DE2920190A1

DE2920190A1 - Kernreaktor und brennstoffelement hierfuer

Info

Publication number: DE2920190A1
Application number: DE19792920190
Authority: DE
Inventors: Ralph Henry Peters; Gordon Bruce West
Original assignee: General Atomics Corp
Current assignee: GA Technologies Inc
Priority date: 1978-05-22
Filing date: 1979-05-18
Publication date: 1979-11-29
Also published as: JPS6250795B2; FR2426964B1; BR7903146A; IT1118643B; US4186050A; AR221726A1; JPS54153985A; BE876421A; DE2920190C2; GB2022911A; GB2022911B; ES480756A1; RO77432A; FR2426964A1; IT7968076A0

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Vsickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber SPMY Dr. Ing. H. Liska

G 1156 GEW ' 8000 MÜNCHEN 86, DEN ,

POSTFACH 860 820 ' »· M3| 1979

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

GEIiERAL ATOMIC COMPANY
10955 John Jay Hopkins Drive, San Diego, California, V.St.A.

Kernreaktor und Brennstoffelement hierfür

909848/070Ϊ

29201

-y-f

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Kernreaktoren, und zwar insbesondere einen flüssigkeitsgekühlten Kernreaktor, der einen verbesserten Kernbrennstoff enthält, sowie ein Brennstoffelement für diesen Reaktor.

Der TRIGA-Forschungsreaktor, der von der General Atomic Company entwickelt worden ist und vertrieben wird, ist ein inhärent sicherer Reaktor, in dem Uran-Zirkonhydrid-Brennstoff verwendet wird, der einen großen prompten negativen Temperaturkoeffizienten der Reaktivität hat, welcher primär eine Eigenschaft des Brennstoffs selbst ist. Der Reaktor ist in näheren Einzelheiten in der US-PS 3 127 325 beschrieben, deren Inhalt durch diese Bezugnahme mit zum Offenbarungsinhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Infolge der inhärenten Sicherheit des Reaktorkerns kann ein einziger Regelstab oder ein Mehrfach-Regelstab augenblicklich aus dem Kern entfernt werden, ohne daß der resultierende Leistungsimpuls den Kern beschädigt. Tatsächlich wird eine der normalen Betriebsweisen des TRIGA-Reaktors als Impulsbetriebsweise bezeichnet, in der ein solches schnelles Herausziehen durchgeführt wird, tun für experimentelle Zwecke einen Strahlungsimpuls hoher Energie zu erzeugen.

Der Temperaturkoeffizient des Reaktors ist wegen der innigen Mischung des Kernbrennstoffs mit einem großen Teil von festem Moderator in der Form voa Zirkonhydrid prompt. Infolgedessen steigen die Temperaturen von Brennstoff und festem Moderator zusammen augenblicklich, wobei keine Wärmeübertragungsverzögerungen vor dem Auftreten von moderatorbezogenen Temperaturkoeffizienteneffekten stattfinden. Der prompte negative Temperaturkoeffizient der TRIGA-Reaktoren wird als Ergebnis der folgenden drei beitragenden Komponenten betrachtet: (1) Verhärtungseffekte im thermischen Neutronenspektrum, (2) Dopplerverbreiterung der Resonanzen und (3) Neutronenleckage aus dem Reaktorkern. Bei dem Betrieb der Standard-

909848/070T

23201

TRIGA-Reaktoren überall in der Welt heute, leisten die Verhärtungseffekte im thermischen Spektrum den größten Beitrag zum totalen, prompten, negativen Temperaturkoeffizienten. Die Verhärtung des extensiven thermischen Spektrums wird durch die einzigartigen Neutronenmoderierungseigenschaften von Zirkonhydrid verursacht. Da Neutronen von der Spektrumsverhärtung Energie gewinnen, ist die Wahrscheinlichkeit ihres Entkommens aus dem Brennstoffelement, bevor sie in dem Brennstoff eingefangen xferdoag, wesentlich erhöht» Ils Ergebnis hiervon nimmt das Verhältnis der leutronenabsorptionen. in dem Brennstoff zu den gesamten Absorptionen in der Kerneinheitszelle ab, wenn die Temperatur erhöht wird, und dies© Erscheinung wird als "Zelleneffekt" bezeichnete

Die Standard-TRIGA-Brennstoffelemente, die in diesen Reaktoren verwendet werden, enthalten eine homogen© Mischung von etwa 8,5 Gew.% an niedrigangereichertem Uran und etwa 91,5 Gew.96 an Zirkonhydrid, worin das Uran etwa 2G% U-235 und etwa 80% U-238 enthält. In solchen. Reaktoren, in denen diese Standard-TRIGA-Brennstoffelemente verwendet werden, resultieren mehr als 50% des prompten negativen Koeffizienten aus der Erscheinung der Verhärtung des thermischen Spektrums, während der Restbetrag etwa zu gleichen Teilen den anderen beiden Faktoren zuzuschreiben ist.

