DE2116937C3 - Verfahren zur Erprobung von Brennelementen für Kernreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Vcrfa^Hren zur Erprobung von Brennelementen für Kernreaktoren, bei dem die Brennelemente einem ersten, zeitlich unveränderten Neutronenfeld eines Kernreaktors und kurzzeitig einem, verglichen mit dem ersten Neutronenfeld sehr viel stärkeren, zweiten Ncutronenfeld ausgesetzt werden.

Bestrahlungen in Neutronenfeldern werden üblicherweise für viele Untersuchungen benötigt. Bisher sind für die Untersuchungen der Auswirkungen des Neutronenflusses auf das Verhalten von Brennelementen von Kernreaktoren die folgenden zwei Methoden gebräuchlich:

- Die stationäre Methode, bei der das zu untersuchende Brennelement einem stationären bzw. sich nur relativ langsam ändernden Neutronenfluß ausgesetzt wird.

- Die dynamische Methode, bei der das zu untersuchende Brennelement einer verhältnismäßig hohen, dafür aber zeitlich sehr kurzen Flußspitzc ausgesetzt wird.

Versuche nach der ersten Methode 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 nach der /weiten Methode werden 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 Wärmcspeiehcrkapn/ität. Diese Eigenschaften ermöglichen es. ausgehend von einem niedrigen Leistungsniveau, bei dem die Brennelemente verhältnismäßig niedrige Temperaturen haben, durch schnelles Zuführen von Uberschußreaktivität 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 Brennelementtemperaturer überschreiten dabei jedoch aufgrund der hohen Wärmespeicherkapazität 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 dabei, 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 Leistungsbetriebs bekanntlich parabolisch. Meist tritt dabei gleichzeitig eine relativ hohe Zsntraltemperatur auf. Das Versuchselement in einem Puls-Reaktor hat demgegenüber unmittelbar vor der Flußspitze eine praktisch gleichmäßige Temperaturverteilung. Wegen dieser Unterschiede muli damit gerechnet werden, daß die in den bisherigen Puls-Reaktoren durchgeführten Versuche für das wirkliche Brcnnelementverhalten eines Leistungsreaktors unter kurzzeitiger Überlast nicht voll repräsentativ sind.

Man hat deshalb auch Bestrahlungen in Leistungsreaktoren vorgenommen, die zusätzlich eine impulsförmige Leistungsspitze aufweisen (»The Journal of the Brit. Nucl. En. Soc«, 7 [!968], S. 313). Dabei wird die impulsförmigc Leistungsspitze in demselben Reaktorkern erzeugt wie die stationäre Bestrahlung. Dazu muß aber eine relativ geringe Überlast der Leistungsspitze genügen, die zu wärmetechnischen Untersuchungen für den Fall einer Temperaturerhöhung unter erschwerten Störfallbedingungen nicht ausreicht. Einer zu hohen Leistungsspitze wären die Reaktorbrennelemente infolge der zusätzlichen Temperaturbeanspruchung nicht mehr gewachsen.

Die vorliegende Erfindung hat nun zur Aufgabe, ausgehend von dem zuletzt genannten Stand der Technik ein Verfahren zur Erprobung von Brennelementen für Kernreaktoren der eingangs erwähnten Art anzugeben, mittels welchem die im Brennelement von Kernreaktoren auftretenden Beanspruchungen durch Leistungsexkursionen simuliert werden können, ohne daß die Brennelemente des Testreaktors durch die zusätzlichen Tcmperaturbeanspruchungen einer nachfolgenden Flußspitze zu Schaden kommen.

Die Erfindung schlägt daher zur Lösung dieser Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art vor, daß das zweite Ncutronenfeld von einem Puls-Kernreaktor erzeugt wird, der dem das erste Neutroncnfcld erzeugenden Kernreaktor räumlich benachbart aber bezüglich der Neutronenfelder von ihm getrennt ist. Dabei ist es von Vorteil, daß die Brennelemente in einem beide Kernreaktoren durchdringenden Bcstrahlungskanal zwischen zwei Positionen verschoben werden. Die Erfindung schlügt wei-

terhin als vorteilhaften Erfindungsgedanken vor, daß die Brennelemente ortsfest an einer Position zwischen den beiden Kernreaktoren angeordnet werden und daß die Position je nach Stellung eines beweglichen Neutronenabsorbers von den Neutronen des stationär betriebenen Kernreaktors oaer den Neutronen des Puls-Kernreaktors bestrahlt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren lehrt also, daß zunächst mit Hilfe der ersten kritischen Anordnung die einem Leistungsreaktor-Brennelement entsprechende Ausgangstemperaturverteilung erzielt wird. Mit Hilfe einer zweiten, getrennten kritischen Anordnung wird dann die hohe, kurzzeitige Flußspitze erzeugt. Die Verwendung von zwei getrennten kritischen Anordnungen ergibt sich daraus, daß die Brennelemente der ersten kritischen Anordnung bereits für d>e Erzielung der gewünschten Temperaturverteilung im Testelement thermisch hochbelastet sind, so daß sie den zusätzlichen Temperaturbeanspruchungen durch eine nachfolgende Flußspitze nicht gewachsen wären. Diese Aufgabe übernimmt erfindungsgemäß jedoch die zweite kritische Anordnung, deren Brennelemente sich zu Beginn der FIu3spitze auf einer relativ niedrigen Temperatur befinden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand zweier in den Fig. 1 und 2 dargestellter Bestrahlungsanlagen näher erläutert.

