DE3435838C2

DE3435838C2 -

Info

Publication number: DE3435838C2
Application number: DE3435838A
Authority: DE
Inventors: Jean-Paul Elancourt Fr Millot
Original assignee: Framatome SA
Current assignee: Areva NP SAS
Priority date: 1983-09-30
Filing date: 1984-09-28
Publication date: 1993-01-21
Also published as: GB2147452A; US4652416A; FR2552921B1; IT8467944A1; GB2147452B; JPH0414316B2; FR2552921A1; GB8424123D0; DE3435838A1; KR910005923B1; KR850002352A; IT8467944A0; IT1179133B; JPS6093990A

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Brennelement ist aus FR-OS 25 11 174 bekannt.

Druckwasser-Kernreaktoren verbrauchen große Mengen an natürlichem Uran und haben einen relativ geringen Wirkungsgrad, da nur ein geringer Anteil dieses in den Brennelement-Kassetten vorhandenen Urans zur Energie erzeugung beiträgt.

Die Wiederaufbearbeitung der Materialien abgebrannter Brennelement-Kassetten ermöglicht jedoch Plutonium wiederzugewinnen, das als ein Teil einer Brennstoff- Charge für Brutreaktoren verwendet werden kann. Brut reaktoren haben jedoch bislang noch keine große in dustrielle und kommerzielle Bedeutung erlangt.

Es wurde daher vorgeschlagen, das wiedergewonnene Plu tonium als einen Teil des Brennstoffs zu verwenden, der in die Brennstäbe eingeführt wird, aus denen die Brennelement-Kassetten des Reaktorkerns bestehen. Dieses Verfahren ermöglicht größere Mengen Plutonium in die Brennstoff-Chargen eines Kernreaktors einzu führen. Andererseits wird dieses Plutonium, angesichts der Neutronenenergie in einem Druckwasser-Reaktor nicht in einem befriedigenden Maße ausgenutzt. Insbesondere degradiert dieses Plutonium durch Bildung nicht spaltbarer Isotope aus spaltbaren Isotopen.

Dieser Nachteil wird bei einem Reaktorkern mit hetero gener Struktur vermieden, indem Brennelement-Kassetten verschiedener Art nebeneinander angeordnet sind. Be stimmte Brennelement-Kassette enthalten mit einem nor malen Abstand beabstandete Brennstäbe aus Uranoxid, und andere Brennelement-Kassetten enthalten Brennstäbe aus Plutonium, die durch einen Abstand voneinander getrennt sind, der sehr viel kleiner ist als der, der die Brenn stäbe aus angereichertem Uran trennt. Man erzielt da durch eine Härtung des Neutronenspektrums, d. h. eine Erhöhung der mittleren Neutronenenergie in den Brenn element-Kassetten, die Brennstäbe aus Plutonium auf weisen, die von einer dünnen Wasserschicht zur Modera tion der Neutronen umgeben sind.

Um den Wirkungsgrad von Druckwasser-Reaktoren zu erhöhen, hat man allgemein und ohne sich auf die Ver wendung von wiedergewonnenem Plutonium zu beziehen, vorgeschlagen, das Energiespektrum der Neutronen bei diesen Reaktoren zu hohen Energien zu verschieben und dem Brennstoff einen gewissen Anteil an Brutmaterial, wie z. B. entreichertem Uran zuzugeben. Bei solchen Reaktoren müssen untermoderierte Brennelement-Kassetten verwendet werden, bei denen die Brennstäbe mit geringem Abstand zueinander angeordnet sind. Ferner müssen min destens zwei verschiedene Arten an Brennelement-Kasset ten verwendet werden, und zwar Brennelement-Kassetten mit spaltbarem Brennstoff und solche mit Brutmaterial. Will man schließlich von einem untermoderierten Betrieb des Reaktors, bei dem spaltbares Material erzeugt wird zu einem normalen Betrieb übergehen, so muß die Brennstoff- Charge des Reaktors vollständig ausgetauscht werden.

