DE2006300A1

DE2006300A1 - Fuel element for nuclear reactors

Info

Publication number: DE2006300A1
Application number: DE19702006300
Authority: DE
Inventors: Frederick Robert; Fischer David Lloyd; San Jose Calif. Channon (V.St.A.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-02-14
Filing date: 1970-02-12
Publication date: 1970-08-20
Also published as: JPS5545878B1; ES376294A1; SE360493B

Abstract

Fuel element for a nuclear reactor which originally does not have a balance of samcrium has a superfluous reactivity to compensate for the growth of Samarium in the fuel element during operation there is also an original amount of combustible poison in the form of an oxide, which compensates for the initial lack of samarium and has a cross-section which, with rising neutron energy, falls more sharply than samarium-149.

Description

Brennstoffelement für Kernreaktoren Die Erfindung betrifft ein Brennstoffelement für einen Kernreaktor, in dessen Brennstoff zunächst eine geringere Menge von Samarium enthalten ist, als einem Gleichgewichtszustand entspricht. Fuel element for nuclear reactors The invention relates to a fuel element for a nuclear reactor whose fuel initially contains a smaller amount of samarium is contained than corresponds to a state of equilibrium.

Bekanntlich spaltet sich das Isotop U-235 noch der Absorption eines Neutrons, wobei durchschnittlich zwei Spaltprodukte mit niedrigerem Atomgewicht und großer k:netischer Energie sowie Neustronen großer Energie frei werden. Durch die freiwerdende Energie werden die Brennstoffelemente des Kernreaktors erhitzt Die entstehende Wärme kenn durch ein Kühlmittel aus dem Reaktor abgeleitet werden, um nutzbringend umgewandelt zu werden. It is well known that the isotope U-235 splits up due to the absorption of a Neutrons, with an average of two fission products with a lower atomic weight and great k: netic energy as well as neutrons of great energy are released. By The energy released is used to heat the fuel elements of the nuclear reactor The heat generated can be derived from the reactor by a coolant, to be usefully converted.

Wenn ein Reaktor mit konstanter Leistung arbeiten soll, muß die Zahl der eine Spaltung bewirkenden Neutronen konstant bleiben. Bei jeder Spaltung muß deshalb im Ergebnis ein Neutron freiwerden, das e;ne weitere Spaltung herbeiführt, damit sich ein stationärer Zustand ergibt. Bei einem stationären Betrieb des Reaktorsrußdeshalb der effektive Multiplikationsfaktor k (Verhältnis der Zahl der Neutronen einer Generation zu der Neutronenzahl der nächsten Generation) gleich 1 sein, welcher Zustand als der kritische Zustand bezeichnet wird. If a reactor is to work with constant power, the number must of the neutrons causing a fission remain constant. Every split must therefore a neutron is released as a result, which brings about a further fission, so that a steady state results. In the case of stationary operation of the reactor soot the effective multiplication factor k (ratio of the number of neutrons in a generation to the neutron number of the next generation) be equal to 1, whichever state as the critical condition is designated.

In üblichen Kernbrennstoffen findet fruchtbares Material wie U-238 neben dem spaltbaren Material Verwendung. Bei einem thermischen Reaktor, bei dem die meisten Kernspaltungen durch thermische Neutronen ausgelöst werden, werden jedoch weniger spaltbare Isotope erzeugt als verbraucht. Bei fortschreitender Kettenreaktion wird deshalb der Kernbrennstoff abgereichert, indem die Anzahl der Atome des spaltbaren Materials abnimmt. Ferner sind einige der Spaltprodukte wie Xenon und Somarium Neutronenabsorber oder Neutronengifte. Wenn eirtLeistungsreaktion eine angemessene Lebensdauer hoben soll, muß deshalb der Reaktorkern zunächst einen Uberschuß an Kernbrennstoff aufweisen, was eine anfängliche Uberschußreaktivitöt bedeutet. Die Ubs schußreaktivität kann als der Betrag definiert werden, um den der nicht gesteuerte Multiplikationsfaktor die Einheit überschreitet . Diese Uberschußreoktivitat erfordert ein Rege Isystem ausreichender Wirksamkeit, um den effektiven Multip likotionsfoktor während des Red<torbetriebs auf dem kritischen Wert zu halten. Das Regelsystem enthält normalerweise Neutronenabsorber oder Neutronengifte, die zur Steuerung der Neutronenzahl durch Neutronenabsorption dienen. Derartige Regelsysteme enthalten eine mechanische Steuereinrichtung in der Form einer Anzahl von wahlweise betätigbaren, ein Neutronengift enthaltenden Steuerstäben oder dergleichen, die in den Reaktorkern hineinbewegt oder daraus herausbewegt werden können. Fertile material such as U-238 can be found in common nuclear fuels in addition to the fissile material use. In the case of a thermal reactor in which most nuclear fissions are triggered by thermal neutrons, however less fissile isotopes produced than consumed. As the chain reaction progresses therefore the nuclear fuel is depleted by increasing the number of atoms of the fissile Materials decreases. Furthermore, some of the fission products are like xenon and somarium neutron absorbers or neutron poisons. When a performance response is a To increase adequate service life, the reactor core must therefore first have an excess have of nuclear fuel, which means an initial excess reactivity. The Ubs shot reactivity can be defined as the amount by which the is not controlled multiplication factor exceeds the unit. This excess activity requires a Rege Isystem of sufficient effectiveness to be the effective multiplication factor to be kept at the critical value while the reducer is in operation. The rule system usually contains neutron absorbers or neutron poisons that are used to control the Serve neutron number by neutron absorption. Such control systems contain a mechanical control device in the form of a number of selectively operable, a neutron poison-containing control rods or the like inserted into the reactor core can be moved in or out of it.

