DE2808907C2

DE2808907C2 -

Info

Publication number: DE2808907C2
Application number: DE2808907A
Authority: DE
Inventors: William L. Ligonier Pa. Us Orr; Pratap K. Murrysville Pa. Us Doshi
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1977-03-15
Filing date: 1978-03-02
Publication date: 1991-03-14
Also published as: FR2384323B1; ES467726A1; GB1554997A; IT7821008A0; FR2384323A1; JPS53113991A; JPS5816712B2; ZA78703B; BE864931A; EG13142A; CA1097444A; DE2808907A1; SE7802947L; AT364039B; NL7802756A; IL53983A; IT1093753B; ATA160278A; CH626739A5

Description

Die Erfindung betrifft einen abbrennbaren Neutronenabsorber stab nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Um einen möglichst lange dauernden unterbrechungsfreien Reaktorbetrieb zu ermöglichen, baut man am Beginn jedes Brennstoffzyklus Überschußreaktivität in den Reaktor ein, um der mit der Zeit durch den Abbrand des Kernbrennstoff erfol gende Reaktivitätsabnahme im Reaktorkern entgegenwirken zu können. Diese Überschußreakti vität wird mit Hilfe von Neutronenabsorbern kompensiert, die in Form von im Reaktorkühlwasser gelöstem Bor und in Form von abbrennbaren Neutronenabsorberstäben zur Anwendung kommen.

Aus der DE-OS 17 64 471 ist ein abbrennbarer Neutronenabsor berstab der in Rede stehenden Art bekannt, bei welchem im Ringraum zwischen äußerem und innerem Hüllrohr des Neutronen absorberstabs ein Rohr aus Borsilicatglas untergebracht ist, das als Neutronenabsorber dient. Der Innenraum innerhalb des inneren Hüllrohrs bildet dabei eine zentrale Kammer, die, weil das innere Hüllrohr sich nicht bis ganz zur oberen End kappe erstreckt, oben mit dem Ringraum in Verbindung steht und als Sammelkammer zum Auffangen von Spaltprodukten dient.

Aus der GB-PS 8 35 257 ist ebenfalls ein abbrennbarer Neu tronenabsorberstab der in Rede stehenden Art bekannt, bei welchem der abbrennbare Neutronenabsorber in Form ring förmiger Tabletten vorliegt, der im Ringraum zwischen äußerem und innerem Hüllrohr untergebracht sind. Die letztere Druck schrift begründet die ringförmige Anordnung des Neutronenab sorbers damit, daß er bei Konzentration im Umfangsbereich des Absorberstabs wirksamer sei als bei gleichmäßiger Verteilung im ganzen Stabquerschnitt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen abbrennbaren Neutronenabsorberstab dahingehend zu verbessern, daß eine längere Standzeit durch einen höheren Abbrand des Brennstoffs im Rektorkern erzielt werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch den im Anspruch 1 gekennzeichneten Neutronenabsorberstab gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen desselben sind Gegentand der Unteransprüche.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des abbrennbaren Neu tronenabsorberstabs wird erreicht, daß der Innenraum des inneren Hüllrohrs mit Kühlwasser gefüllt und von diesem durchströmt wird und somit auch im Innenraum des Neutronen absorberstabs eine Moderation der Neutronen stattfindet. Da mit werden mehr Neutronen als sonst möglich für den Spalt prozeß nutzbar gemacht und man erreicht nicht nur ein voll ständigeres Abbrennen des Neutronenabsorbers, der dann die Restreaktivität des Reaktorkerns nicht mehr beeinflußt, sondern durch die im Stabinneren vorhandene Wassersäule wird zusätzlich ein positiver Beitrag zur Neutronenbilanz im Reaktorkern geleistet, womit man eine Steigerung des Brenn stoffabbrands erreicht.

Aus der GB-PS 10 32 396 ist es an sich bekannt, gewöhnliche bewegliche Neutronenabsorberstäbe als Hohlstäbe auszubilden, so daß sie auch in einge fahrenem Zustand innen mit flüssigem Moderator gefüllt sind. Bei derartigen beweglichen Regelstäben ist nicht nur die Standzeit des Neutronenabsorbers groß gegenüber der Standzeit des Brennstoffs, sondern zudem ist, wenn sie ganz oder teilweise aus dem Reaktorkern ausgefahren sind, ohnehin das Führungsrohr mit Kühlwasser gefüllt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nach stehend mit Bezug auf die Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 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, und

Fig. 4 einen Querschnitt durch den in Fig. 3 gezeigten Neutronenabsorber stab.

Gemäß den Fig. 1 und 2 weist ein Brennelement 10, einen Brennelementkopf 12, einen Brennelementfuß 14, Führungsrohre 16, Abstandshaltegitter 18, Brennstäbe 20 und Neutronenabsorberstäbe 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 gegen seitigen Ausrichtung der Führungsrohre und der Brennstäbe.

Die stationär in den Reaktorkern eingesetzten Neutronenabsorberstäbe 22 absorbieren Neutronen und steuern dadurch den Reaktivitätspegel im Reaktorkern, so daß es möglich ist, Überschußreaktivität durch Er höhung der Anreicherung des Brennstoffs in den Brenn elementen 10 vorzusehen. Die Beschickung des Reaktorkerns mit anfänglicher Überschußreaktivität verlängert die Standzeit, während welcher der Reaktorkern ohne Neube schickung mit frischen Brennelementen Wärme erzeugen kann. Dabei ist es jedoch wichtig, daß die Neutronenabsorber stäbe 22 gegen Ende der Standzeit des Reaktorkerns er schöpft werden, so daß sie dann keine Reaktivitätsminderung durch Absorption von Neutronen mehr bewirken.

