DE19810433C2 - Steuerelement für einen Kernreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerelement für einen Kernreaktor mit einem Absorber und mit mindestens einer inneren und einer äußeren Absorberumfassung.

Mit dem Begriff Steuerelemente sollen hier ganz allgemein Steuerelemente und Steuerstäbe von Siedewasserreaktoren und von Druckwasserreaktoren bezeichnet werden, die zur Reaktorleistungs­ regelung benötigt werden und auch in der Lage sein müssen, den Reaktor aus jedem Betriebszustand heraus sicher abzuschalten. Die Steuerelemente werden in oder zwischen die Brennelemente oder Kernbrennstäbe eingeführt, um Neutronen zu absorbieren und dadurch die Kettenreaktion zu kontrollieren.

Die Steuerelemente werden in großen Leistungsbereichen gerade so weit in die Brennelemente abgesenkt, daß von den bei einer Kernspaltung freigewordenen Neutronen genau wieder ein Neutron eine weitere Kernspaltung induziert.

Wenn die Steuerelemente bei eine Reaktorstandzeit von circa 40 Betriebsjahren eingesetzt werden sollen, müssen sie mit einer bestimmten Neutronenfluenz belastet werden können, ohne daß die Wirksamkeit der Steuerelemente um mehr als 10% gegenüber der ursprünglich vorhandenen Wirksamkeit abnimmt.

Es hat sich herausgestellt, daß die Steuerelemente und insbesondere die Absorberumfassungen, die den Absorber aufnehmen, zum Verbrauchsmaterial gehören, da das Absorbermaterial durch den Einfang von Neutronen stark anschwillt und dies zu mechanischen Beschädigungen der Absorberumfassung mit nachfolgender Auswaschung des Absorbermaterials führt. Wenn ein solches Steuerelement weiterhin eingesetzt ist, so führt dies zu einer Erhöhung der lokalen Leistungsdichteverteilung im Kern und kann unter bestimmten Voraussetzungen sogar Brennstabschäden verursachen. Durch die vorgegebene Reaktorgeometrie, insbesondere durch die Geometrie des freien Wasserspaltes zwischen den Brennelementkästen bei Siedewasser-Reaktoren und durch die Geometrie der Steuerstabsführungsrohre bei Druckwasser-Reaktoren, ist eine Anpassung und Optimierung der Steuerelemente im Hinblick auf die Steuerelementlebensdauer jedoch eingeschränkt. Es wurde bereits versucht, durch die Wahl des Materials der Absorberumfassung und die Wandstärke der Absorberumfassung eine möglichst große Lebensdauer der Absorberumfassungen und damit der Steuerelemente zu erzielen. Der Erfolg dieser Versuche war jedoch begrenzt.

Ein gattungsgemäßes Steuerelement ist aus der DE 39 03 844 A1 bekannt. Dabei ist ein insgesamt längliches Aufnahmeloch vorgesehen, in das entweder an den Randbereichen jeweils ein Innenrohr oder eine durchgängige längliche Hülse eingesetzt ist. Durch die längliche Ausbildung der Aufnahmelöcher soll eine besondere Spannungsverteilung und damit eine längere Lebensdauer erreicht werden. Weiterhin ist vorgesehen, daß entweder in den Endbereichen des länglichen Aufnahmerohres ein einzelnes Innenrohr oder eine vollständige Innenhülse vorgesehen ist, die jeweils einen gewissen Abstand zu dem Aufnahmeloch aufweisen. Dieser Abstand dient als Schwellungsabsorbierspalt und damit als Ausweichraum zwischen den Innenflächen der Aufnahmelöcher und den Innenhülsen.

Aus der DE 41 38 030 A1 ist ein weiterer Steuerstab für Kernreaktoren bekannt, wobei in den Steuerstäben ein neutronenabsorbierendes Material angeordnet ist und im Bereich des Steuerstabes ungefüllte Räume vorgesehen sind, die zur Aufnahme des anschwellenden neutronenabsorbierenden Materials vorgesehen sind.