Für Anwendungsfälle, in denen eine lange Abbrand-Lebensdauer des Brennstoffs für ökonomisch wünschenswert gehalten wirdj, wurde ein Brennstoff entwickelt, "der als TRIGA-FLlP (Fuel Lifetime Improvement Program = Programm■zur Verbesserung der Lebensdauer des Brennstoffs) bezeichnet wird. Dieser Brennstoff wurde so ausgelegt bzw. zusammengesetzt, daß er soifohl in den Standard-TRIGA-Reaktoren wie auch in- anderen gleichartigen bzw. - ähnlichen Forschungsreaktoren vom Poolbzw. Teich-Typ verwendbar ist, und in diesem Brennstoff werden 70% angereichertes Uran (d.h. 70% von den Atomen sind

U-235) verwendet. Der FLIP-Brennstoff ist eine homogene Mischung von etwa 8,5 Gew.% Uran, etwa 1,6 Gew.% Erbium, und der Rest ist Zirkonhydrid. Das Erbium trägt in starkem Maße zu dem prompten, negativen Temperaturkoeffizienten bei, und zwar infolge der Wechselwirkung seiner Resonanzen niedriger Energie und der Spektrumverhärtungseffekte des Zirkonhydrids. Es dient außerdem als verbrennbares Gift zum Kompensieren der überschüssigen Reaktivität, die von dem hochangereicherten Uran bewirkt wird, und infolgedessen hält es die Reaktivitätsbalance des Brennstoffs relativ flach während der Lebensdauer der Gesamtreaktorkernbelastung«.

Die TRIGA-FLIP-Brennstoffeleiieiite weisen weiterhin inhärente Sicherheitseigenschaften auf, und zwar gleichartig bzw. ähnlich iirie die Standard-TRXGA-Brennstoffelemente. In dem FLIP-Brennstoffkern wird ein noch größerer Prozentsatz des prompten, negativen Temperaturkoeffizienten durch die Verhärtung des thermischen Spektrums bewirkt, d.h. ein Betrag von mehr als 85%. Der Beitrag zu dem Koeffizienten durch den Dopplereffekt nimmt leicht ab, und der Beitrag, der von der Zunahme der Leckage von thermischen Neutronen hervorgerufen wird, nimmt um etwa 75% ab. Da diese Abnahmen durch die Erhöhung, die sich aus der Verhärtung des thermischen Spektrums ergibt, mehr als ausgeglichen werden, ist der gesamte, prompte, negative Temperaturkoeffizient eines FLIP-Brennstoffkerns gleich demjenigen eines Reaktors, der mit dem Standard-TRIGA-Brennstoffkern arbeitet, oder etwas größer.

Die Regierung der Vereinigten Staaten von Amerika legt gegenwärtig ein größeres Gewicht auf Nicht-Proliferations- bzw. Atomsperrpolitik, wodurch dem Betrag an Anreicherung, der innerhalb des Brennstoffs für Kernreaktoren vorgesehen sein kann, Grsnzen gesetzt werden. In Übereinstimmung mit dieser Politik kann um 70% angereicherter Brennstoff weiterhin nicht meiar geliefert werden. Demgemäß soll mit der Erfindung ein

909848/Q7Ö?

29201

verbesserter Reaktorkern von langer Lebensdauer für einen Reaktor vom Teich- bzw. Pool-Typ, wie z.B. den TRIGA-Reaktor, geschaffen werden, in dem niedrigangereichertes Uran verwendet wird, der jedoch auch den gewünschten prompten, negativen Temperaturkoeffizienten aufweist. Weiterhin sollen mit der Erfindung Brennstoffelemente zur Verfügung gestellt werden, die in Kernreaktoren angewandt werden, wie z.B. in den vorhandenen TRIGA-Reaktoren, durch die sich ein Brennstoff-Reaktorkern langer Lebensdauer ergibt, ohne daß hochangereichertes Uran darin ist.