Gemäß den Fig. 3 und 4 weist ein Neutronenab sorberstab 22 ein zylindrisches, metallenes äußeres Hüllrohr 24 aus Zircaloy mit einem Außendurchmesser von etwa 9,6 mm sowie einem Innen durchmesser von etwa 8,4 mm. Am unteren Ende des äußeren Hüllrohrs 24 ist, beispielsweise durch Schweißung, eine untere Endkappe 26 mit einer mittigen Bohrung 28 be festigt. Konzentrisch innerhalb des äußeren Hüllrohrs 24 ist ein ebenfalls zylindrisches metallenes inneres Hüllrohr 30 angeordnet und mit seinem unteren Ende an der unteren Endkappe 26 be festigt. Dieses innere Hüllrohr 30 kann ebenfalls aus Zirkaloy hergestellt sein und einen Außendurchmesser von etwa 5,1 mm sowie einen Innendurchmesser von etwa 4,1 mm aufweisen. Am oberen Ende des äußeren Hüllrohrs 24 und des inneren Hüllrohrs 30 ist eine obere Endkappe 32 mit einer Öffnung 34 befestigt. Die Hüllrohre 30 und 24 bilden zwischen sich einen Ringraum 36, der an seinen beiden Enden durch die untere Endkappe 26 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 auf sitzen. Die Tabletten 40 bestehen aus einem abbrennbaren Neutronenabsorber, beispielsweise aus Borcarbid-Aluminium oxid (B₄C-Al₂O₃), anderen Boriden wie beispiels weise Zirconiumdiborid (ZrB₂), oder aus Oxiden wie bei spielsweise Gadoliniumoxid (Gd₂O₃). Die Schraubenfeder 38 dient dazu, die Tabletten 40 in der gewünschten, etwa gleichbleibenden Relativlage mit Bezug auf die Hüllrohre zu halten.

Bei der Absorption von Neutronen verbrauchen sich die Tabletten 40 und setzen Reaktionsprodukte wie beispiels weise Heliumgas frei. Am oberen Ende des Neutronenabsorber stabes 22 kann zwischen der oberen Endkappe 32 und der Oberseite des Tablettenstapels ein freier Ringraumbereich 42 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, aufge fangen werden.

Mit ihrer Innenwandung umschließt das innere Hüllrohr 30 einen Innenraum 44, die sich von der unteren Endkappe 26 bis zur oberen Endkappe 32 erstreckt. Dieser Innenraum 44 steht unten mit der mittigen Bohrung 28 der unteren End kappe 26 und oben mit einer Bohrung 46 der oberen End kappe in Verbindung, die mit der Öffnung 34 in Verbindung steht. Das Reaktorkühlwasser, das gleichzeitig als Moderator dient, strömt demzufolge nicht nur um das äußere Hüllrohr 24 herum, sondern auch durch das jeweilige Führungsrohr 16 und die als Durchtrittskanäle wirksamen Bohrungen 28 und 46, den Innenraum 44 und die Öffnung 34 nach oben durch den Neutronenabsorberstab 22 hin durch. Der Innenraum 44 ist im Betrieb also mit Wasser gefüllt. Das darin befindliche Wasser verstärkt die Neu tronenmoderation in dem und um den Neutronenabsorberstab 22, wodurch die Erschöpfung der Tabletten 40 während der Stand zeit des Reaktorkerns wesentlich gesteigert und dadurch der Abbrand des Reaktorkerns verbessert wird.

Die Verwendung des hier beschriebenen Neutronenabsorberstabes 22 er höht 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 (U₃O₈) beträgt etwa 6400 kg.

Während kleinere Differenzen der Größe der Tabletten 40 unbedeutend sind, wirkt sich eine Erhöhung des Wasseran teils des Neutronenabsorberstabs 22 wesentlich aus. Des halb sollte nicht nur die radiale Dicke der Tabletten 40 möglichst klein gewählt werden, sondern auch die von dem Neutronenabsorberstab 22 verdrängte Wassermenge sollte zur Steigerung der Neutronenmoderation möglichst klein sein.

Anstelle von Tabletten 40 kann Pulver mit höherem Neu tronenabsorbergehalt 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 her abgesetzt wird.

Claims

1. Abbrennbarer Neutronenabsorberstab, der stationär in den Kern eines Druckwasserreaktors eingesetzt ist, mit einem äußeren Hüllrohr und einem darin unter Bildung eines da zwischenliegenden Ringraums konzentrisch angeordneten inneren Hüllrohr sowie mit an den beiden Brennstabenden am äußeren und inneren Hüllrohr befestigten Endkappen und mit einem innerhalb des Ringraums untergebrachten festen abbrennbaren Neutronenabsorber, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Endkappen (26, 32) jeweils mit axialen Durchtritts kanälen (28, 46) versehen sind, die mit dem Innenraum des inneren Hüllrohrs (30) in Verbindung stehen und den Durch tritt von Kühlwasser durch diesen Innenraum zwecks Erhöhung des Moderatorgehalts in dem abbrennbaren Neutronenabsorber stab ermöglichen.

2. Abbrennbarer Neutronenabsorberstab nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß in dem Ringraum (36) eine Feder (38) angeordnet ist, die auf der unteren Endkappe (26) aufsitzt und den als ringförmige Tabletten (40) vorliegenden Neutronenabsorber trägt.

3. Abbrennbarer Neutronenabsorberstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der als ringförmige Tablet ten (40) vorliegende Neutronenabsorber aus Borcarbid- Aluminiumoxid, Zirkoniumdiborid oder Gadoliniumoxid besteht.