu einander und in abwechselnder Reihenfolge angeordnet sein. Sie werden im allgemeinen von korrosionsfesten Hüllrohren umschlossen.

•In einem Beispiel der Erfindung ist eine Gruppe von Elementen mit Silber-Indium-Cadmium und eine zweite Gruppe mit Europium gefüllt. Diese Stäbe sind in abwechselnder Reihe angeordnet, um

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eine maximale Wirksamkeit zu erreichen. Das Schema kann dabei eine kreuzförmige oder bündeiförmige Anordnung sein.

Die zweite Gruppe der Stabelemente kann Europium in Oxidform enthalten. Obwohl Europiumoxid teurer ist als dasselbe Volumen von Silber-Indium-Cadmium, kompensieren das geringere Gewicht, die geringeren Kosten der Fabrikation und der Zahl der Elemente pro Anordnung als auch die erhöhte Lebensdauer des Kernes und des Regelstabes die höheren Materialkosten.

Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Darin zeigen

Fig. 1 eine isometrische Ansicht eines kreuzförmigen Regelstabes nach der Erfindung, während in

Fig. 2 ein schema ti scher Querschnitt dargestellt: ist. Fig. 3 zeigt eine ringförmige Anordnung eines anderen Ausführungs-

beispieles nach der Erfindung, während in Fig. 4 eine Mehrringanordnung gezeigt ist.

Die Güte eines Regelstabes ist primär abhängig von seinen Absorptionscharakteristiken oder dem Einfangquerschnitt und der Zahl der einfangbaren Partikel.

Das erste Kriterium soll anhand des Einfangquerechnittes (gemessen in barne) diskutiert werden. Der Einfangquerschnitt ver-

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ändert sich mit der Energie der ankommenden Partikel und hat seinen Scheitelwert in einem oder mehreren Energiebereichen. Wie man aus zahlreichen graphischen Darstellungen des Einfangquerschnittes bzw. der Energie ersehen kann, haben die verschiedenen Absorbermaterialien spezielle unterschiedliche Einfangquerschnitte für verschiedene Energiebereiche. Z.B. haben Silber-Indium-Cadmium, Borcarbid und Europium Maxima- oder Einfangsresonanzen für verschiedene Energiebereiche. In anderen Worten, Neutronen mit einer bestimmten Energie, für die die Einfangquerschnitte von Silber-Indium-Cadmium oder Borcarbid niedrig sind und bei der die statistische Wahrscheinlichkeit eines Einfanges durch diese Absorber gering ist, können dagegen von Europium eingefangen werden.

Das andere Kriterium bezieht sich auf die Anordnung eines Absorberstabelementes inbezug auf die umgebenden Absorberstäbe. Ein einzelner Stab aus Absorbermaterial kann geometrisch so abgeschirmt sein, daß die meisten der Neutronen in ihrem hohen Einfangquerschnittsbereich von den Absorbern in den anderen Stäben eingefangen werden, die dichter an der Neutronenquelle angeordnet sind. So ist z.B. Indium am besten zum Neutronenfang für die Neutronen geeignet, die eine Energie von 1,5 Elektronenvolt haben. Das bedeutet, daß Indium einen Einfangquerschnitt von maximal 10 000 barns hat inbezug auf Neutronen mit 1,5 Elektronenvolt. Wenn also diese Neutronen von Stäben eingefangen werden, die dichter an der Neutronenquelle liegen, so ist das Tndium in

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einem nachfolgenden riegels tab weiter von der Neutronenquelle entfernt und ist weniger geeignet, die verbleibenden Neutronen zi fangen, so daß es weitgehend überflüssig ist. Aus diesem Grunde würde nach diesem Beispiel ein Material von höherem oder niedrigerem Energiebereich mit hohem Einfangquerschnitt, das weiter entfernt ist, wirkungsvoller sein im ouen erwähnten nach folgenden Hegelstab.

Eine teilweise wirkungsvolle Kombination wurde durch die Anordnung von Stabelementen gefunden, die abwechselnd Silber-Indium Cadmium und Europiumoxid enthalten. Die speziellen Ausführungsformen dieser Erfindung sollen im Hinblick auf diese Absorber erläutert werden. Dabei soll das so verstanden werden, daß sich das Wesen der Erfindung auf die Auswahl von zwei oder mehr Absorbern bezieht, die in abwechselnder Reihenfolge angeordnet sind und die unterschiedliche Resonanzcharakteristiken oder unterschiedliche Energiebereiche haben, in denen ihre Einfangquerschnitte verhältnismäßig groß sind.

Anhand eines Zahlenbeispieles soll nun das Wesen der Erfindung näher dargestellt werden. Ee sei angenommen, dafl in einem.Stab mit 25 kreuzförmig angeordneten Elementen 84 j£ der Neutronen einer ähnlichen Anordnung mit 49 Stäben abeorblert werden. Von diesen Neutronen sind ungefähr 60 # überthermisch und 40 £ 'thftfnia eingefangen. Wenn man dit Anordnung auf 49 Stab· vom gleichen typ erhöht, würden 82 i> überthermiech und 16 H thermisch eingefangen.