Gemäß der Erfindung wird ein Kernreaktor vorgeschlagen, der einen großen prompten, negativen Temperaturkoeffizienten, der Reaktivität hat und folgendes umfaßts einen Reaktortank; eine vorbestimmte Menge Wasser in dem Tank, die sowohl als Kühlmittel als auch als Moderator dient; eine Reaktorkernanordnung innerhalb des Wassers in dem Tank, die eine Mehrzahl von strömungsmitteldichten Brennstoffelementen umfaßt, welche im Abstand innerhalb des Tanks angeordnet sind, so daß sich FlüssigkeitsStrömungsdurchgänge ergeben, welche jedes der Brennstoffelemente umgeben; eine Einrichtung, welche eine Wasserströmung durch die Durchgänge in Wärmeaustausch mit den Oberflächen der Brennstoffelemente ermöglicht; wobei jedes der Brennstoffelemente eine feste, homogene Mischung von Zirkonhydrid, Uran und Erbium enthält, wobei sich dieser Kernreaktor dadurch auszeichnet, daß das Uran zwischen 20 und 50 GeWo% der Mischung bildet, wobei das Zirkonhydrid zwischen 79 und 50 Gew.% der Mischung und das Erbium zwischen 0,5 und 1,5 Gev.% der Mischung bildet; wobei ferner das Uran in der Mischung nicht mehr als 20% U-235 und der Rest im wesentlichen U-238 ist, wobei außerdem das Verhältnis der Wasserstoffatome zu den Zirkonatomen zwischen 1₉5s1 und 1,7:1 beträgt und das Erbium gleichförmig in der Uran-Zirkonhydrid-Mischung verteilt ist.

9Ö9U8/O7OT

-r-f

Außerdem wird gemäß der Erfindung ein Brennstoffelement für einen Kernreaktor vorgeschlagen, das eine feste, homogene Mischung von Zirkonhydrid, Uran und Erbium enthält und sich dadurch auszeichnet, daß das Uran zwL sehen 20 und 50 Gew.% der Mischung bildet, wobei das Zirkonhydrid zwischen 79 und 50 Gew.% der Mischung und das Erbium zwischen 0,5 und 1,5 Gew.% der Mischung bildet; wobei ferner das Uran in der Mischung nicht mehr als 20% U-235 und der Rest im wesentlichen U-238 ist, wobei außerdem das Verhältnis der Wasserstoffatome zu den Zirkonatomen zwischen 1,5:1 und 1,7:1 beträgt und das Erbium gleichförmig in der Uran-Zirkonhydrid-Mischung verteilt ist.

Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter "niedrigangereichertem Uran" ein solches Uran verstanden, das nicht mehr als etwa 20% Anreicherung hat. Es wurde gefunden, daß der Kernreaktor nach der Erfindung unerwarteterweise einen prompten, negativen Temperaturkoeffizienten der Reaktivität hat, der in sehr vorteilhafter Weise mit demjenigen eines Reaktors vergleichbar ist, welcher mit Standard-TRIGA-Brennstoff als Brennstoff versehen ist. Kürzliche Untersuchungen hatten darauf hingedeutet, daß ein Reaktorkern dieser Art einen beträchtlich verminderten prompten, negativen Temperaturkoeffizienten im Vergleich mit einem Reaktor, der den Standard-TRIGA-Brennstoff hat, aufweisen würde, und zwar weil: (1) die große Zunahme der Menge an Uran-235 den Zelleneffekt drastisch vermindern würde, d.h. die Leckage von thermischen Neutronen aus dem Brennstoff-Moderator-Material in das umgebende Kühlmittel, (2) die größere Menge an Uran die Gesamtmenge an Zirkonhydrid in den Brennstoffelementen herabsetzen würde, und infolgedessen die Menge an Wasserstoff, deren Moderationswirkung einer der Hauptfaktoren im Mechanismus des Hervorrufens eines großen prompten, negativen Temperaturkoeffizienten ist, und (3) die Verminderung der Menge an Wasserstoff in der Brennstoffmischung auch die Gesamtreaktivität der Kern-

909848/070?

