DE19912824A1

DE19912824A1 - Brennelement mit Brennstäben für einen Siedewasserreaktor

Info

Publication number: DE19912824A1
Application number: DE19912824A
Authority: DE
Inventors: Dieter Kreuter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-03-22
Filing date: 1999-03-22
Publication date: 2000-09-28

Abstract

Bei Brennelementen für Siedewasserreaktoren ist betriebsmäßig ein Wechsel des Aggregatzustandes eines Kühlmittels im Bereich der vertikalen Ausdehnung von dessen Brennstäben vorgesehen. Dadurch ergeben sich besondere Anforderungen an eine das Stabilitätsverhalten des Brennelements wesentlich beeinflussende Brennstoffzeitkonstante. Erfindungsgemäß wird diese Brennstoffzeitkonstante dadurch positiv verändert, daß der Anteil spaltbaren Werkstoffs in mindestens einer Tablette (1) in deren Mantel (2) höchstens halb so groß ist wie in deren Körper (3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennelement aus in vertikaler Richtung langgestreckten, mit durch Tabletten aus teilweise spaltbarem Werkstoff gefüllten Brennstäben, für einen Kern reaktor mit einem betriebsmäßig vorgesehen Wechsel des Aggre gatzustandes eines Kühlmittels im Bereich der vertikalen Aus dehnung der Brennstäbe.

Brennelemente für Siedewasserreaktoren geben im Betrieb die in ihnen erzeugte Wärme in ihrem unteren Bereich an Wasser und in ihrem oberen Bereich an Naßdampf ab. Das hat verhält nismäßig komplexe Wärmeübergangsverhältnisse zur Folge. Zur Anpassung an diese Verhältnisse dienen bisher thermohydrau lische Maßnahmen. Aus thermohydraulischen Gründen werden bei spielsweise Brennelemente mit unterschiedlich langen Brenn stäben eingesetzt. Diese Brennelemente haben in ihrem unteren wassergekühlten Bereich einen vergleichsweise hohen und in ihrem oberen dampfgekühlten Bereich einen demgegenüber deut lich reduzierten Druckverlust im Kühlmittel zur Folge.

Hüllrohre der Brennstäbe sind in ihrem aktiven Bereich mit Brennstofftabletten gefüllt, wobei es unvermeidlich ist, daß Teile der Tabletten-Säule bei fortschreitendem Betrieb die Hüllrohrwand berühren. Selbst bei frischen Brennstäben, deren Tabletten im Idealfall einen geringen, gleichmäßigen Ring spalt zum Hüllrohr frei lassen, ist durch eine Druckfüllung mit Helium üblicherweise die Wärmeleitfähigkeit erhöht, um eine gute Kühlung des Brennstoffs zu erreichen. Helium hat aber eine sehr geringe Speicherkapazität für Wärme. Tempera turänderungen der Tablettenoberfläche werden daher nahezu ohne Verzögerung auf die Hüllrohrwand übertragen und haben eine sehr kleine Brennstoffzeitkonstante zur Folge. Diese niedrige Brennstoffzeitkonstante erschwert noch zusätzlich die Beherrschung der oben skizzierten komplexen Wärmeübertra gungsverhältnisse. Insgesamt betrachtet hat diese niedrige Brennstoffzeitkonstante einen negativen Einfluß auf das Sta bilitätsverhalten des Brennelements.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Stabili tätsverhalten von Brennelementen der eingangs genannten Art durch Änderung der Brennstoffzeitkonstante zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Anteil spaltbaren Werkstoffs in den die Hüllrohre füllenden Tabletten in deren Haut (Mantel) höchstens halb so groß ist, wie in deren Innerem. Durch diese Art der radial gestaffelten Anreicherung der Tabletten mit spaltbarem Werkstoff ist die Wärmeerzeugung je Volumeneinheit im Inneren der Tabletten höher als in deren Mantel, so daß bei Leistungsänderungen der Wärmeerzeugung Temperaturänderungen im Mantel der Tabletten geringfügig verzögert eintreten, d. h. die Brennstoffzeitkon stante ist durch die erfindungsgemäße Maßnahme vergrößert.

Gemäß zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung liegt die Anfangsanreicherung spaltbaren Werkstoffs in einer Tablette bei 5 ± 2%, vorzugsweise bei 4,95 ± 0,05%, wobei die Menge spaltbaren Werkstoffs im Inneren jeder Tablette mindestens um so viel erhöht ist, wie die Menge des spaltbaren Werkstoffs in ihrer Haut verringert ist. Dabei ist der Anteil spaltbaren Werkstoffs in der Haut der Tabletten gleich "Null", höchstens jedoch gleich dem in Natururan oder die Haut der Tablette besteht aus Natururan.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin, daß die Tabletten angenähert einen Zylinder darstellen, daß die Dicke der Haut (d. h. des Zylindermantels) maximal gleich 10% des Tablettendurchmessers ist, daß sich im Bereich der Grundflächen des Zylinders der Werkstoff mit dem höheren An teil an spaltbarem Werkstoff bis in die Haut der Tablette er streckt, daß die Grundflächen des Zylinder konkav sind und/oder daß die Tabletten mit radialem Spiel in ein Hüllrohr des Brennstabes einschiebbar sind.