Wie bereits erwähnt wurde, sind einige der Spaltprodukte Neutronengifte. As mentioned earlier, some of the fission products are neutron poisons.

Bemerkenswert unter diesen ist das Isotop Samarium-149. Zum Beispiel werden Sm-149 Atome bei etwa 1,4 % der Spaltungen von U235 hauptsächlich durch die fo Igende P- Zerfa Ilskette gebildet: Sm-149 ist ein starkes Neutronengift, weil es einen hohen Neutroneneinfangsquerschnitt hat. Sm-149 ergibt bei Neutroneneinfang Sm-15O, welches Isotop einen verhä 1 tnismäßig niedrigen Neutronene infangsquerschni tt hat.Noteworthy among these is the isotope samarium-149. For example, in about 1.4% of the cleavages of U235, Sm-149 atoms are mainly formed by the following P-cerium chain: Sm-149 is a strong neutron poison because it has a large neutron capture cross-section. Sm-149 results in the capture of neutrons Sm-150, which isotope has a relatively low neutron cross-section.

Da Sm-149 stabil ist, ergibt sich in dem Reaktor in einer verhältnismäßig kurzen Zeit, beispielsweise in wenigen chen, eine Gleichgewichtskonzentration, wobei die Erzeugungsrate gleich der Abbrandrate ist. Der Reaktorkern muß deshalb nicht nur einen Überschuß an spaltbarem Material aufweisen, um den Abbrand des spaltbaren Materials zu kompensieren, sondern auch um die Vergiftung durch die Gleichgewichtskonzentration von Sm-149 zu kompensieren. Bei einem typischen Brennstoffzyklus, bei welchem die maximale Reaktivität beim Beginn des Zyklus mit neuem Brennstoff auftritt, muß das Steuersystem einen zusätzlichen Steuereffekt ausüben, um diese zusätzliche Reaktivität während der kurzen Zeitspanne zu kompensieren, welche bis zur Erreichung der Gleichgewichtskonzentration von Sm-149 erforderlich ist. Es ist kostspielig und bedeutet einen Verlust, diese zusätzliche Regelfunktion in dem mechanischen Steuersystem vorzusehen, weshalb es bereits vorgeschlagen wurde, zu diesem Zweck in dem Reaktorkern ein abbrennbaes Gift vorzusehen. Neben der Entstehung von Sm-149 ergibt sich eine andere Schwierigkeit bei der Konstruktion eines Reaktorkerns wegen der Tatsache, daß die Steuerstärke des Steuersystems von dem kalten abgeschalteten Zustand zu dem heißen lbetriebszustand des Reaktors ansteigt, Praktisch bedeutet dies, daß die gesomte erforderliche Steuerstärke durch die Anforderungen beim obgeschalteten kalten Zustand bestimmt ist, während die Steuerstärke größer ist, als für den heißen Betriebszustand erforderlich ist. Dieser Effekt ist in erster Linie auf die Erhöhung der Neutronen-Diffusionslonge bei verringerter Dichte des Mcderators und den verringerten Absorptionsquerschnitt des Brennstoffs ven dem kalter zum heißen Zustand zurückzuführen. In anderen Worten besagt dies, daß beim heißen Zustand die Neutronen einen größeren Weg zurücklegen, bevor sie absorbiert werdcn, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Einfangs durch das Gift des iteuersysrems erhöht wird . Dieser Effekt bewirkt deshalb eine Schwierigkeit hinsichtlich des Ausgleichs zwischen der Reaktivitötssteuerung, die erforderlich ist, um die Vefhältn sse beim Ahsc!xalten zu berücksichtigen, und dem Ausmaß der Reoktivitätssteuerung, die entfernt werden muß, um die Reaktivität bei Volleistung zu erzielen. Diese Schwierigkeit ist besonders in einem Reaktorkern von Bedeutung, in dem ein verhältnismäßig großer Prozentsatz der Steuerstärke durch ein System von sich selbst abschirmendem, abbrennbarem Gift vorgesehen ist. Since Sm-149 is stable, it results in a proportionate amount in the reactor short time, for example in a few chen, an equilibrium concentration, wherein the generation rate is equal to the burn rate. The reactor core does not have to be only have an excess of fissile material to prevent the fissile material from being burned up Material to compensate, but also to the poisoning by the equilibrium concentration to compensate from Sm-149. In a typical fuel cycle in which the maximum reactivity occurs at the beginning of the cycle with new fuel, it must Tax system exert an additional tax effect to this additional Reactivity to compensate during the short period of time it takes to reach equilibrium concentration of Sm-149 is required. It is costly and at a loss to this one to provide additional control function in the mechanical control system, which is why it It has already been proposed that an abbrennbaes be installed in the reactor core for this purpose To provide poison. In addition to the formation of Sm-149, there is another difficulty in the construction of a reactor core because of the fact that the control strength of the control system from the cold shutdown state to the hot oil operating state of the reactor increases, in practice this means that the total required tax strength is determined by the requirements for the upstream cold state, while the control strength is greater than is required for the hot operating condition. This effect is primarily due to the increase in the neutron diffusion length with reduced density of the Mcderator and the reduced absorption cross-section of the fuel from cold to hot. In other words this means that in the hot state the neutrons travel a longer distance, before they are absorbed, increasing the likelihood of capture the poison of the iteuersysrems is increased. This effect therefore creates a problem in terms of the balance between the reactivity control that is required is to take into account the conditions in aging, and the extent of the Reactivity control that must be removed to maintain reactivity at full power to achieve. This difficulty is particularly important in a reactor core, in which a relatively large percentage of the tax strength through a system self-shielding, combustible poison is provided.

