DE2247685A1

DE2247685A1 - Kernbrennstoffanordnung

Info

Publication number: DE2247685A1
Application number: DE19722247685
Authority: DE
Inventors: Frederick Robert Channon; James Robert Fritz
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-09-30
Filing date: 1972-09-28
Publication date: 1973-04-05
Also published as: JPS5526437B2; FR2154753B1; DE2247685B2; BE789401A; CH551066A; JPS4841196A; NL7213247A; FR2154753A1; DE2265731C; IT967452B; DE2247685C3; GB1396767A; US3802995A; SE393212B

Description

Kernbrennstoffanordnung

Das Freisetzen hoher Energiemengen durch Kernspaltung ist weitgehend bekannt. Kurz gesagt absorbiert ein spaltbares Atom, wie z. B, U-233, U-235i Pu-239 oder Pu-24l ein Neutron und erleidet eine Kernspaltung, durch die Spaltprodukte mit geringerem Atomgewicht und hoher kinetischer Energie und mehrere Meutronen mitebenfalls hoher Energie erzeugt werden. Diese Energie wird als Wärme in den Brennstoffelementen des Reaktors dissipiert. Diese Wärme kann abgeführt werden, indem ein Kühlmittel zum Wärmeaustausch durch den Brennstoff hindurchgeleitet wird, und die Wärme kann aus dem Kühlmittel abgeleitet werden, um Nutzenergie zu liefern. Kernreaktoren sind z. B. von M.M.El-Wakil in "Nuclear Power Engineering" Mc Graw-Hill Book Company Inc., 1962 näher beschrieben worden.

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In einem bekannten Kernreaktortyp, wie er z. B. in der Dresden-Nuelear-Power-Station bei Chicago, Illinois verwendet wird, ist der Reaktorkern heterogen. Das.heißt, der Kernbrennstoff liegt in Form von langen umhüllten Stäben vor. Die Brennstoffstäbe oder -Elemente sind in Gruppen zusammengestellt und in röhrenförmigen Durchflußkanälen mit offenen Enden angebracht, um getrennte auswechselbare Brennstoffanordnungen oder -elnheiten in Form von Bündeln zu bilden. Eine hinreichende Anzähl von Brennstoffanordnungen ist in einer Matrix ungefähr in einem kreisförmigen Zylinder angeordnet, um den Kernreaktorkern zu bilden, der einer selbsterhaltenden Kernspaltung fähig ist. Der Kern ist in eine Flüssigkeit, wie-z. B. leichtes V/asser, eingetaucht, die sowohl als Kühlmittel als auch als Neutronenmoderator dient. Auf diese V/eise bildet die auswechselbare Brennstoffanordnung vom Standpunkt der Brennstoffbeschickung oder Wiederbeschickung des Reaktorkerns die ersetzbare Grunduntereinheit, des Reaktorkernes .

Eine typische Brennstoffanordnung wird z. B. durch eine Anordnung von 7x7 mit Abständen voneinander zwischen oberen und unteren Befestigungs- oder Halteplatten angeordneten Brennstoffstäben gebildet, wobei die Stäbe einige Meter (einig©*Fuß) lang sind, Durchmesser in der Größenordnung von 1 cm (1/2") besitzen und voneinander um den Bruchteil eines Zentimeters (1") entfernt sind. Um einen guten Durchfluß des Kühlmittels durch die Brennstoffstäbe zu gewährleisten, ist es wichtig, die Brennstoffetäbe in festen Abständen' voneinander zu halten und sie daran zu hindern, sich zu biegen und während des Reaktorbetriebs zu vibrieren. Zu diesem Zweck ist eine Vielzahl von Brennstoffstab-Abstandshaltern entlang der Länge der Brennstoffanordnung mit Abständen voneinander angeordnet. Derartige Abstandshalter werden z, B. in dem US-Patent 3 654 077 beschrieben.

Ein Problem bei der Konstruktion einer derartigen Brennstoffanordnung besteht darin, einen wirksamen, zweckentsprechenden AuT-

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bau zu schaffen, um die Brennstoffstab-Abstandshalter in ihren axialen, beabstandeten Lagen ohne die Verwendung von aufwendigen Strukturmaterialien zu halten. In einigen früheren Anordnungen ■ sind für diesen Zweck spezielle Bauteile vorgesehen worden. Es ist äußerst wichtig, die Menge der Bauteilmaterialien in einem Reaktorkern zu minimalisieren, weil derartige Materialien in unproduktiver Weise Neutronen einfangen und eine zusätzliche'Menge teuren Brennstoffes in dem Reaktorkern erforderlich machen, um diesen Neutronenverlust zu kompensieren. Daher ist es unerwünscht, ein Bauteil zu verwenden, dessen einziger Zweck es ist, die Abstandshalter festzuhalten. In anderen bekannten Anordnungen werden die Abstandshalter durch Eingreifen in Ösen oder dergleichen ah einem oder mehreren der-Brennstoff enthaltenden Stäbe axial festgehalten. Jedoch wirft die Verwendung eines brennstoffhaltigen Elementes zur Halterung des Abstandshalters Probleme in bezug auf die Hochtemperaturfestigkeit angesichts der Notwendigkeit auf, die Umhüllungsdicke in einem Brennstoffstab zu minimalisieren.

Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Halterung der Brennstoffstab-Abstandshalter zum Aufrechthalten ihrer Lage innerhalb einer Brennstoffanordnung zu schaffen. ' "

Um eine Brennstoffzyklusperiode von vernünftiger Dauer zu'liefern, wird der Reaktorkern mit überschüssigem Brennstoff beladen, der einen anfänglichen überschuss an Reaktivität liefert, die durch ein System aus neutronenäbsorbierenden Materialien oder Reaktorgiften gesteuert werden muß. Typischerweise schließt das Steuersystem mechanische Steuerung in Form einer Mehrzahl selektiv betätigbarer, Reaktorgift enthaltender Steuerstäbe ein, die in den Kern hineingefahren und aus diesem herausgezogen werden können, wenn es erforderlich ist, Es kann ebenfalls ein System aus festem, brennbarem Reaktorgift, das mit dem Brennstoff gemischt ist oder in anderer Weise in dem Kern enthalten istjVerv;endet v/erden. ·

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BAD ORIGiNAt

Kernreaktorbrennstoff enthält normalerweise zusätzlich zu den oben genannten spaltbaren Atomen brütbare Atome. Zum Beispiel besteht ein üblicherweise verwendeter Brennstoff aus Urandioxyd (UO₂), in dem etwa 2 bis "5% der Uranatome U-235-Atome sind, die in einem thermischen Neutronenfluß spaltbar sind, während die verbleibenden Uranatome die brütbaren Isotope U-238 sind, die in einem.Fluß thermischer Neutronen nur in unbeträchtlichem Ausmaß spaltbar sind. Im Lauf der Betriebszeit des Reaktors werden die .spaltbaren Atome (U-235) graduell aufgebraucht und ein Teil der brütbaren·. Atome (U-238) werden in ein spaltbares Plutoniumisotop (Pu-239) umgewandelt. Die Konzentration von Pu-239 Wächst graduell an und erreicht einen Gleichgewichtswert. Da die Pu-239-Atome durch thermische Neutronen spaltbar sind, tragen sie zum Aufrechterhalten der Kettenspaltreaktion bei.

Jedoch ist in einem thermischen Reaktor (einem Reaktor, bei dem ■der größte Teil der Spaltprozesse von Neutronen im thermischen Energiebereich herrührt) die Erzeugungsrate für spaltbare Atome geringer als die Rate des Verbrauchs an spaltbaren Atomen. Weiterhin sind einige der Spaltprodukte Neutronenabsorber oder Reaktorgifte. Auf diese Weise werden beim Betrieb des Reaktors spaltbare Atome aufgebraucht, Reaktorgifte aufgebaut und· eventuell muß ein Teil des erschöpften Brennstoffes entfernt und durch neuen Brennstoff ersetzt werden.

Der erschöpfte öder bestrahlte, aus dem Reaktor entfernte Brennstoff enthält zusätzlich zu einer kostbaren Menge der ursprünglichen spaltbaren und brütbaren Materialien eine signifikante Menge Plutonium, einschließlich des spaltbaren Pu-239 und Pu-241 und des brütbaren Pu-2'IO. Derartiger erschöpfter Brennstoff kann wieder aufgearbeitet werden, um Uran und Plutonium zu trennen und wieder zujgewinnen. Es ist wünschenswert ,derartigen Plutoniumbrennstoff beim VJiederbeschicken des Reaktors und/oder beim anfänglichen Beschicken anderer Reaktoren su verwenden.

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Die Verwendung von Plutoniumbrennstoff in einem Reaktorkern, der ursprünglich für die Verwendung von Uranbrennstoff ausgelegt war, erfordere auf Grund der Unterschiede in den -Kerncharakteristiken der beiden Brennstoffe sorgfältige Betrachtung der Unterschiede in der Reaktorleistungsfähigkeit. Z. B. sind die. thermischen Neutroneneinfang- und die Spaltstoßquerschnitte der spaltbaren Plutoniumisotope Pu-239 und Pu-2ⁱi.l größer als die des spaltbaren Urans ü-235. He spaltbaren Nuklide Pu-239 und Pu-24l besitzen große Keutronenstoßquerschnittresonanzen bei etwa 0,3 Elektronen-Volt. Das Verhältnis der Wahrscheinlichkeit, daß ein Neutron parasitär, in Pu-239, und Ρυ-24ΐ eingefangen wird, zu der Wahrscheinlichkeit, daß ein Neutron eine Spaltreaktion in diesen Isotopen auslöst, wächst für Neutronen mit Energien nahe dieser Resonanzenergien beträchtlich an. Für thermische Energien unterhalb der 0,3 Elektronen-Volt-Resonanzenergien fällt das Einfang-Spaltungs-Verhältnis ab. Ebenso weist das brütbare Isotop Pu-240 einen großen Einfangquerschnitt für Neutronen mit Energien nahe 1 Elektronen-Volt auf. Aus diesen Gründen wird der nukleare und der wirtschaftliche Wirkungsgrad verbessert, wenn das Plutonium in Gebieten mit niedriger thermischer Neutronen-Energie angeordnet wird.

