DE1948821C3

DE1948821C3 - Reactor core with burnable, self-shielding neutron absorber

Info

Publication number: DE1948821C3
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: 1980-10-09
Also published as: DE1948821B2; DE1948821A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktorkern, der mehrere Brennstoffbündel aufweist, die jeweils mehrere Brennstoffstäbe enthalten, in denen der Brennstoffinnerhalbeiner 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 several fuel bundles, each with several Contain fuel rods that hold the fuel inside a Sleeve is arranged in the form of fuel pills, with at least one fuel rod contains a burnable, self-shielding neutron absorber and further comprising the concentration and the arrangement of the neutron absorber is chosen so that it is during operation of the reactor Existing excess reactivity of the fuel is compensated and applied at the end of an operating period is.

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 combustible, self-shielding neutron absorber in the type and distribution, as described in the aforementioned publication, however, has the following disadvantages: On the one hand, the 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 sclbstabschirmcndcii Ncu'roncnabsorbcrn geregelte Reaktivität zu, wenn der Reaktorkern vom kalten Zustand in den heißen Betriebszustand gebracht wird. Der Grund hierfür hegt hauptsächlich darin, daß die Diffusionslänge der thermischen Neutronen zunimmt, da die Dichte desNext takes the of the self shielding cndcii Ncu'roncnabsorbcrn regulated reactivity when the reactor core from the cold state to the hot Operating state is brought. The reason for this is mainly that the diffusion length of the thermal neutrons increases as the density of the

Moderators bei steigenden Temperaturen abnimmt, und da auch die Ateorptionsquerschnitte 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 sH absorbiert werden, und damit ist auch die Wahrscheinlichkeit 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, weiche Reakiivitätsregelung 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.Moderator decreases with increasing temperatures, and since so does the ateorptionscross-sections of the fuel as well as 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 until sH is absorbed and thus the probability is greater that the neutrons from the self-shielding Neutron absorbers are absorbed. Given a mechanical control system for In a reactor core, these effects can cause difficulties when one considers soft reactivity control is required to keep a nuclear reactor shut down when cold, and to what extent This reactivity control is to be withdrawn in order to keep the reactor at full operating temperature To operate power.

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 materialbedingten Temperaturgrenzen überschritten werden. Dieses ist besonders am Ende einer Betriebsperiode der Fall, wenn die Neutronenabsorber praktisch verbraucht sind.And 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 Power peaks are reached and the material-related 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, einen Reaktorkern der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem örtlich Leistungsspitzen verringert werden und dem beim Übergang vom kalten in den heißen Antriebszustand ein positiver Reaktivitätseffekt auftritt. The invention was based on the object To create reactor core of the type mentioned, in which local power peaks are reduced and a positive reactivity effect occurs during the transition from the cold to the hot drive state.

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 übrige Kernbrennstoff enthält.This object is achieved according to the invention in that the burnable in the immediate vicinity of the Nuclear fuel arranged in a neutron absorber has an isotope with a larger fission cross-section for thermal neutrons than the rest Contains nuclear fuel.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der in unmittelbarer Umgebung des abbrennbaren Neutronenabsorbers angeordnete Kernbrennstoff das Isotop Plutonium-239, dagegen der übrige Kernbrennstoff das Isotop Uran-235 enthält.According to an advantageous embodiment, it is in the immediate vicinity of the burnable neutron absorber arranged nuclear fuel the isotope plutonium-239, on the other hand the remaining nuclear 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 für Gadolinium für thermische Neutronenergien diagrammartig dargestellt ist.In 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 effective cross-sections of uranium and plutonium fuel as well as for gadolinium for thermal neutron energies diagrammatically is shown.

Die Vorteile der Kombination aus Gadolinium und Plutonium beruhen auf der Energieabhängigkeit ihrer Neutronenwirkungsquerschnitte für Neutronenenergien 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 Neutroncncnergicr. oberhalb von etwa 0,1 eV sehr rasch ab, und zwar wesentlich stärker, als es nach dem bekannten 1/v-Gcsetz zu erwarten wäre. Der Wirkungsquerschnitt von Pu-23'J steigt dagegen von einer lincrgic von etwaThe advantages of the combination of gadolinium and plutonium are based on their energy dependency Neutron effective cross-sections for neutron energies 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 can be seen, the cross-section of gadolinium for neutron nnergicr. Above about 0.1 eV it decreases very rapidly, and indeed much more strongly than it is according to the known 1 / v law would be expected. The cross-section of Pu-23'J, on the other hand, increases from a lincrgic of about