Erfindungsgemäß gestaltete Brennelemente sind sehr vorteil haft, weil sie lediglich durch eine neuartige Verteilung des spaltbaren Werkstoffs innerhalb der Brennstäbe ohne Verände rung der äußeren Gestalt des Brennelements eine deutlich ver größerte Brennstoffzeitkonstante aufweisen und dadurch mit verbessertem Stabilitätsverhalten einsetzbar sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich nung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt in starker Ver größerung einen Längsschnitt durch eine Tablette aus Brenn stoff.

Die dargestellte Tablette 1 hat eine annähernd zylindrische Form mit einem Mantel 2 und einem von diesem eingehüllten Körper 3. Sowohl der Körper 3 als auch der Mantel 2, bestehen aus gesintertem Werkstoff, beispielsweise Uranoxyd. Dabei ist für den Werkstoff des Körpers Material mit mehr als 5% kern technisch spaltbaren Werkstoffs verwendet. Der Mantel 2 be steht dagegen aus einem sinterbaren Oxyd eines nicht spalt baren Materials oder von Natururan, oder aus einem sinterba ren Oxyd aus bei der Gewinnung von spaltbarem Material an fallendem sogenannten abgereicherten Uran.

Ein Brennelement mit Brennstäben, die mit erfindungsgemäß aufgebauten Brennstofftabletten gefüllt sind, wird im Betrieb einem Neutronenfluß ausgesetzt. Dadurch wird im Körper 3 der Tabletten 1 eine Vielzahl von Spaltvorgängen ausgelöst und eine entsprechend große Wärmemenge freigesetzt. Dagegen fin den in der Haut (dem Mantel 2) der Tabletten 1 keine oder nur wenige Spaltvorgänge statt, so daß dort kaum Wärmeenergie freigesetzt wird. Die Folge davon ist, daß der Wärmefluß von der Tablette 1 in deren Umgebung verstetigt wird, indem der Mantel 2 als Zwischenspeicher wirkt. Temperaturänderungen des Mantels 2 folgen daher in jedem Fall nur verzögert Leistungs änderungen im Körper 3. Mit erfindungsgemäßen Tabletten 1 be stückte Brennelemente sind daher etwas träger, aber auch sta biler in ihrem Regelverhalten als Brennelemente mit bisher üblichen Pellets (Tabletten).

Erfindungsgemäß aufgebaute Tabletten 1 können eine beliebige, beispielsweise auch eine kugelige oder prismatische, Form ha ben, sind dann aber nicht ohne weiteres in Brennstäben zylin drischer Form einsetzbar.

Claims

1. Brennelement aus in vertikaler Richtung langgestreckten, mit durch Tabletten (1) (Pellets) aus teilweise spaltba rem Werkstoff gefüllten Brennstäben für einen Kernreaktor mit einem betriebsmäßig vorgesehenen Wechsel des Aggre gatzustandes eines Kühlmittels im Bereich der vertikalen Ausdehnung der Brehnstäbe, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil spaltbaren Werkstoffs in mindestens einer Tablette (1) in deren Haut (Mantel 2) höchstens halb so groß ist, wie in deren Innerem (Körper 3).

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anfangsanreicherung spaltbaren Werkstoffs in einer Ta blette (1) bei 5 ± 2% liegt, vorzugsweise bei 4,95 ± 0,05%, wobei die Menge spaltbaren Werkstoffs im Inneren (3) jeder Tablette (1) mindestens um so viel erhöht ist, wie die Menge des spaltbaren Werkstoffs in ihrer Haut (Mantel 2) verringert ist.

3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil spaltbaren Werkstoffs in der Haut (Mantel 2) einer Tablette (1) gleich "Null", höchstens jedoch gleich dem in Natururan ist.

4. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Haut (Mantel 2) einer Tablette (1) aus Natururan herge stellt ist.

5. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Tablette (1) angenähert einen Zylinder darstellt.

6. Brennelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Zylindermantels maximal gleich 10% des Tablet tendurchmessers ist.

7. Brennelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Bereich der Grundflächen des Zylinders der Werkstoff mit dem höheren Anteil an spaltbarem Werkstoff bis in die Haut der Tablette (1) erstreckt.

8. Brennelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundflächen des Zylinders konkav sind.

9. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Tabletten (1) mit radialem Spiel in ein Hüllrohr des Brennstabes einschiebbar sind und in das Hüllrohr Helium unter Druck eingefüllt ist.