Vorteilhafte Anordnungen zur Verwendung von Plutoniumbrennstoff, insbesondere in einem thermischen Reaktorkern, der .ursprünglich . für die Verwendung von Uranbrennstoff ausgelegt war, werden in dem Britischen Patent 1 241 ^l56 beschrieben.

Wie in dieser Patentanmeldung offenbart ist, wird'Plutoniumbrenns.toff nicht in allen Brennstoffelementen der Brennstoffanordnung verwendet, um die Herstellungskosten für das hochgiftige Plutonium zu verringern. In einer offenbarten Ausführungsform wird der Plutoniumbrennstoff in den äußeren oder Ümfangbrennsto-ffelementen, die an die zwischen den Brennstoffanordnungen befindlichen, mit V/asser gefüllten Zwischenräume angrenzen und daher in Zonen höchster Neutronenmoderation und geringster thermischer Neutronenenergie angeordnet. Diese Anordnung minimalisiert das Neu-

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troneneinfangs-/-Spaltungs-Verhältnis zum Zwecke eines verbesserten Wirkungsgrades. In einer anderen offenbarten Ausführungsform wird der Plutoniumbrennstoff in einer zentralen Gruppe oder An-,häufung von Brennstoffelementen angeordnet, die von Uranbrennstoff in den Unfangsbrennstoffelementen umgeben ist. Diese -Anordnung liefert eine vergrößerte thermische Leistungsfähigkeit und vermindert Fehlarpassungen verschiedener Brennstoffanordnungen untereinander. Wenn Plutoniumbrennst'off in einer derartigen Mittelanhäufung verwendet wird, ist es wünschenswert,' die Neutronenmoderation darin zu vergrößern, da Plutonium wegen der energieabhängigen Charakteristiken der Plutoniumstoßquerschnitte bei einem weicheren (geringere Energie) Neutronenspektrum besser zur .Wirkung kommt.

Daher ist es ein weiteres Ziel der Erfindung, eine verbesserte Anordnung zur Verwendung von Plutoniumbrennstoff in einem thermischen Reaktor zu schaffen. " ·

Ferner ist.es ein Ziel, die Neutronenmoderation in dem inneren Bereich einer Brennstoffanordnung zu erhöhen.

Und weiterhin soll der Plutoniumbrennstoff in dem inneren Bereich einer Brennstoffanordnung wirksamer ausgenutzt werden.

Diese Ziele und weitere Vorteile der Erfindung v/erden erfindungsgemäß durch die Schaffung einer Brennstoffanordnung erreicht, bei der eine erste Gruppe von Ausgangsplutoniumbrennstoff enthaltenden Brennstoffelementen in einem zentralen oder inneren Bereich angehäuft werden, während eine zweite Gruppe Uranbrennstoff enthaltender Brennstoffelemente, in denen keine bedeutende Menge Ausgangsplutoniumbrennstoff vorhanden ist, den äußeren oder Umfangsbereich der Brennstoffanordnung einnimmt, und bei der diese Gruppen mit einer oder mehreren Moderator oder Wasser enthaltenden Röhren kombiniert sind, die in dem inneren Bereich innerhalb der Anhäufung aus Plutonium enthaltenden Brennstoffelementen angeordnet sind, um die Neutronenmoderation zu erhöhen und das Ener-

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ffi der thermischen Neutronen in diesem Bereich abzusenken. Um eine verbesserte Anordnung zu schaffen, um die Brennstoffelement-Abstandshalter in ihrer Lage zu halten, wird, eine Wasserröhre mit ösen oder dergleichen ausgebildet, in die die Abstandshalter eingreifen und die eine axiale Verschiebung der Abstandshalter verhindern.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Kernspaltungs-reaktors; · "

Fi₁];. 2 ist' eine Draufsicht auf den Reaktorkern;

Fig. 3 ist .eine jongitudinale Schnittansicht einer Brennstoff anordnung ;

Fig. 4 ist eine schematische Draufsicht auf eine erste dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffanordnung;

Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit der Stoßquerschnitte.von Gadolinium und Uran und Plutoniumisotopen von der thermischen Energie; . .

Fig. 6 ist eine schematische Draufsicht auf eine zweite dargestellte Aueführungsform einer erfindungsgemäßen Brenn-. " stoff anordnung;

Fig. 7 ist eine schematische Draufsicht auf eine dritte dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffanordnung;

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Fig. 8 1st eine Vertikalschnittansicht einer Moderator- und Abstandshalter-Halterungsröhre gemäß der Erfindung teilweise "im Schnitt;

Figuren 9, 10 und 11 sind Detailansichten (Figuren 9 und 10 in Draufsicht und Figur 11 in Vertikalansicht), die das Eingreifen der Abstandshalter-Halterungsröhre In einen 'Brennstoffstab-Abstandshalter darstellen, und Figur 12 zeigt eine alternative Form einer Abstandshalter-Halterüngsöse.

