DE2808907A1 - Abbrennbarer neutronenabsorberstab - Google Patents
Abbrennbarer neutronenabsorberstabInfo
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Description
Dipl. ing. E. HOLZEB
8900AUGSBUKG
TELEFON 616476
TELEX 63 3 802 patol d
W. 926
Augsburg, den 17. Februar I978
Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh,
Pennsylvania 15222, V.St.A.
Abbrennbarer Neutronenabsorberstab
Die Erfindung betrifft einen abbrennbaren Neutronenabsorberstab für Kernreaktoren, der eine langgestreckte
rohrförmige Hülle und einen darin enthaltenen Neutronenabsorber aufweist.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen abbrennbaren Weutronenabsorberstab mit verhältnismäßig
großem Moderator/Absorber-Verhältnis.
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Bei vielen Kernreaktorbauarten wird ein gleichzeitig als Moderator dienendes Kühlmittel durch den Reaktorkern
hindurchzirkuliert, um die beim Spaltvorgang innerhalb des Reaktorkerns erzeugte Wärme abzuführen. Der Reaktorkern
besteht aus einer bestimmten Anzahl von Brennstäben, die zu als Brennelemente bezeichneten Brennstabbündeln zusammengefaßt
sind und die in jedem Brennelement durch Abstandshaltegitter und den Brennelementkopf sowie den Brennelementfuß
gehalten werden. Die Brennstäbe bestehen aus zylindrischen Hüllrohren, die den Kernbrennstoff enthalten, beispielsweise
aus schwach angereichertem Urandioxid bestehende Brennstofftabletten. Die Brennelemente sind so angeordnet,
daß ihre Gesamtheit etwa die Form eines geraden Kreiszylinders hat.
Während des Reaktorbetriebs absorbieren die in den Brennstofftabletten enthaltenen spaltbaren Isotope Neutronen
und werden dadurch gespalten, wobei Wärme entsteht. Außer dem Verbrauch von spaltbarem Material findet beim
SpaltVorgang auch die Bildung von Spaltprodukten statt, von denen einige leicht Neutronen absorbieren. Diese Wirkungen,
nämlich der Verbrauch spaltbaren Materials und die Bildung von neutronenabsorbierenden Spaltprodukten, werden teilweise
durch den Aufbau von spaltbaren Isotopen, wie beispielsweise Plutonium, kompensiert, der bei einer nicht zu
einer Spaltung führenden Absorption von Neutronen in brüt-
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baren Stoffen, wie beispielsweise U-238, stattfindet. Deshalb baut man am Beginn jedes Brennstoffzyklus Überschußreaktivität
in den Reaktor ein, um die Reaktivitatsabnähme
im Reaktorkern zu kompensieren, die mit zunehmendem Verbrauch des spaltbaren Materials und mit dem Aufbau der
Spaltprodukte auftritt. Diese Überschußreaktivität wird mit Hilfe von Neutronenabsorbern beherrscht, die in Form
von im Primärkühlmittel gelöstem Bor und in Form von abbrennbaren
Neutronenabsorberstäben zur Anwendung kommen.
Die Konzentration des im Primärkühlmittel gelösten Bors ist zum Zwecke der Reaktivitätssteuerung und der
Kompensation der Langzeit-Reaktivitätsbeeinflussungen infolge BrennstofferSchöpfung, infolge der Wirkung von Spaltprodukten
als Neutronengift und der Erschöpfung von abbrennbaren Neutronenabsorbern und zur Kompensation der Wirkung
der Moderatortemperaturänderung zwischen Kaltzustand und Betriebstemperatur veränderlich. Bei Erhöhung der Borkonzentration
im Primärkühlmittel wird der Moderatortemperaturkoeffizient jedoch weniger negativ. Die Verwendung lediglich
eines löslichen Neutronenabsorbers allein könnte deshalb am Beginn der Brennstoffstandzeit während des ersten Brennstoffzyklus
zu einem positiven Moderatorkoeffizienten führen und könnte auch bei folgenden Brennstoffzyklen einen positiven
Koeffizienten bedingen, je nach der Brennstoffbeschickung
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für den betreffenden Zyklus. Deshalb verwendet man abbrennbare Neutronenabsorberstäbe, um die Konzentration
an gelöstem Bor so weit herabsetzen zu können, daß sichergestellt ist, daß der Moderatortemperaturkoeffizient unter
den Bedingungen des Leistungsbetriebs negativ ist.
