DE3435814A1 - Reaktorkern fuer einen druckwasser-kernreaktor - Google Patents
Reaktorkern fuer einen druckwasser-kernreaktorInfo
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Description
- 4 Reaktorkern für einen Druckwasser-Kernreaktor
Die Erfindung betrifft einen Reaktorkern für einen Druckwasser.-Kernreakt or. Druckwasser-Kernreaktoren
weisen einen Kern auf, der aus prismenförmigen Brennelement
-Kassetten besteht, die vertikal nebeneinander angeordnet sind und in Kühlwasser eintauchen, das im
Inneren des den Reaktorkern umschließenden Druckbehälters zirkuliert.
Jede dieser Brennelement-Kassetten besteht aus einem Bündel in Längsrichtung der Kassette parallel zueinander
angeordneter Brennstäbe, die in Querrichtung zueinander beabstandet sind und in jeder Querschnittsebene
eine gleichförmige Verteilung aufweisen. Jeder Brennstab des Brennelemente-Bündels besteht aus einem Schutzrohr,
das Brennelement-Tabletten umschließt. Als Brennmaterial wird im allgemeinen angereichertes Uranoxid
und spaltbares Uran verwendet. Der Reaktorkern als ganzes besteht aus identischen Brennelement-Kassetten
wobei, die Konzentration des spaltbaren Materials ausreichend ist, um Neutronen zu emittieren und die Kernreaktion
im Inneren des Reaktorkerns aufrechtzuerhalten . Findet eine Kernreaktion statt, so nennt man
den Kern kritisch.
Der Abstand zwischen den Brennstäben im Inneren des Kerns ist so gewählt, daß eine Kühlwasserschicht einer
bestimmten Dicke jeden Brennstab während des Betriebs des Reaktors umspült. Mit dieser Wasserschicht werden
die emittierten Neutronen abgebremst, so daß ihr Energiespektrum im Bereich thermischer Energien bleibt.
Die auf die oben beschriebene Art funktionierenden Reaktoren verbrauchen große Mengen an natürlichem
Uran, das einen gewissen Teil der emittierten Neutronen
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einfängt, um Plutonium zu erzeugen. Außerdem verwendet man bei bisher bekannten Druckwasser-Reaktoren nur einen
kleinen Anteil von in den Reaktorkern eingeführtem natürlichem Uran.
Das so gebildete Plutonium wird während einer Wiederaufbereitung der verbrauchten Brennelement-Kassetten
in einer Wiederaufbereitungsanlage wiedergewonnen, aber dieses Plutonium, das zur Ladung eines Brüterreaktors
benutzt werden könnten, bleibt zur Zeit zum großen Teil unbenutzt, da sich Brüterreaktoren zur Zeit
auf industrieller Ebene noch nicht ausreichend durchgesetzt haben.
Es wurde bereits in Erwägung gezogen, dieses Plutonium dazu zu benutzen, den Verbrauch von Uran in wassergekühlten
Reaktoren zu senken. Zu diesem Zweck fügt man dem Uranoxidpulver während der Herstellung
der Brennelement-Tabletten, mit denen die Schutzrohre der Brennelement-Kassetten aufgefüllt werden Plutonium
in Form von Plutoniumoxid hinzu. . Es ist währenddessen jedoch nicht möglich , den Kernbrennstoffen
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große Mengen an Plutonium hinzuzufügen und außerdem zerfällt das Plutonium schnell unter der Einwirkung
in dem Reaktorkern vorhandener niederenergetischer thermischer Neutronen, bevorzugt durch die Produktion
nicht spaltbarer Isotope.
Das durch Wiederaufbereitung gewonnene Plutonium enthält zu 70 % spaltbares Material, bestehend aus den
ungeraden Isotopen PU 239 und PU 241 und zu 30 % aus
brütbarem Material, bestehend aus den geraden, nicht spaltbaren Isotopen PU 240 und PU 242. Die thermischen
Neutronen ermöglichen weder eine optimale Ausnutzung der spaltbaren Isotope, noch eine bemerkenswerte
Umwandlung der brütbaren Isotope zu erzielen.