Die Erfindung ist im folgenden in Verbindung mit einem Siedewasserreaktor -beschrieben, von dem eine beispielsweise Ausführungsform schematisch in Figur 1 dargestellt ist. Ein derartiger Reaktor enthält ein Druckgefäß 10, in dem der Reaktorkern 11 angeordnet ist, der aus einer Anordnung von beabstandeten Brennstoffanordnungen oder -einheiten besteht, die in eine Moderator-Kühlflüssigkeit, wie z. B. leichtes Wasser, eintauchen und von der Ummantelung 12 umgeben sind. Eine Vielzahl von Kontroll- oder Steuerstäben 13 (dargestellt durch gestrichelte Linien) mit kreuzförmigem Querschnitt (vgl. Figur 2), die neutronenabsorbierendes Material enthalten, sind selektiv durch Antriebsmittel 14 zur mechanischen Steuerung der Reaktivität des Reaktorkerns in Zwischenräume zwischen den Brennstoffanordnungen einfahrbar.

Eine Pumpe 16 wälzt das Kühlmittel durch den Reaktorkern 11, indem sie Kühlmittel aus dem ringförmigen Raum um die Ummantelung 12 entnimmt und ein Vorratsgefäß 15 unter Druck setzt, wodurch das Kühlmittel nach oben durch die Brennstoffanordnungen des Reakto.rkerns zu fHessen gezwungen wird. Das Kühlmittel führt Wärme von den Brennstoffelementen ab, wobei ein Teil des Kühlwassers in Dampf umgewandelt wird. Der auf diese Weise erzeugte Dampf wird einer Turbine 17 zugeführt, die einen elektrischen Generator l8 antreibt. Abdampf wird kondensiert und wieder dem Druckgefäß 10 mittels einer Speisewasserpumpe 19 zugeführt.

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Figur 2 ist eine Draufsicht auf den Reaktorkern 11. Der Reaktorkern 11 wird aus einer Vielzahl von Brennstoffeinheiten oder -Anordnungen 20 gebildet, die zu Gruppen von jeweils vier einen Steuerstab 13 umgebende Einheiten zusammengestellt sind. Zwischen den Gruppen der Brennstoffanordnungen sind schmale Spalte (N) vorgesehen, vrährend weitere Spalte (W) zwischen den Brennstoffanordnungen jeder Gruppe vorgesehen sind, um die kreuzförmigen Steuerstäbe 13 aufzunehmen. Wie .im vorstehenden erwähnt wurde, ist der Reaktorkern 11 in Wasser eingetaucht, das in der Ummantelung 12 enthalten ist. Auf diese V/eise sind der Zwischenraum um den Reaktorkern und die Zwischenräume in den Spalten N und W mit Wasser gefüllt. Jede der Brennstoffanordnungen 20 ist getrennt für sich aus dem Reaktorkern entfernbar. In einem typischen Wiederbeschickungsbetrieb wird etwa 1/4 der Brennstoffanordnungen ersetzt, z. B. jeweils eine Brennstoffanordnung einer jeden aus vier Brennstoffanordnungen bestehenden Gruppe.

In der Vertikalschnittansicht in Figur 3 ist eine Brennstoffanordnung 20 dargestellt. Die BrennstoffanOrdnung 20 umfaßt eine Mehrzahl von Brennstoffelementen oder -Stäben 21, die von einer ein Gestell bildenden oberen Halteplatte 22 und einer ein Gestell bildenden unteren Halteplatte 23 getragen werden. Die Brennstoffstäbe 21 reichen durch eine Vielzahl von Brennstoffstab-Abstandshaltern 24, die eine Zwischenhalterung liefern, um die langen Stäbe in Abständen voneinander zu halten und sie an seitlichen Vibrationen zu hindern.

Jeder Brennstoffstab 21 wird aus einer langen Hülse gebildet, die spaltbaren Brennstoff und andere Materialien, wie Brutstoff, brennbares Reaktorgift, inertes Material oder dergleichen enthält, die in der Hülse durch obere und untere Endplatten 26 und 27 fest eingeschlossen sind. An die unteren Endplatten 27 ist jeweils ein Stift zur Registrierung und zur Halterung in Halteböhrungen 29 ₃ die in der unteren Halteplatte 23· ausgebildet sind, angeformt. Die oberen Endplatten 26 sind mit Ansätzen 28 versehen, die in

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die Haitebohrungen 31 in der oberen Halteplatte 22 passen.

Verschiedene Haltebohrungen 29 (z.'D. einige aus den Kanten- oder Umfangsbohrungen) in der unteren Halteplatte 23 sind mit Gewinden .versehen, um Brennstoffstäbe mit Gewinden versehenen Endplatten 27' aufzunehmen. Die Ansätze 28' der oberen Endplatten 26' dieser gleichen Brennstoffstäbe sind verlängert, um durch die Bohrungen in der oberen Halteplatte 22 hindurchzugreifen, und sie sind mit Gewinden versehen, um Haltemuttern 32 aufzunehmen. Auf diese Weise sind die obere und untere Halteplatte sowie die Brennstoffstäbe zu einem einheitlichen Gesamtgestell zusammengefügt.