Weitere Steuerelemente sind beispielsweise in EP 0 143 661 A2, US 4,861,544 und US 4,929,412 beschrieben. Weitere Steuerelemente der eingangs genannten Art, insbesondere für Druckwasser- Reaktoren, sind beispielsweise in "Design of Siemens controll assemblies for pressurized water reactors and operational experience" von L. Heins, W. Dambietz und H.-P. Fuchs in Kerntechnik 57 (1992) Nr. 2, Seiten 84 bis 89 (Carl Hanser Verlag, München) beschrieben. Eine weitere Beschreibung von Steuerelementen dieser Art findet sich in "ABB control rods" von G. Vesterlund et al. in Kerntechnik 57 (1992) Nr. 2 Seiten 105 und 106 (Carl Hanser Verlag, München).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerelement der eingangs genannten Art zu schaffen, das mit einem besonders hohen lokalen relativen Abbrand beaufschlagt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Nach einem wesentlichen Grundgedanken der Erfindung sind mindestens drei Absorberumfassungen vorgesehen, zwischen den einander umgreifenden Absorberumfassungen ist ein vorbestimmter Abstand vorgesehen, derart, daß bei Ausdehnung des Absorbers die jeweilige Absorberumfassung einen mechanischen Widerstand für den Absorber bildet und von der Ausgangsposition entfernbar ist. Insgesamt wird dadurch eine Absorberumfassung geschaffen, die durch einen Gegendruck ein unkontrolliertes und sehr schnelles Anschwellen des Absorbers verhindert, wobei die Begrenzungseinrichtung dann jedoch dem anschwellenden Absorber bei einer bestimmten Ausdehnung nicht mehr standhalten kann und nachgibt. Die jeweilige Absorberumfassung kann dann in der Weise von der Ausgangsposition entfernbar sein, daß sie bricht oder zerstört wird oder kontrolliert nach außen geführt wird und dabei weiterhin einen mechanischen Widerstand für den Absorber bildet. Der Begriff "entfernbar" ist also so zu verstehen, daß die Absorberumfassung entweder tatsächlich räumlich von der Ausgangsposition entfernt wird oder durch Bruch oder anderweitige teilweise Zerstörung ihre unmittelbare begrenzende und Druck nach innen ausübende Funktion verliert, wobei die Reste jedoch körperlich an der Ausgangsposition verbleiben. Das so geschaffene Steuerelement kann mit einem lokalen relativen Abbrand von nahezu 100% beaufschlagt werden, ohne daß abgebranntes Absorbermaterial in das Reaktorkühlmittel gelangt.

Erfindungsgemäß sind drei oder mehr einander umgreifende Ab­ sorberumfassungen vorgesehen, da auf diese Weise dem anschwel­ lenden Absorber in gestaffelter und gut vorgebbarer Weise mehrere Widerstände entgegengesetzt werden können, die nacheinander nachgeben und auf diese Weise eine besonders lange Betriebsdauer des Steuerelementes ermöglichen, bei dem das Absorbermaterial vollständig abgebrannt werden kann. Zwischen den einander umgreifenden Absorberumfassungen ist dabei ein vorbestimmter Abstand vorgesehen, so daß die jeweils innenliegende Absorberumfassung brechen oder auf andere Weise zerstört werden kann und dabei die danach nächstkommende äußere Absorberumfassung nicht beschädigt wird. Der vorbestimmte Abstand wird in Abhängigkeit von der effektiven Kriechverformung ε bis zum Bruch des verwendeten Materials ermittelt, so daß sich die Absorberumfassung zunächst noch innerhalb des vorbestimmten Ab­ standes unter dem Druck des Absorbermaterials dehnen kann, bevor es zu einem Bruch der Absorberumfassung kommen kann. Die Absorberumfassungen sind so ausgebildet, daß die äußere Absorberumfassung die innere Absorberumfassung vollständig umschließt. Es handelt sich dann also um mehrere ineinander geschachtelte Absorberumfassungen, die dem sich von innen nach außen ausdehnenden Absorber zunächst einen Druck entgegensetzen und dann dem Druck nachgeben und brechen, wobei dann die nächstliegende Absorberumfassung dem weiter anschwellenden Absorber einen mechanischen Druck entgegensetzt und ein unkon­ trolliertes Anschwellen des Absorbers wirksam verhindert. Beson­ ders günstig ist es, die Absorberumfassungen als Hüllrohre auszu­ bilden, da solche Hüllrohre bereits im Einsatz sind und insofern auf die technischen Erfahrungen und Ausführungsformen hierzu zurückgegriffen werden kann. Erfindungsgemäß sind dann also mehrere ineinander geschachtelte Hüllrohre vorgesehen, die ineinander schiebbar sind und deren Durchmesser sich so stark unterscheiden, daß zwischen den einzelnen Hüllrohren jeweils ein vorbestimmter Abstand verbleibt, so daß sich das innere Hüllrohr unter dem Druck des anschwellenden Absorbers bis zum Brechen ausdehnen kann, ohne daß das nächstkommende Hüllrohr dabei beschädigt würde.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Ab­ messungen der inneren Absorberumfassung so bemessen, daß die innere Absorberumfassung zur Aufnahme vorgegebener gesinterter Absorbertabletten geeignet ist. Alternativ ist es auch möglich, einen pulverförmigen Absorber zu verwenden. Als Absorber wird bevorzugt B₄C eingesetzt. B₄C hat einen guten Wirkungsquerschnitt für den Neutroneneinfang, insbesondere für thermische Neutronen, weist jedoch, wie alle bekannten Absorber, ein starkes neutroneninduziertes Anschwellen auf, das langfristig dazu führt, daß die Absorberumfassung zerstört wird. Ein anderer Absorber, der beispielsweise eingesetzt werden kann, ist AgInCd.

