DE2150307A1 - Nuclear fuel assembly containing combustible poison - Google Patents
Nuclear fuel assembly containing combustible poisonInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine brennbares Gift enthaltende Kernbrennstoffkassette, und zwar auf eine Kernbrennstoffkassette mit mehreren Brennstäben, von denen jeder mindestens einen Kernbrennstoff in Form von Brennstoffta.bletten enthält.The present invention relates to a nuclear fuel assembly containing combustible poison, namely to a Nuclear fuel assembly with several fuel rods, one of which each contains at least one nuclear fuel in the form of fuel pellets.
Die Aufnahme brennbaren Giftes in die Brennstäbe einer Brennstoff kassette ist bereits bekannt. So wird beispielsweise ein brennbares Gift, wie Gd2O7, in sämtlichen Brennstoffkörpern zweier oder dreier Brennstäbe per Brennstoffkassette so homogen wie möglich aufgenommen. Die Gift enthaltenden Brennstäbe werden vollkommen schwarz bei thermischen Neutronen und der Formfaktor der Brennstoffkassette bekommt einen selir schlechten Wert. Selbstverständlich würde der Formfaktor verbessert werden, wenn alle Brennstäbe schwarz gemacht würden, was jedoch zu einer bedeutend reduzierten Leistungsabgabe führen würde und somit undenkbar ist. JiIs ist ferner bekannt, brennbaren Gift in Brennstäbe einzuführen, die einem SteuerstabThe inclusion of flammable poison in the fuel rods of a fuel assembly is already known. For example, a flammable poison such as Gd 2 O 7 is absorbed as homogeneously as possible in all fuel bodies of two or three fuel rods per fuel assembly. The fuel rods containing poison become completely black with thermal neutrons and the form factor of the fuel assembly becomes selir poor. Of course, the form factor would be improved if all the fuel rods were made black, but this would lead to a significantly reduced power output and is therefore unthinkable. JiIs are also known to introduce combustible poison into fuel rods, which is a control rod
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am nächsten liegen, um einem sogenannten "flux peaking" entgegenzuwirken (vgl. SW-AS 311 197, Niederlande 64 01633). Das Gift hat dabei die Form von verhältnismäßig großen Körnern, 150-200/um, die von einer Matrize aus Metall oder Grafit, A^O, oder SiOp> in Scheiben eingebettet werden. In den wenigen Brennstäben, die Giftscheiben enthalten, sind Scheiben. und Tabletten abwechselnd auf solche Weise gestapelt, daß zwischen zwei Giftscheiben ein oder zwei Brennstofftabletten liegen. Nachdem das Gift in einer Scheibe ausgebrannt ist, erfolgt auf beiden Seiten der Scheibe eine unerwünschte Zunahme der Leistungsdichte aufgrund der geringen Absorption der Scheibe. Diese Leistungsdichtenzunahme führt zu einer erhöhten Gefahr des Verbrennens der Hülle des Brennstabs, und zwar vor allem dann, wenn die Matrize aus Metall besteht und somit ein guter Wärmeleiter ist.are closest to counteract so-called "flux peaking" (see SW-AS 311 197, Netherlands 64 01 633). The poison is in the form of relatively large grains, 150-200 / µm by a die made of metal or graphite, A ^ O, or SiOp> be embedded in slices. There are disks in the few fuel rods that contain poison disks. and tablets alternately stacked in such a way that between two poison discs one or two fuel tablets lie. After the poison burns out in a disc, there is an undesirable increase on both sides of the disc the power density due to the low absorption of the disc. This power density increase leads to an increased Risk of burning the shell of the fuel rod, especially if the die is made of metal and thus is a good conductor of heat.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eben geschilderten Nachteile der bekannten mit brennbaren Gift versehenen Kernbrennstoffkassetten zu vermeiden.The present invention is based on the above-mentioned disadvantages of the known with combustible Avoid poison-tipped nuclear fuel assemblies.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung eine Kernbrennstoffkassette mit mehreren Brennstäben, von denen jeder mindestens einen Kernbrennstoff in Form von Brennstofftabletten enthält, vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß alle oder annähernd alle Brennstäbe außerdem mehrere Brennstoff-Gift-Scheiben mit kleinen Partikeln mindestens einesTo solve this problem, a nuclear fuel assembly is provided according to the invention with a plurality of fuel rods, each of which has at least one nuclear fuel in the form of fuel pellets contains, proposed, which is characterized in that all or almost all fuel rods also have several fuel-poison disks with small particles at least one
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brennbaren Giftes, dispergiert in einer Matrize aus Brennstoff, enthalten, wobei die Brennstoff-Gift-Scheiben abwechselnd mit Brennstofftabletten derart angeordnet sind, daß bei ein und demselben Brennstab der Abstand zwischen zwei benachbarten Brennstoff-Gift-Scheiben größer als ca 4 cm, aber kleiner als ca 20 cm ist, vorzugsweise 5-10 cm.Combustible poison, dispersed in a matrix of fuel, the fuel-poison discs alternating with Fuel tablets are arranged in such a way that the distance between two adjacent one and the same fuel rod Fuel poison discs larger than approx. 4 cm, but smaller than is about 20 cm, preferably 5-10 cm.