Fig. I zeigt eine Bestrahlungsanlage, bei der zwischen dem zu erprobenden Brennelement und den beiden kritischen Anordnungen eine Relativbewegung auftritt,

Fig. 2 zeigt eine andere Bestrahlungsanlage, bei der zwischen den beiden kritischen Anordnungen und dem zu erprobenden Brennelement ein Neutronenabsorber bewegt wird.

Bei der Anlage nach Fig. I ist zwischen der ersten kritischen Anordnung 1 und der zweiten kritischen Anordnung 2 ein Neutronenabsorber 3 angeordnet. Der Neutronenabsorber 3 hat den Zweck, die beiden kritischen Anordnungen ausreichend zu entkoppeln. Dies ist u. a. notwendig, damit sich die auf relativ hoher Temperatur befindlichen Brennelemente der Anordnung 1 während des in der Anordnung 2 ausgelösten Neutronenpulses nicht unzulässig erwärmen. Beide kritischen Anordnungen durchdringt der Bestrahlungskanal 4. In ihm ist das Brennelement 5 axial verfahrbar angeordnet. Mit Hilfe des Antriebes 6 kann das Brennelement aus der Testposition 7 in der ersten kritischen Anordnung 1 sehr schnell in die Testposition 8 in dcrzweiien kritischen Anordnung 2 überführt werden. Durch den Bestrahlungskanal 4 wird ein Künlmittelstrom hindurchgeleitct, der die in dem Brennelement 5 freigesetzte Wärme abführt. Dieser Kühlmittclstrom kann zu einem unabhängigen System (geschlossener Testloop) gehören oder auch einen Teilstrom des durch die beiden kritischen Anordnungen geführten Kühlmittelstromes darstellen (offener testloop).

Stationäre Bestrahlungsversuche werden in der Bestrahlungsposition 7 der Anordnung 1 ausgeführt, die für stationären Leistungsbetrieb ausgelegt ist. Sollen die Auswirkungen einer kurzzeitigen Überlast auf das Verhalten des Brennelementes untersucht werden, dann wird das Brennelement 5 schnell in die Testposition 8 überführt und mit Hilfe einer automatischen Steuerung in der kritischen Anordnung 2 die gewünschte Flußspitze ausgelost. Die Überführung aus der Bestrahlungsposition 7 in die Bestrahlungsposition 8 muß dabei möglichst schnell (einige Zehntel Sekunden) erfolgen, damit die in der Bestrahlungsposition 7 erzeugte Temperaturverteilung im Brennelement 5 möglichst gut erhalten bleibt.

Beider Ausführung nach Fig. 2 befindet sich ebenfalls zwischen der ersten kririschen Anordnung 1 und der zweiten Anordnung 2 ein Ne, <onenabsorber. Der Beslrahiungskana! 4 durchdringt ietzt jedoch nicht die beiden kritischen Anordnungen, sondern läuft im Spalt zwischen ihnen hindurch. Im Beslrahlungskanal befindet sich wieder das zu erprobende Brennelement 5. Hier behält das Brennelement 5 während des gesamten Versuchsablaufes seine relative Lage bezüglich der beiden kritischen Anordnungen bei. Statt dessen wird ein rohrförmiger Neutronenabsorber 9 bewegt, der den Bestrshlungskanal 4 im Bereich der beiden kritischen Anordnungen umgibt. Mindestens ein Stück der Mantelfläche des rohrförmigen Neutronenabsorers 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 Neutronenabsorbers 9 in einer Höhe, die etwa der Höhe der kritischen Anordnung entspricht. Ist dann dieses »Neutronenfenster« dem kritischen System 1 zugewandt, dann ist das Brennelement 5 dem stationären Neutronenfluß ausgesetzt. Wird der rohrförmige Neutronenabsorber dann um ca. 180" gedreht, so schiebt sich der mit neutronenabsorbierenden Stoffen gefüllte Bereich zwischen die kritische Anordnung 1 und uas Brennelement 5. Dafür ist das Brennelement 5 jetzt den Einwirkungen der kritischen Anordnung 2, d. h. dem in ihr erzeugten Neutronenpuls ausgesetzt. Anstelle der Drehbewegung des rohrförmigen Neutronenabsorbers ist selbstverständlich auch eine axiale Bewegung möglich. Der Neutronenabsorber ist dann mit zwei axial versetzt gegenüberliegenden »Neutronenfenstern« auszurüsten. Bezüglich der Kühlung des Brennelements 5 und der beiden kritischen Anordnungen gilt das gleiche wie bei Fig. I.

Hierzu I Wall

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erprobung von Brennelementen für Kernreaktoren, hei dem die Brennelemente einem ersten, zeitlich unveränderten Neutronenfeld eines Kernreaktors und kurzzeitig einem, verglichen mit dem ersten Neutronenfeld sehr viel stärkeren, zweiten Neutronenfeld ausgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Neutronenfeld von einem Pulskernreaktor erzeugt wird, der dem das erste Neutronenfeld erzeugenden Kernreaktor räumlich benachbart, aber bezüglich der Neutronenfelder von ihm getrennt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelemente in einem beide Kernreaktoren durchdringenden Bestrahlungskanal zwischen zwei Positionen verschoben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelemente ortsfest an einer Position zwischen den beiden Kernreaktoren angeordnet werden und daß die Position je nach Stellung eines beweglichen Neutronenabsorbers von den Neutronen des stationär betriebenen Kernreaktors oder von den Neutronen des PuIskernreaktors bestrahlt wird.