DE3435814C2 - Reaktorkern für einen Druckwasser-Kernreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktorkern für einen Druckwas­ ser-Kernreaktor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 be­ schriebenen Art. Ein solcher Reaktorkern ist beispielsweise aus der DE 33 08 619 A1 bekannt.

Druckwasser-Kernreaktoren weisen somit einen Kern auf, der aus prismenförmigen Brennelement-Kassetten besteht, die ver­ tikal nebeneinander angeordnet sind und in Kühlwasser eintau­ chen, das im Inneren des den Reaktorkern umschließenden Druckbehälters zirkuliert. Jede dieser Brennelement-Kassetten besteht aus einem Bündel in Längsrichtung der Kassette pa­ rallel zueinander angeordneter Brennstäbe, die in Querrich­ tung zueinander beabstandet sind und in jeder Querschnitts­ ebene eine gleichförmige Verteilung aufweisen. Jeder Brenn­ stab des Brennelemente-Bündels besteht aus einem Schutz­ rohr, das Brennelement-Tabletten umschließt. Als Brenn­ material wird im allgemeinen angereichertes Uranoxid und spaltbares Uran verwendet. Der Reaktorkern als ganzes besteht aus identischen Brennelement-Kassetten wobei die Konzentration des spaltbaren Materials aus­ reichend ist, um Neutronen zu emittieren und die Kern­ reaktion im Inneren des Reaktorkerns aufrechtzuerhal­ ten. 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 Energie­ spektrum 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 einfängt, um Plutonium zu erzeugen. Außerdem verwendet man bei bisher bekannten Druckwasser-Reaktoren nur einen kleinen Anteil von in den Reaktorkern eingeführtem natür­ lichem Uran.

Das so gebildete Plutonium wird während einer Wieder­ aufbereitung der verbrauchten Brennelement-Kassetten in einer Wiederaufbereitungsanlage wiedergewonnen, aber dieses Plutonium, das zur Ladung eines Brüterre­ aktors benutzt werden könnte, bleibt zur Zeit zum großen Teil unbenutzt, da sich Brüterreaktoren zur Zeit auf industrieller Ebene noch nicht ausreichend durch­ gesetzt haben.

Es wurde bereits in Erwägung gezogen, dieses Plutonium dazu zu benutzen, den Verbrauch von Uran in wasserge­ kühlten 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 während­ dessen jedoch nicht möglich, den Kernbrennstoffen 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 ent­ hält 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 thermi­ schen Neutronen ermöglichen weder eine optimale Aus­ nutzung der spaltbaren Isotope, noch eine bemerkens­ werte Umwandlung der brütbaren Isotope zu erzielen.

Daher kann Plutonium bei den heute eingesetzten wassergekühlten Reaktoren aufgrund der relativ nied­ rigen 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 Neu­ tronenenergie zu erhöhen, indem man die Menge des mo­ derierenden Wassers im Innern der Brennelement-Kassetten verringert, und indem man ein Neutronen absorbieren­ des Material in bestimmte Führungsrohre des Reaktor­ kerns einführt. Diese, in den französischen Patentan­ meldungen Nr. 82-18011 und 82-18012 der Soci´t´ FRAMATOME beschriebenen Verfahren ermöglichen die Produktion von spaltbarem Plutonium, das an 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 Neutro­ nen betrieben wird.

Die DE 30 08 472 A1 beschreibt einen heterogenen Kern­ reaktor mit einem Reaktorkern, dessen Elemente mit regelmä­ ßigem polygonalem Querschnitt ein Modul bilden, das flä­ chendeckend aneinandersetzbar ist. Verschiedenförmige Ele­ mente können für Spaltstoff und Brutstoff vorgesehen sein.

Aus der DE 33 08 619 A1 ist ein Kernbrennstoffbündel mit axial zonenförmiger Anreicherung bekannt. Es befinden sich in diesen Bündeln auch Brennstäbe, die aus angerei­ chertem Uranoxid bestehen. Ebenfalls kann Plutonium ein­ gesetzt werden. Einzelheiten über die geometrische An­ ordnung der angereicherten Brennstäbe im Kern sind der Druckschrift jedoch nicht zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reaktor­ kern für Druckwasser-Reaktoren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art so weiterzuentwickeln, daß es möglich ist, 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 zweite Gruppe von Zonen auf, in denen die Brennstäbe im wesentlichen aus Plutonium bestehen und mit einem Ab­ stand zueinander angeordnet sind, der wesentlich kleiner als der Abstand der Brennstäbe der ersten Gruppe ist, und wobei der Abstand zwischen den Brennstäben der zweiten Gruppe von Zonen eine Wasserschicht einer Dicke definiert, derart, daß die hier erzeugten Neutronen eine hohe Ener­ gie haben.

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 Zusammen­ setzung 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 prismen­ förmige Brennelement-Kassetten mit hexagonalem Quer­ schnitt auf, die aneinanderstoßend angeordnet sind und die gesamte Höhe des Reaktorkerns einnehmen.

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 Vertei­ lung von Zwischenräumen besteht, in der sich Wasser­ schichten einer zur Abbremsung der Neutronen bis auf ein thermisches Energieniveau ausreichenden Dicke ge­ bildet werden. Bestimmte Brennstäbe in der Anordnung der Brennelement-Kassette sind durch Führungsrohre er­ setzt, in die Stäbe aus entreichertem Uran eingeführt werden können, was z. B. in der französischen Patentan­ meldung Nr. 82-18012 vom 27. Oktober 1982 der Soci´t´ FRAMATOME 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 niedri­ ger 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 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 Reaktor­ kerns erstrecken, wobei zwischen den Brennstäben aus Uranoxid relativ große Zwischenräume bestehen.

