DE2456019C2 - Nuclear reactor with a fixed system of combustible neutron poison introduced into the reactor core - Google Patents

Nuclear reactor with a fixed system of combustible neutron poison introduced into the reactor core

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DE2456019C2 DE2456019A DE2456019A DE2456019C2 DE 2456019 C2 DE2456019 C2 DE 2456019C2 DE 2456019 A DE2456019 A DE 2456019A DE 2456019 A DE2456019 A DE 2456019A DE 2456019 C2 DE2456019 C2 DE 2456019C2
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kernreaktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 — vgl. DE-OS 09 109 — und ist besonders geeignet für Leichtwasserreaktoren, beispielsweise für Schiffsantriebe mit hohen Laständerungsgeschwindigkeiten.The present invention relates to a nuclear reactor according to the preamble of claim 1 - see DE-OS 09 109 - and is particularly suitable for light water reactors, for example for ship propulsion systems with high load change rates.

Die Regelung von Kernreaktoren erfolgt im allgemeinen durch Absorberstäbe, die ein neutronenabsorbierendes Material enthalten und geregelt in den Kern hinein und aus dem Kern heraus gefahren werden. Neben der unumgänglichen Forderung, daß mit diesen Absorberstäben der Reaktor in jedem Betriebszustand schnell und sicher abgeschaltet werden kann, wird erwartet, daß beim Betätigen der Absorberstäbe keine unzulässig hohen Werte von Neutronenfluß oder Temperatur auftreten und daß der Reaktorkern in allen Bereichen einen möglichst gleichhiäßigen Abbrand des Kernbrennstoffes erreicht. Temperatur- bzw. Neutronenflußmaxima sind mit Rücksicht auf die zulässigen Materialbeanspruchungen zu vermeiden, während ein gleichmäßiger Abbrand ims wirtschaftlichen GründenThe regulation of nuclear reactors is generally carried out by absorber rods, which absorb neutrons Containing material and being driven into and out of the core in a controlled manner. Next to the unavoidable requirement that with these absorber rods the reactor in every operating state can be switched off quickly and safely, it is expected that when the absorber rods are operated, none Inadmissibly high values of neutron flux or temperature occur and that the reactor core in all areas A burn-up of the nuclear fuel that is as uniform as possible is achieved. Temperature or neutron flux maxima are to be avoided while taking into account the permissible material stresses Even burning for economic reasons

erwünscht istis desired

Aus der DE-OS 19 09 109, von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ist bereits eine ungleichförmige Verteilung von abbrennbarem Neatronengift im Reaktorkern bekannt, durch welche das langzeilige Abbrandverhalten günstig beeinflußt werden soll. Allerdings wird weder in dieser Schrift, noch in der DE-AS 12 79 230, in der eine in axialer Richtung gleichförmige Verteilung von Neutronengift behandelt wird, das Verhalten des Reaktorkerns unier Einbeziehung verschiedener möglicher Absorberstabstellungen betrachtet.From DE-OS 19 09 109, from which the present invention is based, a non-uniform distribution is already known from burnable neatron poison in the reactor core, through which the long-lined burn-up behavior should be favorably influenced. However, neither in this document nor in the DE-AS 12 79 230, which deals with a uniform distribution of neutron poison in the axial direction of the reactor core including various possible absorber rod positions.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei Lasländerungen eines Reaktors oder beim Ausregeln von Reaktivitätsschwankungen der Einfluß der Absorberstäbe in ihren verschiedenen Stellungen zu ungünstigen Leislungsvcrteilungen im Reaktorkern führen kann. Mit der im folgenden gebrauchten Bezeichnung »Leistungsverteilung« ist die örtliche Verteilung der Leistungsdichte gemeint; in den graphischen Darstellungen ist die Lcistungsdichte auf den Mittelwert über den Reaktorkern bezogen. Große Abweichungen der Leistungsverteilung vom Mittelwert, wie sie bei den bekannten Reaktoren bei einigen Stellungen der Absorberstäbe vorkommen könnten, sind unerwünscht und müssen durch komplazierte und dadurch z.T. langsame regelungstechnische Maßnahmen vermieden werden.It has been shown, however, that when changes are made in a reactor or when reactivity fluctuations are corrected, the influence of the absorber rods in their different positions can lead to unfavorable power distributions in the reactor core. With the following The term used "power distribution" means the local distribution of power density; in the graphs the power density is at the mean value over the reactor core based. Large deviations in the power distribution from the mean, as in the known reactors Could occur in some positions of the absorber rods are undesirable and have to be complicated and thereby sometimes slow control measures can be avoided.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Kernreaktor der eine Regelung mit hohen Laständerungsgeschwindigkeiten ermöglicht, und der dabei möglichst niedrige lokale Leistungsdichtemaxima während verschiedener Lastzustände aufweist.The object of the present invention is a nuclear reactor the one control with high load change rates allows, and the lowest possible local power density maxima during various Has load conditions.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs vorausgesetzten Kernreaktor erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.In the case of the nuclear reactor assumed at the outset, this object is achieved according to the invention by the characterizing features Part of claim 1 specified measures solved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.Advantageous refinements of the invention are listed in the subclaims.