O, l eV ab an und erreicht ein ausgeprägtes Maximen, das bei einer Neutronenenergie von etwa 0,3 eV liegt. Der Wirkungsquerschnitt von U-235 zeigt dagegen, abgesehen von einer kleinen Resonanz »t'Ie bsi 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-235, und er liegt auch sonst höher als der Wirkungsquerschnitt von U-235. 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 O₁1 und 0,3 eV wesentlich rascher ansteigt als das Verhältnis der Wirkungsquerschnitte von U-235 und Gadolinium.0.1 eV decreases and reaches a pronounced maximum, which is at a neutron energy of about 0.3 eV. In contrast, the cross-section of U-235 shows, apart from a small resonance »t'Ie up to 0.3 eV, the usual l / v dependence. In addition, the cross-section of Pu-239, especially in the energy range between 0.1 and 0.5 eV, is considerably larger than the cross-section of U-235, and it is also higher than the cross-section of U-235 in other ways. Only the highest thermal energies are excluded from this. Thus we see that the ratio of the cross sections of plutonium and gadolinium is larger than the ratio of the cross sections of uranium and gadolinium, and in that this ratio is ₁ 1 and 0.3 eV increases the cross sections of plutonium and gadolinium much more rapidly in the energy range between O as the ratio of the 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 Ü-235 verbraucht. Daher werden auch die Leistungsspitzen in den Brennstoffstäben mit den Neutronenabsorbem geringer, die auftreten können, wenn der Neutronenabsorber nahezu verbraucht ist.Because of the larger cross-section, plutonium is consumed faster than Ü-235. Therefore the power peaks in the fuel rods also decrease with the neutron absorbers that occur can when the neutron absorber is almost used up.

In der nachfolgenden Tabelle sind einige Daten, insbesondere Neutronendaten für zwei Brennstoffbündel angegeben, von denen das eine zwei Brennstoffstäbe mit einer Mischung aus Pu-Gd und das an-In the table below is some data, especially neutron data, for two fuel bundles specified, one of which has two fuel rods with a mixture of Pu-Gd and the other

(r\f) kalt (r \ f) cold 1,51211.5121 11 ,5122, 5122 (IJf) heiß(IJf) hot 1,52041.5204 11 ,5128, 5128 Leistung in einem Stab mit GiftPerformance in a stick with poison zu einem Stab ohne Giftto a stick without poison 0,62410.6241 00 ,1751, 1751 Anreicherungsgrad (in %) Degree of enrichment (in %) spaltbares Plutoniumfissile plutonium 2,52.5 spaltbares Uranfissile uranium 0,70.7 22 ,5, 5

dere zwei Brennstoffstäbe mit einer vergleichbaren. Mischung aus Uran und Gadolinium enthielt. In dieser Tabelle bedeutet rtf) die Anzahl derSpaltungsneutrunen, die für jedes absorbierte thermische Neutron erzeugt wird.their two fuel rods with a comparable one. Contained mixture of uranium and gadolinium. In this table, rtf) means the number of fission neutrons generated for each thermal neutron absorbed.

Gd-Pu Gd-UGd-Pu Gd-U

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 Ni'ichung.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 calibration.

Die Kombination von Gadolinium und Plutonium kann in der Form einer Mischung verwendet wcden. Zur Verdünnung einer solchen Plutonium-Gadolinium-Mischung können natürliches Uran oder angereicheres 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 Uran als auch Plutonium mit Neutronenabsorber mischen und diese Mischung dann in den gleichen Stab füllen. Die Menge und die Verteilung des Neutronenabsorbers kann immer nach den Grundlagen bestimmt werden, die vorstehend entwickelt worden sind, um die 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.The combination of gadolinium and plutonium can be used in the form of a mixture. For diluting such a plutonium-gadolinium mixture natural uranium or enriched uranium or other substances such as aluminum or zirconium oxide can be used. If one wishes to evoke properties that lie between the Properties of a Gd-Pu-mixture and Gd-U-mixture lie, one can get both enriched uranium as well as mix plutonium with neutron absorber and then pour this mixture into the same stick. The amount and distribution of the neutron absorber can always be determined according to the principles, which have been developed above to achieve the 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 Lcistungsdicnte 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 the burn-up occurs, the maximum performance thickness 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 undThere 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

so das Plutonium um den Neutronenabsorber herum anordnen. so arrange the plutonium around the neutron absorber.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Reactor core containing multiple fuel bundles has, each containing a plurality of fuel rods in which the fuel within a Sleeve is arranged in the form of fuel pills, with at least one fuel rod a burnable, contains self-shielding neutron absorber and furthermore the concentration and the arrangement of the neutron absorber is chosen so that it is during operation of the reactor Existing excess reactivity of the fuel is compensated and at the end of an operating period is applied, thereby I gekeηnze net that the in the immediate vicinity of the combustible neutron absorber arranged nuclear fuel has an isotope with a larger one Contains fission cross-section for thermal neutrons than the rest of the nuclear fuel.

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. reactor core according to claim 1 or 2, characterized in that the isotope with the larger fission cross-section and the combustible neutron absorber in the same fuel pill are eu'balten.