DE1948821B2

DE1948821B2 - Reactor core with burnable, self-shielding neutron absorber

Info

Publication number: DE1948821B2
Application number: DE1948821A
Authority: DE
Inventors: Frederick Robert Channon; Walter Robert Saratoga Clancey; Larry J. Federico; David Lloyd Fischer; Robert Kingsbury Haling; Thoma Mees Van't Los Altos Hoff Snyder; Donald Lee Campbell West
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-02-26
Filing date: 1969-09-26
Publication date: 1980-01-31
Also published as: DE1948821A1; DE1948821C3

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktorkern, der mehrere Brennstoffbündel aufweist, die jeweils mehrere Brennstoffstäbe enthalten, in denen der Brennstoff innerhalb einer Hülse in Form von Brennstoffpillen angeordnet ist, wobei mindestens ein Brennstoffstab einen abbrennbaren, selbstabschirmenden Neutronenabsorber enthält und wobei ferner die Konzentration und die Anordnung des Neutronenabsorbers so gewählt ist, daß er die während des Reaktorbetriebs vorhandene Überschußreaktivität des Brennstoffes kompensiert und am Ende einer Betriebsperiode aufgebracht ist.The invention relates to a reactor core which has a plurality of fuel bundles each containing a plurality of fuel rods in which the fuel is arranged within a sleeve in the form of fuel pills, at least one fuel rod containing a burnable, self-shielding neutron absorber and furthermore the concentration and the arrangement of the Neutron absorber is chosen so that it eliminates the excess reactivity of the fuel that is present during operation of the reactor is compensated and applied at the end of an operating period.

Ein Reaktorkern der vorgenannten Art ist z. B. in den »Proceedingsof the 3rd International Conference on the Peaceful Use of Atomic Energy«, Band 4, Seiten 280 bis 283 (1975), beschrieben.A reactor core of the aforementioned type is z. B. in the "Proceedings of the 3rd International Conference on the Peaceful Use of Atomic Energy ", Volume 4, pages 280 to 283 (1975).

Die Verwendung des abbrennbaren, selbstabschirmenden Neutronenabsorbers in der Art und Verteilung, wie in der vorgenannten Druckschrift beschrieben, hat jedoch folgende Nachteile: Zum einen ist die anfängliche Leistungsdichte in den Brennstoffstäben mit den Neutronenabsorbern erheblich herabgesetzt, da diese nicht nur sich selbst, sondern auch den Kernbrennstoff abschirmen und an der Neutronenbilanz teilnehmen. Dadurch können an anderer Stelle im Reaktor ungünstig hohe Leistungsspitzen auftreten.The use of the burnable, self-shielding neutron absorber in the type and distribution as described in the aforementioned publication, however, has the following disadvantages the initial power density in the fuel rods with the neutron absorbers is significantly reduced, because these not only shield themselves, but also the nuclear fuel and the neutron balance take part. As a result, unfavorably high power peaks can occur elsewhere in the reactor.

Weiter nimmt die von den selbstabschirmenden Neutronenabsorbern geregelte Reaktivität zu, wenn der Reaktorkern vom kalten Zustand in den heißen Betriebszustand gebracht wird. Der Grund hierfür liegt hauptsächlich darin, daß die Diffusionslänge der thermischen Neutronen zunimmt, da die Dichte desFurthermore, the reactivity regulated by the self-shielding neutron absorbers increases when the reactor core is brought from the cold state to the hot operating state. The reason for that is mainly due to the fact that the diffusion length of thermal neutrons increases as the density of the Moderators bei steigenden Temperaturen abnimmt, und da auch die Absorptionsquerschnitte des Brennstoffes sowie der anderen im Reaktorkern vorhandenen Materialien, sofern sie keine selbstabschirmenden Neutronenabsorber sind, mit steigenden Temperaturen kleiner werden. Befindet sich der Reaktorkern also auf Betriebstemperatur, so legen die thermischen Neutronen einen größeren Weg zurück, bis sie absorbiert werden, und damit ist auch die Wahrscheinlich-Moderator decreases with increasing temperatures, and also the absorption cross-sections of the fuel and the other materials present in the reactor core, provided they are not self-shielding Neutron absorbers are becoming smaller with increasing temperatures. Is the reactor core i.e. at operating temperature, the thermal neutrons cover a greater distance before they are absorbed, and thus the probability is keit größer, daß die Neutronen von den selbstabschirmenden Neutronenabsorbern absorbiert werden. Bei einem vorgegebenen mechanischen Steuersystem für einen Reaktorkern können diese Effekte Schwierigkeiten hervorrufen, wenn man bedenkt, welche Reale-greater that the neutrons are absorbed by the self-shielding neutron absorbers. at In a given mechanical control system for a reactor core, these effects can cause difficulties when one considers the real tivitätsregelung erforderlich ist, um einen Kernreaktor im kalten Zustand abgeschaltet zu halten, und inwieweit diese Reaktivitätsregelung zurückzunehmen ist, um den Reaktor bei der Betriebstemperatur bei voller Leistung zu betreiben.activity regulation is necessary to keep a nuclear reactor shut down in the cold state, and the extent to which this reactivity regulation is to be withdrawn, to run the reactor at full power at operating temperature.