Es wurden ebenfalls Kernreaktoren, bei denen das Energiespek trum geändert wird, vorgesschlagen; solche Kernreaktoren sind z. B. in den FR-PS 82-18 011 und FR-PS 82-18 012 der Soci´t´ FRAMATOME beschrieben. Bei diesen Kernreaktoren kann ein Teil der Führungsrohre der Brennelement-Kassetten zu Beginn eines Betriebszyklus des Reaktors Stäbe aus entreichertem Uran auf nehmen, die die Menge des Moderators in den Brennelement- Kassetten vermindern und in diese ein Neutronen kleiner Energie absorbierendes Material einführen, das sich in spalt bares Material umwandeln kann. Dies erschwert jedoch das Wiederaufladen des Reaktors und erfordert eine anspruchs vollere Handhabung der verschiedenen den Reaktorkern bildenden Brennelement-Kassetten.

Es wurden bereits Brennelement-Kassetten vorgeschlagen, die in einem Reaktor die gleichzeitige Verwendung unterschied licher Kern-Brennstäbe bzw. von Kern-Brennstäben und Stäben mit Brutmaterial erlauben. Aus DE-OS 22 11 038 ist eine zwei geteilte Brennstoffeinheit für einen Leichtwasser-Brutreaktor bekannt, bei der ein Teil der Einheit fest installiert, der andere beweglich ist. Bei diesem Aufbau wird jedoch der Über gang vom Brutbetrieb in den normalen Betrieb erschwert, da man die Brennstoff-Charge des Reaktors vollständig aus tauschen muß.

Aus EP- 00 94 255 ist eine Brennelement-Kassette mit unter schiedlichen Durchmessern der Brenn-/Brut-Stäbe bekannt, die einen vom Durchmesser unabhängigen Abstand voneinander haben. Dadurch entstehen jedoch Probleme der Packungsdichte und daher der Effizienz.

Aus FR-OS 25 11 174 ist eine Brennelement-Kassette bekannt, die aus einem Bündel parallel angeordneter Brennstäbe be steht. Diese haben einen gewissen Abstand voneinander, um die Zirkulation von Kühlwasser bzw. die Ausbildung einer moderie renden Wasserschicht zuzulassen. Dabei ist in der ersten Gruppe von Brennstäben im wesentlichen mit spaltbarem Uran angereichertes Uranoxid enthalten. Diese dienen als Neutro nenquelle für die Kernreaktion, wobei die emittierten Neu tronen durch die die Brennstäbe umgebene Wasserschicht auf thermische Energie abgebremst werden. In dieser bekannten Brennelement-Kassette ist eine zweite Gruppe von Brenn elementen vorgesehen, die weniger spaltbares Uran enthalten als die Brennelemente in der zweiten Gruppe. Der Abstand der Brennelemente in dieser zweiten Gruppe ist kleiner als der Brennelemente in der ersten Gruppe.

Es ist Aufgabe dieser Erfindung, ein Brennelement für Druck wasser-Kernreaktoren zu schaffen, in dem Brennstäbe mit an spaltbaren Uran angereicherten Uranoxid eine erste Gruppe bilden und in dem Brennstäbe mit an spaltbaren Uran ent reicherten Uranoxid eine zweite Gruppe bilden. Die erste Gruppe ist dabei im Randbereich, die zweite Gruppe im Zentralbereich angeordnet. In der zweiten Gruppe sollen die Brennelemente im wesentlichen Plutonium enthalten und der Abstand der Brennelemente in dieser zweiten Gruppe soll so sein, daß die erzeugten Neutronen eine hohe Energie haben.

Zu diesem Zweck weist die Brennelement-Kassette eine aus einer ersten Gruppe von Brennstäben gebildete Randzone, in der die Brennstäbe im wesentlichen mit spaltbarem Uran angereichertes Uranoxid enthalten, die Neutronen emittieren und die Kernreaktion unterhalten, und die mit einem solchen Abstand zueinander angeordnet sind, daß die Wasserschicht zur Moderation ausreichend dick ist, um die Neutronen in den Bereich thermischer Energien zu überführen, und eine aus einer zweiten Gruppe von Brennstäben gebildete zentrale Zone, in der die Brennstäbe im wesentlichen Plutonium oder an spalt barem Uran entreichertes Uran enthalten und mit einem Abstand zueinander angeordnet sind, der wesentlich kleiner ist als der Abstand zwischen den Brennstäben in der Randzone, auf.