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Daher kann Plutonium bei den heute eingesetzten wassergekühlten Reaktoren aufgrund der relativ niedrigen
Energie der Neutronen im Reaktorkern nicht ökonomisch verwendet werden. Das Plutonium kann in
diesen Reaktoren nur wenige Male wiederverwendet werden, da es durch die Steigerung des Anteils der
nicht spaltbaren geraden Isotope, die im Reaktor nicht in bemerkenswertem Umfang in Brutmaterial umgewandelt
werden können, degradiert.
Um die Ausbeute des Kernbrennstoffs in Druckwasser-Reaktoren
zu verbessern, hat man vorgeschlagen, im ersten Teil der Einsatzzeit des Reaktorkerns die Neutronenenergie
zu erhöhen, indem man die Menge des moderierenden Wassers im Innern der Brennelement-Kassetten
verringert, und indem man ein Neutronen absorbierendes Material in bestimmte Führungsrohre des Reaktorkerns
einführt . Diese, in den französischen Patentanmeldungen Nr. 82-18011 und 82-18012 der Societe FRAMATOME
beschriebenen Verfahren ermöglichen die Produktion von spaltbarem Plutonium , das an der Unterhaltung der
Kernreaktion teilnimmt, stark zu erhöhen und einen
Teil des Urans einzusparen. Das so erzeugte spaltbare Plutonium wird jedoch nicht optimal
genutzt, insbesondere, wenn der Reaktor im zweiten Teil des Zyklus mit niederenergetischen Neutronen betrieben
wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reaktorkern für Druckwasser-Reaktoren mit vertikalen nebeneinander
angeordneten prismenförmigen Brennelement-Kassetten, die in Kühlwasser eingetaucht sind und jeweils
aus einem Bündel paralleler Brennstäbe bestehen, die derart angeordnet sind, daß sie von Kühlwasser umspült
werden und daß sich um die Brennstäbe herum eine Wasserschicht zur Moderation der emittierten Neutronen
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bildet, anzugeben, der es ermöglicht, wiederaufbereitetes
Plutonium unter optimalen Bedingungen zu verwenden, wobei der Reaktorkern keine wesentlichen Umbauten an
derzeit hergestellten Druckwasser-Reaktoren erfordert.
Zu diesem Zweck weist der erfindungsgemäße Reaktorkern
eine erste Gruppe von Zonen, die sich über die gesamte Höhe des Reaktorkerns und über einen Teil seiner Querschnittfläche
erstrecken, in denen die Brennstäbe im wesentlichen aus angereichertem Uranoxid bestehen,
; Neutronen emittieren und die Kernreaktion unterhalten und wobei in dieser Gruppe von Zonen die Brennstäbe
mit einem Abstand angeordnet sind, bei dem sich eine Wasserschicht zur Moderation der Neutronen ausbildet,
die ausreichend ist, um die Neutronen in den thermischen Energiebereich zu führen und eine zweite
Gruppe.von Zonen, die zwischen den Zonen der ersten Gruppe eingefügt sind, in denen die Brennstäbe im wesentlichen
aus Plutonium bestehen und mit einem Abstand zueinander angeordnet sind, der wesentlich .kleiner als der
Abstand der Brennstäbe der ersten Gruppe ist, auf.
Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktorkerns
eines Druckwasser-Reaktors, bei dem das Energiespektrum geändert wird und dessen Kern eine heterogene Zusammensetzung
hat, anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt einen Querschnitt durch den Reaktorkern eines Druckwasser-Kernreaktors,bei dem
das Energiespektrum verändert wird.
Der in der Figur gezeigte Reaktorkern weist prismenförmige
Brennelement-Kassetten mit hexagonalem Querschnitt auf, die aneinanderstoßend angeordnet sind
und die gesamte Höhe des Reaktorkerns einnehmen.
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Im Gegensatz zu bekannten Druckwasser-Kernreaktoren sind diese Brennelement-Kassetten nicht alle identisch.
Die Brennelement-Kassetten 1 und 2 bestehen aus Bündeln von Brennstäben, die angereichertes Uranoxid beinhalten
und so angeordnet sind, daß zwischen ihnen eine Verteilung von Zwischenräumen besteht, in der sich Wasserschichten
einer zur Abbremsung der Neutronen bis auf ein thermisches Energieniveau ausreichenden Dicke gebildet
werden. Bestimmte Brennstäbe in der Anordnung der Brennelement-Kassette sind durch Führungsrohre ersetzt,
in die Stäbe aus entreichertem Uran eingeführt
werden können, was z. B. in der französischen Patentanmeldung Nr. 82-18012 vom 27. Oktober 198 2 der Societe
PRAMATOME beschrieben ist.