Bei teilweise, z. B. halb oder zweidrittel, eingefahrenen Absorberstäben kann man den Reaktorkern eines solchen Kernreaktors in Fahrtrichtung der Stäbe grob in drei Bereiche einteilen: Einen ersten Bereich, in dem nur die Absorption der Absorberstäbe wirksam ist, einen zweiten Bereich, in dem nur die Absorption der abbrennbaren Gifte wirksam ist, und einen mittleren, zwischen den beiden vorgenannten liegenden Bereich, in dem sich die beiden Absorptionswirkungen überlagern. Die überlagerte Absorptionswirkung fällt bei teilweise eingefahrenen Stellstäben somit gerade in den »mittleren« Bereich mit seinem sonst üblichen hohen axialen Leistungsniaximum. Dabei nimmt man für den absorberstabfreien Kern und für den Kern mit voll eingefahrenen Absorberstäben, soweit sie im Leistungsbetrieb vorkommen, höhere axiale Leistungsmaxima als bei homogener Verteilung in Kauf. Bei geeigneter Optimierung führt jedoch die kombinierte Wirkung von Absorberstäben und erfindungsgemäß verteilten abbrennbaren Giften dazu, daß sich für alle Absorberstabstellungen, die im Leistungsbetrieb vorkommen, näherungsweise ein konstantes Verhältnis von maximaler zu mittlerer Leistungsdichte ergibt. Dieses Verhältnis ist dann niedriger als die größten Verhältnisse, die sich bei homogener Verteilung unter sonst gleichen Randbedingungen ergeben würden. Dieser Gesichtspunkt ist besonders wichtig, wenn man die durch eine variable Xenonkonzentration entstehenden Reaktivitätsschwankungen durch die Absorberstäbe ausgleichen will.With partially, z. B. half or two thirds, retracted Absorber rods can be roughly the reactor core of such a nuclear reactor in the direction of travel of the rods divide into three areas: A first area, in which only the absorption of the absorber rods is effective, one second area, in which only the absorption of burnable poisons is effective, and a middle one, between the two aforementioned areas in which the two absorption effects are superimposed. The superimposed absorption effect falls into the partially retracted control rods "Middle" range with its otherwise usual high axial power maximum. One takes for the Absorbent rod-free core and for the core with fully retracted absorber rods, as far as they are in power operation occur, higher axial power maxima than with homogeneous distribution in purchase. With suitable optimization however, the combined effect of absorber rods and burnable rods distributed according to the invention results Poison to the fact that for all absorber rod positions that occur in power operation, approximately results in a constant ratio of maximum to average power density. This ratio is then lower than the largest ratios that result from homogeneous distribution under otherwise identical boundary conditions would result. This point of view is particularly important when considering a variable xenon concentration wants to compensate for fluctuations in reactivity caused by the absorber rods.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß man beim Einfahren der Absorberstäbe einen niihcning.swci.se kon-Another advantage is that you can drive in the absorber rods a niihcning.swci.se con-