Ferner wird nach der Erfindung vorgeschlagen, daß bei einer Kernbrennstoffkassette, bei der der Brennstoff in der Matrize aus einem Oxyd besteht, auch das brennbare Gift aus einem Oxyd besteht, vorzugsweise aus der Lanthanidgruppe des periodischen Systems. Beispielsweise kommt das Gift GdJD^ in Betracht.Furthermore, it is proposed according to the invention that in a nuclear fuel cassette in which the fuel in the die consists of an oxide, the combustible poison also consists of an oxide, preferably from the lanthanide group of the periodic table. For example, the poison GdJD ^ comes into consideration.
Dadurch, daß Kernbrennstoff als Matrize für das brennbare Gift verwendet wird, erhält man keine Erhöhung des Oberflächenwärme flusses mitten vor den Scheiben. Außerdem nimmt die Brennstoffmenge in der Kassette· zu. Dadurch, daß außerdem alle oder annähernd alle Brennstäbe selbstabschirmende Brennstoff-Gift-Scheiben mit dem angegebenen Abstand zueinander enthalten, wird erreicht, daß teils der interne Formfaktor sehr gut wird, da das brennbare Gift gleichmäßig über die Brennstoffkassette verteilt ist, beinahe als wäre es homogen •in der ganzen Brennstoffmenge verteilt, teils daß das brennbare Gift auf solche Weise verteilt ist, daß es einen besonders vorteilhaften Verbrennungsverlauf bekommt. Eine weitere Verbesserung des Formfaktors erhält man, wenn die Brennstoff-Because nuclear fuel is used as a matrix for the combustible poison, there is no increase in the surface heat flow in the middle of the panes. Also takes the amount of fuel in the cassette. In that, in addition, all or almost all of the fuel rods are self-shielding fuel-poison disks with the specified distance to each other, it is achieved that partly the internal form factor becomes very good because the flammable poison is evenly distributed over the fuel assembly, almost as if it were homogeneous • Distributed in the whole amount of fuel, partly that the combustible Poison is distributed in such a way that it gets a particularly beneficial combustion process. Another Improvement of the form factor is obtained when the fuel
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Gift-Scheiben in einem Brennstab axial verschoben im Verhältnis zu den Brennstoff-Gift-Scheiben eines naheliegenden Brennstabes angeordnet werden. Leistungsformung in axialer Richtung durch axiale Differenzierung von brennbarem Gift in" Form von Scheiben ist leicht'auszuführen und zu kontrollieren.Poison disks in a fuel rod shifted axially in relation to the fuel-poison-disks of a nearby fuel rod. Power shaping in the axial direction axial differentiation of flammable poison in "form of disks is easy to perform and control.
Anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden.The invention is to be explained in more detail on the basis of the exemplary embodiment shown in the figures.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Mittelteil einer Brennstoffkassette nach der Erfindung.Fig. 1 shows a longitudinal section through a central part of a fuel assembly according to the invention.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie II-II der Brennstoffkassette nach Fig. 1.Fig. 2 shows a section along the line II-II of the fuel assembly according to Fig. 1.