Durch das Einführen von Stäben aus entreichertem Uran
in die Führungsrohre der Brennelement-Kassetten 1 und 2, während des ersten Teils des Brennelement-Zyklus,
wird das Wasser in diesen Führungsrohren verdrängt, wodurch das Energiespektrum der Neutronen angehoben
und die Erzeugung von Plutonium im Kern-
brennstoff erhöht wird. Eine weitere Verschiebung des Energiespektrums zu höheren Energien erfolgt dadurch,
daß die Stäbe aus entreichertem Uran Neutronen niedriger Energie absorbieren. Die Erzeugung von Plutonium
wird außerdem dadurch gesteigert, daß ein Teil des in den Stäben aus entreichertem Uran enthaltenen"Uran
238 in Plutonium umgewandelt wird.
In den Brennelement-Kassetten vom ersten Typ sind in die Führungsrohre nur Uranstäbe eingeführt, mit denen
eine Änderung des Energiespektrums erzielt werden kann, wohingegen in den Brennelement-Kassetten vom zweiten
Typ bestimmte Führungsrohre für das Verschieben von Stäben zur Steuerung der Reaktivität des Kernreaktors
während dessen Betriebs reserviert sind. Die
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Führungsrohre der Brennelement-Kassetten 2 nehmen also
zu einem Teil Stäbe aus entreichertem Uran der Vorrichtung zur Änderung des Energiespektrums und zu einem anderen
Teil die Steuerstäbe des Reaktors auf.
Die Brennelement-Kassetten 1 und 2 bilden eine Gruppe von Zonen, die sich über die gesamte Höhe des Reaktorkerns
erstrecken, wobei zwischen den Brennstäben aus Uranoxid relativ große Zwischenräume bestehen.
Zwischen den von den Brennelement-Kassetten 1 und 2 gebildeten Zonen sind im Reaktorkern Brennelement-Kassetten
3 angeordnet, deren Zusammensetzung und deren Aufbau sich vollkommen von denen der Brennelement-Kassetten 1 und
2 unterscheidet. Die Brennelement-Kassetten 3 sind relativ zu den Brennelement-Kassetten 1 und 2 schachbrettartig
angeordnet.
Die Brennelement-Kassetten 3 weisen Brennstäbe auf, die im wesentlichen aus aufbereitetem Plutonium mit zu 70 %
spaltbaren Isotopen und zu 30 % nicht spaltbaren Isotopen •bestehen.
Die Brennstäbe der Brennelement-Kassetten 3 sind gleichmäßig verteilt angeordnet,und die Zwischenräume zwischen
ihnen sind sehr viel kleiner als die zwischen den Brennelement-Kassetten 1 und 2 . Die Zwischenräume sind im
Mittel ungefähr dreimal so klein wie die zwischen den Brennelementstäben der Brennelement-Kassetten 1 und 2.
Diese geringen Zwischenräume zwischen den Plutoniumstäben können dadurch erhalten werden, indem man um
deren Rohre Beabstandungsdrähte spiralförmig wickelt, was z. B. bei den Brennelement-Kassetten untermoderierter
Reaktoren, deren Energiespektrum zwischen dem Spektrum thermischer Neutronen und dem Spektrum schneller
Neutronen liegt, bekannt ist.
In die Brennelement-Kassetten 3 führt man weder Steuerstäbe noch Stäbe zur Änderung des Energiespektrums ein,
und die Gesamtanordnung besteht aus Stäben aus wiederaufbereitetem Plutonium, unabhängig davon, welche Elemente
zur Gewährleistung der Steifigkeit der Anordnung verwendet werden.
Die in· der Figur gezeigte Gesamtanordnung des Reaktorkerns
besteht also aus aneinanderstoßenden Zonen, die jeweils aus Brennelement-Kassetten vom Typ 1,2 oder 3 bestehen.