Und drittens verarmt der Neutronenabsorber mit dem Abbrand, so daß die Leistungsdichten in den Brennstoffstäben, die den Neutronenabsorber enthalten, ansteigen. Hierdurch können unzulässig hohe Leistungsspitzen erreicht und die materialbedingtenAnd thirdly, the neutron absorber is depleted as it burns up, so that the power densities in the Fuel rods containing the neutron absorber rise. This can result in unacceptably high Performance peaks reached and the material-related Temperaturgrenzen überschritten werden. Dieses ist besonders am Ende einer Betriebsperiode der Fall, wenn die Neutronenabsorber praktisch verbraucht sind.Temperature limits are exceeded. This is especially the case at the end of an operating period when the neutron absorber is practically used up are.

Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, einenThe invention was based on the object

jo Reaktorkern der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem örtlich Leistungsspitzen verringert werden und dem bein? Übergang vom kalten in den heißen Antriebszustand ein positiver Reaktivitätseffekt auftritt.to create a reactor core of the type mentioned at the beginning, in which local power peaks are reduced and the leg? Transition from cold to hot Drive state a positive reactivity effect occurs.

J5 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der in unmittelbarer Umgebung des abbrennbaren Neutronenabsorbers angeordnete Kernbrennstoff ein Isotop mit einem größeren Spaltungsquerschnitt für thermische Neutronen als der übrigeJ5 This object is achieved according to the invention in that the nuclear fuel arranged in the immediate vicinity of the burnable neutron absorber has an isotope with a larger fission cross-section for thermal neutrons than the rest

Kernbrennstoff enthält.Contains nuclear fuel.

Gemäß einer vorteilhaften A.js^f ührungsform ist der in unmittelbarer Umgebung des abbrennbaren Neutronenabsorbers angeordnete Kernbrennstoff das Isotop Plutonium-239, dagegen der übrige KernAccording to an advantageous A.js ^f EADERSHIP form is arranged in the immediate vicinity of the burnable absorber nuclear fuel, the isotope plutonium-239, on the other hand, the remaining core brennstoff das Isotop Uran-235 enthält.fuel contains the isotope uranium-235.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind das Isotop mit dem größeren Spaltungsquerschnitt und der abbrennbare Neutronenabsorber in der gleichen Brennstoffpille enthalten.According to a further advantageous embodiment, the isotope with the larger fission cross-section and the burnable neutron absorber are included in the same fuel pill.

Im folgenden wird eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, in deren einziger Figur die Energieabhängigkeit der Neutronenwirkungsquerschnitte von Uran- und Plutoniumbrennstoff sowie fürIn the following a particularly advantageous embodiment of the invention is made with reference to the drawing explains, in the single figure of which the energy dependency of the neutron cross-sections of uranium and plutonium fuel as well as for Gadolinium für thermische Neutronenergien diagrammartig dargestellt ist.Gadolinium for thermal neutron energies is shown diagrammatically.