Derartige Steuerelemente sind bevorzugt in Siedewasserre­ aktoren und Druckwasserreaktoren einsetzbar. In Siedewasserre­ aktoren sind die Steuerelemente üblicherweise aus vier kreuzförmig angeordneten Flügeln aufgebaut, die bis zu 21 als Hüllrohre ausgeführte Absorberumfassungen aufweisen. Demgegenüber werden für Druckwasserreaktoren üblicherweise als Steuerstäbe bezeichnete Steuerelemente verwendet, die von oben in den Kern eingefahren werden. Das erfindungsgemäße Steuerelement kann grundsätzlich für alle Arten von Reaktoren eingesetzt werden, in denen ein solcher Absorber verwendet wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Steuerelement ist es möglich, das Anschwellen des Absorbers zu verzögern und dadurch das gesamte Steuerelement länger zu verwenden und auch im Idealfall nahezu das gesamte Absorbermaterial zu verwenden. Modellrechnungen haben er­ geben, daß es mit dem erfindungsgemäßen Steuerelement möglich ist, einen Abbrand des Absorbers zwischen 90 und 100% und günstigerweise tatsächlich 100% zu erreichen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Im einzelnen zeigen die schematischen Darstellungen in:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kernzelle in einem Siedewasserreaktor;

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Steuerelement;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Absorberumfassung eines erfindungsgemäßen Steuerelements;

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung der lokalen Abbrand­ verteilung eines Standard-Steuerelementes und

Fig. 5 ein Diagramm zur schematischen Darstellung der Abbrandverteilung eines erfindungsgemäßen Steuerelementes.

In Fig. 1 ist schematisch eine Kernzelle in einem Siede­ wasserreaktor mit vier Brennelementen 3 einschließlich Brenn­ elementkästen 2 und einem Steuerelement 1 dargestellt. Die Brennelementkästen 2 umgeben jeweils ein Brennelement 3, die in einem Quadrat angeordnet sind, wobei zwischen den einzelnen Brenn­ elementkästen 2 ein Spalt verbleibt, so daß insgesamt ein kreuzförmiges Steuerelement 1 zwischen den Brennelementen bewegt werden kann. Zwischen den Brennelementkästen befindet sich ein freier Wasserspalt. Die Brennelementkästen 2 sind durch ein oberes Kerngitter 4 und ein unteres Kerngitter 5.

In Fig. 2 ist eine geschnittene Draufsicht auf ein Steuer­ element 1 dargestellt, wie es beispielsweise in einem Siedewasser­ reaktor zum Einsatz kommen kann. Das Steuerelement 1 weist vier kreuzförmig angeordnete Flügel 6 auf, die bis zu 21 mit Bohrkarbid (B₄C)-Pulver gefüllte Absorberumfassungen aufweisen. B₄C wird bevorzugt wegen seiner günstigen physikalischen und technologischen Eigenschaften als Neutronenabsorber eingesetzt. Die Absorberumfassungen weisen einen Blechmantel auf, der die mechanische Integrität gewährleistet. Diese Absorberumfassungen sind ein elementarer Bestandteil des Steuerelementes 1, da diese, im Gegensatz zur ursprünglichen Annahme, nicht für die gesamte Reaktorlebensdauer eingesetzt werden können, sondern zum Verbrauchsmaterial gerechnet werden müssen. Bereits nach wenigen Betriebszyklen kommt es durch neutroneninduziertes Anschwellen des Absorbers 8 von bis zu 15% zur mechanischen Beschädigung der Absorberumfassung mit nachfolgender Auswaschung des Absorbermaterials.