stanten Reaktivitätsvorschub erhält Bei einer homogenen Verteilung der abbrennbaren Neutronengrifte ergeben sich dagegen beim Einfahren der Stellstäbe zu Beginn relativ kleine Reaktivitätsvorsch'lbe.constant reactivity feed received with a homogeneous Distribution of the burnable neutron handles, on the other hand, occurs when the control rods are retracted Start of relatively small reactivity proposals.

In der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit seinen Auswirkungen anhand der Kernauslegung für einen 220 MWm Druckwasserreaktor für einen Schiffsantrieb erläutertThe drawing shows an exemplary embodiment of the invention with its effects based on the core design for a 220 MWm pressurized water reactor for a ship propulsion explained

F i g. 1 zeigt einen Querschnitt durch den Reaktorkern aus 24 quadratischen Brennelementen. Jedes Brennelement hat 21 · 21 Positionen für Brennstäbe, Giftstäbe und Führungsrohre, in denen ,bewegliche Fingerabsorber geführt werden. Die Fingerabsorber, die jeweils von oben in ein Brennelement einfahren, sind zu einem Fingerabsorberelement, d.h. zu einem gemeinsam beweglichen Absorberstab oder Stellstab mechanisch verbunden. Die Zusammenfassung der Stellstäbe zu gemeinsam fahrenden Stellstabgruppen mit einem gemeinsamen Antrieb, wozu auch mehrere gemeinsam gesteuerte Antriebe gerechnet werden, ist durch die . Buchstaben A bis Eh gekennzeichnet Zur Regelung der Leistungs- und Xenonreaktivitäten werden wahlweise die äquivalenten Stellstabgruppen B oder C eingesetzt, die jeweils eine Reaktivitätsänderung von ca. 7% über ihren Einfahrweg hervorrufen. Die Stellstäbe A, D\, D2 und Eh sind Abschaltstäbe, die im Normalbetrieb außerhalb des Reaktorkerns stehen. Als Abschaltstäbe dienen auch die Stellstäbe derjenigen Stellstabgruppe B oder C, die im jeweiligen Zeitraum nicht zur Leistungsregelung eingesetzt sind. In Brennelemente ohne Buchstabenkennzeichnung in F i g. 1 werden keine Stellstäbe eingefahren. Im folgenden wird nur die Stellstabgruppe B betrachtet Alle anderen Stellstäbe sind voll gezogen.F i g. 1 shows a cross section through the reactor core made of 24 square fuel assemblies. Each fuel assembly has 21 x 21 positions for fuel rods, poison rods and guide tubes in which movable finger absorbers are guided. The finger absorbers, which each move into a fuel assembly from above, are mechanically connected to form a finger absorber element, ie to a jointly movable absorber rod or control rod. The combination of the control rods into jointly moving control rod groups with a common drive, including several jointly controlled drives, is made possible by the. Letters A to Eh marked To regulate the power and xenon reactivities, the equivalent control rod groups B or C are used, which each cause a change in reactivity of approx. 7% over their entry path. The control rods A, D \, D 2 and Eh are shutdown rods that are outside the reactor core during normal operation. The control bars of those control rod group B or C that are not used for power control in the respective period also serve as shutdown rods. In fuel assemblies without letter identification in FIG. 1 no control rods are retracted. In the following, only control rod group B is considered. All other control rods are fully drawn.