Die Vorteile der Kombination aus Gadolinium und Plutonium beruhen auf der Energieabhängigkeit ihrer Neutronenwirkungsquerschnitte für NeutronenenerThe advantages of the combination of gadolinium and plutonium are based on their energy dependency Neutron cross sections for neutron energies gien unterhalb von etwa 0,5 eV. In der Figur ist nun der mikroskopische Wirkungsquerschnitt von Pu-239, U-235 und von Gadolinium für thermische Neutronen aufgezeichnet. Wie man sieht, nimmt der Wirkungsquerschnitt von Gadolinium für Neutronenenergiengien below about 0.5 eV. In the figure is now the microscopic cross-section of Pu-239, U-235 and of gadolinium for thermal neutrons recorded. As you can see, the cross section of gadolinium takes for neutron energies oberhalb von etwa 0,1 eV sehr rasch ab, und zwar wesentlich stärker, als es nach dem bekannten 1/v-Gesetz zu erwarten wäre. Der Wirkungsquerschnitt von Pu-239 steigt dagegen von einer Energie von etwaAbove about 0.1 eV it decreases very rapidly, and indeed much more strongly than would be expected according to the known 1 / v law. The cross section of Pu-239, on the other hand, increases from an energy of about

0,1 eV ab an und erreicht ein ausgeprägtes Maximum, das bei einer Neutronenenergie von etwa 0,3 eV liegt. Der Wirkungsquerschnitt von LJ-235 zeigt dagegen, abgesehen von einer kleinen Resonanzstelle bei 0,3 eV, die übliche l/v-Abhängigkeit. Darüber hinaus ist der Wirkungsquerschnitt von Pu-239 besonders im Energiegebiet zwischen 0,1 und 0,5 eV erheblich größer als der Wirkungsquerschnitt von U-23S, und er liegt auch sonst höber als der Wirkungsquerschnitt von U-23S. Hiervon sind nur die höchsten thermischen Energien ausgeschlossen. Man sieht also, daß das Verhältnis der Wirkungsquerschnitte von Plutonium und Gadolinium größer als das Verhältnis der Wirkungsquerschnitte von Uran und Gadolinium ist, und daß dieses Verhältnis der Wirkungsquerschnitte von Plutonium und Gadolinium im Energiebereich zwischen 0,1 und 0,3 eV wesentlich rascher ansteigt als das Verhältnis der Wirkungsquerschnitte von U-235 und Gadolinium.0.1 eV and reaches a pronounced maximum, which is at a neutron energy of about 0.3 eV. In contrast, the cross-section of LJ-235 shows apart from a small resonance point at 0.3 eV, the usual l / v dependence. Furthermore the cross-section of Pu-239 is considerably larger than the cross-section of U-23S, especially in the energy range between 0.1 and 0.5 eV, and he is otherwise higher than the cross-section of U-23S. Of these, only the highest are thermal Energies excluded. So you can see that the ratio of the cross sections of plutonium and gadolinium is greater than the ratio of the cross sections of uranium and gadolinium, and that this ratio of the cross sections of plutonium and gadolinium in the energy range between 0.1 and 0.3 eV increases much faster than the ratio of the effective cross-sections of U-235 and gadolinium.

Da der Spaltungsquerschnitt des Plutoniums größer als der Spaltungsquerschnitt von Uran ist, werden in der Gegenwart des Neutronenabsorbers von Plutonium mehr Neutronen als von U-235 eingefangen, so daß im Plutonium mehr Spaltprozesse auftreten. Die Leistungsdichte in einer Mischung aus Plutonium und Gadolinium ist daher größer als die Leistungsdichte in einer vergleichbaren Mischung aus U-235 und Gadolinium. Hierdurch werden eventuell auftretende Leistungsspitzen verringert.Since the fission cross-section of plutonium is larger than the fission cross-section of uranium, in the presence of the neutron absorber captured by plutonium more neutrons than by U-235, so that more fission processes occur in plutonium. The power density in a mixture of plutonium and Gadolinium is therefore greater than the power density in a comparable mixture of U-235 and gadolinium. This reduces any power peaks that may occur.