292 01:

anordnung herabsetzt und infolgedessen die Menge an Erbium wesentlich erniedrigen würde, die hinzugefügt werden kann, um zu dem prompten, negativen Temperaturkoeffizienten beizutragen, so daß auf diese Weise einige der Verluste, die aufgrund der Punkte (1) und (2) auftreten, ausgeglichen werden und die überschüssige Reaktivität ausgeglichen wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Fig. 1 bis 3 der Zeichnung im Prinzip dargestellten, besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert? es zeigern

Fig. 1 eine Vertikalschnittansicht durch den Kern eines TRIGA-Reaktors ₉ und zwar allgemein längs der Linie 1-1 der Fig. 2;

Fig. 2 eine Horizontalschnittansicht allgemein längs der Linie 2-2 der Fig. 1; und

Fig. 3 eine auseinandergezogene Ansicht eines der in Fig. 1 gezeigten Brennelemente.

In Fig. 1 ist ein TRIGA-Reaktor 11 veranschaulicht, der so ausgelegt ist, daß er bei einem Dauerzustands-Leistungsniveau von bis zu etwa 2 MW mit Kühlung des Kerns durch natürliche Konvektion betrieben werden kann. Bei zwangsweiser Kühlmittelströmung können Dauerzustands-Leistungsniveaus erzielt werden, die wesentlich höher liegen.

Der Reaktor 11 umfaßt eine Kernanordnung 13» die von einem ringförmigen Graphitreflektor 15 umgeben ist. Die Kernanordnung 13 ist in einem Bodenteil bzw. in einem unteren Teil eines sich vertikal erstreckenden Reaktortanks 19 angeordnet, der einen Teich 21 aus einem flüssigen Kühlmittel-Moderator, üblicherweise Wasser, enthält. Der Reaktortank 19 kann zylindrisch sein.

Die Kernanordnung 13 ist aus einer Mehrzahl von sich vertikal erstreckenden Brennstoffelementen 23 aufgebaut, die in

09848/07©'?

einer vorbestinmiten räumlichen Anordnung vorgesehen sind, wie man am besten aus Fig. 2 ersieht. Jedes Brennstoffelement 23 umfaßt, wie die Fig. 3 zeigt, eine strömungsmitteldichte, rohrförmige Kapsel 25, die aus einem geeigneten Material, wie z.B. rostfreiem Stahl oder Incoloy, hergestellt ist. Der Boden jeder Kapsel 25 ist mit einem Endaufsatz 27 aus rostfreiem Stahl verschlossen, und ihr oberes Ende ist in gleichartiger bzw. ähnlicher Weise mittels eines oberen Endaufsatzes 29 aus rostfreiem Stahl verschlossen. Ein repräsentatives bzw. besonders bevorzugtes Brennstoffelement 23 für den dargestellten Reaktor besitzt eine Kapsel 25 aus rostfreiem Stahl, die etwa 0,5 mm dick ist und einen mittigen Brennstoffkörper 31 enthält, der etwa 38 cm lang ist und einen Durchmesser von etwa 36,3 mm hat. Obwohl der Brennstoffkörper 31 als einzelner bzw. einstückiger Stab dargestellt ist, kann er auch aus einer Mehrzahl von kürzeren Preßlingen gebildet sein. Der Brennstoffkörper 31 ist von einem unteren und einem oberen, inneren Graphitreflektor 33 flankiert, und diese Graphitreflektoren haben die Form von kurzen Graphitstäben von etwa 8,64 cm Länge.

Wie die Fig. 2 zeigt, erstrecken sich die Brennstoffelemente 23 vertikal in einer räumlichen Anordnung, die eine Mehrzahl in gleichem Abstand voneinander angeordneter, konzentrischer Kreise ist; jedoch können auch andere räumlic'ie Anordnungen angewandt werden. Die Brennstoffelemente 23 werden durch ein oberes und unteres Gitterteil 35, 37 innerhalb des Kerns in einem gewünschten Abstand voneinander gehalten. Das untere Gitterteil 37 ist aus einem geeigneten Material hergestellt, wie z.B. aus Aluminium, und es ist mittels eines unteren Kernaufbauträgers 38 so gehaltert, daß es sich in einem Abstand etwas oberhalb des Bodens des Tankabschnitts 17 befindet. Es enthält Öffnungen 41, die in einem Muster angeordnet sind und die herabhängenden Stiftteile der bodenseitigen Endaufsätze 27 aufnehmen. Das obere Gitterteil 35 ist in geeigneter

SQ9848/07O!