Die gezeigte Brennstoffkassette ist für einen Leichtwasser-Siedereaktor vorgesehen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Brennstoffkassetten für solche Reaktoren begrenzt» Ihr Prinzip kann auch bei Brennstoffkassetten für Kernreaktoren anderer Art angewandt werden. Die Hauptteile der Brennstoffkassette sind ein Brennstabbündel 1 und ein Kasten 2. Das Brennstabbündel ist als ein frei herausnehmbarer loser Einsatz in dem Kasten ' angeordnet. Der Kasten 2 besteht aus einem Mantelrohr 3 mit im wesentlichen quadratischem Querschnitt, und einem nicht gezeigten Bodenteil, der am unteren Ende des Mantelrohres festgesetzt ist. Im Bodenteil geht der quadratische Querschnitt in einen runden, verkleinerten Querschnitt über. Das Mantelrohr 3 hatThe fuel assembly shown is for a light water boiler intended. However, the invention is not limited to fuel assemblies for such reactors »Your principle can also be applied to fuel assemblies for other types of nuclear reactors. The main parts of the fuel assembly are a fuel bundle 1 and a box 2. The fuel bundle is as a freely removable loose insert in the box ' arranged. The box 2 consists of a jacket tube 3 with a substantially square cross-section, and a not shown Bottom part, which is fixed at the lower end of the casing tube. In the bottom part, the square cross-section goes into one round, reduced cross-section over. The jacket pipe 3 has
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an seinem oberen Ende nicht gezeigte Hebeösen. Das Brennstabbündel 1 besteht aus mehreren Brennstäben 4, vorzugsweise in quadratischer Anzahl und angeordnet in einem im wesentlichen quadratischen Stabgitter, einer nicht gezeigten oberen Endplatte mit einem Handgriff und einer nicht gezeigten.unteren Endplatte, die die oberen und unteren Enden der Brennstäbe in den vorgesehenen Lagen halten, sowie einer Anzahl nicht gezeigter Abstandshalter, die die dazwischenliegenden Partien der Brennstäbe nachgebend in den vorgesehenen Lagen halten. Die untere Endplatte ist so ausgeformt, daß sie auf dem Bodenteil des Kastens ruht. Wenn der Bodenteil mit einem perforierten, quergehenden Stützboden versehen wird, an dessen Oberseite die unteren Enden der Brennstäbe anliegen können, kann die untere Endplatte durch einen Abstandshalter ersetzt werden. Die oberen Enden der Brennstäbe sollten dabei axial beweglich an der oberen Endplatte befestigt sein.lifting eyes not shown at its upper end. The fuel bundle 1 consists of several fuel rods 4, preferably in a square number and arranged in a substantially square bar lattice, a not shown upper end plate with a handle and a not shown.unteren End plates that hold the upper and lower ends of the fuel rods in their intended positions, as well as a number not shown Spacers, which hold the intermediate parts of the fuel rods yielding in the intended positions. the lower end plate is shaped so that it rests on the bottom part of the box. If the bottom part is covered with a perforated, transverse support base is provided, on the upper side of which the lower ends of the fuel rods can rest, the lower End plate can be replaced by a spacer. The upper ends of the fuel rods should be axially movable on the be attached to the upper end plate.
Jeder Brennstab 4 enthält mindestens einen Kernbrennstoff, z.B. UOp, in Form von Brennstofftabletten 5. Die Tabletten sind in einem Kapselrohr 6 aufeinandergestapelt, das an den Enden von nicht gezeigten Endpfropfen hermetisch verschlossen ist. Die Tablettensäule endet oben mit einer nicht gezeigten Scheibe aus Zirkoniumdioxyd. Im oberen Ende jedes Brennstabes ist ein nicht gezeigter Spaltgasraum mit einer Federschraube, die die Tablettensäule axial zusammenpreßt. Jeder Brennstab 4 enthält außerdem mehrere selbstabschirmende Brennstoff-Gift-Scheiben 7 mit kleinen Partikeln von mindestens einem brenn-Each fuel rod 4 contains at least one nuclear fuel, e.g. UOp, in the form of fuel tablets 5. The tablets are in a capsule tube 6 stacked on top of one another, which at the ends of end plug, not shown, is hermetically sealed. The pill column ends at the top with a disc, not shown made of zirconium dioxide. In the top of each fuel rod is a gap gas space, not shown, with a spring screw which axially compresses the tablet column. Each fuel rod 4 also contains several self-shielding fuel poison disks 7 with small particles of at least one combustible
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baren Gift, die in einer Brennstoffmatrize dispergiert sind. Die Matrize besteht zweckmäßigerweise aus UOp und das brennbare Gift aus einem Oxyd der Lanthanidgruppe des periodischen Systems. Das geeignetste Lanthanidoxyd ist Gd?0,, da dessen Abkömmlinge niedrige Absorptionsquerschnitte für thermische -Neutronen aufweisen. Die Brennstoff-Gift-Scheiben 7 sind. in die Säule aus Brennstofftabletten 5 auf solche Weise eingeordnet, daß der Abstand zwischen zwei benachbarten Scheiben größer ist als 4 cm, aber kleiner als ca 20 cm. Der Abstand beträgt zweckmäßigerweise 5-10 cm.poison dispersed in a fuel matrix. The matrix expediently consists of UOp and the flammable poison consists of an oxide of the lanthanide group of the periodic system. The most suitable lanthanide oxide is Gd ? 0 ,, since its descendants have low absorption cross-sections for thermal neutrons. The fuel poison disks 7 are. arranged in the column of fuel tablets 5 in such a way that the distance between two adjacent discs is greater than 4 cm, but less than about 20 cm. The distance is expediently 5-10 cm.