Die erwähnten Nachteile und Schwierigkeiten werden erfindungsgemaß dodurch vermieden, daß ein verteiltes oder sich nicht selbst abschirmendes abbrennbores Gift Verwendung findet, welches einen energieabhängigen Absorptionsquerschnitt aufweist, der stärker als l/v mit ansteigender Neutronenenergie abfällt, um die zur Kompensation des anfänglichen Fehlbetrags von Sm-149 in dem Reaktorkern benötigte Steuerstärke zu liefern. Gadolinium ist ein für diesen Zweck geeignetes abbrennbares Gift, dessen Verwendung vorteilweise eine Erhöhung des Grenzbereiches im abgeschalteten kalten Zustand, oder wahlweise eine Erhöhung der Reaktivität im heißen Betriebszustand ergeben kann, Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 eine Ansicht eines Brennstoffelements; Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt durch das in Fig. 1 dargestellte Brennstoffelement; Fig. 3 eine graphische Darstellung des Einfangquerschnitts von U-235, Sm und Gd in Abhängigkeit von der Neutronenenergie; Fig. 4 die Abhängigkeit der Steuerstärke von der Betriebszeit, woraus ein Vergleich der Verwendung von Samarium und Gadolinium fUr Samarium-Kompensation ersichtlich ist; Fig. 5 die Abhängigkeit der Xenon-Vergiftung von der Betriebsdauer; und Fig. 6 bis 8 den effektiven Multiplikationsfaktor k in Abhängigkeit vom Reaktorbetrieb, bei verschiedenen AusfUhrungsbeispielen der Erfindung. The disadvantages and difficulties mentioned are met according to the invention thereby avoided that a distributed or non-self-shielding burn-off bores Poison is used, which has an energy-dependent absorption cross-section, which falls more sharply than l / v with increasing neutron energy in order to compensate of the initial deficit of Sm-149 in the reactor core to deliver. Gadolinium is a burnable poison suitable for this purpose, its Use advantageously an increase in the limit range in the switched-off cold State, or optionally an increase in reactivity in the hot operating state can result Using the exemplary embodiments shown in the drawing the invention is to be explained in more detail. 1 shows a view of a Fuel element; FIG. 2 shows an enlarged cross section through that shown in FIG. 1 Fuel element; FIG. 3 is a graphic representation of the capture cross section of FIG U-235, Sm and Gd as a function of the neutron energy; 4 shows the dependency the tax strength of the operating time, from which a comparison of the use of samarium and gadolinium for samarium compensation can be seen; Fig. 5 shows the dependency the xenon poisoning from the operating time; and FIGS. 6 to 8 show the effective multiplication factor k as a function of the reactor operation, for various exemplary embodiments of the Invention.

Die Erfindung ist insbesondere für flüssigkeitsgekühite und flussigkeitsmoderierte Reaktoren geeignet. Bei einem bekannten Wasserreaktor, der zum Beispiel in dem Kernkraftwerk "Dresden Nuclear Power Station, Chicago, USA" Verwendung findet, bestehen die Brennstoffelemente des Reaktorkerns aus gebundelten, umhüllten Brennstoffstäben. Diese Brennstoffstäbe sind in rohrförmigen Durchflußkanälen angeordnet, um getrennt entfernbore Brennstoffbtindel zu bilden. Eine ausreichende Anzahl von Brennstoffelementen sind in einer Matrix angeordnet, etwa in der Form eines Kreiszylinders, um den Reaktorkern zu bilden. Leichtes Wasser dient als KUhlmittel oder als Moderator. The invention is particularly useful for liquid-cooled and liquid-moderated users Reactors suitable. In a known water reactor, for example in the nuclear power plant "Dresden Nuclear Power Station, Chicago, USA" is used, the fuel elements exist of the reactor core made of bundled, covered fuel rods. These fuel rods are arranged in tubular flow channels for separately removable fuel cylinders to build. A sufficient number of fuel elements are in a matrix arranged, for example in the form of a circular cylinder, to form the reactor core. Light water serves as a coolant or as a moderator.

Das Steuersystem weist eine mechanische Steuerung mit einer Anzahl von Steuerstäben auf, die neutronenabsorbierendes Material enthalten, und die wahlweise zwischen den Brennstoffelementen eingeführt werden können, um die Reaktivität des Reaktorkerns zu steuern.The control system has a mechanical control with a number of control rods containing neutron absorbing material and the optional can be introduced between the fuel elements to reduce the reactivity of the To control reactor core.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines Brennstoffelements 10. Das Brennstoffelement hat einen rohrförmigen Durchflußkanal 11 mit einem quadratischen Querschnitt und enthält zum Beispiel 6 x 6 Brennstoffstäbe 12, die zwischen oberen und unteren Halteplatten 13 bzw. 14 angeordnet sind. Ein Endteil 16 ist mit Öffnungen 17 versehen, durch welche das Kühlmittel eintreten und nach oben an den Brennstoffstäben vorbeifließen kann. Die Brennstoffstäbe 12 können aus einem Rohr bestehen, das eine Anzahl zylindrischer Tabletten aus Brennstofintholt . Gewöhnlich ist der Brennstoff ein Oxyd wie beispielsweise uO2. Fig. 1 shows a side view of a fuel element 10. The Fuel element has a tubular flow channel 11 with a square Cross-section and contains for example 6 x 6 fuel rods 12, which are between upper and lower holding plates 13 and 14, respectively, are arranged. An end part 16 is with openings 17 through which the coolant can enter and up on the fuel rods flow by can. The fuel rods 12 can be made from a tube consist of a number of cylindrical tablets made of fuel tholts. Usually the fuel is an oxide such as uO2.

Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Brennstoffelement zusammen mit einem Regelstab 18 mit kreuzförmigem Querschnitt. Ein gewisser Teil der Brennstoffstäbe, wie die Brennstoffstäbe 12' (mit bp bezeichnet) können ein sich selbst abschirmendes abbrennbares Gift enthalten, um die Reaktivität des zusätzlichen Brennstoffs in dem Reaktorkern auszugleichen, wodurch der Abbrand des Brennstoffs während des Brennstoffzyklus kompensiert wird. Gemäß der Erfindung wird ein verteiltes abbrennbares Gift vorgesehen, um den anfänglichen Fehlbetrag an Sm-149 in dem Reaktorkern zu kompensieren. Unter "verteilt" ist dabei zu verstehen, daß die Dichte und Verteilung des abbrennbaren Gifts so gewählt ist, daß das Gift im wesentlichen nicht selbst abschirmend ist. Dieses samariumkompensierende abbrennbare Gift kann gleichmäßig in dem frischen Brennstoff verteilt sein. Hinsichtlich der Herstellung kann es jedoch vorteilhaft sein, das samariumkompensierende brennbare Gift wie Gd in einem oder mehreren der Brennstoffstäbe vorzusehen, beispielsweise in den Brennstoffstäben 12", die nur einen ausgewählten Anteil der neuen Brennstoffelemente des Reaktorkerns darstellen. Fig. 2 shows a schematic cross section through a fuel element together with a control rod 18 with a cross-shaped cross section. A certain part of fuel rods, such as fuel rods 12 '(denoted by bp) can be a contain self-shielding combustible poison to reduce the reactivity of the additional Balance fuel in the reactor core, thereby reducing the burn-up of the fuel is compensated during the fuel cycle. According to the invention, a distributed Burnable poison provided to make up for the initial shortage of Sm-149 in the reactor core to compensate. "Distributed" is to be understood as meaning that the density and distribution of the combustible poison is chosen so that the poison is essentially not itself is shielding. This samarium-compensating combustible poison can evenly be distributed in the fresh fuel. In terms of manufacture, however, it can It would be beneficial to have the samarium-compensating flammable poison such as Gd in an or to provide a plurality of the fuel rods, for example in the fuel rods 12 ", which is only a selected proportion of the new fuel elements of the reactor core represent.

Die Bildungsrate von Sm-149 ist eine Funktion der Spaltrate. Die Anzahl von Sm-149 Atomen in dem Reaktorkern ist zu einer gegebenen Zeit gleich der Anzahl von gebildeten Sm-149 Atomen verringert um die Anzahl von durch Neutroneneinfang entfernten Sm-149 Atomen. Deshalb ist der Zuwachs von Sm-149 durch die folgende Beziehung gegeben: wobei Y die Ausbeute von Sm-149 Atomen pro Stufe durch Spaltung des Brennstoffs, #ff dermikroskopische Spaltquerschnitt des Brennstoffs (barn), 3 Nf die Konzentration der Brennstoffatome (Atome/cm ), # der thermische Neutronenfluß (Neutronen/cm² . sec), Sm der mikroskopische Einfangquerschnitt von Sm-149 (barn), und c 3 N5m die Konzentration von Sm-149 Atomen (Atome/cm3) ist.The rate of formation of Sm-149 is a function of the rate of fission. The number of Sm-149 atoms in the reactor core at a given time is equal to the number of Sm-149 atoms formed less the number of Sm-149 atoms removed by neutron capture. Therefore, the increment of Sm-149 is given by the following relationship: where Y is the yield of Sm-149 atoms per stage by splitting the fuel, #ff the microscopic gap cross-section of the fuel (barn), 3 Nf the concentration of the fuel atoms (atoms / cm), # the thermal neutron flux (neutrons / cm². sec), Sm is the microscopic capture cross section of Sm-149 (barn), and c 3 N5m is the concentration of Sm-149 atoms (atoms / cm3).

Beim Gleichgewicht sird die Bildungsrate und die Abbrandrate von Sm-149 gleich. At equilibrium, the formation rate and the burn-off rate of Sm-149 the same.

Deshalb ergibt sich beim Gleichgewichtszustand: (2) #cSm NSm# = Y #ff Nf# Daraus ist ersichtlich, daß die Gleichgewichtskonzentration von Sm-149 unabhängig von dem Fluß# ist. Die zur Erreichung des Gleichgewichtszustands erforderliche Zeit ist jedoch vom Flußabhängig und beträgt etwa 5/#cSm# Sekunden.Therefore, in the state of equilibrium, we get: (2) #cSm NSm # = Y #ff Nf # It can be seen from this that the equilibrium concentration of Sm-149 is independent from the river # is. The time required to reach equilibrium however, it depends on the flow and is about 5 / # cSm # seconds.

