DE2116937A1 - Bestrahlungsanlage für Brennelemente und Bauteile von Kernreaktoren, reaktoren.- - Google Patents

Description

GESELLSCHAFT FÜR 75 Karlsruhe, den 2.4. 1971

KERNFORSCHUNG MBH PLA 71/19 Sdt/jd

Bestrahlungsanlage für Brennelemente und Bauteile von Kernreaktoren

Die Erfindung betrifft eine Bestrahlungsanlage für Brennelemente und Bauteile von Kernreaktoren. Mit einer solchen Anlage sollen die üblichen Bestrahlungen im Neutronenfluß für viele Untersuchungen durchgeführt werden. Bisher sind für die Untersuchung der Auswirkungen des Neutronen- und γ-Flusses auf das Verhalten von Brennelementen und Bauteilen von Kernre- f

aktoren die folgenden zwei Methoden gebräuchlich:

- die stationäre Methode, bei der das zu untersuchende Teil einer stationären bzw. sich nur relativ langsam ändernden radioaktiven Strahlung ausgesetzt wird.

- die dynamische Methode, bei der das zu untersuchende Teil einer verhältnismäßig hohen, dafür aber zeitlich sehr kurzen Flußspitze ausgesetzt wird. ·

209843/0350

Versuche der ersten Art können praktisch in allen vorhandenen Kernreaktoren durchgeführt werden. Meist ist dabei ein hohes Fluß/Leistungsverhältnis erwünscht. Um dies zu erreichen, müssen die Brennelemente des verwendeten Kernreaktors thermisch hoch belastet werden.

Die Versuche der zwdtenArt verden in speziellen.^Puls-Reaktoren" durchgeführt. Diese Reaktoren sind durch Brennelemente ausgezeichnet, die dem System einen hohen prompten negativen Reaktivitätskoeffizienten verleihen. Außerdem haben diese Elemente eine verhältnismäßig hohe Wärmespeicherkapazität. Diese Eigenschaften ermöglichen es, ausgehend von einem niedrigen Leistungsniveau, bei dem die Brennelemente verhältnismäßig niedrige Temperaturen haben, durch schnelles Zuführen von Überschußreaktivität einen raschen Leistungsanstieg zu erzielen, der sich aufgrund des genannten prompten negativen Reaktivitätskoeffizienten sehr schnell selbsttätig wieder absenkt. Die in den Brennelementen dabei freiwerdende Wärme führt zu einer gewissen Erwärmung. Die Brennelementtemperaturen überschreiten dabei jedoch aufgrund der hohen Wärme Speicherkapazität dieser Elemente nicht die zulässigen Werte. Das dem Strahlungsfeld dieses gepulsten Reaktors ebenfalls ausgesetzte Versuchselement erwärmt sich während dieser Flußspitze ebenfalls. Durch Wahl geeigneter Anreicherungen läßt sich die in diesem Element entstehende Maximaltemperatur zusätzlich beeinflussen.

Nachteilig ist bei den bisherigen Pulsverfahren, "daß die im Versuchsbrennelement entstehende Temperaturverteilung von der in den Reaktorbrennelementen unter Unfallbedingungen auftretenden sehr stark abweicht. Die Ursache hierfür ist die unterschiedliche Ausgangstemperaturverteilung, auf der sich die während der Flußspitze erzeugte Temperaturerhöhung aufbaut. In einem echten Reaktorbrennelement ist die Temperaturverteilung während des Leistungsbetriebes bekanntlich parabolisch. Meist tritt dabei gleichzeitig eine relativ hohe Zentraltemperatur auf. Das Versuchselement in einem Puls-Reaktor hat demgegenüber unmittelbar vor der Flußspitze eine praktisch gleichmäßige Temperaturverteilung. Wegen dieser Unterschiede

209843/0350

muß damit gerechnet werden, daß die in den bisherigen Puls-Reaktoren durchgeführten Versuche für das wirkliche Brennelementverhalten eines Leistungsreaktors unter kurzzeitiger überlast nicht voll repräsentativ sind.