In Fig. 3 ist ein Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Absorberumfassung dargestellt, mit der auch ein stark anschwellender Absorber 8 besonders lange sicher gehalten werden kann und mit dem das verwendete Absorbermaterial mit einem lokalen relativen Abbrand von nahezu 100% beaufschlagt werden kann, ohne daß abgebranntes B₄C in das Reaktorkühlmittel gelangt. Der Absorber 8, der auch in pulverförmiger Form verwendet werden kann, ist in Fig. 3 in Form gesinterten B₄C-Tabletten vorgesehen und wird von einem ersten und innersten Hüllrohr 10 aufgenommen. Durch den Abbrand verringert sich einerseits der neutronenwirksame Querschnitt des B₄C-Absorbers und wird andererseits der Absorber 8 zu einem Anschwellen mit einer Vergrößerung des Durchmessers und damit zu einer lokalen bzw. auch mittleren Dichteänderung und zu einem mit dem Abbrand zunehmenden Innendruck auf die Stahlhülle des Hüllrohres 10 angeregt. Da jedoch die Kriechverformungs­ geschwindigkeit des Hüllrohres sehr klein ist im Vergleich zur Absorberwachstumsgeschwindigkeit (Δε (Hüllrohr)/Δt << Δr (Absorberradius)/Δt), werden die Kräfte, die auf das Hüllrohr wirken, im wesentlichen vom Schwellverhalten des Absorbers, also der applizierten Neutronenfluenz

gesteuert. Nach Überschreiten einer kritischen Neutronenfluenz, das heißt der Neutronenmenge, die nötig ist, um den Absorber in einem bestimmten Maße anschwellen zu lassen, und Überschreiten der kritischen Dehngrenze des Hüllrohres versagt das innerste Hüllrohr 10 und bricht. Damit ist der Druck des Absorbers 8 zunächst weitgehend abgebaut. Bei weiterer Exposition mit Neutronen wächst der Absorber 8 und insbesondere die sich in den äußeren Bereichen bildende Keramikzone entsprechend dem Abbrandzuwachs weiter an, bis nach Erreichen einer weiteren kritischen Neutronenfluenz der Absorber wiederum einen kritischen Festkörperdruck aufgebaut hat, der die Dehngrenze ε_Bruch des zweiten Hüllrohres 11 überschreitet und damit auch das zweite Hüllrohr 11 versagen läßt. Zwischen den Hüllrohren 10 und 11 ist ein Mindestabstand vorgesehen, der der Dehngrenze des innersten Hüllrohres 10 entspricht, so daß das Versagen des innersten Hüllrohres 10 das nächstgelegene Hüllrohr 11 unbeschädigt läßt. In entsprechender Weise setzt sich die Ausdehnung des Absorbers 8 auch zu dem dritten oder zweitäußersten Rohr 12 und bis zu dem äußersten Hüllrohr 13, das die äußere Absorberumfassung bildet, fort. Die Auswirkung von mehreren hintereinander geschalteten Absorberumfassungen, insbesondere Hüllrohren, bewirkt also, daß sich der relative absorberquerschnittsgemittelte Abbrand um jeweils einen bestimmten Betrag in Abhängigkeit von der Hüllrohrkonstanten und der Anzahl der Absorberumfassungen erhöht, um schließlich die 100% Abbrand­ grenze zu erreichen. Der Absorber 8 weist üblicherweise nur eine Ausgangsdichte von 70% gegenüber der theoretisch denkbaren höchsten Dichte auf, so daß von einem Freivolumen von 30% gesprochen werden kann. Dieses beim Absorberschwellen zur Verfügung stehende Freivolumen wird bei dem oben dargestellten Prozeß schrittweise entsprechend der Anzahl von Absorberumfassungen und deren Hüllrohrmaterialkonstanten aufgebraucht.

In Fig. 4 ist in einem Diagramm die kritische lokale Abbrand­ verteilung a(r) und der mittlere bezogene Abbrand a gegenüber dem Radius r für einen Zeitpunkt dargestellt, bei dem die applizierte Neutronenfluenz so groß ist, daß der kritische Fall, also Hüllrohrversagen, eintritt. Auf der mit 14 bezeichneten y-Achse ist der relative Abbrand in % aufgetragen. Mit 15 ist die x-Achse bezeichnet, auf der der Absorberradius in mm aufgetragen ist. Die mit 17 bezeichnete Linie gibt die kritische lokale Abbrandverteilung a(r) für ein Standard-Steuerelement mit einer einzelnen Absorberumfassung wieder. Die Absorberumfassung weist einen Radius von circa 1,75 mm auf. Es wird deutlich, daß lediglich in einem äußeren Randbereich eine 100% Abbrandzone erzeugt wird, in dem der B₄C-Absorber zu einem harten Keramikgerüst verbacken ist und in dem das dort ursprüngliche zur Verfügung stehende Freivolumen von 30% völlig verbraucht ist. Im Inneren steht noch ausreichend Freiraum zur Verfügung, so daß dort der zur Verfügung stehende Absorber nicht wirksam genutzt wurde. Die durchgezogene Linie 16 zeigt den mittleren auf dem Absorberquerschnitt bezogenen Abbrand, der für eine solche Absorberumfassung bei ungefähr 50% liegt.