Die Brennstoffanordnung 20 enthält weiterhin einen dünnwandigen röhrenförmigen Durchflußkanal 33 mit im wesentlichen quadratischem Querschnitt, der so geformt ist, daß er eine gleitende Passung über die oberen und unteren Halteplatten 22 und 23 und die Abstandshalter 24 liefert, so daß der Kanal 33 leicht montiert und entfernt werden kann. An dem oberen Ende des Durchflußkanals 33 ist eine Planscheibe 34 befestigt, durch die der Kanal an einem Ständer 36 der oberen Halteplatte 22 mittels eines Bolzens 37 befestigt ist.

Die untere Halteplatte 23 ist mit einem Nasenstück 38 versehen, das zum Tragen der Brennstoffanordnung 20 in einer Konushülle in einer (nicht dargestellten) Reaktorkerngrundplatte in dem Reaktordruckgefäß angepaßt ist. Das Ende dieses Nasenstückes ist mit öffnungen 39 versehen, um das unter Druck stehende Kühlmittel vom Vorratsgefäß 15 (Figur 1) aufzunehmen, so daß es zwischen den Brennstoffstäben nach oben fließt.

Eine Ausführungsform der Brennstoffanordnung 20 ist in schematischer Draufsicht in Figur 4 dargestellt. In Übereinstimmung mit einem Gedanken der Erfindung enthält eine Vielzahl von Brennstoffstäben 21(1)(mit Pu bezeichnet) spaltbaren Ausgangsplutoniumbrennstoff, und diese Brennstoffstäbe sind in einer Anhäu-

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fung oder Gruppe auf den inneren.Brennstoffstabplätzen der Brennstoff anordnung angeordnet. Die Brennstoffstäbe 21(1) sind von einer Mehrzahl von Brennstoffstäben 21(2) (mit U bezeichnet) umgeben, die spaltbaren Ausgangsuranbrennstoff enthalten, der frei von merklichen Mengen Ausgangsplutonium ist, und diese Brennstoffstäbe sind auf den äußeren Brennstoffstabplätzen der Brennstoffanordnung angeordnet. Wie in der im vorstehenden bereits erwähnten Patentanmeldung Serial-Nr .48 .875jbeschrieben ist, erhöht diese Anordnung die thermische Leistungsfähigkeit/vermeidet Probleme der PaIschanpassung von Brennstoffanordnungen untereinander. Auch werden die Kosten der Plutoniumherstellung minimalisiert, weil Plutonuimbrennstoff nicht in allen Brennstoffstäben enthalten ist.

Jedoch folgt aus Figur 2, daß die Brennstoffanordnungen durch eine relativ große Menge an relativ kaltem Wasser-Moderator in den Spalten W und N umgeben sind. Auf diese Weise sind die äußeren Brennstoffstäbe einem relativ weichen Neutronenspektrum (Neutronen mit relativ niedriger thermischer Energie) ausgesetzt, wohingegen die Brennstoffstäbe in dem inneren heißeren und weniger moderierten Bereich der Brennstoffanordnung einem relativ harten (höhere Energie) Neutronenspektrum ausgesetzt sind. Es ist gefunden worden, daß der Wirkungsgrad der Energieerzeugung aus Anfangsplutoniumbrennstoff in einer zentralen Anhäufung, wie sie in Figur 4 gezeigt ist, durch das Vorsehen einer höheren Neutronenmoderation, in diesem Bereich merklich erhöht wird.

Daher wird in Übereinstimmung mit einem anderen Gedanken der Erfindung ein Brennstoffstab auf einem zentralen Brennstoffstab- ■ platz innerhalb der Anhäufung mit Plutoniumbrennstoff versehener Stäbe 21(1) durch eine Wasserröhre 41 (mit Wt bezeichnet) ersetzt. Unter "innerhalb" der Anhäufung wird verstanden, daß die Wasserröhre an allen vier Seiten von mit Plutoniumbrennstoff versehenen ätäben umgeben ist, wie es in den Figuren 4, 6 und 7 gezeigt ist.

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Wie unten noch näher beschrieben wird, ist die Wasserröhre 41 einem Brennstoffstab ähnlich mit der Ausnahme, daß sie keinen Brennsfroff enthält und geöffnet ist, damit Kühlwasser-Moderator durch sie hindurchfließen kann. Die auf diese Weise durch die Wasserrohre 41 erhöhte Neutronenmoderation ergibt ein kühleres Neutronenspektrum für die mit Plutoniumbrennstoff versehenen Stäbe 21(1), um den Vorteil des verringerten Einfangs-/Spaltungs-Verhältnisses in Pu-239 und Pu-241 und den verringerten Neutroneneinfang in dem brütbaren Plutonium Pu-240 (wie in Figur 5 dargestellt ist) auszunutzen. Es wurde gefunden, daß die Verwendung einer Wasserröhre innerhalb der Plutoniumbrennstoffanhäufung die' Menge des spaltbaren Plutoniums, das für eint gegebene Ausgangsenergie erforderlich ist, über die Lebensdauer des Brennstoffes um 2% verringert. Vorteilhafterweise kann das Plutonium in den Brennstäben 21(1) mit natürlichem oder erschöpftem Uran gemischt v/erden. ■".