Weise am oberen Ende des Reflektors 15 befestigt und es befindet sich vorzugsweise in einem Abstand etwas oberhalb des letzteren, der durch Abstandshalter 43 sichergestellt wird, so daß die Kühlmittelströmung erleichtert wird.

Im oberen Gitterteil 35 befinden sich Öffnungen 47, die einen Durchmesser haben, der ungefähr gleich dem äußeren Durchmesser der Brennstoffelemente 23 ist, so daß die Brennstoffelemente durch diese Öffnungen gleitend abgesenkt werden können. Das obere Ende jedes oberen Endaufsatzes 29 besitzt einen Knopf 49, der so ausgebildet ist, daß er mit einer Brennstoffelement-Handhabungseinrichtung in Eingriff treten kann. In dem Bereich der oberen Gitterplatte 35 ist ein Strömungsbereich in dem oberen Endaufsatz 29 vorgesehen, so daß sich Durchgänge für den Kühlmittel-Moderator ergeben, der nach aufwärts aus dem Kern herausströmt.

Kühlmittel strömt in dem Teich auf der Außenseite des Reflektorteils des Reaktorkerns nach abwärts und dann durch den Aufbauträger 38 nach einwärts, und zwar aufgrund natürlicher Konvektion.

Zusätzlich zu den Öffnungen 41 in der unteren Gitterplatte 37, welche die herabhängenden Stiftteile der unteren Endaufsätze 37 aufnehmen, sind weitere Öffnungen 53 vorgesehen, die die Aufwärtsströmung des Kühlmittel-Moderators durch die untere Gitterplatte sowie aufwärts in die Bereiche zwl sehen benachbarten Brennstoffelementen 23 ermöglichen. Der Kühlmittelmoderator wird in der Kernanordnung 13 durch Wärmeaustausch mit den Brennstoffelementen 23 erhitzt, und die leichtere Flüssigkeit steigt schnell nach aufwärts in den Teich 21 in den Hauptabschnitt des Tanks 19 oberhalb der Kernanordnung.

909848/070t

L· U- έ. U ί CJ U

- λ/- Al'

Zur Regelung der Kernreaktion innerhalb des Kerns 13 ist eine Mehrzahl von Regelstäben 61 vorgesehen (drei davon sind dargestellt). Die Regelstäbe 61 sind nach aufwärts und abwärts gleitend innerhalb von drei Rohren 63 in dem Reaktorkern bewegbar, wobei diese Rohre in dem räumlichen Aufbau Stellen einnehmen, die anderenfalls von Brennstoffelementen 23 eingenommen werden würden. Die Regelstäbe 61 sind (wie mit gestrichelten Linien angedeutet ist) vertikal durch Mechanismen bewegbar, die über dem Tank 19 gehaltert und nicht dargestellt sind sowie keinen Teil der vorliegenden Erfindung bilden.

In einem Reaktor dieses generellen Typs können die gering angereicherten, eine lange Lebensdauer aufweisenden Brennstoffelemente 23 so aufgebaut sein, daß der prompte, negative Temperaturkoeffizient der Reaktivität größer als etwa 10 χ 1O^--V⁰C ist. Die Brennstoffkörper 31 in jedem der Brennstoffelemente 23 sind aus einer homogenen Mischung von Uran, Zirkonhydrid und Erbium hergestellt. Das Zirkonhydrid ist nach Verfahren hergestellt, die an sich bekannt sind. Das Verhältnis von Wasserstoff zu Zirkon ist zwischen etwa 1,5si und etwa 1,7:1, und es beträgt vorzugsweise etwa 1,6:1.

Wie vorstehend angedeutet, ist das verwendete Uran niedrigangereichertes Uran, d.h. daß es eine Anreicherung von nicht mehr als etwa 20% hat, und der gewichtsprozentuale Anteil von Uran in dem Brennstoffkörper 31 kann von 20 Gew.% bis etwa 50 Gew.% variieren. Die Menge an Erbium, die angewandt wird, hängt von dem Betrag an überschüssiger Reaktivität ab, der in der Kernanordnung 13 vorhanden ist, und infolgedessen vom gewichtsprozentualen Anteil von niedrigangereichertem Uran, der angewandt wird. Wenn z.B. 20 Gew.% von niedrigangereichertem Uran verwendet werden, dann werden etwa 0,5 Gew.% Erbium verwendet. Wenn z.B. 30 Gew.% niedrigangereichertes Uran verwendet werden, dann werden etwa 0,9 Gew.?6

909848/07Ot

29201

- Λ/./tS

Erbium verwendet. Die homogene Mischung von Uran, Zirkonhydrid und Erbium ist für die Erzielung des prompten, negativen Temperaturkoeffizienten der Reaktivität kritisch.