Ein abbrennbarer Neutronenabsorber absorbiert Neutronen, ohne neue Neutronen zu erzeugen und ohne aufgrund
der Neutronenabsorption in ein neues Neutronengift umgewandelt zu werden. Ein typischer, diese Eigenschaften
aufweisender abbrennbarer Neutronenabsorber ist Bor-10, das etwa 20 % des natürlichen Bors ausmacht. Bor-10 unterliegt
bei Bestrahlung durch thermische Neutronen der
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Reaktion B + η —> Li' +He , die zur Absorption eines Neutrons und zum Verbrauch des Bors ohne Erzeugung eines weiteren Neutronengiftes führt.
Reaktion B + η —> Li' +He , die zur Absorption eines Neutrons und zum Verbrauch des Bors ohne Erzeugung eines weiteren Neutronengiftes führt.
Abbrennbare Neutronenabsorber finden üblicherweise in Stäben Anwendung, die innerhalb eines Brennelements
an freien Steuerstabstellen eingebaut sind. Die Konzentration des abbrennbaren Neutronenabsorbers in den Stäben
und die Anzahl der abbrennbaren Neutronenabsorberstäbe im Reaktorkern ist so gewählt, daß die Konzentration an im
Kühlmittel gelöstem Bor so weit herabgesetzt werden kann, daß bei den Bedingungen des Leistungsbetriebs stets ein
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negativer Moderatortemperaturkoeffizient sichergestellt ist, Während des Betriebs erschöpft sich der Neutronenabsorbergehalt
in diesen Stäben, so daß zusätzliche Reaktivität frei wird, die einen Teil des durch Brennstofferschöpfung
und Entstehung von als Neutronengift wirkenden Spaltprodukten bedingten Reaktivitätsabfalls ausgleicht. Gegen
Ende der Standzeit kann aber noch etwas restlicher Neutronenabsorber vorhanden sein, was eine Verkürzung der
Lebensdauer des Reaktorkerns bedingt. Außerdem verdrängen die abbrennbaren Neutronenabsorberstäbe den Moderator und
die parasitären Konstruktionswerkstoffe der abbrennbaren Neutronenabsorberstäbe absorbieren ebenfalls Neutronen,
wodurch die verfügbare Reaktivitätsstandzeit des Reaktorkerns weiter verkürzt wird. Außerdem sind die abbrennbaren
Neutronenabsorberstäbe derart im Reaktorkern verteilt angeordnet, daß sie außer ihrer Funktion der Reaktivitätssteuerung auch noch eine günstige radiale Leistungsverteilung
im Reaktorkern herbeiführen.
Aus der US-PS 3 510 350 ist ein abbrennbarer Neutronenabsorber
st ab bekannt, bei welchen ein Borsilicatglasrohr in einem zwischen zwei konzentrischen Metallrohren
gebildeten Ringraum angeordnet ist„ Innerhalb des inneren Metallrohres ist ein Leerraum gebildet, der als Gassammelraum
zur Aufnahme der bei der Neutronenabsorption durch
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das Bor entstehenden gasförmigen Reaktionsprodukte, wie beispielsweise Heliumgas, dient. Die abbrennbaren Neutronenabsorberstäbe
sind in geeigneter Weise an freien Steuerstabstellen innerhalb eines Brennelements plaziert.
Die eben genannte Druckschrift beschreibt zwar eine besondere Bauart eines abbrennbaren Neutronenabsorberstabs,
jedoch wäre es vorteilhaft, die Menge des abbrennbaren Neutronenabsorbers, der am Ende der Standzeit noch verbleibt,
zum Zwecke der Verlängerung der Standzeit des Reaktorkerns auf ein Minimum zu verringern.
In der US-PS 3 663 366 ist ein Brennelementmantel beschrieben, der einen abbrennbaren Neutronenabsorber
enthält. Der Mantel besteht aus Verbundplatten aus rostfreiem Stahl und Zirconium, wobei in den aus rostfreiem
Stahl bestehenden Blechen angereichertes Bor-10 dispergiert ist. In dieser Druckschrift ist jedoch nicht die
Verwendung eines abbrennbaren Neutronenabsorbers in Absorberstäben beschrieben, die zwischen den Brennstäben
innerhalb eines Brennelements angeordnet werden können.
Aus der US-PS 3 110 656 ist die Verwendung von Borsäure
oder Borsilicatglas in Steuerstäben von Lehrreaktoren bekannt. Die Verwendung eines Neutronenabsorbers
in Steuerstäben ist natürlich eine fundamentale Maßnahme,
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die aber den, den Steuerstäben im allgemeinen anhaftenden Nachteil aufweist, daß die Steuerstäbe nicht so ausgelegt
sind, daß sie sich bei Bestrahlung verbrauchen. Außerdem sind abbrennbare Neutronenabsorber auch schon dem
Brennstoffmaterial beigemengt und auch schon im Werkstoff
der Brennstabhüllen verwendet worden.
