DE1948819A1

DE1948819A1 - Brennstoffbuendel fuer Kernreaktoren mit abbrennbaren Reaktorgiften

Info

Publication number: DE1948819A1
Application number: DE19691948819
Authority: DE
Inventors: Macnabb William Vernon
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-09-26
Filing date: 1969-09-26
Publication date: 1971-09-30
Also published as: FR2019500A1; GB1279447A; JPS4818991B1; DE1948819B2; DE1948819C3; ES371529A1; SE343707B

Description

DR. ERHART ZIEGLER

PATENTANWALT
6FRANJiFURT 70

TIROLER STRASSE 61-63

PCiTFACH 70 0961
TELEFON 0011/61 65 57

706 - (24-AT-O3126) General Electric Company, 1 River Road, Schenectady, N.Y., USA

Brennstoffbündel für Kernreaktoren mit abbrennbaren Reaktorgiften

Es sind heterogene Siedewasserkernreaktoren bekannt,- bei denen der Kernbrennstoff in langen, stabförmigen Hülsen untergebracht ist. Mehrere solcher Brennstoffhülsen sind dann gruppenweise zusammengefaßt und in offenen Brennstoffkästen angeordnet, und eine solche Gruppe von Brennstoffstäben wird Brennstoffbündel genannt. Diese Brennstoffbündel können getrennt aus einem Reaktor herausgenommen oder in ihn eingesetzt werden. Der Kern des Reaktors ist aus einer ausreichend großen Anzahl solcher Brennstoffbündel aufgebaut, die in einem Schema angeordnet sind, das etwa einem Kreiszylinder entspricht, so daß von selbst eine Kettenreaktion ablaufen kann. Der ganze Reaktorkern ist in eine Flüssigkeit eingetaucht, die sowohl als Kühlmittel als auch als Neutronenmoderator dient. Diese Flüssigkeit kann leichtes Wasser sein. Zur Regelung der Reaktivität des Kerns können Regelstäbe gezielt zwischen die Brennstoffbündel im Kern geschoben werden, die Neutronenabsorber enthalten.

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Es wurde bereits vorgeschlagen, die Reaktivität eines Kernreaktors durch abbrennbare Reaktorgifte zu regeln beziehungsweise au steuern, und hierzu Reaktorgifte in nur einigen wenigen Brennstoffstäben in einer Konzentration zu verwenden, daß sich die Reaktorgifte selbst abschirmen. Der Nachteil dieser Maßnahme liegt darin, daß die anfängliche Leistungsdichte in den Brennstoff stäben mit den Reaktorgiften sehr niedrig ist, da die Reaktorgifte auch den Brennstoff selbst abschirmen und an der Neutronenbilanz teilnehmen. Es treten somit im Reaktor differentielle Leistungsspitzen auf, die als das Verhältnis zwischen der örtlichen Leistungsdichte zum Mittelwert der Leistungsdichte im gesamten Reaktor definiert werden können. Dieses ist bekanntlich ungünstig. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurde bereits vorgeschlagen, in den Reaktorstäben mit dem Reaktorgift an Stelle von Uran Plutonium als Brennstoff zu verwenden.

Nun hat sich gezeigt, daß durch die Verwendung von verhältnismäßig hochkonzentrierten Reaktorgiften in nur einigen wenigen Brennstoffstäben eines Kernreaktors nicht nur die Leistungsdichte in den Brennstoffstäben mit den Giften herabgedrückt wird, sondern daß auch die Leistungsdichte in solchen Brennstoffstaben kleiner wird, deren Abstand von den Stäben mit den Reaktorgiften nicht größer als etwa eine Neutronendiffusionslänge ist. Wenn sich die Reaktorgifte mit dem Abbrand verbrauchen, steigt somit auch die Leistungsdichte in den benachbarten Brennst off stäben an. Am Anfang einer Betriebsperiode des Reaktors ist daher die Leistungsdichte in den den Reaktorgiften benachbarten Brennstoffstäben zu niedrig, während sie mit fortschreitendem Abbrand unzulässig hohe Werte erreichen kann. In beiden Fällen ist die eistungsverteilung innerhalb des Reaktors stark verzerrt, und es können unzulässig hohe örtliche Leistungsdichten auftreten.