Ein Beispiel eines solchen Reaktorsystems enthält eine Kernanordnung 13, die aus 100 Brennstoffelementen der vorstehend beschriebenen, allgemeinen Art aufgebaut ist, welche ihrerseits in der Nähe des Bodens eines Teichs aus Leichtwasser angeordnet sind, der in einem Tank 19 von etwa 1,82 m Durchmesser enthalten ist. Die Brennstoffelemente 23 sind gleichförmig in einer Anordnung vorgesehen, die einen Durchmesser von etwa 51 cm hat und von einem Graphitreflektor 15 umgeben ist, der aus Bausteinen von dichtem Graphit in einer Dicke von etwa 30,4 cm aufgebaut ist«. Der ringförmige Reflektor 15 hat die gleiche Graphitdicke an allen Stellen um die Kernanordnung 13 herum. Diese Abmessungen sind die Abmessungen eines Standard-TRIGA-Reaktors, der eine Leistung von etwa 2 MW hat. In einem Reaktor dieses Aufbaus beträgt der prompte, negative Temperaturkoeffizient für einen Kern, der aus Brennstoffelementen besteht, die unter Anwendung von 20 Gew.% niedrigangereichertem Uran hergestellt sind, etwa 10,5 x 10~~Y°C_f was größer als derjenige des Standard-TRIGA-Brennstoffs ist. Allgemein ist in einer Kern-Reflektor-Anordnung, wie sie dargestellt ist und in welcher der Bereich innerhalb des Reflektors von der Anordnung von Elementen eingenommen wird, dieser innere Bereich nicht größer als etwa 56,2 dnr/1000 kW Nennleistung, wobei der prompte, negative Temperaturkoeffizient der Reaktivität etwa 8 bis etwa 11 χ 10""V⁰C im Mittel über den Betriebstemperaturbereich beträgt.

Auf diese Weise wurde überraschend gefunden, daß dann, wenn das U-238 einen sehr großen Teil (etwa 80%) des Urans im Brennstoffelement (das seinerseits einen hohen gewichtsprozentualen Anteil an Uran, d.h. 20 bis 50 Gew.%, enthält)

909848/87Of

29201

aufweist und wenn man ein thermisches Resonanzgift bzw. ein die thermische Resonanz verminderndes Mittel, nämlich Erbium, als Teil der homogenen Brennstoff-Moderator-Mischung beifügt, der totale, prompte, negative Temperaturkoeffizient der Reaktivität eines solchen Reaktorkerns größer als oder wenigstens nahezu so groß wie derjenige der Kernanordnung ist, bei der der Standard-TRIGA-Brennstoff verwendet wird, welcher etwa 8,5 Gew.% an niedrigangereichertem Uran enthält. Im Ergebnis ist der prompte, negative Temperaturkoeffizient eines Kernaufbaus 13» der Brennstoffelemente mit 20 Gew.% an niedrigangereichertem Uran enthält, etwa 10% höher als derjenige eines Kerns, welcher 8,5 Gew.% Uran enthält (Standard-TRIGA-Brennstoff) . In ähnlicher Weise ist der Koeffizient für eine Kernanordnung 13» die 30 Gew.?o an niedrigangereichertem Uran enthält, nur etwas niedriger als derjenige des Standard-TRIGA-Kerns.

Es wurde gefunden, daß der Verlust im prompten, negativen Temperaturkoeffizienten, verglichen mit dem Standard-TRIGA-Brennstoff kern, der durch den erhöhten U-235-Gehalt und durch die Erniedrigung der Menge an Wasserstoff verursacht wird, in unerwarteter Weise mehr als vollständig oder nahezu vollständig durch die Kombination der Verwendung von Erbium plus der Zunahme der Menge an U-238, dessen Gegenwart eine wesentliche Erhöhung des Doppler-Verbreitentngseffekts bewirkt, ausgeglichen werden kann. Überraschenderweise wird das mit einer wesentlich geringeren Menge an Erbium erreicht, als derjenigen, die im TRIGA-FLIP-Brennstoff vorhanden war. Als Ergebnis hat man, daß die präzise Kombination von niedrigangereichertem Uran, plus ZrH₁ g, plus einer geringen Menge an Erbium, im allgemeinen weniger als 1 Gew.%, überraschenderweise einen Ersatzkern für den Standard-TRIGA-Reaktor ergibt, der beides hat, nämlich eine lange Lebensdauer, beispielsweise wenigstens etwa 1200 MW-Tage, plus einen prompten, negativen Temperaturkoeffizienten der Re-

809848/Θ70?

aktivität, der ihm inhärente Sicherheit gibt.

