DE1938836A1

DE1938836A1 - Vorrichtung zur Ermittlung des Abbrands von Brennelementen eines Kernreaktors

Info

Publication number: DE1938836A1
Application number: DE19691938836
Authority: DE
Inventors: Ronald Dr-Ing Dierckx; Walter Dr-Ing Hage; Sigfried Kumpf; Victor Dr-Ing Raievski
Original assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Current assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Priority date: 1969-07-28
Filing date: 1969-07-28
Publication date: 1971-02-18
Also published as: NL7010094A; LU61287A1; GB1248030A; BE753527A; FR2053208B1; FR2053208A1

Description

PatentanwöHe DipK-lftg. Richord Müller-Börner

KpL-lng. Hans-Heinrich Wey 2091/69 d/XIII/1388 Berlin-DaMem, Podbielskiolke68 193883ο

Berlin, den 28. Juli 1969

EÜROPAEISCHE ATOMGEMEINSCHAFT (EURATOM)

Patentanmeldung

Vorrichtung zur Ermittlung des Abbrands von Brennelementen

eines Kernreaktors

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die den Spaltstoffgehalt von Brennelementen ermittelt und damit sowohl zur Abbrandmessung als auch zur Unterscheidung zwischen verschiedenen Typen von Brennelementen eingesetzt werden kann.

Brennelemente sind gewöhnlich aus Spalt- und Brutstoff (Uran 233, -Uran 235, Plutonium 239 bzw. Thorium 232 und Uran 238) zusammengesetzt» Nach einem gewiesen Abbrand eines Brennelements in einem

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Kernreaktor ist ein Teil der ursprünglich spaltbaren Atome abgebaut, und ein Teil des Brutmaterials ist in spaltbare Atome überführt und teilweise selbst wieder abgebaut worden. Wegen der Bildung von Spaltprodukten steigt die mittlere Neutronenabsorptionsrate in einem Brennelement mit der Zeit mehr als die mittlere Spaltrate. Daher ist es für einen wirtschaftlichen Keaktorbetrieb notwendig, daß abgebbannte Brennelemente nach einer gewissen Zeit ausgetauscht oder umgesetzt werden. Zur Feststellung des Abbrands braucht man also eine Vorrichtung, die die Anzahl der zum MeßZeitpunkt vorhandenen spaltbaren Atome in einem Brennelement ermittelt.

Ein bekanntes Verfahren zur Abbrandmessung sieht eine kritische Anordnung vor, in die das zu messende Brennelement eingeführt wird. Der dadurch bedingte Heaktivitätseffekt ist jedoch proportional zur Spaltrate minus der Absorptionsrate und ist zudem noch abhängig von Leckeffekten.

Die Verwendung thermischer Filter (Cd, Sm) um das zu messende Brennelement beseitigt zwar den Beaktivitätseffekt auf Grund thermischer Absorptionen. Es bleiben jedoch immer noch Resonanzabsorptionen in den spalt- und brütbaren Isotopen und bei den Spaltprodukten, die nicht erfaßt werden. Zudem tragen die schnellen und epithermischen Spaltungen im Brutmaterial zur gemessenen Reaktivität bei. Als weiterer Nachteil ist schließlich zu erwähnen, daß dieses Verfahren an eine sehr teuere Installation gebunden ist.

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In einer anderen Abbrandmeßmethode wird das Brennelement in eine Moderator-Anordnung eingeführt und dort mit thermischen Neutronen bestrahlt. Eine Meßregion in dieser Anordnung ist von ihrer Umgebung durch thermische Neutronenfilter abgeschirmt. Nur die schnellen Neutronen, die das Element erzeugt, werden innerhalb dieser Meßregion abgebremst und in thermischen Neutronenzählern gemessen. Ein Vergleich der Zählraten, die von dem zu messenden Brennelement und einem Standardelement von ähnlicher Geometrie stammen, gibt eine Aussage über die Gesamtzahl der produzierten Neutronen. Diese ist proportional dem Produkt aus den makroskopischen Spaltquerschnitten und der Zahl der Neutronen, die pro Spaltung von den verschiedenen spaltbaren Isotopen emittiert werden.

Diese Methode erzeugt für Plutonium 239 ein Signal, das um den Faktor 1,5 größer ißt ale das Signal für Uran 235. Im Fall von Uran 233 und Uran 235 sind die Signal«.- etwa gleich. Für einige Mischungen von Plutonium 239 - Uran 235 und Uran 233 Uran 235 bleibt die Zahl der prompten Neutronen auf Grund thermischer Spaltung als Funktion des Abbrandes praktisch konstant.