Wenn der Reaktorkern vom kalten Zustand aus seine Betriebstemperatur erreicht, verschiebt sich das Spektrum der thermischen Neutronen zu höheren Energien hin. Das Verhältnis der Wirkungsquerschnitte von Plutonium und Gadolinium wird jedoch dann ebenfalls erheblich größer. Dieses ruft einen positiven Reaktivitätseffekt hervor, der zumindest teilweise den negativen Reaktivitätseffekt kompensiert, der dadurch bedingt ist, daß die Steuer- oder Regelstärke der selbstabschirmenden Neutronenabsorber bei erhöhten Temperaturen höher ist, wie oben ausgeführt. When the reactor core reaches its operating temperature from the cold state, this shifts Spectrum of thermal neutrons towards higher energies. The ratio of the cross sections of plutonium and gadolinium is then also considerably larger. This gets a positive Reactivity effect, which at least partially compensates for the negative reactivity effect, which is due to the fact that the control or regulation strength of the self-shielding neutron absorber is higher at elevated temperatures, as stated above.

Des größeren Wirkungsquerschnittes wegen wird Plutonium schneller als U-235 verbraucht. Daher werden auch die Leistungsspitzen in den Brennstoffstäben mit den Neutronenabsorbern geringer, die auftreten können, wenn der Neutronenabsorber nahezu verbraucht ist.Because of the larger cross-section Plutonium consumed faster than U-235. Hence the power peaks in the fuel rods too with the neutron absorbers less that can occur when the neutron absorber is close to is consumed.

In d-jr nachfolgenden TabeKe sind einige Daten, insbesondere Neutronendaten für zwei Brennstotfbündel angegeben, von denen das eine zwei Brennstoffstäbe mit einer Mischung aus Pu-Gd und das andere zwei Brennstoffstäbe mit einer vergleichbaren Mischung aus Uran und Gadolinium enthielt. In dieser Tabelle bedeutet rf) die Anzahl der Spaltungsneutfonen, die für jedes absorbierte thermische Neutron erzeugt wird.In the following table some data, in particular neutron data, are given for two fuel bundles, one of which contained two fuel rods with a mixture of Pu-Gd and the other two fuel rods with a comparable mixture of uranium and gadolinium. In this table, rf) means the number of fission neutrons generated for each thermal neutron absorbed.

Gd-Pu Gd-UGd-Pu Gd-U

1,5122
1,51281.5122
1.5128

0,17510.1751

2,52.5

(if) kalt 1,5121 (if) cold 1.5121

(ijjOheiß 1,5204
■ο Leistung in einem Stab mit Gift(ijjOhot 1.5204
■ ο performance in a stick with poison

zu einem Stab ohne Gift 0,6241
Anreicherungsgrad (in %)to a stick without poison 0.6241
Degree of enrichment (in%)

spaltbares Plutonium 2,5fissile plutonium 2.5

spaltbares Uran 0,7fissile uranium 0.7

Besonders hinzuweisen ist auf die größere positive Reaktivitätsänderung des Gd-Pu-Stabes, die beim Übergang vom kalten Zustand in den heißen Betriebszustand auftritt, und auf die wesentlich höhere relative Leistung einer solchen Mischung.Particularly noteworthy is the greater positive change in reactivity of the Gd-Pu rod that occurs when Transition from the cold state to the hot operating state occurs, and to the much higher relative performance of such a mixture.

Die Kombination von Gadolinium und Plutonium kann in der Form einer Mischur.^ verwendet werden. Zur Verdünnung einer solchen Piutonium-Gadoünium-Mischung können natürliches Uran oder angereichertes Uran oder andere Stoffe wie Alumnium- oder Zirkonoxyd verwendet werden. Wenn man Eigenschaften hervorzurufen wünscht, die zwischen den Eigenschaften einer Gd-Pu-Mischung und Gd-U-Mischung liegen, kann man sowohl angereichertes UranThe combination of gadolinium and plutonium can be used in the form of a mischur. ^. For diluting such a piutonium-gadounium mixture natural uranium or enriched uranium or other substances such as aluminum or zirconium oxide can be used. If you have properties desires to cause the difference between the properties of a Gd-Pu mixture and Gd-U mixture you can use both enriched uranium