In Fig. 5 ist in einem Diagramm die kritische lokale Abbrandverteilung und der mittlere bezogene kritische Abbrand für eine erfindungsgemäße Absorberumfassung dargestellt. In dem Diagramm ist auf der mit 28 bezeichneten y-Achse der in % angegebene lokale Abbrand gegen den auf der x-Achse 18 aufgetragenen Radius aufgetragen. Bei Erreichen der ersten kritischen Fluenz und dem damit verbundenen Bruch des innersten Hüllrohres 10 ergibt sich die durch die außenliegende Linie 19 wiedergegebene lokale Abbrandverteilung, die im wesentlichen der aus Fig. 4 entspricht. Dabei ergibt sich der mit der durchgehenden Linie 20 dargestellte mittlere bezogene kritische Abbrand a_m1krit, der bei etwa 50% liegt. In einem Außenbereich von 0 bis r1' ist ein vollständiger Abbrand von 100% vorhanden. Bei Erreichen einer zweiten kritischen Fluenz und der damit verbundene Bruch des zweiten Hüllrohres 11, ergibt sich die mit 21 bezeichnete kritische lokale Abbrandverteilung a(r2) kritisch, wobei sich dann die harte Keramikzone schon bis zu dem Bereich r2' ausgedehnt hat. Auch im Innenbereich ist der lokale Abbrand gegenüber dem Zeitpunkt der ersten kritischen Fluenz stark erhöht. Der mittlere bezogene kritische Abbrand a_m2Krit liegt bereits bei gut 70% und wird durch die Linie 22 wiedergegeben. Beim Bruch des dritten Hüllrohres ergibt sich eine lokale Abbrandverteilung gemäß der Linie 23 und ein innerer bezogener kritischer Abbrand gemäß der Linie 24 bei etwa 90%. Bei Erreichen der vierten kritischen Fluenz bleibt lediglich eine geringe Restzone des Absorbers entsprechend der Linie 25 im Bereich der Symmetrieachse 27, die noch nicht zu einem harten Keramikgerüst verbacken ist. Zu diesem Zeitpunkt ergibt sich ein mittlerer bezogener kritischer Abbrand gemäß der Linie 26 von nahezu 100%. Zur Veranschaulichung sind weiterhin die Hüllrohre 10 bis 13 dargestellt, wobei dem innersten Hüllrohr 10 die Linien 19 und 20, dem zweiten Hüllrohr 11 die Linien 21 und 22, dem dritten Hüllrohr 12 die Linien 23 und 24 und dem vierten Hüllrohr 13 die Linien 25 und 26 zugeordnet sind. Auch in dieser Darstellung ist noch einmal der nötige Abstand ε zwischen den Hüllrohren 10 bis 13 dargestellt, der in Abhängigkeit von der Dehngrenze des jeweils nächstgelegenen inneren Hüllrohres festgelegt ist.

Claims (7)

1. Steuerelement für einen Kernreaktor mit einem Absorber und mit mindestens einer inneren und äußeren Absorberumfassung, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens drei Absorberumfassungen vorgesehen sind,
daß zwischen den einander umgreifenden Absorberumfassungen ein vorbestimmter Abstand vorgesehen ist, derart, daß bei Ausdehnung des Absorbers die jeweilige Absorberumfassung einen mechanischen Widerstand für den Absorber bildet und von der Ausgangsposition entfernbar ist.

2. Steuerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Absorberumfassungen die inneren Absorberumfassun­ gen vollständig umschließen.

3. Steuerelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberumfassungen als Hüllrohre (10, 11, 12, 13) ausgebildet sind.

4. Steuerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der inneren Absorberumfassung so gestaltet sind, daß die innere Absorberumfassung zur Aufnahme vorgegebener gesinterter Absorbertabletten geeignet ist.

5. Steuerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Absorber B₄C eingesetzt ist.

6. Steuerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement Bestandteil eines Siedewasserreaktors ist.

7. Steuerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (1) Bestandteil eines Druckwasserreaktors ist.