Abänderungen der in Figur 4 gezeigten Grundanordnung sind in den Figuren 6 und 7 dargestellt. Figur 6 zeigt eine Brennstoffeinheit 20(1), in der eine Anhäufung aus mit Plutoniumbrennstoff versehenen Brennstäben 21(1) auf den inneren Brennstoffstabplätzen um die zentrale Wasserrohre 41 angeordnet sind. Die Plutoniumanhäufung ist vorteilhafterweise aus der Mitte der Brennstoffeinordnung entlang der Diagonalen der Brennstoffanordnung in der von dem Einfluß des Steuerstabes 13 fortführenden Richtung.herausgesetzt'. In der in Figur 6 dargestellten Anhäufung ist eine Vielzahl von Brennstäben 21(3) enthalten, die Uranbrennstoff mit dem brennbaren Reaktorgift wie Gadolinium, Samarium Oder dergleichen gemischt enthalten, um überschüssige Reaktivität zu steuern, wie z. B. in der

In Fig. 7 ist eine Brennstoffanordnung 20(2) dargestellt, in der eine Anhäufung aus mit Plutoniumbrennstoff versehenen Stäben

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21(1) aif den inneren Brennstoffstabplätzen um die mittlere Wasserrohre 41 und eine ähnliche zweite Wasserröhre 4 2 angeordnet Ist. Diese Anordnung ist nützlich, v/enn größere Moderation in der Plutoniumanhäufung, als durch eine einzige Wasserröhre erreicht werden kann, gewünscht wird. Ebenso ist in Figur 7 die Verwendung von brennbarem Reaktorgift (BP) in einer Vielzahl von mit Plutonium versehenen Stäben 21(4) dargestellt.

Wie bereits im vorstehenden erwähnt worden ist, stellt es ein Problem beim Auslegen einer Brennstoffanordnung dar, brauchbare wirksame Mittel zum Festhalten der Brennstoffstab-Abstandshalter 24 in ihren beabstandeten Lagen ohne die Verwendung von speziellen Bauteilen und ohne Kompromisse im Betrieb oder für die Leistungsfähigkeit anderer Elemente der Brennstoffanordnung liefern. (Zum Beispiel ist eine offensichtliche Möglichkeit die, die Abstandshalter 24 an dem Durchflußkanal 33 zu befestigen. Dieses würde jedoch die Fähigkeit^ den Kanal schnell aus der Brennstoffanordnung entfernen zu können, vernichten).

Auf diese Weise vrird in Übereinstimmung mit einem anderen Erfindungsgedanken eine der Wasserrohren, zum Beispiel die Wasserröhre 41, mit Mitteln zum Aufnehmen und Festhalten der Brennstoffstab-Abstandshalter 24 ausgebildet. Details der Wasserröhren-Äbstandshalterhalterungsanordnung·sind in den Figuren 8 bis 11 unter gleichzeitiger Bezugnahme auf die Brennstoffanordnungsdarstellung der Fig'ur 3 angegeben. Eine Ausfuhrungsform der Abstandshalter-Halterungs-Wasserröhre 4l ist in Figur 8 in Vertikalansicht gezeigt. Sie enthält eine kontinuierliche oder nicht segmentierte lange Röhre 43, die aus einem Material hergestellt ist, das für die Verwendung in einem Reaktorkern geeignet i.,t, wie z. B. Edelstahl oder Zirkon. An dem unteren Ende der Röhre 43 ist eine untere Endplatte 44 befestigt. Die untere Endplatte 44 int mit einer Verlängerung 46 versahen, die z. B. einen quadratischen Querschnitt besitzt. Die Verlängerung 46 ir.t dem Einpasser, in eine spezielle Aussparung 29(1) mit der richtigen Gegen-

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form in tier unteren Halteplatte 23 (Figur 3) angepaßt, um ein Drehen der V/asserröhre 41 nach den Einsetzen in ihre Lage zu verhindern. Die untere Endplatte 44 und ihre Verlängerung 46 können mit einen zentralen Durchgang 47 versehen sein, um Kühlmittel von dem Nasenstück 3B aufzunehmen.

An dem oberen Ende der Röhre 4 3 ist eine obere Endplatte 48· mit einer Verlängerung 49 zum Einpassen in eine Halterungs-Aussparung 31 der oberen Halteplatte 22 befestigt. Eine zentrale Bohrung 51 reicht durch die Endplatte 48 und die Verlängerung 49, um einen Ausgang für den Kühlmittel-Moderatorfluß durch Röhre 43 zu liefern.

Die Röhre 43 kann ebenfalls mit einer Vielzahl von Kühlmitteleinlaßlöchern 52 nahe dem unteren Teil der Röhre 4 3 und einer Vielzahl von. Kühlmittelauslaßlöchern 53 in dem oberen Teil der Röhre 43 versehen sein. Die Auslaßlöcher 53 können in Zahl und/oder Größe abgestuft sein, so daß ein wesentlicher Teil des relativ kalten Kühlmittels in Röhre 4 3 aus dieser mit einer gewünschten Hochförderung in der Brennstoffanordnung ausströmen kann, um Kühlung und Moderation der der Hochförderung benachbarten Brennstoffelemente, z. B. in der oberen Hälfte des Brennstoffbündels, zu erhöhen.