Im Gleichgewichtszustand ist das Verhältnis der Anzahl von Sm-149 Atomen zu Brennstoffatomen gleich dem Verhältnis der Konzentrationen, weshalb sich aus Gleichung (2) ergibt: Sm-149 Atome Brennstoffatome Die Steuerstärke #kp eines Gifts ist proportional zu dessem makroskopischen p Einfangquerschnitt £ , welches das Produkt No. dessen Konzentration und mikroskopischem Querschnitt ist. Allgemein wird deshalb das abbrennbare Gift, das zur Kompensation des Fehlbetrags von Sm-149 bei frischem Brennstoff verwandt wird, ausgewählt, um einen makroskopischen Querschnitt zu bilden, der äquivalent dem markoskopischen Querschnitt der Gleichgewichtskonzentration von Sm-149 ist. Für eine dem Gleichgewicht für Sm-149 äquivalente Steuerstörke ergibt sich deshalb: wobei der makroskopische Querschnitt des ausgewählten abbrennboren Gifts (cm-1), der makroskopische Querschnitt des Gleichgewichts für Sm-149 (cm ), der dermikroskopische Einfangquerschnitt des ausgewählten abbrennbaren Gifts (barn) ist. . - - Das Verhältnis der Anzahl von Atomen des ausgewählten abbrennbaren Gifts zu der Anzahl von Brennstoffatomen ergibt sich aus der Kombination der Gleichungen (3) und (4): abbrennbare Giftatome (5) Brennstoffatome Das Ausmaß der durchein Gift geregelten Aktivität wird als Steuerstärke #kp, welche proportional der Neutronenabsorption des Gifts relativ zu der gesamten Neutronenabsorotion ist: (thermische Neutronenabsorption durch das Gift) (totale thermische Neutronenabsorpt ion) Un gemäß der Erfindung die Änderung der Stärke der Reaktivitutsregelung von dem kalten abgeschalteten Zustand zu dem heißen Betriebszustand zu verringern, wird ein samariumkompensierendes brennbores Gift ausgewählt, welches einen Querschnitt hat, der schnell mit steigender thermischer Neutronenenergie abfällt. Gadolinium ist ein für diesen Zweck geeignetes abbrennbares Gift.In the equilibrium state, the ratio of the number of Sm-149 atoms to fuel atoms is equal to the ratio of the concentrations, which is why equation (2) gives: Sm-149 atoms of fuel atoms The tax strength #kp of a poison is proportional to its macroscopic p capture cross-section £, which the product no. whose concentration and microscopic cross section is. Generally, therefore, the burnable poison used to compensate for the deficiency of Sm-149 in fresh fuel is selected to form a macroscopic cross-section equivalent to the markoscopic cross-section of the equilibrium concentration of Sm-149. For a tax strength equivalent to the equilibrium for Sm-149 we therefore get: whereby the macroscopic cross-section of the selected burn-off poison (cm-1), is the macroscopic cross section of equilibrium for Sm-149 (cm) which is the microscopic capture cross section of the selected combustible poison (barn). . The ratio of the number of atoms of the selected combustible poison to the number of fuel atoms results from the combination of equations (3) and (4): combustible poison atoms (5) fuel atoms The amount of activity regulated by a poison is called the control strength #kp, which is proportional to the neutron absorption of the poison relative to the total neutron absorption: (thermal neutron absorption by the poison) (total thermal neutron absorption) In order to reduce the change in the strength of the reactivity control from the cold, switched-off state to the hot operating state, according to the invention, a samarium-compensating combustible poison is selected which has a cross-section that can be quickly absorbed by decreases with increasing thermal neutron energy. Gadolinium is a burnable poison suitable for this purpose.

Der mikroskopische Querschnitt von Godolinium, Samarium und (Jran-235 ist vergleichsweise In Fig 3 Im Bereich thermischer Neutronen dargestellt. E; ist ersichtlich, daß der Querschnitt (und damit die Reaktivität) von U-235 mit ansteigender Neutronenenergle mit der ublichen Rate entsprechend etwa 1/v abfällt, wobei v die Geschwindigkeit der Neutronen ist. Samarium zeigt eine verhältnismäßig ousgeprägte Resonanzstelle bei etwa 0,1 Elektronenvolt. Bei der Änderung von dem kalten zu dem heißen Betriebszustand fällt deshalb die Steuerstärke von Samarium nicht so schnell wie die Neutronencbsorption des Brennstoffs ab, woraus sich ergibt, daß die Steuentärke des Samariums eine Erhöhung erfährt0 Der Vorteil von Gadolinium ergibt sich durch den starken Abfall dessen Querschnitt mit steigender Neutronenenergie und durch dos Fehlen von Resonanzen des Querschnitts im Energiebereich thermischer Neutronen. Deshalb föllt die Steuerstärke von Godolinium schneller ab als die Neutronenabsorption des Brennstoffs abfällt, wodurch sich das vorteilhafte Ergebnis ergibt, daß die Steuerstärke des Gadolinium von dem kalten zu dem heißen Betriebszustand abnimmt. Wie bereits erwähnt wurde, ist deshalb die Verwendung von Gadolinium zur Kompensation des Fehlbetrags von Samarium im frischen Brennstoff dazu geeignet, eine größere Abschalt-Steuergrenze zu ergeben, oder wahlweise eine größere Reaktivität im heißen Betriebszustand. The microscopic cross section of godolinium, samarium and (Jran-235 is shown for comparison in Fig. 3 in the area of thermal neutrons. E; is it can be seen that the cross-section (and thus the reactivity) of U-235 with increasing Neutron energy drops at the usual rate corresponding to about 1 / v, where v is the Speed of neutrons is. Samarium shows a relatively large shape Resonance point at about 0.1 electron volts. When changing from the cold to that When the operating state is hot, the tax strength of Samarium does not drop so quickly as the neutron absorption of the fuel, from which it follows that the control strength of the samarium experiences an increase0 The advantage of gadolinium results from the sharp drop in its cross-section with increasing neutron energy and through dos absence of resonances of the cross-section in the energy range of thermal neutrons. Therefore, the goddolinium tax strength drops faster than the neutron absorption of the fuel drops, with the advantageous result that the Control strength of the gadolinium decreases from the cold to the hot operating state. As Already mentioned is therefore the use of gadolinium to compensate for the deficit of samarium in the fresh fuel, to give a greater shutdown control limit or, optionally, greater reactivity in the hot operating state.