Durch die Erfindung werden die für den praktischen Betriebseinsatz ins Kernreaktor gravierenden obenerwähnten Nachteile vermieden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt die Er- -

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und Unterscheidung yon Fissionen, die von schnellen und thermischen Neutronen induziert sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine automatische oder ferngesteuerte Transportvorrichtung für die Brennelemente vorgesehen ist, die einen vom Kernreaktor abgeschirmten Abklingbereich, eine Brennelement-Bestrahlungseinrichtung und eine Neutronen-Meßeinrichtung miteinander verbindet.

Vorzugsweise ist die Bestrahlungseinrichtung als thermische Säule ausgebildet, in der mehrere Beetrahlungepositionen mit unterschiedlichen Energiespektren des Neutronenflusses vorgesehen sind und die direkt an den Neutronenfluß des Kernreaktors angekoppelt ist. Die Ankopplung kann beispielsweise über ein Strahlrohr erfolgen, das die Abschirmung des Kernreaktors durchstößt. Vorzugsweise ist die Meßeinrichtung in einem gegen die Bestrahlungseinrichtung und den Reaktor abgeschirmten Moderatorblock untergebracht. Statt des Moderatorblocke kann zur Erhöhung der Meßsignale auch eine unterkritische Anordnung verwendet werden.

Physikalisch gesehen ermittelt die erfindungsgemäße Vorrichtung die Anzahl der Emitter verzögerter Neutronen, welche der Zahl der spaltbaren Atome proportional ist.

Nachfolgend wird die Erfindung mit Hilfe der einzigen Figur näher erläutert, Diese Figur zeigt in echematiecher Darstellung die erfindungsgemäße Vorrichtung im Einsatz bei einem Kugelhaufenreaktor.

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Ein Reaktorkern 1 bestehe aus einem großen Graphittopf 2, der mit einer losen Schüttung von Kugeln nahezu gefüllt ist. Diese Kugeln besitzen eine Hülle und eine Füllung. Die Füllung besteht entweder aus Brennstoff oder aus Brutatoff oder aus einer Mischung von beiden« Der Reaktorkern besitzt unten ein Abzugsrohr, aus welchem im Betrieb laufend die jeweils anstehenden Kugeln abgezogen werden und über eine Kugelmeßvorrichtung entweder ausgeschieden oder nach einem vorbestimmten Plan an einer bestimmten Stelle von oben wieder auf den Kugelhaufen zurückgeführt werden. Diese Meßvorrichtung besitzt eine Station zur Bruchabscheidung, eine Station zur Spaltgasmessung und eine Station zur Abbrandraessung. Nur diese letztere ist in der Figur dargestellt, während im übrigen die Beschickungsanlage aufgebaut sein kann, wie sie im AVR Julien erstmals realisiert wurde. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abbrandmessung besteht im wesentlichen aus drei Stationen, die die Kugeln einmal oder mehrfach durchlaufen.

Die erste Station ist eine Abklingstrecke J. Hier werden die Brennelemente, die aus dem Reaktor kommen, außerhalb des Neutronenflusses des Reaktors gelagert, bis alle Emitter verzögerter Neutronen zerfallen sind. Diese Lagerung besteht in der Praxis vorzugsweise aus einer langsamen Beförderung in einem entsprechend langen vom NeutronenfluB abgeschirmten Bohr. Die Lagerseit beträgt beispielsweise 15 Minuten.

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Dann treten die Kugeln wieder durch die Abschirmung k des Reaktors hindurch in eine Bestrahlungevorrichtung 5 ein, in der sie dem Neutronenfluß des Reaktors ausgesetzt werden. Mit Hilfe geeigneter Filter wird das Neutronenspektrum in der Bestrahlungspoeition auf definierte Vierte eingestellt. Gleichzeitig wird der Neutronenfluß laufend überwacht, damit eventuelle Aenderungen des Neutronen/lusaea in der Beetrahlungseinrichtung durch rechnerische Korrektur la Meßergebnis berichtigt werden können.

Es kann zudem nützlich sein, mit Hilfe des Neutronendetektors in der Bestrahlungsposition, den Aufbau von Emittern verzögerter Neutronen zu verfolgen.