Gemäß der Erfindung sind an der Wasserröhre 4 3 eine Vielzahl von radial verlaufenden, axial mit Abständen voneinander angebrachten Leitbleche oder Aufhängeansä'tze 54 angeformt, von denen jeder zum Eingreifen in einen entsprechenden Brennstoffstab-Abstandsh'alter 24 angepasst ist und durch die die Abstandshalter 24 in festen axialen Lagen gehalten werden. Diese in die Abstandshalter eingreifenden Aufhängeansätze 54 können an der Röhre 43 z. B. durch Schweissen befestigt sein.

Das Einfügen der Abstandi;halter*-iI;..l£erungö-WasGerröhre 41 ir. el Le Brennstoff anordnung und da;; Eingreifen der Abstandshalter 24 !.;t

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in den Figuren 9 bis 11 dargestellt. Aus oberen und unteren Verriegelungs-Trennstangen 56(1), 56(2), 57(1) und 57(2) wird ein Röhrendurchgang 55 durch die Abstandshalter 24 gebildet, wie es näher in der oben genannten US-Patentanmeldung Nr. 802=.326 daifpstellt und beschrieben ist. Eine Feder 58 übt eine seitliche Kraft auf die Wasserröhre 4l aus und zwingt sie zum seitlichen Anschlag an einem Paar fester Glieder 59 und 61. Die Wasserröhre 4l wird in den Durchgang 55 so eingesetzt, wie es in Figur 9 gezeigt ist, daß sich die Aufhängeansätze 54 entlang· der Diagonalen des Durchgangs 55 in Richtung auf die Ecke zwischen dem festen Glied 61 und der Feder 58 erstrecken, bis sich die Aufhängeansätze 54 in einer axialen Stellung zwischen den oberen und unteren Trennstangen des Abstandshalters befinden. Die Wasserröhre 4l wird dann um 45° im entgegengesetzten Uhrzeigersinn gedreht, wie es in Figur 10 gezeigt ist, um die Aufhängeansätze 54 zwischen die oberen und unteren Trennstangen 56(1) und 56(2) zu bringen, wie in Figur 11 gezeigt ist. Um eine weitere Drehung der Viasserröhre 4l zu verhindern, ist die Verlängerung 46 der unteren Endplatte 44, wie oben gesagt, mit einem quadratischen Querschnitt ausgebildet. V.'enn nun die Abstandshalter 24 von den Aufhängeansätzen 54 festgehalten werden, werden die stabförmige Wasserröhre 41 und die Abstandshalter nach unten bewegt, wobei die Verlängerung 46 in die angepasste Konushülle oder Aussparung 29(1) der unteren Halteplatte 23 (Figur 3) eingreift.

Eine alternative Form des Abstandshalter-Halterungs-Aufhängeansatzes ist in.Figur 12 dargestellt, bei der ein Ansatz oder Stift 62 in gegenüberliegenden Löchern in die Hülse 43 der Wasserröhre 41 derart eingeschweißt ist, daß sich der Stift 62 zwischen Abstandohalterstangen"56'(1) und 56'(2) erstreckt, um auf diese Weise so in den Abstandshalter 24 einzugreifen, daß dessen axiale Verrückung verhindert wird.

Die. oben beschriebene Kombination besitzt eine Reihe hervorragender Vorteile. Die Wasserröhre (oder die Viasserröhren) liefern

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erhöhte Neutronenmoderation in der Plutoniumbrennstoffanhäufung, um die Leistungsfähigkeit des Plutoniumbrennstoffes zu vergrößern. Die Abs~tandshalter^Halterungs-Wasserröhre 41 besitzt die zweifache Funktion, erhöhte Moderation in dem zentralen Bereich der Brennstoffanordnung zu liefern und die Abstandshalter 24 in axialer Stellung zu halten, wobei die Notwendigkeit für zusaätzliche spezielle, die Abstandshalter haltende Bauteile entfällt und die Probleme, einen mit Brennstoff versehenen Stab zum Haltern der Abstandshalter zu verwenden, entfallen.

Die folgende Tabelle zeigt Anfangsparameter der Ausftihrungsform einer erflndungsgemäßen Brennstoff anordnung, die in Figur. 6 dargestellt 1st, als Beispiel.

Brennstoffanordnung 20(1)

Anzahl der Brennstoffstabplätze Anzahl mit Brennstoff versehener Stäbe Anzahl der Wasserröhren
Anzahl der mit Plutoniumbrennstoff versehenen Stäbe 21(1)

Mittlerer Gehalt an spaltbarem Pu Mittlerer Gehalt an natürlichem U

Anzahl der mit Uranbrennstoff versehenen Stäbe 21(2) "

Mittlerer Gehalt an spaltbarem Pu Mittlerer Gehalt an spaltbarem U Anzahl der vergifteten Brennstoffstäbe 21(3)

Mittlerer Gehalt an spaltbarem Pu Mittlerer Gehalt an spaltbarem U Mittlerer Gd-Gehalt