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Der Wert von bO $ ist aufgeteilt zwischen die 25 Stabelemente, während die 20 i<> unter den 49 Elementen aufgeteilt sind. Wenn auf aer anderen Seite Europium in den 24 zusätzlichen Stabeleir.e;.-.en verwendet wird, würde beispielsweise eine relative überthermiscr.e Einfangquote von .110 oder 105 $> erreicht werden bei gleichem thermischen Einfang von 18 %. Die 110 # teilen sieh auf in 50 in den 25 Silber-Indium-Cadmium-Stabelementen und in 60 # in den 24 Europiumstäben. Diese Beispiele berücksichtigen einigermaßen die Tatsache, daß einige der Europium- und einige der φ Silber-Tndium-Cadmium-Resonanzen auf demselben Energieniveau liegen. Das bedeutet, daß für das Europium ein höherer überthermischer Wert angesetzt werden kann als für die Silberlegierung. Außerdem ist angenommen, daß 5/8 der Resonanzen der beiden unterschied! i-ohen Materialien im selben Ener^iebere ich angeordnet sind. Das ist die Grundlage für das Bei si-'j el eines 110 giften überthermischen Einfanfes, wobei 5/b + 3/o + ~3/b · o2 $ ungefähr 110 ^ςΑ über thermischen-Einfang ergeben.

Der kreuzförmige Regelstab, der in Fig. 1 und 2 dargestellt ist, besteht aus einer Mehrzahl von Röhren, die das Absorbermaterial enthalten. Die einzelnen Rohre bestehen aus zylindrischen Hülle', mit dünnem Querschnitt, die aus einem Material mit einer hohen Temperaturbeständigkeit, wie z.B. rostfreier Stahl oder eine "Zirkonlegierung, gefertigt sind. Die Rohre sind mit neutronenabeorbierendem Material in der üblichen Form gefüllt, wobei die Endkappen an beiden Enden angeschweißt sind. Die Regelstabelemente

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bestehen aus zwei Gruppen von abwechselnd angeordneten Höhren 2 und 3 mit unterschiedlichem Absorbermaterial. So kann z.B. die Gruppe 2 Silber-Indium-Cadmium enthalten, während die Elemente der Gruppe 3 Europiumoxid enthalten. Die einzelnen Gruppen sind durch nicht näher dargestellte Stege sowie durch eine Bodenplatte 4 und mit einer mechanischen Halterungsplatie b am oberen Ende zusammengehalten.

Der Querschnitt nach Fig. 2 zeigt die unterschiedlichen Absorbermaterialien, wobei die Gruppe mit den schraffierten Elementen Europiumoxid enthält, während die abwechselnd jeweils dazwischen angeordneten Elemente der Gruppe 2 Silber-Indium-Cadmium enthalten.

Fig. 3 zeigt eine andere mögliche Anordnung der Stabelementgruppen, wobei der Regelstab aus einem einzigen Ring von Kiementen gebildet wird. Hierbei enthält die Elementengruppe 6 Europiurnoxid, während abwechselnd dazwischen auf einer kreisförmigen Bahn Elemente der Gruppe 7 mit Silber-Indium-Cadmium angeordnet sind. Diese Elemente werden ebenfalls durch eine Deckel- und Bodenplatte zusammengehalten, wie das in der Fig. 1 gezeigt ist.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist in den wesentlichen TeiJen dem nach Fig. 3 ähnlich, lediglich mit dem Unterschied, daß hier. zwei ringförmige Anordnungen vorgesehen sind. Dabei bilden die Gruppen 10 und 11 des äußeren Hinges und die Gruppen 12 und 13

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des· inneren Ringes lediglich eine Verdoppelung der Anordnung nach Pig. "5. Diese Gruppen können natürlich zusätzliche Ringe enthalten, soweit das durch die Physik des speziellen Reaktorsyetems erforderlich ist.

Es soll noch einmal herausgehoben werden, daß hiermit ein Re^eI-stab beschrieben worden ist, der wegen seiner mehrwertigen Resonanzcharakteristik wirkungsvoller ist und die überschüssigen Regelelemente der älteren Systeme verringert. Selbstverständlich. sind auch andere Ausführungsbeispiele möglich. Das Prinzip nach, der Erfindung kann bei jedem Regelsystem angewendet werden. Es ist nicht erforderlich, daß die Erfindung lediglich auf die spezif sche Anordnung beschränkt ist, sondern es fallen auch alle anderen Anordnungen darunter, die von dem Prinzip der Erfindung Gebrauch machen.

7 Patentansprüche 4 Figuren

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Claims

Patentansprüche

ή\. Regelstab für Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß der Hegelstab aus mindestens zwei Gruppen von Stabelementen mit ,jeweils unterschiedlichem Neutronen-Absorbermaterial besteht, von denen die Einfangresonanzen der beiden Gruppen in verschiedenen Energiebereichen liegen, und daß die Stabelemente in einer derartigen geometrischen und alternierenden Anordnung gehalten sind, daß die Absorption in jeder Gruppe nicht wesentlich durch die Abschirmung umgebender Stabelemente mit derselben Absorptionscharakteristik vermindert wird.

%'.. Regelstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden parallel zueinander und in abwechselnder Reihenfolge angeordneten Gruppen' von Stabelementen, die das Absorbermaterial enthalten, von korrosionsfesten Hüllrohren umschlossen sind.

Regelstab nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrelemente der einen Gruppe Silber-Indium-Cadmium und die der anderen Gruppe Europium enthalten.

U .. Regelstab nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Europium in der Form von Europiumoxid verwendet wird;

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5. Hegelstab nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabelemente in Kreuzform angeordnet sind.

6. Regelstab nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabelemente auf einem Kreisring angeordnet sind.

7. Regelstab nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabelemente in mehreren konzentrischen Krejsen angeordnet sind.

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