Vorzugsweise weist die Brennelement-Kassette in der Randzone angeordnete Führungsrohre zum Aufnehmen von Stäben zur Änderung des Energiespektrums auf.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung zweier erfindungsgemäßer Ausführungsformen in Verbin dung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein rechteckiges, die Brennelement-Kassette bildendes Brennstabbündel,

Fig. 2 einen Schnitt in vergrößertem Maßstab eines Teil bereichs der zentralen Zone der in Fig. 1 gezeig ten Brennelement-Kassette,

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein hexagonales, eine Brennelement-Kassette bildendes Brennstabbündel.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt ein eine Brennelement-Kas sette mit rechteckigem Querschnitt bildendes Brennstab bündel, in dem die in der Randzone 1 der Brennelement kassette gelegenen Brennstäbe gemäß einem rechteckigen Raster angeordnet sind. Es handelt sich dabei um ein 18×18-Raster, in dem die Brennstäbe 2 durch Gitterstreben in einem bestimmten Abstand zueinander gehalten werden. Auf bestimmten Positionen des Rasters sind Führungsrohre 3 angeordnet, die gleichzeitig die Versteifung der Brennelement-Kassette und die Führung der in ihnen verlaufenden Stäbe sicherstellen.

Der zentrale Bereich 4 der Brennelement-Kassette besteht aus einem zweiten Brennelement-Raster 5, in dem die Brenn stäbe in einem bestimmten Abstand zueinander gehalten werden, der wesentlich kleiner ist als der Abstand der Brennstäbe 2 in der Randzone 1. Diese Brennstäbe werden durch Längsprofilstreben 6 zueinander in Abstand gehal ten. Der zentrale Bereich 4 der Brennelement-Kassette enthält 100 Brennstäbe, die in 10 Zeilen und 10 Spalten angeordnet sind. Das den zentralen Bereich bildende Bündel 4 kann als ganzes durch das querverlaufende Git ter zur Halterung der Brennstäbe und Führungsrohre der Randzone gehaltert werden.

Die Brennstäbe 2 der Randzonen bestehen aus mit Tablet ten aus mit spaltbarem Uran angereichertem Uranoxid ge füllten Rohren, wohingegen die Brennstäbe 5 des zentralen Bereichs 4 aus mit wiedergewonnenem Plutonium gefüllten Rohren besteht.

Die Brennelement-Kassette als ganzes enthält 216 Brenn stäbe 2 mit angereichertem Uran, 44 Führungsrohre 3, die die Einführung von Steuerstäben in die Brennelement- Kassette ermöglichen und 100 Plutoniumbrennstäbe 5 die den untermoderierten Teil der Brennelement-Kassette bildet.

Die 100 Brennstäbe 5 werden mittels 81 Profilstreben 6 in einem kleinen Abstand zueinander gehalten. Fig. 2 zeigt die Anordnung von vier Plutoniumbrennstäben 5 um eine Profilstrebe 6, mit der diese mit einem Abstand von 9,75 mm zwischen den Achsen der Brennstäbe, deren Außendurchmesser 8,65 mm beträgt, gehalten werden. Im Inneren der äußeren Schutzhülle der Brennstäbe 5 ist das Spaltmaterial mit einem gewissen Spiel an geordnet, das dessen Ausdehnung zuläßt.