Die gezeigte schachbrettartige Anordnung hat den Vorteil, daß jede Brennelement-Kassette vom Typ 3 von
Brennelement-Kassetten vom Typ 1 und 2 umgeben ist, die die zur Aufrechterhaltung der Kernreaktion nötigen
Neutronen erzeugen.
Die Brennelement-Kassetten 3 können unterkritische Brennelement-Kassetten sein, d.h. ihre Neutronenemission
ist nicht ausreichend, um die Kernreaktion aufrechtzuerhalten.
Im Inneren der Brenrelement-Kassetten 3 bewirken die
Neutronen eine Spaltung eines Teils der Kerne der ungeraden Isotope des Plutoniums, wodurch Neutronen erzeugt
werden, die nur sehr schwach von der dünnen Wasserschicht zwischen den Brennstäben der Brennelement-Kassette
3 abgebremst werden. Diese hochenergetischen Neutronen wandeln einen Teil des nicht spaltbaren Plutoniums
in spaltbares Plutonium um, so daß dieses während der Verwendung im Reaktor nicht degradiert. Es
kann also eine Wiederaufbearbeitung des Plutoniums ebenso wie für die Uranoxid enthaltenden Brennelement-Kassetten
vorgesehen werden.
Der in der Figur dargestellte Reaktorkern weist 236 Brennelement-Kassetten des Typs 1 und 2 auf, genauer
gesagt 163 Brennelement-Kassetten, mit denen das
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Energiespektrum verändert wird und die nur Stäbe aus angereichertem Uran aufnehmen und 73 Brennelement-Kas setten,
die gleichzeitig Stäbe aus angereichertem Uran und die Steuerstäbe des Reaktors aufnehmen. Der Reaktorkern
weist ferner zwischen den 236 Brennelement-Kassetten 1 und 2 90 untermoderierte Brennelement-Kassetten vom
Typ 3 auf, die Plutonium beinhalten.
Diese 90 Brennelement-Kassetten 3 beinhalten eine Menge spaltbaren Materials, die nicht ausreicht, um eine
Kernreaktion alleine auszulösen. Man nennt sie deshalb unterkritisch.
Die Brennelement-Kassetten 1 und 2, die die Rolle von Neutronenquellen für die Brennelement-Kassetten 3 spielen,
müssen zu Beginn nicht stark angereichert sein, da die Stäbe zur Änderung des Energiespektrums es ermöglichen,
den Reaktor mit Neutronen einer hohen Energie während des ersten Teils eines Reaktorzyklus zu betreiben.
Dank der 90 Brennelement-Kassetten mit Brennstäben aus wiederaufbereitetem Plutonium ermöglicht der in der
Figur gezeigte Reaktorkern eines Druckwasser-Reaktors gegenüber einer Charge aus spaltbarem Material, die
nur Uran enthält, 30 % an spaltbarem Material einzusparen.
Durch die schachbrettartige Anordnung der Plutonium enthaltenden Brennelementkassetten zwischen den von den
Brennelement-Kassetten zur Änderung des Energiespektrums gebildeten Zonen wird eine zusätzliche Verschiebung des
Energiespektrums der Neutronen zu höheren Energien erreicht, zusätzlich zu der Energieerhöhung , die durch
die Untermoderation der Brennelement-Kassetten 3 erzielt wird. Die Produktion spaltbaren Materials wird
also stark erhöht, was einen zusätzlichen Gewinn der
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Größenordnung 20 % ermöglicht.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt sondern umfaßt auch alle denkbaren
Varianten.
So können z. B. die die erste Gruppe von Zonen bildenden
heterogenen Brennelement-Kassetten auch klassische Brennelement-Kassetten eines Druckwasser-Reaktors sein, die
nicht zur Aufnahme von Stäben zur Änderung des Energiespektrums vorgesehen sind. In diesen Fall ist es jedoch
notwendig, Brennelement-Kassetten zu verwenden, deren anfänglich Anreicherung hoch ist, damit diese ihre
Aufgabe als Neutronenquellen für die Plutonium enthaltenden Brennelement-Kassetten erfüllen können. Dies
weist jedoch Nachteile auf, wenn man Brennelement-Kassetten mit einem hohen Verbrennungsgrad verwenden will.