jo als auch Plutonium mit Neutronenabsorber mischen und diese Mischung dann in den g'eichen Stab füllen. Die Menge und die Verteilung des Neutronenabsorbers kann immer nach den Grundlagen bestimmt werden, die vorstehend entwickelt worden sind, um diemix jo as well as plutonium with neutron absorber and then fill this mixture into the same stick. The amount and distribution of the neutron absorber can always be determined according to the principles previously developed to achieve the

j") richtigen Reaktivitätsregelstärken zu erreichen und um dafür zu sorgen, daß der Neutronenabsorber auf die richtige Weise mit dem Abbrand verbraucht wird. Wieviel Plutonium zusammen mit dem Neutronenabsorber verwendet werden soll, ist eine Fallfrage.j ") to achieve correct reactivity control strengths and to ensure that the neutron absorber is consumed in the correct way with the burnup. How much plutonium should be used together with the neutron absorber is a matter of case.

Man kann den Plutoniumgehalt so weit steigern, daß die maximale Leistungsdichte im Plutonium, die während des Abbrandes auftritt, der maximalen Leistungsdichte in irgendeinem anderen Stab eines Brennstoffbündels angenähert ist.One can increase the plutonium content so far that the maximum power density in the plutonium, which during of burn-up occurs, the maximum power density in any other rod of one Fuel bundle is approximated.

Man braucht das Plutonium und den Neutronenabsorber nicht miteinander zu mischen. Man kann den Neutronenabsorber auch in diskreten Teilchen, Brokken, Drähten oder in ähnlicher Form in bestimmten Abschnitten eines Brennstoffstabes verwenden und das Plutonium um den Neutronenabsorber herum anordnen. There is no need to mix the plutonium and the neutron absorber. One can Neutron absorbers also in discrete particles, broken pieces, wires or in a similar form in certain Use sections of a fuel rod and place the plutonium around the neutron absorber.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Claims;

1. Reaktorkern, der mehrere Brennstoffbündel aufweist, die jeweils mehrere Brennstoffstäbe enthalten, in denen der Brennstoff innerhalb einer Hülse in Form von Brennstoffpillen angeordnet ist, wobei mindestens ein Brennstoffstab einen abbrennbaren, selbstabschirmenden Neutronenabsorber enthält und wobei ferner die Konzentration und die Anordnung des Neutronenabsorbers so gewählt ist, daß er die während des Reaktorbetriebs vorhandene Überschußreaktivität des Brennstoffs kompensiert und am Ende einer Betriebsperiode aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der in unmittelbarer Umgebung des abbrennbaren Neutronenabsorbers angeordnete Kernbrennstoff ein Isotop mit einem größeren Spaltungsquerschnitt für thermische Neutronen als der übrige Kernbrennstoff enthält.1. Reactor core, which has a plurality of fuel bundles, each containing a plurality of fuel rods in which the fuel within a Sleeve is arranged in the form of fuel pills, wherein at least one fuel rod contains a burnable, self-shielding neutron absorber and wherein furthermore the concentration and the arrangement of the neutron absorber is chosen so that it eliminates the excess reactivity of the reactor during operation Fuel is compensated and applied at the end of an operating period, characterized in that the in the immediate vicinity The nuclear fuel arranged in the combustible neutron absorber contains an isotope with a larger fission cross section for thermal neutrons than the rest of the nuclear fuel.

2. Reaktorkern nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß der in unmittelbarer Umgebung des abbrennbaren Neutronenabsorber* angeordnete Kernbrennstoff das Isotop Plutonium-239, dagegen der übrige Kernbrennstoff das Isotop Uran-235 enthält.2. reactor core according to claim I. characterized in that the in the immediate vicinity of the combustible neutron absorber * arranged nuclear fuel the isotope plutonium-239, on the other hand, the rest of the nuclear fuel contains the isotope uranium-235.

3. Reaktorkern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Isotop mit dem größeren Spaltungsquerschnitt und der abbrennbare Neutronenabsorber in der gleichen Brennstoffpille enthalten sind.3. reactor core according to claim 1 or 2, characterized in that the isotope with the larger fission cross-section and the combustible neutron absorber are contained in the same fuel pill.