Nach einer konetanten Zeltspanne wird die Kugel aus der Bestrahlungsvorrichtung 5 durch die Neutronenabschirmung h des Reaktors hindurch in eine Meßeinrichtung geleitet. Ein Neutronendetektor registriert den Zeitverlauf der vom Brennelement emittierten Neutronen. Dieser Zeitverlauf ist charakteristisch für die Anzahl der vorhandenen spaltbaren Neutronen. In einem Auswertgerät 7 wird dieser Zeitverlauf mit Hilfe der bekannten Gleichungen zur Neutronenkinetik analysiert, wobei die zugehörigen Festparameter aus der Bestrahlungs- und der Meßeinrichtung 5 bzw. 6 experimentell mit Hilfe von Kugeln bekannten Brennstoffgehalts vorab ermittelt sind.

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Dem Auewertegerät 7ist schließlich noch ein Registriergerät nachgeschaltet, welches zugleich als Steuergerät ausgebildet sein kann, um Weichen in der Kugelführung so *u stellen, daß abgebrannte Brennelemente ausgeschieden, teilabgebrannte Brennelemente in einer neuen Position dem Kern wieder eugeladen werden und Elemente, bei denen die Auswertung kein sicheres Resultat ergab, nochmals einem Meßzyklus unterworfen werden. Eine solche Weiche 9 ist in der Figur dargestellt* Sie bewirkt die Wiederholung des Meßejklus oder die Weitergabe eines Brennelements an die Beschickungsanlage. Weitere Weichen 10 sind in der Bestrahlungsvorrichtung 5 vorgesehen, um Brennelemente mit verschiedenen Spaltstoffisotopen nun in anderen Bestrahlungspositionen mit veränderten Energiespektren zu bestrahlen. Solche unterschiedlichen Energiespektren lassen eich Bit Hilfe geeigneter Neutronenfilter leicht erzeugen. Durch diese wiederholten Meßeyklen lassen sich Mehrkomponentenanalysen des Spaltmaterials durchführen.

Aue der Darstellung des praktischen Ausführungsbeisplele ist zu ersehen, daß die Erfindung sich Bit Vorteil gerade für kugelige kleine Brennelemente eignet, wo andere Verfahren praktisch iaaer versagen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ordnet sich technologisch einfach in den Kugelkreislauf einer Kugelhaufenbeschickungsanlage ein, und sie 1st mit Vorteil in enger Koppelung an den Reaktor su verwenden, dessen Brennelemente

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gemessen werden sollen, aber natürlich ist die Erfindung nicht auf diese Anwendung beschränkt. Beispielsweise kann die Bestrahlungsvorrichtung auch aus einer vom Reaktor unabhängigen kritischen Anordnung bestehen, und auch für stabförmige Brennelemente kann eine Vorrichtung gemäß der Erfindung gebaut werden, deren praktische Ausführung sich jedoch durch die unterschiedliche Transportwelse solcher Elemente von der hier für kugelige Elemente beschriebenen wesentlich unterscheidet. Eine andere Erweiterung läßt sich bei kugeligen Elementen noch darin denken, daß einseine Teile der Abbrandmeßanlage oder die ganze Vorrichtung aus mehreren zueinander parallelen funktionsgleichen Bausteinen besteht, um eine insgesamt stets konstante Kugelfolge zu gewährleisten, die sich im wesentlichen aus den Betriebserforderniseen des Kernreaktors ergibt.

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Claims

- 9 -Patentansprüche

l,yVorrichtung zur Ermittlung dee Abbrands von Brennelementen eines ' Kernreaktors, dadurch gekennzeichnet, daß eine automatische oder ferngesteuerte Transportvorrichtung für die Brennelemente vorgesehen ist, die einen vom Kernreaktor abgeschirmten Abklingbereich (3) eine Brennelement-Bestrahlungsvorrichtung (5) und eine Neutronen-Meßeinrichtung (6) miteinander verbindet.
2. Vorrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungsvorrichtung als thermische Säule ausgebildet ist, in der mehrere Bestrahlungspositionen mit unterschiedlichen Energie-Spektren des Neutronenflusses vorgesehen sind und die direkt an den Neutronenfluß des Kernreaktors (l) angekoppelt ist.
3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungsvorrichtung über ein Strahlrohr aus dem Kernreaktor Neutronen erhält.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Neutronen-Meßeinrichtung (6) in einem Moderatorblock oder einer unterkritischen Anordnung untergebracht ist, abgeschirmt gegen die Bestrahlungsvorrichtung und dem Reaktor.

5· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transportvorrichtung Weichen (9) enthält, die abhängig von den in der Meßkammer (6) ermittelten Verten so stellbar sind, daß die Brennelemente ggf. mehrfach die Vorrichtung durchlaufen und dabei unterschiedliche Bestrahlungs- und/oder Meßpositionen einnehmen können.

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