Die Gesamtheit der 44 Führungsrohre oder ein Teil dieser Führungsrohre kann Stäbe aus entreichertem Uran während des ersten Teils des Betriebszyklus des Reaktors aufnehmen, um das Neutronenspektrum des Re aktors zu härten und um die Menge an eingeführtem brütbaren Material, das sich in spaltbares Material umwandeln läßt, zu erhöhen. Die in dem Randbereich der Kassette, in dem die Brennstäbe angereichertes Uran enthalten, erzeugten Neutronen führen zur Spaltung der spaltbaren Isotope des Plutoniums im zentralen Bereich 4 der Brennelement-Kassette. Die aus dieser Spaltung resultierenden Neutronen sind Neutronen mit hoher Ener gie, da sie in der untermoderierten Zone der Brenn element-Kassette erzeugt wurden. So wird ein Degradie ren des Plutoniums durch die Bildung von nicht spalt baren Isotopen verhindert, die bei einem niederenerge tischen Neutronenfluß erzeugt würden.

Während des zweiten Teils des Betriebszyklus des Reaktors wird das in der Brennelement-Kassette er zeugte spaltbare Material verwendet und ermöglicht somit die Ausbeute des ursprünglich in der Charge des Reaktors eingeführten Brennstoffs zu erhöhen.

Eine Charge des Kernreaktors besteht aus aneinandergefügten identischen Brennelement-Kassetten, die je weils eine Randzone mit Brennstäben aus angereichertem Uran und mit Führungsrohren und einer zentralen Zone mit Brennstäben aus Plutonium aufweisen. Bei bestimm ten Brennelement-Kassetten nehmen die Führungsrohre alle Stäbe zur Änderung des Energiespektrums auf und bei anderen Brennelement-Kassetten nimmt ein Teil der Führungsrohre Stäbe zur Änderung des Energiespek trums und ein anderer Teil Stäbe zur Steuerung der Re aktivität des Reaktors und zur Leistungssteuerung auf. Die Brennelement-Kassetten selbst bleiben dabei iden tisch, sie nehmen in einem Fall nur Stäbe zur Änderung des Energiespektrums und in einem anderen Fall Stäbe zur Änderung des Energiespektrums und Steuerstäbe auf.

Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform. Diese Brennelement-Kassette hat einen hexagonalen Querschnitt. Der Randbereich der Brennelement-Kassette besteht aus mit spaltbarem Uran angereichertes Uranoxid enthaltende Brennstäben 10 und 48 Führungsrohren 12, die Stäbe aus entreichertem Uran zur Änderung des Energiespektrums und/oder Steuerstäbe des Reaktors aufnehmen.

Der mittlere Bereich 14 der Brennelement-Kassette be steht aus Plutoniumbrennstäben 15, die mittels Profil streben 16 in einem Abstand zueinander gehalten werden, der wesentlich kleiner ist als der Abstand zwischen den Brennstäben 10. Der Bereich 14 der Brennelement kassette bildet also einen untermoderierten Bereich, in dem eine Härtung des Neutronenspektrums durch die verminderte Dicke der Wasserschichten zur Moderation erzielt wird.

Es ist ebenfalls möglich, die Dicke der moderierenden Wasserschichten durch Erhöhung des Durchmessers der Brennstäbe im zentralen Bereich zu vermindern.

Die Funktionsweise der in Fig. 3 gezeigten Brenn element-Kassette, ist vollkommen identisch zu der Funktionsweise der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Brennelement-Kassette. Alle weiteren Brennelement-Kassetten des Reaktorkerns sind mit der in Fig. 3 gezeigten Brennelement-Kassette identisch. Eine solche Anordnung von Brennelement-Kassetten wird normalerweise von einem prismenförmigen Gefäß mit hexagonalem Querschnitt aufgenommen, des z. B. in den französischen Patentanmeldungen Nr. 25 11 174 und 25 17 826 der Soci´t´ FRAMATOME beschrieben ist.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausfüh rungsformen beschränkt sondern umfaßt vielmehr alle denkbaren Varianten.

So kann z. B. in die in dem Randbereich angeordneten Brennstäbe eine gewisse Menge an Brutmaterial einge fügt werden, das sich unter der Einwirkung hochener getischer Neutronen während des ersten Teils des Be triebszyklus des Reaktors in spaltbares Material um wandeln kann.