Als Neutronengift wird Gadolinium in Form von Gd2Üj verwendet Die Gesamtreaktivität dieser in Form von besonderen Stäben in den Brennelementen gemäß Fig.2 angeordneten Neutronengifte beträgt am Anfang des Reaktorbetriebes etwa 11 °/o. Sie verteilt sich gleichmäßig über den unteren Teil des Reaktorkerns und nimmt nach oben stufenförmig gleichmäßig auf Null ab. Der Kern weist eine Giftlängenverteilung auf, wie sie in F i g. 2 zu sehen ist Diese gegen die aktive Spaltstoffzone von 1750 mm oben mindestens um ein Siebentel derselben verkürzten Giftstäbe haben eine derart gewählte Längenverteilung, daß in ihrem Zusammenwirken mit dem beweglichen Absorbersystem der Gruppe Bfolgende Wirkungen erzielt werden:Gadolinium in the form of Gd2Üj is used as the neutron poison. The total reactivity of these neutron poisons, which are arranged in the form of special rods in the fuel elements according to FIG. It is evenly distributed over the lower part of the reactor core and gradually decreases to zero upwards. The core has a poison length distribution as shown in FIG. 2 can be seen These poison rods, which are shortened by at least a seventh of the same against the active fissile material zone of 1750 mm above, have a length distribution selected in such a way that the following effects are achieved in their interaction with the movable absorber system of group B:

— Der Kern mit voll gezogener Gruppe B zeigt die relative axiale Leistungsverteilung nach Fig.3 (Kurve A) , die im Vergleich zur analogen Leistungsverteilung ohne die oben beschriebene Verkürzung der Gifte (Kurve B) eine größere lokale Überhöhung zeigtThe core with fully drawn group B shows the relative axial power distribution according to FIG. 3 (curve A) , which, compared to the analog power distribution without the above-described shortening of the toxins (curve B), shows a greater local exaggeration

— Der Kern mit halb eingefahrener Gruppe Szeigt in : F i g. 4 mit der genannten Verkürzung der Gifte eine relative axiale Leistungsverteilung mit deutlich kleinerem lokalen Maximum (Kurve QaIs ohne die genannte Verkürzung der Gifte (Kurve D). - The core with half retracted group S shows in: F i g. 4 with the mentioned shortening of the toxins, a relative axial power distribution with a significantly smaller local maximum (curve QaIs without the mentioned shortening of the toxins (curve D).

— Der Kern mit im oberen Viertel der Spaltstoffzone eingefahrenen Absorbern zeigt mit der genannten Verkürzung der Gifte einen etwa cosinus-förmigen Verlauf der relativen axialen Leistungsverteilung (Fig.5, Kurve E), wie ihn ohne Anwendung der genannten Verkürzung der Gifte der stellstabfreie Kern hat (Kurve A). Die analoge Leistungsverteilung ohne die genannte Verkürzung der Gifte zeigt Kurve Fin Fig.5, die ein lokal größeres axiales Leistungsmaximum zeigt Da aber bei dem als Beispiel angeführten Kern bei Vollast und Xe-GIeichgewicht die Absorber der Gruppe B etwa die zuletzt genannte Einfahrtiefe haben, wird durch das kombinierte System von genannter Verkürzung der Gifte und beweglichen Absorbern der Gruppe B für diesen Fall etwa die gleiche relative axiale Leistungsverteilung (Kurve E) erzielt, wie sie bei üblichen Druckwasserreaktorauslegungen der stellstabfreie Kern hat (Kurve A). Der Kern mit voll eingefahrener Gruppe B zeigt in F i g. 6 mit der genannten Verkürzung der Gifte das gleiche axiale Leistungsverhalten (Kurve G) wie der stellstabfreie Kern mit dieser Auslegung (F i g. 3, Kurve A) und ohne die genannte Verkürzung der Gifte eine flache axiale Leistungsverteilung (Kurve H), wie sie schon Ln F i g. 3, Kurve B zu sehen war.- The core with absorbers inserted in the upper quarter of the fissile material zone shows with the mentioned shortening of the poisons an approximately cosine-shaped course of the relative axial power distribution (Fig. 5, curve E), as it has the core-free core without application of the mentioned shortening of the poisons (Curve A). The analog power distribution without the mentioned shortening of the toxins is shown by curve Fin Fig. 5, which shows a locally larger axial power maximum.But in the case of the core given as an example at full load and Xe equilibrium, the absorbers of group B will have approximately the last-mentioned entry depth Through the combined system of the aforementioned shortening of the poisons and moving absorbers of group B, approximately the same relative axial power distribution (curve E) is achieved in this case as the core without the control rod in conventional pressurized water reactor designs (curve A). The core with fully retracted group B shows in FIG. 6 with the mentioned shortening of the toxins the same axial performance behavior (curve G) as the core without the control rod with this design (FIG. 3, curve A) and without the mentioned shortening of the toxins a flat axial power distribution (curve H), like them already Ln F i g. 3, curve B could be seen.