Die Erfindung hat nun die Aufgabe, eine Bestrahlungsanlage zu schaffen, bei der diese Nachteile vermieden werden und in der neben den üblichen Bestrahlungen auch die bei einer Leistungsexcursion in einem Kernreaktor auftretenden Beanspruchungen simuliert werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Bestrahlungsanlage der eingangs erwähnten Art zwei räumlich benachbarte, aber neutron.enphysikalisch weitgehend unabhängige kritische Systeme vorgesehen sind, von denen mindestens ein System als Puls-Reaktor ausgelegt ist. Dabei werden die beiden kritischen Systeme von einem Bestrahlungskanal durchdrungen, in welchem die zu bestrahlende Probe in mehrere Positionen verschiebbar angeordnet ist. Weiterhin ist bei der vorteilhaften,Lösung zwischen dem Bestrahlungskanal und den kritischen System ein bewegliches Neutronenschild angeordnet, der rohrförmig ausgebildet sein kann und mindestens einen, nicht mit neutronenabsorbierender Substanz gefüllten Bereich aufweist. Letztlich ist in vorteilhafter Weise zwischen den beiden kritischen Systemen ein neutronenabsorbierender Schild angeordnet. In diesem System ist die zu bestrahlende Probe während der stationären Bestrahlungsphase der wirkung des ersten Systems und danach ohne nennenswerte Zeitverzögerung während des Neutronenpulses als starker Neutronenfluß spitze der Einwirkung des zweiten Systems ausgesetzt.

Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Bestrahlungsanlage sind auf den Figuren 1 und 2 dargestellt.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Bestrahlungsanlage, bei der zwischen der Bestrahlungsprobe und den beiden kritischen Systemen eine Relativbewegung auftritt.

209843/0350

« Fig« 2 zeigt ebenfalls schematisch eine Bestrahlungsanlage, bei der zwischen den beiden kritischen Systemen und der Bestrahlungsprobe ein Neutronenschild bewegt wird.

Bei der Anordnung nach Fig. I ist zwischen der ersten kritischen Anordnung 1 und der zweiten kritischen Anordnung 2 ein Neutronenschild 3 angeordnet. Der Neutronenschild 3 hat den Zweck, die beiden kritischen Systeme ausreichend zu entkoppeln. Dies ist u.a. notwendig, damit sich die auf relativ hoher Temperatur stehenden Brennelemente des Systems 1 während des im System 2 ausgelösten Neutronenpulses nicht unzulässig erwärmen. Beide kritische Systeme durchdringt der Bestrahlungskanal 4. In ihm ist die Bestrahlung sp robe 5 axial verfahrbar angeordnet. Mit Hilfe des Probenantriebes 6 kann die Probe aus des Testposition 7 in der ersten kritischen Anordnung sehr schnell in die Testposition 8 in der zweiten kritischen Anordnung 2 über führt werden. Durch den Bestrahlungskanal 4 wird ein Kühlmittel strom hin durchgeleitet, der die in der Bestrahlungsprobe 5 freigesetzte Wärme abführt. Dieser Kühlmittelstrom kann zu einem unabhängigen System (geschlossener Testloop) gehören oder auch ein Teilstrom des durch die beiden kritischen Anordnungen geführten Kühlmittel stromes darstellen (offener Testloop).

Stationäre Bestrahlungsversuche werden in der Bestrahlungsposition ? der Anordnung 1 ausgeführt, die für stationären Leistungsbetrieb ausgelegt ist. Sollen die Aus'wirku-ngen einer kurzzeitigen Überlast auf das Verhalten des Testelementes untersucht werden, dann wird das Testelement 5 schnell in die Testposition 8 überführt und mit Hilfe einer automatischen Steuerung in der kritischen Anordnung 2 die gewünschte Flußspitze ausgelöst. Die Über führung aus der Bestrahlungsposition 7 in die Bestrahlungsposition 8 muß dabei möglichst schnell erfolgen, damit die in der BestrahlungsposLtion 7 erzeugte Temperaturverteilung im Testelement möglichst gilt erhallen bleibt. Beim SNR sinkt die Zentraltemperatur in dem BE bei Scram und weiterlaufender Kühlung etwa ixiit 360 C/sec. , d.h. die Bewegung muß im /'eitbereich von einigen 0, 1 Sekunden ausgeführt werden. Dies ist praktisch

- 5 - ■

realisierbar. Wegen des vorhandenen Neutronenflusses im Bestrahlungskanal sind die Verhältnisse in Wahrheit noch günstiger.