Gewöhnlich verwendeter Kernbrennstoff enthält neben spaltbarem Material auch brütbares Material. So besteht beispielsweise ein gewöhnlich verwendeter Kernbrennstoff aus Urandioxyd (UO₂) mit 2% des spaltbaren Isotopes U-235* während das restliche Uran das

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brütbare Uranisotop U-238 ist. Während des Betriebes des Reaktors wird nun das U-235 allmählich verbraucht, während ein Teil des brütbaren U-238 in spaltbares Pu-239 umgewandelt wird. Dieses Pu-239 nimmt dann an der Kettenreaktion teil. Mit steigendem Abbrand nimmt die Konzentration von Pu-239 allmählich zu und erreicht einen Gleichgewichtswert. Wenn nun der bestrahlte Kernbrennstoff nun aus dem Reaktor herausgenommen wird, enthält er neben einer noch verwertbaren Menge des ursprünglich eingesetzten spaltbaren Materials noch merkliche Mengen von Plutonium, und zwar die spaltbaren Isotope Pu-239 und Pu-24l sowie das brütbare Isotop Pu-240. Der abgebrannte Kernbrennstoff kann daher zur Gewinnung des Plutoniums aufgearbeitet werden. Wenn nun die Aufarbeitungskosten für das Plutonium mit den Kosten des spaltbaren Urans vergleichbar werden, erscheint es sinnvoll, das aufgearbeitete Plutonium als Kernbrennstoff einzusetzen. Dann muß aber berücksichtigt werden, daß sich ein mit Plutonium beschickter Kernreaktor anders als ein mit Uran beschickter Kernreaktor verhält, da die kernphysikalischen Eigenschaften von Uran und Plutonium nicht identisch sind. So ist beispielsweise der Wirkungsquerschnitt der Plutoniumisotope gegenüber thermischen Neutronen größer als der entsprechende Wirkungsquerschnitt der Uranisotope.

Die Aufgabe, zu deren Lösung die Erfindung beitragen will, besteht nun darin, die differentiellen Leistungsspitzen innerhalb eines Reaktors auszugleichen, und zum anderen soll ein Weg angegeben werden, wie Plutonium in einem Kernreaktor sinnvoll verwendet werden kann.

Die Lösung dieser erfindungsgemäßen Aufgabe besteht darin, in den Brennstoffstäben, die einem Reaktorgift enthaltenden Brennstoff st ab benachbart sind, als Brennstoff Plutonium au verwenden. Da der Spaltungsquerschnitt in Plutonium größer als der Spaltungsquerschnitt in Uran ist, ist die Leistungsdichte in Plutonium zu Beginn größer als die Leistungsdichte in Uran. Dadurch wird dem Einfluß der Reaktorgifte zum Beginn einer Reaktorperiode auf die benachbarten Brennstoffstäbe entgegengewirkt. Da das Pluto-

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nium einen größeren Absorptionsquerschnitt als das Uran aufweist, wird das Plutonium schneller verbraucht. Dadurch können die unzulässig hohen Leistungsspitzen in den Brennstoffstäben neben den abbrennbaren Reaktorgiften vermieden werden, die, wie bereits gesagt wurde, sonst bei weiterschreitendem Abbrand auftreten könnten. Die Erfindung trägt also dazu bei, die örtliche Leistungsdichte innerhalb des Reaktors (und auch innerhalb eines Brennstoffbündeis) zu homogenisieren, und gleichzeitig wird ein Weg aufgezeigt, wie man Plutonium sinnvoll in einem Kernreaktor als Brennstoff verwenden kann.

Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden.

Figur 1 ist die schematische Ansicht eines Brennstoffbündeis. Figur 2 ist ein schematischer Schnitt durch ein Brennstoffbündel.

Figur 3 zeigt, wie die Neutronenwirkungsquerschnitte von Uran und Plutonium im Bereich thermischer Neutronenenergien von der Energie abhängen.

Figur 4 zeigt, wie sich die örtliche LEistungsdichte in Brennstoff stäben mit dem Abbrand ändert, die neben Brennstoffstäben mit Reaktorgiften angeordnet sind, und zwar einmal für Brennstoffstäbe bekannter Art mit Uran und zum anderen für Brennstoffstäbe mit Plutonium-.

Figur 5 zeigt, wie abbrennbare Reaktorgifte und Plutoniumbrennstoff in nebeneinander liegenden Brennstoffstäben angeordnet sind.

In der Figur 1 ist schematisch ein Brennstoffbündel 10 dargestellt. Dieses Brennstoffbündel IQ weist einen quadratischen Brennstoffkasten 11 auf, in dem zwischen einer oberen und einer unteren Gitterplatte 13 und 14 in einem gewissen Abstand vonein-

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ander 6 χ 6 Brennstoffstäbe 12 angeordnet sind. Eine Nase 16 ist mit Öffnungen 17 versehen, durch das Kühlmittel eintritt und nach oben zwischen den Brennstoffstäben 12 hindurch strömt. Die Brennstoffstäbe 12 können als Hülse ausgebildet sein, die eine Anzahl zylindrischer Brennstoffpillen enthalten. Das Brennstoffbündel soll auch noch Reaktorgifte enthalten, die in der Form von Röhren oder Stäben in das Brennstoffbündel eingesetzt sind oder auch mit Kernbrennstoff vermischt in einem oder mehreren der Brennstoffstäbe enthalten sein können. Dieses ist an anderer Stelle vorgeschlagen worden.