Der Vorteil von Gadolinium im Vergleich zu Samarium zur Kompensation des anfänglichen Fehlbetrags von Samarium ist aus der graphischen Darstellung der Kurven in Fig. 4 ersichtlich, wo die Steuerstärke in Abhängigkeit von der Betriebszeit aufgetragen ist. Die Kurve 41 zeigt den Zuwachs an Samarium Sm(f) während der anfänglichen Zeitdauer des Betriebs mit neuem Brennstoff. Die Kurve 42 zeigt den Abbrand einer anfänglichen Menge von Samarium Sm(i), die zugesetzt werden könnte, um den Fehlbetrag von Samarium bei dem frischen Brennstoff zu kompensieren, wie bereits vorgeschlagen wurde. Die Kurve 43 zeigt den Abbrand einer anfänglichen Menge von Gadolinium Gd, welche zur Kompensation des Fehlbetrags von Samarium in dem frischen Brennstoff gemäß der vorliegenden Erfindung zugesetzt wurde. Die Kurve 44 zeigt die kombinierte kalte Steuerstärke des anfänglich zugesetzten Samariums Sm(i) und des gebildeten Samariums Sm(f). Die Kurve 45 zeigt die kombinierte heiße Steuerstarke des anfänglichen Samariums Sm(i) und des gebildeten Samariums Sm(f). Die Kurve 46 zeigt die kombinierte kalte Steuerstärke des zugesetzten Gadolinium Gd und des Samarium Sm(f), das gebildet wird, während die Kurve 47 die kombinierte Steuerstärke im heißen Betriebszustand von Gadolinium Gd und Samarium Sm(f) zeigt. The advantage of gadolinium compared to samarium for compensation the initial deficit of samarium is from the graph of the Curves in Fig. 4 can be seen where the control strength as a function of the operating time is applied. Curve 41 shows the increase in samarium Sm (f) during the initial Duration of operation with new fuel. The curve 42 shows the burn-up of a initial amount of Samarium Sm (i) that could be added to make up the shortfall of samarium to compensate for the fresh fuel, as suggested earlier became. Curve 43 shows the burn-up of an initial amount of gadolinium Gd, which to compensate for the shortage of samarium in the fresh fuel was added according to the present invention. Curve 44 shows the combined cold tax strength of the initially added samarium Sm (i) and the formed Samariums Sm (f). Curve 45 shows the combined hot control strength of the initial Samarium Sm (i) and the formed Samarium Sm (f). Curve 46 shows the combined cold control strength of the added gadolinium Gd and the samarium Sm (f) that formed while curve 47 is the combined control strength in the hot operating state of Gadolinium Gd and Samarium Sm (f) shows.

Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß die Verwendung von anfänglichem Samarium Sm(i) zu einer Erhöhung der Steuerstärke von dem kalten zu dem heißen Betriebszustand führt, während die Verwendung von anfänglichem Godolinium entsprechend der Erfindung eine Erniedrigung der Steuerstärke vom kalten zum heißen Betriebszustand während etwa der ersten fünf Betriebstage des Beispiels in Fig. 4 ergibt, wobei eine allmähliche Erhöhung der Steuerstärke vom kalten zum heißen Betriebszustand danach auftritt, wenn das Gadolinium verbraucht wird und das gebildete Samarium sich der Gleichgewichtskonzentration nähert. From Fig. 4 it can be seen that the use of initial samarium Sm (i) to an increase in the control strength from the cold to the hot operating state while using initial godolinium in accordance with the invention a decrease in the control strength from the cold to the hot operating state during about the first five days of operation of the example in FIG. 4, with a gradual Increase in control strength from cold to hot operating state occurs afterwards, when the gadolinium is consumed and the samarium formed becomes the equilibrium concentration approaching.

Deshalb besteht der Vorteil eines anfänglichen Zusatzes von Gadolinium im Vergleich zu einem anfänglichen Zusatz von Samarium darin, daß eine geeignete Menge und Verteilung von Gadolinium ausgewählt werden kann, für welche während der Bildung von Samarium Sm(f) die kalte Steuerstärke von Gd + Sm(f) gleich oder größer als die kalte'Steuerstärke von Sm(i) + Sm(f) ist, und für welche die heiße Steuerstärke von Gd + Sm(f) gleich oder geringer als die heiße Steuerstärke von Sm(i) + Sm(f) ist, ausgenommen während der ersten Tage der Bestrahlung, wenn die größere heiße Steuerstärke von Gd + Sm(f) durch den anfänglichen Fehlbetrag von Xenon kompensiert wird. Therefore there is the benefit of adding gadolinium initially compared to an initial addition of samarium in that a suitable one lot and distribution of gadolinium can be selected for which during the formation of samarium Sm (f) the cold tax strength of Gd + Sm (f) is equal to or greater than the cold control strength of Sm (i) + Sm (f), and for which the hot tax amount of Gd + Sm (f) is equal to or less than the hot tax amount of Sm (i) + Sm (f) except during the first days of irradiation when the greater hot tax strength of Gd + Sm (f) due to the initial shortfall is compensated by xenon.