10

2,8	Gew	Gew	Gew	.-%
96,2	Gew		Gew	.-%
33		keiner
keiner	2,9
2,5	2,0	. -/»
5

.-Jt

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Claims

Patentansprüche

(l.1 Brennstoffanordnung zur.Verwendung zusammen mit einer Vielzahl von Brennstoffanordnungen und einem Neutronenmoderator in einem Kernreaktorkern₃ bei der die Brennstoffanordnung eine Vielzahl langer Brennstoffelemente enthält, die mit Abständen in cer Anordnung zusammengefügt sind, gekennzeichnet durch Brennstoffelemente (21), die in einer Vielzahl von Gruppen angeordnet sind, die eine erste Gruppe (Pu), die spaltbares Ausgangsplutonium enthält, und eine zweite Gruppe (U), die anfänglich angereichertes spaltbares, von merklichen Mengen Ausgangsplutonium freies Uran enthält, umfassen eine sich kontinuierlich erstreckende hohle Röhre (4l), die innerhalb des Bereiches der ersten Gruppe von Brennstoffelementen (Pu) angeordnet ist; Mittel (47, 52) zum Einleiten des Moderatorflusses in die Röhre (41); Mittel (51, 53) zum Entladen des Moderators aus dieser Röhre (4l); eine Vielzahl von axial beabstandeten Brennstoffelement-Abstandshaltern (56, 57) zum seitlichen Haltern der Brennstoffelemente (21), wobei die Abstandshalter-Halterungsmittel (54, 62) fest mit der Röhre (4l) verbunden sind und in die Abstandshalter (56 _s 57) eingreifen, um wesentliche axiale Verschiebung der Abstandshalter (56, 57) zu verhindern.
2. Brennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge-

k e. η η ζ e ,i c h η e t, daß die Röhre (4l) im wesentlichen denselben'äußeren Durchmesser wie die Brennstoffelemente (21) besitzt.
3. Brennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Entladen des Moderators..aus der Röhre. (4l) aus Löchern (53) in der oberen Half-te d^r' Röhre bestehen.

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4. Brennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter-Halterungsmittel aus einer Vielzahl axial voneinander beabstandeter Aufhänge an sät ze (54, 62), die fest mit der Röhre (41) verbunden sind und in die Abstandshalter (56, 57) eingreifen, bestehen.
5. Brennstoffanordnung nach Anspruch 4, dadurch g eke nnzeichnet, daß die Röhre (41) zum Ausklinken der Aufhängeansiitze (54, 62) aus den Abstandshaltern (56, 57) drehbar ist.
6. Brennstoffanordnung nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß ferner Mittel (29(1), 46) zur Verhinderung des Drehens der Röhre (41) vorhanden sind.
7. Brennstoffanordnung, die eine Vielzahl von Kernbrennstoffelementen und Halterungsmittel,, die eine Vielzahl von Halterungsstellungen zum Haltern der Brennstoffelemente in beabstandeter Anordnung schaffen, umfaßt, gekennzeichnet durch eine sich kontinuierlich erstreckende hohle Röhre (41), die in einer dieser Halterungsstellungen gehaltert ist; Mittel (47, 52) zum Einleiten eines Flusses eines Neutronenmoderators in die Röhre (41); Mittel (51, 53) zum Entladen des Moderators aus dieser Röhre (41); eine Vielzahl'von axial mit Abständen angeordneten Abstandshaltern (56, 57). zum seitlichen Stützen der Brennstoffelemente (21) und de:· Röhre (41) und Abstandshalter-Halterungsmittel (54, 62), die fest an der Röhre (41) angebracht sind und in die Abstandshalter (56, 57) ein-

," greifen, um wesentliche axiale Verlagerung der Abstandshalter (56, 57) zu verhindern.
8. Brennstoffanordnung nach Anspruch 7, dadurch geke.nnzeichnet, daß die Röhre (41) im wesentlichen denselben äußeren Durchmesser wie die Brennstoffelemente (21) besitzt. .j,

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9. Brennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch gek e η η ζ e ± e h ne t, daß die Mittel zum Entladen des Moderators aus der Röhre aus Löchern (53) in der oberen Halfte der Röhre (¹Il) bestehen.
10. Brennstoffanordnung nach Anspruch 7, bei der die Abstandshalter-Halterungsmittel aus einer Vielzahl von axial mit Abständen voneinander angebrachten Aufhängeansätzen (54, 62), die fest mit der Röhre (41) verbunden sind und in die Abstandshalter (56, 57) eingreifen, bestehen.
11. Brennstoffanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekenn."zeichnet, daß die Röhre (41) zum Ausklinken der Aufhängeansätze (54, 62) aus den Abstandshaltern (56, 57) drehbar ist.
12. Brennstoffanordnung nach Anspruch 11, dadurch g ek ennzeichnet, daß weiterhin die Drehbewegung blockierende Mittel (29(1), 46) zur Verhinderung einer Drehuig der Röhre (4l) vorhanden sind.
13· Brennstoffanordnung nach Anspruch 12, dadurch geke nnzeichnet, daß die die Drehbewegung blockieren, den Mittel aus einer unteren Endplatte (44) mit quadratischem Querschnitt (46), die fest an der Röhre (41) angebracht ist, un.d einer dazu passenden quadratischen Konushülle (29(D) in in der Halteplatte (23) bestehen.
14. Brennstoffanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre (41). an jedem Ende eine Endplatte (44, 48) enthält und daß diese Endplatten (44, 48) mit Durchgängen (47, 51) für den Moderator versehen sind.

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