Die Figur 2 zeigt nun einen schematischen Querschnitt durch ein Brennstoffbündel 10 und durch einen kreuzförmigen Regelstab 18. Als Beispiel sei angenommen, daß ein mit "Bp" gekennzeichneter Brennstoffstab 12' abbrennbares Reaktorgift in einer solchen Konzentration enthält, daß die anfängliche Leistungsdichte in den benachbarten Brennstoffstäben heruntergedrückt würde, sofern die benachbarten Brennstoffstäbe gewöhnlichen Uranbrennstoff enthielten.

Um nun die Verzerrungen der örtlichen Leistungsdichten in denjenigen Stäben kleiner zu machen, die neben einem Stab mit Reaktorgift in einem Gebiet angeordnet sind, das von dem Reaktorgift noch stark beeinflußt wird, wird erfindungsgemäß in diesen Stäben als Brennstoff Plutonium verwendet. In einem thermischen Reaktor, in dem also die meisten Spaltungen durch thermische Neutronen verursacht werden, wird das Plutonium bis zu einem Abstand von einer Neutronendiffusionslänge von dem Stab mit dem Reaktorgift verwendet. (Eine Neutronendiffusionslänge ist definiert als die Quadratwurzel aus dem sechsten Teil des quadratischen Mittelwertes des Abstandes, der von den Neutronen mit thermischer Energie bis zum Einfang der Neutronen überbrückt wird.)

Bei dem Brennstoffbündel nach den Figuren 1 und 2 beträgt der Durchmesser der Brennstoffstäbe etwa 12,7 nun» und der Brennstoffkasten ist etwa 12,5 cm breit. Die Brennstoffstäbe, die inerhalb

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die nicht weiter als eine Neutronendiffusionslänge von dem Brennstoffstab 12' mit den Reaktorgiften entfernt liegen, sind daher die 8 um den Stab 12' herum angeordneten Brennstoffstäbe 12". Diese Stäbe sind mit "Pu" gekennzeichnet, um anzudeuten, daß diese Stäbe erfindungsgemäß als BrennstoffPlutonium enthalten.

Wie bereits erwähnt, kann Plutonium in der Nachbarschaft von Reaktorgiften die Verzerrungen der Leistungsdichten deswegen herabsetzen, weil der Neutronenabsorptionsquerschnitt von Plutonium größer als der Neutronenabsorptionsquerschnitt von Uran ist. Dieses geht aus der Figur 3 hervor, in der der totale Wirkungsquerschnitt von Uran und Plutonium im Bereich thermischer Neutronenenergien dargestellt ist. Für Neutronenenergien bis zu etwa 0,85 eV ist der Wirkungsquerschnitt von Plutonium immer größer als der Wirkungsquerschnitt von Uran.

Wie sich die erfindungsgemäßen Maßnahmen auswirken, geht aus der Figur M hervor, in der die relative örtliche Leistungsspitze in Abhängigkeit vom Abbrand dargestellt ist. (Die relative örtliche Leistungsspitze ist definiert als die Leistungsdichte in einem bestimmten Brennstoffstab in einer bestimmten Höhe, dividiert durch die gemittelte Leistungsdichte in allen Brennstoffstäben eines Brennstoffbündeis in der gleichen Höhe). Die Kurve 19 zeigt den bisher bekannten Fall, bei dem in den Brennstoffstäben 12" neben dem Brennstoffstab 12' mit dem Reaktorgift normaler Uranbrennstoff verwendet wird. Wie man sieht, ist die Leistungsdichte zu Beginn einer Betriebsperiode kleiner als der Mittelwert, und sie steigt mit fortschreitendem Abbrand an, wenn das Reaktorgift allmählich verbraucht wird. Sie kann dann unzulässig hohe Werte erreichen. (Für dieses Beispiel ist angenommen worden, daß der Brennstoff für einen Abbrand von etwa 20 000 Megawatt-Tagen pro Tonne ausgelegt ist, und daß das Reaktorgift bereits nach 5000 Megawatt-Tagen pro Tonne verbraucht ist. Diese Annahme erscheint sinnvoll, wenn man bedenkt, daß nach einem bekannten Schema zum Austausch von verbrauchtem Kernbrennstoff periodisch immer nur ein Viertel aller Brennstoffbündel ausgetauscht wird).