Der anfängliche Fehlbetrag von Xenon und der Zuwachs an Xenon in dem Reaktorkern ist durch die Kurve 48 in Fig. 5 dargestellt. Fig. 5 zeigt auch die Kurve 47 (aus Fig. 4) und eine Kurve 49. Die Kurve 49 zeigt die kombinierte Steuerstärke des anfänglichen Gadolinium, Samarium und Xenon, welche ein Maximum bei etwa zwei Tagen erreicht, das etwa gleich der kombinierten Steuerstärke von Samarium und Xenon ist, nachdem das Samarium-Gleichgewicht nach etwa 24 Tagen erreicht ist. Deshalb ergibt die Verwendung von anfänglichem Gadolinium zur Kompensation des anfänglichen Fehlbetrags an Samarium eine Erhöhung der kalten Abschaltgrenze oder wahlweise eine Erhöhung der heißen Betriebsgrenze, wie in den folgenden Beispielen näher erläutert werden soll.The initial shortage of xenon and the increase in xenon in the The reactor core is represented by curve 48 in FIG. 5. Fig. 5 also shows the Curve 47 (from FIG. 4) and a curve 49. Curve 49 shows the combined control strength of the initial gadolinium, samarium, and xenon, which peak at about two Days, which is roughly equal to the combined tax strength of samarium and xenon is after the samarium equilibrium is reached after about 24 days. That's why results in the use of initial gadolinium to compensate for the initial one If there is a shortfall in samarium, an increase in the cold cut-off limit or, alternatively, an Increase in the hot operating limit, as explained in more detail in the following examples shall be.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. 6 bis 8 dargestellt, welche den effektiven Multiplikationsfaktor k und die Steuerstärken der Elemente des Regelsystems für die Reaktivität in Abhängigkeit von der Bestrahlung während eines Brennstoffzyklus zeigen. Die Kurven 50 zeigen die heiße unvergiftete Reaktivität des frischen Brennstoffs. Die Kurven 51 zeigen die heiße vergiftete Reaktivität-. Die Kurven 52 zeigen die kalte geregelte Reaktivität. Embodiments of the invention are shown in FIGS. 6 to 8, which is the effective multiplication factor k and the tax strengths of the elements the control system for reactivity depending on the irradiation during show a fuel cycle. Curves 50 show the hot non-poisoned reactivity of fresh fuel. Curves 51 show the hot poisoned reactivity. Curves 52 show the cold regulated reactivity.

Fig. 6 zeigt den Fall, bei dem der zulässige Reaktivitätsbereich für Samariumvergiftung nicht durch den Zusatz von anfänglichem abbrennbarem Gift kompensiert ist. Es sei angenommen, daß der zulässige Reaktivitätsbereich für die Abreicherung von Brennstoff zumindest teilweise durch ein sich selbst abschirmendes abbrennbares Gift ausgeglichen wird, wodurch sich eine Steuerstärke kb ergibt. Der anfängliche schnelle Abfall der Reaktivität ist das Ergebnis des Zuwachses von Samarium und Xenon, wodurch sich eine Gleichgewichts-Steuerstärke vonik(Xe + Sm) ergibt. Eine Steuerstärke #kcr ergibt sich durch das mechanische Regelsystem. Temperatureffekte #kT und Fehlstellen-Effekte £kV treten ebenfalls auf. In dem Falle von Fig. 5 fällt die heiße Betriebsreaktivität schnell von 1,07 auf 1,03, während die kalte Reaktivität von 0,97 auf 0,963 fällt, während der Zuwachs von Samarium und Xenon auftritt. Fig. 6 shows the case where the allowable reactivity range for samarium poisoning not by adding initial burnable poison is compensated. It is assumed that the allowable reactivity range for the Depletion of fuel at least partially by a self-shielding burnable poison is balanced, resulting in a tax strength kb. Of the initial rapid drop in reactivity is the result of the growth of samarium and xenon, resulting in an equilibrium control strength of ik (Xe + Sm). A tax strength #kcr results from the mechanical control system. Temperature effects #kT and Defect effects £ kV also occur. In the case of Figure 5, the hot operating reactivity drops rapidly from 1.07 to 1.03 while the cold reactivity drops from 0.97 to 0.963, while the increase of samarium and xenon occurs.

Deshalb ist in diesem Falle die minimale heiße Reaktivitätsgrenze (unter Vernachlässigung des Abfalls in der Nähe des Endes des Brennstoffzyklw) 0,03 und die minimale kalte Abschaltgrenze beträgt ebenfalls 0,03.Therefore in this case it is the minimum hot reactivity limit (neglecting the waste near the end of the fuel cycle) 0.03 and the minimum cold shutdown limit is also 0.03.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Fall wurde ursprünglich ein abbrennbares verteiltes Gift wie Godolinium zugesetzt, das eine Steuerstärke von k (heiß) und kGd (kalt) ergibt, um den anfänglichen Fehlbetrag an Samarium zu kompensieren. In the case shown in FIG. 7, a burnable one was originally used added distributed poison such as godolinium, which has a control strength of k (hot) and kGd (cold) to compensate for the initial shortage of samarium.

Die minimale heiße Betriebsreaktivität (ausgenommen der Abfall am Ende des Brennstoffzyklus) bleibt gleich bei 1,03, während die maximale kalte Reaktivität nun 0,963 beträgt anstelle von 0,9701#n Fig. 6. Deshalb ist die kalte Abschaltgrenze von 0.03 auf 0,037 erhöht. Deshalb ergibt in diesem Fall die Verwendung eines abbrennbaren Gifts zur Kompensation des anfänglichen Fehlbetrags an Samarium eine zusätzliche minimale kalte Abschaltgrenze von 0,007 k. Diese Verbesserung der kalten Abschaltgrenze kann mit oder ohne Verwendung von sich selbst obschirmendem abbrennbarem Gift zur Kompensation der Brennstoffabreicherung verwandt werden.The minimum hot operating reactivity (excluding the drop on End of fuel cycle) stays the same at 1.03 while maximum cold reactivity now 0.963 is instead of 0.9701 # n Fig. 6. This is the cold cut-off limit increased from 0.03 to 0.037. Therefore, in this case, the result is the use of a burnable one Gifts to compensate for the initial shortfall in samarium an additional minimum cold switch-off limit of 0.007 k. This improvement of the cold cut-off limit can be used with or without the use of self-shielding combustible poison Compensation for fuel depletion can be used.