Zwischen den von den Brennelement-Kassetten 1 und 2 ge­ bildeten 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 rela­ tiv zu den Brennelement-Kassetten 1 und 2 schachbrettar­ tig 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 gleich­ mäßig verteilt angeordnet, und die Zwischenräume zwischen ihnen sind sehr viel kleiner als die zwischen den Brenn­ element-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 Plutonium­ stäben können dadurch erhalten werden, indem man um deren Rohre Beabstandungsdrähte spiralförmig wickelt, was z. B. bei den Brennelement-Kassetten untermode­ rierter Reaktoren, deren Energiespektrum zwischen dem Spektrum thermischer Neutronen und dem Spektrum schnel­ ler Neutronen liegt, bekannt ist.

In die Brennelement-Kassetten 3 führt man weder Steuer­ stäbe noch Stäbe zur Änderung des Energiespektrums ein, und die Gesamtanordnung besteht aus Stäben aus wieder­ aufbereitetem Plutonium, unabhängig davon, welche Elemente zur Gewährleistung der Steifigkeit der Anordnung verwen­ det 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 Vor­ teil, 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 aufrechtzu­ erhalten.

Im Inneren der Brennelement-Kassetten 3 bewirken die Neutronen eine Spaltung eines Teils der Kerne der un­ geraden Isotope des Plutoniums, wodurch Neutronen er­ zeugt werden, die nur sehr schwach von der dünnen Was­ serschicht zwischen den Brennstäben der Brennelement Kassette 3 abgebremst werden. Diese hochenergetischen Neutronen wandeln einen Teil des nicht spaltbaren Plu­ toniums in spaltbares Plutonium um, so daß dieses wäh­ rend 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 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 Reaktor­ kern 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 einzuspa­ ren.

Durch die schachbrettartige Anordnung der Plutonium ent­ haltenden Brennelementkassetten zwischen den von den Brennelement-Kassetten zur Änderung des Energiespektrums gebildeten Zonen wird eine zusätzliche Verschiebung des Energiespektrums der Neutronen zu höheren Energien er­ reicht, zusätzlich zu der Energieerhöhung, die durch die Untermoderation der Brennelement-Kassetten 3 er­ zielt wird. Die Produktion spaltbaren Materials wird also stark erhöht, was einen zusätzlichen Gewinn der Größenordnung 20% ermöglicht.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungs­ beispiel beschränkt sondern umfaßt auch alle denkbaren Varianten.

So können z. B. die die erste Gruppe von Zonen bildenden heterogenen Brennelement-Kassetten auch klassische Brenn­ element-Kassetten eines Druckwasser-Reaktors sein, die nicht zur Aufnahme von Stäben zur Änderung des Energie­ spektrums vorgesehen sind. In diesen Fall ist es je­ doch notwendig, Brennelement-Kassetten zu verwenden, deren anfänglich Anreicherung hoch ist, damit diese ihre Aufgabe als Neutronenquellen für die Plutonium enthal­ tenden 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 Quer­ schnitt, 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 an­ geordnet sein, um einen ausreichenden Neutronenfluß im Reaktorkern zu gewährleisten. Diese Zonen müssen eben­ falls in Querrichtung ausreichend kleine Abmessungen haben, um einen guten Neutronenfluß zu gewährleisten.

Schließlich findet die Erfindung bei allen wasserge­ kühlten Kernreaktoren Anwendung, deren Kern aus paral­ lelen aneinanderstoßend angeordneten Brennelementbündeln besteht.

Claims (9)

1. Reaktorkern für einen Druckwasser-Kernreaktor mit vertikal nebeneinander angeordneten prismenförmigen Brennelement-Kassetten, die in Kühlwasser eingetaucht sind und jeweils aus einem Bündel paralleler Brenn­ stäbe 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 bildet, mit

• - einer ersten 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 Uran­ oxid bestehen, Neutronen emittieren und die Kern­ reaktion unterhalten und wobei in dieser Gruppe von Zonen die Brennstäbe mit einem Abstand angeordnet sind, so daß sich eine Wasserschicht zur Moderation der Neu­ tronen ausbildet, die ausreichend dick ist, um die Neutronen in den thermischen Energiebereich zu über­ führen, und
• - einer zweiten Gruppe von Zonen (3), die zwischen den Zonen (1, 2) der ersten Gruppe eingefügt sind, gekennzeichnet durch,

der zweiten Gruppe von Zonen (3) in 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, und
daß der Abstand zwischen den Brennstäben der zweiten Gruppe von Zonen (3) eine Wasserschicht einer Dicke definiert, so daß die hier erzeugten Neutronen eine hohe Energie haben.

2. Reaktorkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zone der ersten (1, 2) und der zweiten (3) Gruppe aus einer Brennelement-Kassette besteht.

3. Reaktorkern nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelement-Kassetten der zweiten Gruppe zu denen der ersten Gruppe schachbrettartig angeordnet sind.

4. Reaktorkern nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelement-Kassetten (1, 2) der ersten Gruppe Führungsrohre zur Aufnahme von Energieregel­ stäben aufweist.

5. Reaktorkern nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Brennelement-Kassetten (1, 2) mit Energieregelstäben Führungsrohre zur Aufnahme von Steuerstäben zur Steuerung der Reaktivität des Reaktors aufweisen.

6. Reaktorkern nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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.

7. Reaktorkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zone der ersten (1, 2) und der zweiten (3) Gruppe aus mehreren nebeneinander angeordneten Brenn­ element-Kassetten besteht.

8. Reaktorkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zone der ersten (1, 2) und der zweiten (3) Gruppe aus einem Teil einer Brennelement-Kassette besteht.