Bei der Ausführung nach Fig. 2 befindet sich ebenfalls zwischen der ersten kritischen Anordnung 1 und der zweiten kritischen Anordnung 2 ein Neutronenschild. Der Bestrahlungskanal 4 durchdringt jetzt jedoch nicht die beiden kritischen Anordnungen, sondern läuft im Spalt zwischen ihnen hindurch. Im Bestrahlungskanal befindet sich wieder die Bestrahlungsprobe 5. Hier behält die Bestrahlungsprobe 5 während des gesamten Versuchsablaufs ihre relative Lage bezüglich der beiden kritischen Anordnungen bei. Stattdessen wird ein rohrförmiger Neutronenschild 9 bewegt, der den Bestrahlungskanal 4 im Bereich der beiden kritischen Anordnungen umgibt. Mindestens ein Stück der Mantelfläche des rohrförmigen Neutronenschildes 9 ist ohne neutronenabsorbierende Substanzen ausgeführt, d.h. für Neutronen durchlässig. Ein solches "Neutronenfenster" erstreckt sich zweckmäßigerweise etwa über den halben Umfang(180 ) des rohrförmigen Neutronenschildes 9 in einer Höhe, die etwa der Höhe der kritischen Anordnung entspricht. Ist dann dieses Neutronenfenster dem kritischen System 1 zugewandt, dann ist die Bestrahlungsprobe 4 dem stationären Neutronenfluß ausgesetzt. Wird das rohrförmige Neutronenschild dann um ca. 180 gedreht, so schiebt sich der mit neutronenabsorbierenden Stoffen gefüllte Bereich des Neutronenschiebers 9 zwischen die kritische Anordnung 1 und die Bestrahlungsprobe 5. Dafür ist die Probe 5 jetzt den Einwirkungen der kritischen Anordnung 2, d. h. dem in ihr erzeugten Neutronenpuls ausgesetzt. Anstelle der Drehbewegung des rohrförmigen Neutronenschildes ist selbstverständlich auch eine axiale Bewegung möglich. Das Neutronenschild ist dann mit zwei axial versetzt gegenüberliegenden Neutronenfenstern auszurüsten. Bezüglich der Kühlung der Bestrahlungsprobe 5 und der beiden kritischen Anordnungen gilt das gleiche wie-bei Figur 1.

Mit der erfindungsgemäßen Bestrahlungsanlage können in vorteilhafter Weise die eingangs beschriebenen Nachteile vermieden und sehr realistische Bestrahlungen durchgeführt werden. Es werden zunächst mit Hilfe einer

209843/0 3 50

ersten kritischen Anordnung "die einem Leistungsreaktor-Brennelement entsprechende Ausgangstemperaturverteilung erzielt. Mit Hilfe einer zweiten, getrennten kritischen Anordnung wird dann die hohe, kurzzeitige Flußspitze erzeugt.

Die Verwendung von zwei getrennten kritischen Anordnungen ist notwendig, da die Brennelemente der ersten Anordnung bereits für die Erzielung der gewünschten Temperatur verteilung im Testelement thermisch hoch belastet sind, so daß sie den zusätzlichen Temperaturbeahspruchungen durch eine nachfolgende Fluß spitze nicht mehr gewachsen sind. Diese Aufgabe übernimmt deshalb die zweite kritische Anordnung, deren Brennelemente zu Beginn der Flußspitze auf einer relativ niedrigen Temperatur stehen.

209843/0350

Claims (5)

1. Patentan Sprüche:

   Λ 1. /Bestrahlungsanlage für Brennelemente und Bauteile von Kernreaktoren, gekennzeichnet durch zwei räumlich benachbarte, aber neutronenphysikalisch weitgehend unabhängige kritische Systeme (1,2), deren Neutronenfluss die zu bestrahlenden Teile ausgesetzt sind und von denen mindestens ein System als Puls-Reaktor ausgelegt ist.
2. 2. Bestrahlungsanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen, beide kritische Systeme durchdringenden Bestrahlungskanal (4), in welchem die zu bestrahlende Probe (5) in mehrere Positionen (7, 8) verschiebbar angeordnet ist.
3. 3. Bestrahlungsanlage nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen zwischen dem Bestrahlungskanal (4) und den kritischen Systemen (1, 2) angeordneten, beweglichen Neutronenschild (9).
4. 4. Bestrahlungsanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Neutronenschild (9) rohrförmig ausgebildet ist und mindestens einen nicht mit neutronenabsorbierender Substanz gefüllten Bereich aufweist.
5. 5. Bestrahlungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden kritischen System (1, 2) ein neutronenabsorbierender Schild (9) angeordnet ist.

   Leerseite