Die erfindungsgemäße Brennelement-Kassette kann nicht nur zur Wiederverwendung von wiedergewonnenem Plutonium in Druckwasser-Reaktoren, sondern außerdem als untermo derierte Brennelement-Kassette, die gleichzeitig spalt bares und brütbares Material beinhaltet, verwendet werden. Die Brennstäbe 5 oder 15 im zentralen Bereich der Brennelement-Kassette bestehen in diesem Fall aus brütbarem Material wie z. B. entreichertem Uran an statt aus wiedergewonnenem Plutonium. Die erfindungs gemäße Brennelement-Kassette dient in diesem Fall dazu, die Charge eines untermoderierten Reaktors mit nur einer Sorte von Brennelement-Kassetten zu bilden.

Indem man Führungsrohre, die Stäbe zur Änderung des Energiespektrums aufnehmen können,in dem Randbereich vorsieht, verbindet man die Vorteile eines Reaktors mit Änderung des Energiespektrums mit denen eines untermoderierten Reaktors.

Die Brennstäbe im zentralen Bereich der Brennelement- Kassette können mittels spiralförmig auf der Außen fläche dieser Stäbe aufgewickelten Drähten anstatt mittels den beschriebenen Profilträgern zueinander in geringem Abstand gehalten werden.

Schließlich kann die erfindungsgemäße Brennelements- Kassette in allen wassergekühlten Kernreaktoren ver wendet werden, bei denen man eine heterogene Struktur des Reaktorkerns mit Zonen unterschiedlicher Modera tionsfaktoren anstrebt.

Claims

1. Brennelement für einen Druckwasser-Kernreaktor,

a) mit einem Bündel in Längsrichtung der Kassette parallel zueinander angeordneter Brennstäbe (2; 10; 5; 15), die in Querrichtung beabstandet sind, um eine Zirkulation von Kühlwasser und die Ausbildung einer moderierenden Wasser schicht um die Brennstäbe herum zu ermöglichen,
b) mit einer ersten Gruppe von Brennstäben (2; 10), in der die Brennstäbe im wesentlichen mit spaltbarem Uran ange reichertes Uranoxid enthalten, die Neutronen emittieren und die Kernreaktion unterhalten,
c) die mit einem solchen Abstand zueinander angeordnet sind, daß die moderierende Wasserschicht ausreichend dick ist, um die Neutronen in den Bereich thermischer Energien zu überführen, und
d) mit einer zweiten Gruppe von Brennstäben (5; 15), in der die Brennstäbe an spaltbarem Uran entreichertes Uran enthalten, und mit einem Abstand zueinander angeordnet sind, der wesentlich kleiner ist, als der Abstand zwischen den Brennstäben (2; 10) der ersten Gruppe, dadurch gekennzeichnet,
e) daß die Brennstäbe (2; 10) der ersten Gruppe einen Randbereich und die Brennelemente (5; 15) der zweiten Gruppe einen Zentralbereich bilden,
f) daß die Brennstäbe (5; 15) der zweiten Gruppe im wesent lichen Plutonium enthalten und
g) daß der Abstand, mit dem die Brennstäbe (5, 15) in dem zentralen Bereich (4; 14) zueinander angeordnet sind, eine Wasserschicht einer Dicke definiert, die hinreichend klein ist, so daß die erzeugten Neutronen eine hohe Energie haben.

2. Brennelement-Kassette nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch in der Randzone angeordnete Führungsrohre (3; 12) zum Auf nehmen von Stäben zur Änderung des Energiespektrums.

3. Brennelement-Kassette nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstäbe (5; 15) des zentralen Bereichs (4; 14) der Brennelement-Kassette über Längsprofilstreben (6) zueinander in Abstand gehalten werden.

4. Brennelement-Kassette nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstäbe (5; 15) des zentralen Bereichs (4; 14) der Brennelement-Kassette durch auf ihre Außenfläche spiralförmig aufgewickelte Drähte zueinander in Abstand gehalten werden.