In einer bevorzugten Ausführungsform haben die Brennstoff-Gift-Scheiben 7 denselben Durchmesser wie die Brennstofftabletten 5, beispielsweise 10,6 mm. Während die Brennstofftabletten 5 eine Höhe von ca 15 mm haben, sind die Scheiben 7 sehr viel dünner und haben eine Höhe von ca 3 mm. Die Brennstoff-Gift-Scheiben bestehen aus einer festen Lösung von ca 10 /um großen Partikeln Gd2O-, in UO2. Die Giftmenge in jeder Scheibe 7 beträgt 25-100 mg GdpCU, zweckmäßigerweise ca 50 mg. Die Scheiben 7 und Tabletten sind so gestapelt, daß zwischen zwei benachbarten Scheiben 7 in ein und demselben Brennstab fünf oder sechs Tabletten 5 4*- mit der angegebenen Höhe liegen. Um den Formfaktor weiter zu verbessern, sind die Scheiben 7 eines Brennstabes im Verhältnis zu den Scheiben 7 eines benachbarten Brennstabes axial verschoben angeordnet, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist.In a preferred embodiment, the fuel / poison disks 7 have the same diameter as the fuel pellets 5, for example 10.6 mm. While the fuel tablets 5 have a height of approx. 15 mm, the disks 7 are much thinner and have a height of approx. 3 mm. The fuel-poison-disks consist of a solid solution of approx. 10 / µm-sized particles Gd 2 O-, in UO 2 . The amount of poison in each disc 7 is 25-100 mg GdpCU, expediently about 50 mg. The disks 7 and tablets are stacked in such a way that between two adjacent disks 7 in one and the same fuel rod there are five or six tablets 5 4 * - with the specified height. In order to further improve the form factor, the disks 7 of one fuel rod are arranged axially displaced in relation to the disks 7 of an adjacent fuel rod, as can be seen from FIG.
Obwohl es vorzuziehen ist, daß sämtliche Brennstäbe einer Brennstoffkassette brennbares Gift enthalten, ist dies nichtWhile it is preferable that all of the fuel rods in a fuel assembly contain combustible poison, it is not
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unbedingt, erforderlich..Man kann nämlich ein annähernd gleich gutes Resultat erzielen, wenn einige Brennstäbe aus irgendeinem Grund kein brennbares Gift enthalten. In der oben beschriebenen Brennstoff kassette sind alle Brennstäbe geometrisch identisch, eventuell mit Ausnahme der Endpfropfen. Hier liegt keine Schwierigkeit vor, brennbares Gift in alle Brennstäbe einzuführen. Es ist jedoch früher vorgeschlagen worden, daß die drei Brennstäbe, die jeder einzelnen der vier Ecken des Brennstoffkassettenquerschnittes am nächsten liegen, mit kleinerem Durchmesser ausgeführt werden als die übrigen Brennstäbe. Wenn diese schmäleren Brennstäbe mit Brennstoff-Gift-Scheiben versehen werden sollten, wäre es notwendig, zwei Scheibenserien mit verschiedenen Durchmessern herzustellen. Diese Komplikation wird dadurch vermieden, daß man darauf verzichtet, die schmalen Eckstäbe mit brennbarem Gift zu versehen.absolutely, necessary .. You can get a roughly equal good result if some fuel rods do not contain flammable poison for some reason. In the above described Fuel assembly, all fuel rods are geometrically identical, possibly with the exception of the end plug. There is no difficulty here in introducing flammable poison into all fuel rods. It however, it has previously been suggested that the three fuel rods forming each one of the four corners of the fuel assembly cross-section are closest, are made with a smaller diameter than the rest of the fuel rods. When these narrow Fuel rods should be provided with fuel-poison disks, it would be necessary to produce two series of discs with different diameters. This complication is avoided by that one refrains from providing the narrow corner bars with flammable poison.
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