Gleichzeitig wird durch das in der beschriebenen Weise kombinierte System von Giften und Absorbern bei Einfahren der Absorber der Gruppe B von oben zu Beginn des Einfahrens eine fast lineare Reaktivitätsänderung pro Einfahrweg erzielt (Fig.7, Kurve I), die bis fast gegen Ende des Einfahrwegs erhalten bleibt. Diese Regelcharakteristik steht ganz im Gegensatz zu dem Verhalten, das der Kern ohne die genannte Anordnung von Giften hat (Fig.7, Kurve K); hier zeigt die Regelcharakteristik zweimal einen typisch S-förmigen Verlauf (Kurve K, Teil B\ bzw. B2) mit jeweils großen Unterschieden zwischen maximalem und minimalem Reaktivitätsvorschub je Einfahrweglänge. Der zweifach S-förmige Verlauf wurde verursacht durch die im letztgenannten Fall notwendige Aufteilung der Gruppe B in zwei Teilgruppen ßi und B2 (Fig. 1, Kernquerschnitt), urn die lokalen Leistungsüberhöhungen nicht unerwünscht groß werden zu lassen. Das kombinierte System von Giften und beweglichen Absorbern ermöglichi sowohl die Zusammenfassung von Teilgruppen B\ und B2 zur Gruppe B als auch den gezeigten — teilweise — linearen Verlauf der Regelcharakteristik (F i g. 7, Kurve I). Damit ist es möglich, eine Gruppe mit konstanter Fahrgeschwindigkeit zur Leistungsregelung zu verwenden. Die Gruppe B hat bei gleicher Fahrgeschwindigkeit der Fingerabsorberelemente wie bei den Teilgruppen By und B2 dann eine größere Reaktivitätsänderung pro Einfahrweg im interessierenden Regelbereich als die Teilgruppen B\ bzw. B2, die sich auch noch in ihrem Reaktivitätshub pro Gesamtfahrweg stark unterscheiden (F i g. 7, Kurve K, Teil B\ bzw. B2). Damit ist mit der Regelcharakteristik der in genannter Weise kombinierten Systeme eine wesentlich höhere Laständerungsgeschwindigkeit bei gleicher Fahrgeschwindigkeit der Fingerabsorberelemente erzielbar als ohne die kombinierten Systeme.At the same time, through the system of poisons and absorbers combined in the manner described, when the absorbers of group B are retracted from above at the beginning of the retraction, an almost linear change in reactivity per approach path is achieved (Fig. 7, curve I), which almost extends towards the end of the approach path preserved. This control characteristic is in complete contrast to the behavior that the nucleus has without the aforementioned arrangement of poisons (FIG. 7, curve K); Here the control characteristic shows twice a typically S-shaped course (curve K, part B \ or B 2 ) with large differences in each case between the maximum and minimum reactivity feed for each approach path length. The double S-shaped course was caused by the division of group B into two subgroups ßi and B 2 (Fig. 1, core cross-section), which was necessary in the last-mentioned case, in order not to let the local power increases become undesirably large. The combined system of poisons and movable absorbers enables both the combination of subgroups B 1 and B 2 to form group B as well as the shown - partially - linear course of the control characteristic (FIG. 7, curve I). This makes it possible to use a group with constant driving speed for power control. , The group B at the same traveling speed of the finger absorber elements as those in the subgroups By and B 2 then a greater reactivity change per entry way in the relevant range than subgroups B \ and B 2, which differ greatly even in their Reaktivitätshub per total travel path (F i g. 7, curve K, part B \ or B 2 ). With the control characteristics of the systems combined in the above-mentioned manner, a significantly higher load change rate can be achieved with the same travel speed of the finger absorber elements than without the combined systems.

