DE1948819C3 - Brennstoffbündel für thermische Kernreaktoren mit abbrennbaren Reaktorgiften - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffbündel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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.

Es ist bereits bekannt, die Reaktivität eines Kernreaktors durch abbrennbare Reaktorgifte zu regeln beziehungsweise zu 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 Brennstoffstäben mit den Reaktorgiften sehr niedrig ist da die Reaktorgifte auch den Brennstoff selbst abschirmen und an der Neutronenbilanz teilnehmen. Es treten somit 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, ist bereits bekannt 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 Brennstcffstäben eines Kernreaktors nicht nur die Leistungsdichte in den Brennstoffstäben mit den Giften herabgedrückt wird, sondern daß auch die Leistungsdichte in solchen Brennstoffstäben 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 Brennstoffstäben 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 Leistungsverteilung 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 brütbare Üranisotop 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 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-241 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 einiusetzen. 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 thermischen Reaktors auszugleichen, und zum anderen soll ein Weg angegeben werden, wie Plutonium in einem solchen Kernreaktor sinnvoll verwendet werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe bei dem eingangs genannten Brennstoffbündel dadurch, daß erfindungsgemäß in den Brennstoffstäben, die einen Abstand von dem das Reaktorgift enthaltenden Brennstoffstab aufweisen, der nicht größer als eine Neutronendiffu-

sionslänge ist, ein Kernbrennstoff mit einem größeren Spaltungsquerschnitt für thermische Neutronen als in den übrigen Brennstäben enthalten ist. 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 Plutonium einen größeren Absorptionsquerschnitt ais 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 Brennstoffbündels) zu homogenisieren, und gleichzeitig wird ein Weg angezeigt, 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.

Fig.! ist die schematische Ansicht eines Brennstoffbündels.

Fig.2 ist ein schematischer Schnitt durch ein Brennstoffbündel.

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

Fig.4 zeigt, wie sich die örtliche Leistungsdichte in Brennstoffetäben 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.

Fig.5 zeigt, wie abbrennbare Reaktorgifte und Plutoniumbrennstoff in nebeneinanderliegenden Brennstoffstäben angeordnet sind.

In der F i g. 1 ist schematisch ein Brennstoffbündel 10 dargestellt. Dieses Brennstoffbündel 10 weist einen quadratischen Brennstoffkasten 11 auf, in dem zwischen einer oberen und einer unteren Gitterplatte 13 und 14 in einem gewissen Abstand voneinander 6x6 Brennstoffstäbe 12 angeordnet sind. Eine Nase 16 ist mit öffnungen 17 versehen, durch die Kühlmittel eintritt und nach oben zwischen den Brennstoffstäben 12 hindurchströmt. Die Brennstoffstäbe 12 können als Hülse ausgebildet sein, die eine Anzahl zylindrischer Brennstoffpillen enthalten. Das Brennstoffbündel soll auch noch Realctorgifte 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 beschrieben worden.

Die F i g. 2 zeigt nun einen schematischen Querschnitt durch ein Brennstoffbündel 10 und durch einen kreuzförmigen Regelstab 18. Als Beispiel sei angenommen, daß ein mit »up« 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 gemäß der Erfindung in diesen Stäben als Brennstoff Plutonium verwendet In einem thermischen Reaktor, in dem also die meisten Spaltungen durch thermische Neutronen verursacht weiden, 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 F i g. 1 und 2 beträgt der Durchmesser der Brennstoffstäbe etwa 12,7 mm, und der Brennstoffkasten ist etwa 12,5 cm breit. Die Brennstoffstäbe, 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 »Ρικ< gekennzeichnet, um anzudeuten, daß diese Stäbe gemäß der Erfindung als Brennstoff Plutonium 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 F i g. 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 Maßnahmen gemäß der Erfindung auswirken, geht aus der F i g. 4 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 Brennstoffbündels 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 k?
dann unzulässig hohe Werte erreichen. (Für du>es 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.)

Die Kurve 20 aus F i g. 4 zeigt nun, daß sich die relative örtliche Leistungsspitze wesentlich weniger mit dem Abbrand ändert, wenn man gemäß der Erfindung in den neben dem Brennstoffstab 12' liegenden Brennstoffstäben an Stelle von Uranbrennstoff Plutonium verwendet. Da der Absorptionsquerschnitt von Plutoniun. 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 irgendeinem anderen Brennstoffstab des Bündels erreicht. Dieses steht der Forderung nicht im Wege, die Schwankungen der ι ο örtlichen Leistungsdichte im Verlauf des Abbrandes so klein wie möglich zu halten. Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann man den allgemeinen Verlauf der Kurve 20 (F i g. 4) erreichen, wenn der Brennstoff in den Stäben 12" etwa 1,2 Atomprozent an spaltbarem Plutonium und etwa 1,8 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 einem relativ kleinen Abschnitt eines Brennstoffstabes zu verwenden. In solchen Fällen kann es günstig sein, in den danebenliegenden Brennstoffstäben das Plutonium nur in solchen Abschnitten zu verwenden, die in der gleichen Höhe wie das Reaktorgift liegen. Dieses ist in der Fig. 5 dargestellt. Hier sind die Brennstoffstäbe 12' und 12" in Zonen Is bis 5a unterteilt, und das Reaktorgift (Bp) sowie das Plutonium befinden sich nur in den Zonen 2a der Stäbe 12' beziehungsweise 12".

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Brennstoffbündel für thermische Kernreaktoren mit mehreren Brennstoffstäben, von denen mindestens einer ein abbrennbares Reaktorgift enthält, dadurch gekennzeichnet, daß in den Brennstoffstäben, die einen Abstand von dem das Reaktorgift enthaltenden Brennstab aufweisen, der nicht größer als eine Neutronendiffusionslänge ist, ein Kernbrennstoff mit einem größeren Spaltungsquerschnitt für thermische Neutronen als in den übrigen Brennstäben enthalten ist.

2. Brennstoffbündel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als ein Kernbrennstoff spaltba- ι j res Uran und als anderer 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

4. Brennstoffbünde! nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktorgift nur in einem Abschnitt eines Brennstoffstabes enthalten ist, und daß in den daneben angeordneten Brennstoffstäben der zweite Kernbrennstoff mit dem höheren Spaltungsquerschnitt nur in denjenigen Abschnitten enthalten ist, die mit dem das Reaktorgift enthaltenden Abschnitt auf gleicher Höhe liegen.

5. Brennstoffbündel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Reaktorgiftes so hoch ist, daß eine Selbstabschirmung des Reaktorgiftes gegeben ist.

35