Obwohl die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert worden ist, sind im Rahmen des Gegenstandes der Erfindung, wie er in den Ansprüchen zum Ausdruck kommt, sowie im Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedankens verschiedenartigste Abwandlungen und Änderungen möglich. Beispielsweise können die Brennstoffelemente die Form von Platten anstatt einer Rohrform haben. Darüberhinaus können Brennstoffelemente kleineren Durchmessers, z.B. mit einem Durchmesser von 12,7 mm, verwendet werden, die 45 Gew.% Uran enthalten, wobei der Kern nur einen prompten, negativen Temperaturkoeffizienten von etwa 5 x 10" /⁰C haben kann, was unter gewissen Umständen akzeptabel ist.

909848/5707

eerse

it

Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. H Weick^ann, Dii-l.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. E A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. Liska G II36 GEW 8000 MÜNCHEN 86, DEN POSTFACH 860 820 MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22 Patentansprüche

1. Kernreaktor, der einen großen prompten negativen Temperaturkoeffizienten der Reaktivität hat und folgendes umfaßt: einen Reaktortank} eine vorbestimmte Menge Wasser in dem Tank, die sowohl als Kühlmittel als auch als Moderator dientj eine Reaktorkernanordnung innerhalb des Wassers in dem Tank, die eine Mehrzahl von Strömungsmitteldichten Brennstoffelementen umfaßt, welche im Abstand innerhalb des Tanks angeordnet sind, so daß sich FlüssigkeitsStrömungsdurchgänge ergeben, welche jedes der Brennstoffelemente umgeben; eine Einrichtung, welche eine Wasserströmung durch die Durchgänge in Wärmeaustausch mit den Oberflächen der Brennstoffelemente ermöglicht; wobei jedes der Brennstoffelemente eine feste, homogene Mischung von Zirkonhydrid, Uran und Erbium enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Uran zwischen 20 und 50 Gew.% der Mischung bildet, wobei das Zirkorihydrid zwischen 79 und 50 Gew.% der Mischung und das Erbium zwischen 0,5 und 1,5 Gew.% der Mischung bildet; wobei ferner das Uran in der Mischung nicht mehr als 20% U-235 und der Rest im wesentlichen U-238 ist, wobei außerdem das Verhältnis der Wasserstoff atome zu den Zirkonatomen zwischen 1,5:1 und 1,7:1 beträgt und das Erbium gleichförmig in der Uran-Zirkonhydrid-Mischung verteilt ist.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, der einen sich vertikal erstreckenden Tank , und einen Reflektor, der die Kernanordnung umgibt, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des Tanks (19) innerhalb des Reflektors (15), der von der Kernanordnung (13) eingenommen wird, nicht größer

- 2 als 56,2 dm⁵ für je 1000 kW Nennleistung ist.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der prompte negative Temperaturkoeffizient der Reaktivität wenigstens 5 x 10"⁵/°C im Mittel über den Arbeitstemperaturbereich beträgt.

4. Kernreaktor nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (13) eine Abbrandlebensdauer von wenigstens 1200 MW-Tagen hat.

5» Brennstoffelement für einen Kernreaktor, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Brennelement eine feste, homogene Mischung von Zirkonhydrid, Uran und Erbium enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Uran zwischen 20 und 50 Gew.% der Mischung bildet, wobei das Zirkonhydrid zwischen 79 und 50 Gew.% der Mischung und das Erbium zwischen 0,5 und 1,5 Gew.% der Mischung bildet; wobei ferner das Uran in der Mischung nicht mehr als 20% U-235 und der Rest im wesentlichen U-238 ist, wobei außerdem das Verhältnis der Wasserstoffatome zu den Zirkonatomen zwischen 1,5:1 und 1,7:1 beträgt und das Erbium gleichförmig in der Uran-Zirkonhydrid-Mischung verteilt ist.

9 0 9 8 4 8 / 0 7 β''