Hierzu 4 Blatt ZeichnungenFor this purpose 4 sheets of drawings

Claims (7)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Kernreaktor mit einem aus länglichen Brennelementen aufgebauten Reaktorkern, mit einem festen System aus in den Reaktorkern eingebrachtem abbrennbarem Neutronengift in ungleichförmiger Verteilung und mit verstellbaren Absorberstäben zur Leistungsregelung, die von einer Seite her längs der Brennelemente in den Reaktorkern einfahrbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß insgesamt ein Übergewicht an abbrennbarem Neutronengift auf der den Absoi'berstäben abgekehrten Seite des Reaktorkerns vorhanden ist und daß der Reaktorkern auf der Seite, auf der die Absorberstäbe einfahren. Frei von abbrennbarem Neutronengift ist, so daß das Verhältnis von maximaler zn mittlerer Leistungsdichte in bezug am" alle möglichen Absorberstabstellungen geringer ist als bei homogener Verteilung des abbrennbaren Neutronengiftes.1. Nuclear reactor with a reactor core constructed from elongated fuel elements, with a fixed one System of combustible neutron poison introduced into the reactor core in a non-uniform manner Distribution and with adjustable absorber rods for power control, which are longitudinal from one side the fuel elements are retractable into the reactor core, characterized in that a total of a preponderance of burnable neutron poison on the one facing away from the absorbent rods Side of the reactor core is present and that the reactor core on the side on which the absorber rods drive in. Is free from burnable neutron poison, so that the ratio of maximum zn average Power density in relation to "all possible absorber rod positions is lower than with a homogeneous distribution of the burnable neutron poison. Z Kernreaktor nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Siebentel der Länge jedes Brennelementes auf der den Absorberstäben zugewandten Seite frei von abbrennbarem Neutronengift ist. Z Nuclear reactor according to Claim I, characterized in that at least one seventh of the length of each fuel element is free of burnable neutron poison on the side facing the absorber rods. 3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des abbrennbaren Neutronengiftes in Einfahrrichtung der Absorberstäbe in mehreren Stufen zunimmt.3. Nuclear reactor according to claim 1 or 2, characterized in that the amount of burnable Neutron poison increases in several stages in the direction of entry of the absorber rods. 4. Kernreaktor nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Neutronengift über unterschiedliche Längen der Brennelemente verteilt ist.4. Nuclear reactor according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the neutron poison has different Lengths of the fuel assemblies is distributed. 5. Kernreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das abbrennbare Neutronengift in Form von homogenen Stäben in den Brennelementen angeordnet ist.5. Nuclear reactor according to claim 4, characterized in that the burnable neutron poison in Form of homogeneous rods is arranged in the fuel assemblies. 6. Kernreaktor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß Brennelemente mit über die gleiche Länge ausreichendem Neutronengift symmetrisch angeordnet sind.6. Nuclear reactor according to claim 4 or 5, characterized in that fuel elements with over the equal length of sufficient neutron poison are arranged symmetrically. 7. Kernreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Brennelemente des Reaktorkerns abbrennbares Neutronengift enthalten.7. Nuclear reactor according to one of the preceding claims, characterized in that all fuel elements of the reactor core contain combustible neutron poison.
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