Obwohl bereits zahlreiche Anwendungsformen für abbrennbare
Neutronenabsorber in Kernreaktoren bekannt sind, ist das Problem, am Beginn der Standzeit des Reaktorkerns
ausreichend viel abbrennbaren Neutronenabsorber zur Kompensation der Überschußreaktivität zur Verfügung zu
stellen, dagegen die durch den Neutronenabsorber bedingte Reaktivitätsdämpfung gegen Ende der Standzeit des Reaktorkerns
zum Zwecke der Standzeitverlängerung auf ein Minimum herabzusetzen, noch immer nicht befriedigend gelöst.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen abbrennbaren Neutronenabsorberstab im Hinblick auf die
eben genannten Forderungen zu verbessern, um dadurch eine längere Standzeit und einen vollständigeren Abbrand des
Reaktorkerns zu erzielen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Hülle des abbrennbaren Neutronenabsorberstabs
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mindestens während des Reaktorbetriebs auch einen Moderator enthält.
Die am Beginn der Standzeit des Reaktorkerns vorhandene Überschußreaktivität wird unter Erschöpfung des
abbrennbaren Neutronenabsorbers während der Lebensdauer des Reaktorkerns kompensiert, so daß die Standzeit des
Reaktorkerns verlängert wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr
im einzelnen beschrieben. Es zeigt:
Pig. I eine Ansicht eines Brennelements,
Fig. 2 einen Querschnitt in der Ebene II-II
in Fig. 1,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen ab
brennbaren Neutronenabsorberstab,
Fig. 4 einen Querschnitt durch den in
Fig. 3 gezeigten Neutronenabsorberstab, und
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Pig. 5 einen Längsschnitt durch einen ab
gewandelten abbrennbaren Neutronenabsorberstab.
Gemäß den Fig. 1 und 2 weist ein Brennelement 10 einen Brennelementkopf 12, einen Brennelementfuß 14,
Führungsrohre 16, Abstandshaltegitter 18, Brennstäbe 20 und Neutronenabsorberstabe 22 auf. Der Brennelementkopf 12
und der Brennelementfuß 14 tragen die Führungsrohre 16
und die Brennstäbe 20, und die Abstandshaltegitter 18 dienen zur Aufrechterhaltung der richtigen gegenseitigen
Ausrichtung der Führungsrohre und der Brennstäbe. Die Führungsrohre 16 können zylindrische Rohre aus
Zirconium oder einem anderen, nur schwach neutronenabsorbierenden Werkstoff sein, welche die darin angeordneten
Neutronenabsorberstabe 22 halten.
In einem (nicht gezeigten) Reaktorbehälter sind Brennelemente 10 vertikal angeordnet, die zusammen den Reaktorkern
bilden und in bekannter Weise Wärme durch Kernspaltung erzeugen. Das Reaktorkühlmittel, bei welchem es sich um
Wasser handeln kann, strömt nach oben durch den Reaktorbehälter hindurch und steht mit den Brennelementen 10 in
Wärmeaustausch. Dadurch wird die erzeugte Wärme von den
Brennelementen 10 an das Kühlmittel abgegeben.
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Die Neutronenabsorberstäbe 22 absorbieren Neutronen und steuern dadurch den Reaktivitätspegel im Reaktorkern,
so daß es möglich ist, Überschußreaktivität durch Erhöhung der Anreicherung des Brennstoffs in den Brennelementen
10 vorzusehen. Die Beschickung des Reaktorkerns mit anfänglicher Überschußreaktivität verlängert die
Standzeit, während welcher der Reaktorkern ohne Neubeschickung mit frischen Brennelementen Wärme erzeugen kann.
Dabei ist es jedoch wichtig, daß die Neutronenabsorberstäbe 22 gegen Ende der Standzeit des Reaktorkerns erschöpft
werden, so daß sie dann keine Reaktivitatsminderung durch Absorption von Neutronen mehr bewirken.
Gemäß den Fig. 3 und 4 weist ein Neutronenabsorberstab 22 eine zylindrische, metallene Außenhülle 24
auf, die aus Zircaloy-Rohrmaterial hergestellt sein und einen Außendurchmesser von etwa 9,6 mm sowie einen Innendurchmesser
von etwa 8,4 mm aufweisen kann. Am unteren Ende der Außenhülle 24 ist, beispielsweise durch Schweißung,
eine untere Endkappe 26 mit einer mittigen Borung 28 befestigt. Konzentrisch innerhalb der Außenhülle 24 ist eine
ebenfalls zylindrische metallene Innenhülle 30 angeordnet und mit ihrem unteren Ende an der unteren Endkappe 26 befestigt.