Bei dem in Fig. 8 dargestellten Fall wird dieselbe Menge von verteiltem Gadolinium wie in dem Beispiel in Fig. 7 zugesetzt, um den anfänglichen Fehlbetrag von Samarium zu kompensieren. Jedoch wird eine gewisse Menge des sich selbst abschirmenden abbrennbaren Gifts, das zum Ausgleich des Abbrands des Brennstoffs vorgesehen ist, zur Erhöhung der heißen Reaktivitätsgrenze entfernt. Bei dem Beispiel in Fig. 8 ist ein solcher Betrag des sich selbst abschirmenden abbrennbaren Gifts entfernt, daß sich eine Verringerung von 0,007,kr in dem kalten Zustand oder etwa 0,010kbp in dem heißen Zustand ergibt. Deshalb wird die kalte Abschaltgrenze auf einem Minimum von 0,03 wie in dem Beispiel von Fig. 5 gehalten, während die heiße Betriebsgrenze auf 0,04 erhöht wird. Diese Erhöhung der heißen Betriebsgrenze von 0,03 auf 0,04Ak kann von großer Bedeutung sein, wenn eine Beschickung oder erneute Beschickung eines gegebenen Reaktors für eine größere Leistung und/oder eine längere Brennstoff-Standzeit erfolgt, weil es gewöhnlich schwierig und kostspielig oder unpraktisch ist, eine größere Steuerstärke in dem mechanischen Regelsystem vorzusehen. In the case shown in Fig. 8, the same amount of dispersed becomes Gadolinium as in the example in Fig. 7 was added to make up the initial shortfall to compensate by samarium. However, some amount of this becomes self-shielding combustible poison intended to compensate for fuel burn-off, removed to increase the hot reactivity limit. In the example in FIG. 8 such an amount of self-shielding combustible poison is removed, that there is a reduction of 0.007, kr in the cold state, or about 0.010kbp in the hot state results. Therefore, the cold cut-off limit is kept to a minimum of 0.03 as in the example of Fig. 5 while the hot operating limit is increased to 0.04. This increase in the hot operating limit from 0.03 to 0.04Ak can be of great importance when loading or reloading a given reactor for a higher performance and / or a longer fuel life done because it is usually difficult and costly or impractical is to provide a greater amount of control in the mechanical control system.

Wenn Gadolinium auch zur Kompensation der Reaktivität entsprechend dem Abbrond des Brennstoffs benutzt wird , ergibt dessen Verwendung für die Samarium Kompensation den weiteren Vorteil, daß Schwierigkeiten und Kosten bei der Herstellung und Verarbeitung verringert werden. Ferner kann Gadolinium ohne weiteres in oxydischer Form hergestellt werden, welche mit den üblichen Oxyden für Kernbrennstoff verträglich ist. If gadolinium also compensates for reactivity accordingly When the fuel is burned off, it is used for the samarium Compensation for the further advantage of difficulties and costs in manufacture and processing can be reduced. Furthermore, gadolinium can easily be converted into oxidic Form are produced which are compatible with the usual oxides for nuclear fuel is.

Patentansprüche Claims

Claims

Claims fuel element for a nuclear reactor, in which As a result, fuel does not initially contain an equilibrium amount of samarium characterized in that the fuel has an excess reactivity for compensation the accumulation of samarium in the fuel element during operation in the Having reactor, and that an initial amount of distributed combustible poison in the fuel element is provided to the initial shortage of samarium to compensate, which burnable poison has a cross-section that increases with Neutron energy drops more than that of samarium-149

2. fuel element according to claim 1, characterized in that the poison has an initial tax strength in the range of one to three times the tax strength of the equilibrium of Samarium-M9 in the fuel element.

3. Fuel element according to claim 1, characterized in that the poison is gadolinium.

4. Fuel element according to claim 3, characterized in that the gadolinium is in the form of an oxide associated with at least a portion of the Nuclear fuel is mixed.

5. Fuel element for a reactor core with a variety of Fuel elements or fuel rods according to claims 1 to 4, in which fuel elements initially there is no equilibrium amount of samarium, with an excess of reactivity in the fuel is provided to prevent the increase in samarium during to compensate for reactor operation, and taking an initial amount of dispersed combustible poison is provided in the fuel element, characterized in that that the burnable poison hot a cross-section, which with increasing neutron energy drops more sharply than the cross-section of Samarium-149, and that the Poison results in a tax strength that is at least sufficient to remove this excess Compensate for reactivity.

6. Fuel element according to claim 5, characterized in that the poison is gadolinium.

7. Fuel element according to claim 5, characterized in that contain the poison in at least one of the fuel elements or fuel rods is.

8. Fuel element according to claim 7, characterized in that the poison was mixed in with the fuel of one fuel rod in oxidic form is.

9.. Fuel arrangement according to Claims 5 to 8, characterized in that that the fuel has a first excess of reactivity to compensate for the fuel depletion exhibits during reactor operation that the fuel has a second excess of reactivity to compensate for the increase in samarium in the elements during reactor operation has an amount of self-shielding, burnable poison in the Fuel arrangement is provided which has a control strength for compensation at least a portion of the first excess reactivity results, and that an amount of distributed Burnable poison is provided in the fuel assembly, which is a control strength results to compensate for at least the second excess reactivity.

10. Fuel assembly according to claim 9, characterized in that the distributed burnable poison has a control strength that differs from the cold state decreases to the hot state of the reactor.

11. Fuel assembly according to claim 9, characterized in that the distributed burnable poison is gadolinium.

12. Fuel arrangement according to claim 11, characterized in that that the self-shielding combustible poison is gadolinium.

13. Fuel assembly according to claim 9, characterized in that the distributed burnable poison with the fuel of at least one of the fuel rods is mixed.

14. A fuel assembly according to claim 9, characterized in that it is 1 ch Not that the self-shielding combustible poison is in at least one of the Fuel elements is included, and that the distributed combustible poison at least is contained in one of the other of the fuel elements.