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Die Kurve 20 aus Figur 4 zeigt nun, daß sich die relative örtliche Leistungsspitze wesentlich weniger mit dem Abbrand ändert, wenn man erfindungsgemäß in den neben dem Brennstoffstab 12' liegenden Brennstoffstäben an Stelle von Uranbrennstoff Plutonium verwendet. Da der Absorptionsquerschnitt von Plutonium größer als der von Uran ist, werden trotz des abbrennbaren Reaktorgiftes mehr Neutronen vom Plutonium als vom Uran eingefangen, so daß die anfängliche Leistungsdichte größer ist. Das Plutonium verbraucht sich daher auch schneller als Uran, so daß die Leistungsdichte mit fortschreitendem Abbrand weniger stark ansteigt.

Wieviel Plutonium in den Stäben 12" verwendet wird, hängt von den jeweiligen Umständen ab. Man kann den Plutoniumgehalt so weit erhöhen, daß die maximale Leistungsdichte in den Brennstoffstäben mit dem Plutonium, die während des Abbrandes auftritt, die maximale Leistungsdichte in irgend einem anderen Brennstoffstab des Bündels erreicht. Dieses steht der Forderung nicht im Wege, die Schwankungen der örtlichen Leistungsdichte im Verlauf des Abbrandes so klein wie möglich zu halten. Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann man den allgemeinen Verlauf der Kurve 20 (Figur M) erreichen, wenn der Brennstoff in den Stäben 12" etwa 1,2 Atomprozent an spaltbarem Plutonium und etwa I₄8 Atomprozent an spaltbarem Uran enthält.

In manchen Fällen ist das abbrennbare Reaktorgift in einem Brennstoffstab nicht gleichmäßig verteilt, sondern seine Konzentration ändert sich in axialer Richtung. Es gibt auch Fälle, in denen es günstig ist, abbrennbares Reaktorgift nur in eiriem relativ kleinen Abschnitt eines Brennstoffstabes zu verwenden. In solchen Fällen kann es günstig sein, in den daneben liegenden Brennstoffstäben das Plutonium nur in solchen Abschnitten zu verwenden, die in der gleichen Höhe wie das Reaktorgift liegen. Dieses ist in der Figur 5 dargestellt. Hier sind die Brennstoffstäbe 12^f und 12" in Zonen la bis 5a unterteilt, und das Reaktorgift (Bp) sowie das Plutonium befinden sich nur in den Zonen 2a der Stäbe 12' beziehungsweise 12".

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Claims

-8- P at en tans ρ r ü c h e

1.) Brennstoff bündel für Kernreaktoren mit mehreren Brennstoffstäben, von denen mindestens einer ein abbrennbares Reaktorgift enthält, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung eines bestimmten Kernbrennstoffes in den Brennstoffstäben in denjenigen Brennstoffstäben ein anderer Kernbrennstoff mit einem größeren Spaltungsquerschnitt enthalten ist, deren Abstand von dem das Reaktorgift enthaltenden Brennstoffstab nicht größer als eine Neutronendiffusionslänge ist.

2. Brennstoffbündel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als erster Kernbrennstoff spaltbares Uran und als Kernbrennstoff mit dem größeren Spaltungsquerschnitt Plutonium verwendet ist.

3. Brennstoffbündel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktorgift zumindest in einem Abschnitt mindestens eines Brennstoffstabes enthalten ist.

Brennstoffbündel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktorgift nur in einem Abschnitt eines Brennstoffstabes enthalten ist, und daß in den daneben angeordneten Brennstoffstäben der zweite Kernbrennstoff mit einem höheren Spaltungsquerschnitt nur in denjenigen Abschnitten enthalten ist die mit dem Abschnitt auf gleicher Höhe liegen, der das Reaktorgift enthält.

5. Brennstoffbündel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kernbrennstoff spaltbares Uran und der Kernbrennstoff mit dem höheren Spaltungs* querschnitt Plutonium ist.

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6. Brennstoffbündel nach Anspruch 1, dadurch gegekenn zeichnet, daß die Konzentration des Reaktorgiftes so hoch ist, daß eine Selbstabschirmung des Reaktorgiftes gegeben ist, und daß ein wesentlicher Teil des Kernbrennstoffes in einem Abstand bis zu einer Neutronendiffüsionslänge von dem Reaktorgift entfernt aus spaltbaren Plutoniumisotopgen besteht.

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