Diese Innenhülle 30 kann ebenfalls aus Zirkaloy-Rohrmaterial hergestellt sein und einen Außendurchmesser
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von etwa 5,1 mm sowie einen Innendurchmesser von etwa 4,1 mm aufweisen. Am oberen Ende der Außenhülle
und der Innenhülle 30 ist eine obere Endkappe 32 mit einer öffnung 34 befestigt. Die Innenhülle 30 und die
Außenhülle 24 bilden zwischen sich einen Ringraum 36,
der an seinen beiden Enden durch die untere Endkappe und die obere Endkappe 32 verschlossen ist. In diesem
Ringraum 36 ist eine Schraubenfeder 38 angeordnet, die
auf der unteren Endkappe 26 aufsitzt. Außerdem sind in dem Ringraum 36 damit konform ausgebildete ringförmige
Tabletten untergebracht, die auf der Schraubenfeder 38 aufsitzen. Die Tabletten 40 bestehen aus einem abbrennbaren
Neutronenabsorber, beispielsweise aus Borcarbid-Aluminiumoxid
(BnC - Al Oj, anderen Boriden wie beispielsweise
Zirconiumdiborid (ZrB ), oder aus Oxiden wie beispielsweise Gadoliniumoxid (GdpO.,). Die Schraubenfeder
dient dazu, die Tabletten 40 in der gewünschten, etwa gleichbleibenden Relativlage mit Bezug auf die Außenhülle
24 zu halten.
Bei der Absorption von Neutronen verbrauchen sich die Tabletten 40 und setzen Reaktionsprodukte wie beispielsweise
Heliumgas frei. Am oberen Ende des Neutronenabsorberstabes 22 kann zwischen der oberen Endkappe 32 und der
Oberseite des Tablettenstapels ein freier Ringraumbereich
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vorgesehen sein, der als Sammelraum zur Aufnahme der In den Tabletten 40 entstehenden Reaktionsprodukte dient.
Natürlich können diese Reaktionsprodukte aber auch im unteren Teil des Ringraums 36, nämlich in dem um die
Schraubenfeder 38 herum befindlichen freien Raum, aufgefangen werden.
Mit ihrer Innenwandung umschließt die Innenhülle 30
eine innere Bohrung 44, die sich von der unteren Endkappe bis zur oberen Endkappe 32 erstreckt. Diese Bohrung 44
steht unten mit der mittigen Bohrung 28 der unteren Endkappe 26 und oben mit einer Bohrung 46 der oberen Endkappe
in Verbindung, die mit der Öffnung 34 in Verbindung steht. Das Reaktorkühlmittel, das normalerweise Wasser ist
und gleichzeitig als Moderator dient, strömt demzufolge nicht nur um die Außenhülle 24 herum, sondern auch durch
das jeweilige Führungsrohr 16 und die Bohrungen 28, 44 und 46 und die Öffnung 34 nach oben durch den Stab 22 hindurch.
Die innere Bohrung 44 ist im Betrieb also mit Wasser gefüllt. Das darin befindliche Wasser verstärkt die Neutronenmoderation
in dem und um den Neutronenabsorberstab 22,
wodurch die Erschöpfung der Tabletten 40 während der Standzeit des Reaktorkerns wesentlich gesteigert und dadurch der
Abbrand des Reaktorkerns verbessert wird. Die Verwendung eines derartigen Neutronenabsorberstabes ermöglicht eine
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Steigerung der Anfangsreaktivität des Reaktorkerns ohne nachteilige Auswirkungen auf dessen Standzeit. Die Verwendung
des hier beschriebenen Neutronenabsorberstabes 22 erhöht den ersten Reaktorkernabbrand schätzungsweise um
etwa 350 MWD/MTU, wodurch die Brennstoffzykluskosten für
den ersten Reaktorkern um etwa 1,3 % gesenkt werden. Die sich dabei ergebende Einsparung an gelber Masse (U,On)
beträgt etwa 6400 kg.
Während kleinere Differenzen der Größe der Tabletten unbedeutend sind, wirkt sich eine Erhöung des Wasseranteils
des Neutronenabsorberstabs 22 wesentlich aus. Deshalb sollte nicht nur die radiale Dicke der Tabletten kO
möglichst klein gewählt werden , sondern auch die von dem Neutronenabsorberstab 22 verdrängte Wassermenge sollte zur
Steigerung der Neutronenmoderation möglichst klein sein.