Die den Reaktorkern bildenden Brennelement-Kassetten können einen anderen Querschnitt als einen hexagonalen
Querschnitt aufweisen, z. B. einen rechteckigen Querschnitt, wie dies bei Brennelement-Kassetten für Druck-
wasser-Reaktoren üblich ist.
Die Uran enthaltenden Zonen der ersten Gruppe können aus einer einzelnen Brennelement-Kassette, mehreren
Brennelement-Kassetten oder selbst einem Teil einer Brennelement-Kassette, die gleichzeitig die Stäbe
aus Uranoxid und Stäbe aus Plutonium aufweist, bestehen. In jedem Fall müssen die Zonen der zweiten das Plutonium
aufweisenden Gruppen zwischen den Zonen der ersten Gruppe mit den Uranoxid enthaltenden Brennelement-Kassetten angeordnet
sein, um einen ausreichenden Neutronenfluß im Reaktorkern zu gewährleisten. Diese Zonen müssen ebenfalls
in Querrrichtung ausreichend kleine Abmessungen haben, um einen guten Neutronenfluß zu gewährleisten.
Schließlich findet die Erfindung bei allen wassergekühlten Kernreaktoren Anwendung, deren Kern aus parallelen
aneinanderstoßend angeordneten Brennelementbündeln besteht.
Leerseite -
Claims (9)
- AnsprücheReaktorkern für einen Druckwasser-Kernreaktor mit vertikal nebeneinander angeordneten prismenförmigen Brennelement-Kassetten, die in Kühlwasser eingetaucht sind und jeweils aus einem Bündel paralleler Brennstäbe bestehen, die derart angeordnet sind, daß sie von Kühlwasser umspült werden und daß sich um die Brennstäbe herum eine Wasserschicht zur Moderationder emittierten Neutronen bildet, gekennzeichnet durcheine erste Gruppe von Zonen (1,2) , die sich über die gesamte Höhe des Reaktorkerns und über einen Teil seiner Querschnittfläche erstrecken, in denen die Brennstäbe im wesentlichen aus angereichertem Uranoxid bestehen, Neutronen emittieren und die Kernreaktion unterhalten und wobei in dieser Gruppe von Zonen die Brennstäbe mit einem Abstand angeordnet sind, so daß sich eine Wasserschicht zur Moderation der Neutronen ausbildet, die ausreichend dick ist, um die Neutronen in den thermischen Energiebereich zu überführen , und310-83/92- eine zweite Gruppe von Zonen (3), die zwischen den Zonen (1, 2) der ersten Gruppe eingefügt sind, in denen die Brennstäbe im wesentlichen aus Plutonium bestehen und mit einem Abstand zueinander angeordnet sind, der wesentlich kleiner ist als der Abstand der Brennelemente der ersten Gruppe.
- 2. Reaktorkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Brennstäben der zweiten Gruppe von Zonen (3) eine Wasserschicht einer Dicke definiert, so daß die erzeugten Neutronen eine hohe Energie haben.
- 3. Reaktorkern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zone der ersten (1, 2) und der zweiten (3) Gruppe aus einer Brennelement-Kassette besteht.
- . Reaktorkern nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelement-Kassetten der zweiten Gruppe zu denen der ersten Gruppe schachbrettartig angeordnet sind.
- 5. Reaktorkern nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelement-Kassetten (1, 2) der ersten Gruppe Führungsrohre zur Aufnahme von Energieregelstäben aufweist.
- 6. Reaktorkern nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Brennelement-Kassetten (1, 2) mit Energieregelstäben Führungsrohre zur Aufnahme von Steuerstäben zur Steuerung der Reaktivität des Reaktors aufweisen.
- 7. Reaktorkern nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,daß der Abstand zwischen den Brennstäben der zweiten Gruppe von Zonen (3) etwa ein Drittel des Abstands zwischen den Brennstäben der ersten Gruppe von Zonen (1, 2) beträgt.
- 8. Reaktorkern nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,daß jede Zone der ersten (1, 2) und der zweiten (3) Gruppe aus mehreren nebeneinander angeordneten Brennelement-Kassetten besteht.
- 9. Reaktorkern nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,daß jede Zone der ersten (1, 2) und der zweiten (3) Gruppe aus einem Teil einer Brennelement-Kassette besteht.
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