Die Erfindung hat also einen abbrennbaren Neutronenabsorberstab mit einem inneren, zum Reaktorkühlmittel hin
offenen Kanal zum Gegenstand, wodurch die Kühlmittelverdrängung möglichst klein gehalten und dadurch die Neutronenmoderation
gesteigert und die Erschöpfung des abbrennbaren Neutronenabsorbers beschleunigt wird, womit man eine
Steigerung des Brennstoffabbrandes erreicht.
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Abgesehen von der oben beschrieben bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind natürlich zahlreiche
Abwandlungen möglich. Beispielsweise kann die Schraubenfeder 38 durch eine andere Vorspannmaßnahme ersetzt sein.
Anstelle von Tabletten 40 kann Pulver mit höherem Neutronenabsorbergehalt Anwendung finden. Die Verwendung von
Pulver ermöglicht eine Verkleinerung des Ringraumes 36 und folglich eine Vergrößerung des Innenraumes 44 für das
Wasser, so daß also die Wasserverdrängung noch weiter herabgesetzt wird. Ferner kann eine Wandung des Führungsrohres 16 mit einem elektrisch aufgebrachten Überzug aus
einem abbrennbaren Neutronenabsorbermaterial versehen sein, wodurch die Tabletten 40 und die Innenhülle 30 entfallen
können.
Eine weitere Alternative ist in Figur 5 gezeigt, gemäß welcher die untere Endkappe 26 und die obere Endkappe
32 geschlossen und dicht mit der Außenhülle 24 verbunden sind. Innerhalb der Außenhülle 24 ist Wasser mit
einem darin gelöstem Neutronenabsorbermaterial wie beispielsweise Bor oder Cadmium eingeschlossen. Bei dieser
Ausführungsform verbleibt nach der Erschöpfung des abbrennbaren Neutronenabsorbers nur noch Wasser, so daß also
die Wasserverdrängung weitgehend herabgesetzt ist. Außerdem erhält man bei dieser Ausführungsform aufgrund der
Strömungsmitteleigenschaft der Lösung eine gleichmäßigere Erschöpfung des in dem Stab enthaltenen Neutronenabsorbers.
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e r s e i \ e
Claims (8)
- Patentansprüche1 1Ϊ Abbrennbarer Neutronenabsorberstab für Kernreaktoren, mit einer langgestreckten rohrförmigen Hülle und einem darin enthaltenen Neutronenabsorber, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (24 bzw. 24, 30) mindestens während des Reaktorbetriebs auch einen Moderator enthält.
- 2. Abbrennbarer Neutronenabsorberstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (24) an ihren beiden Enden durch Endkappen (26, 32) verschlossen ist und eine Lösung einer Borverbindung in Wasser enthält (Fig. 5).
- 3. Abbrennbarer Neutronenabsorberstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeicnnet, daß die Hülle aus einem Zircaloy-Rohr besteht, das einen Borcarbid-Überzug aufweist, und daß das Innere der hülle im Betrieb mit dem Reaktorkühlmittel in Strömungsverbindung steht und von diesem ausgefüllt ist.
- 4. Abbrennbarer Neutronenabsorberstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle eine Außenhülle (24) und eine mit Abstand darin koaxial angeordnete, zwischen sich und der Außenhülle einen Ringraum (36) bildende Innenhülle (30) aufweist, daß weiter die Hülle an ihren beiden Enden durch Endkappen (26, 32) verschlossen ist und in dem Ringraum ring-609838/0629ORIGINAL INSPECTEDförmige Tabletten (40) aus einem abbrennbaren Neutronenabsorber enthält, und daß die Endkappen axiale Bohrungen (28} 46) aufweisen, die in das Innere (44) der Innenhülle münden und im Betrieb ein Hindurchströmen von Reaktorkühlmittel durch das Innere der Innenhülle ermöglichen.
- 5. Abbrennbarer Neutronenabsorberstab nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ringraum (36) außerdem eine Feder (38) angeordnet ist, die auf der unteren Endkappe (26) aufsitzt und die ringförmigen Tabletten (40) trägt.
- 6. Abbrennbarer Neutronenabsorberstab nach Anspruch oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Tabletten (40) aus Borcarbid-Aluminiumoxid bestehen,
- 7. Abbrennbarer Neutronenabsorberstab nach Anspruch oder 5j dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Tabletten (40) aus Zirconiumdiborid bestehen.
- 8. Abbrennbarer Neutronenabsorberstab nach Anspruch oder 5* dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Tabletten (40) aus Gadoliniumoxid bestehen.109838/0621
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