DE3522317A1

DE3522317A1 - Einrichtung zur reaktivitaetssteuerung von kernbrennelementen

Info

Publication number: DE3522317A1
Application number: DE19853522317
Authority: DE
Inventors: Edmund Emory Pittsburgh Pa. DeMario; Dale Burkham Monroeville Pa. Lancaster
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1984-06-22
Filing date: 1985-06-21
Publication date: 1986-01-02
Also published as: IT1184241B; JPS6114594A; GB2160698A; GB8514092D0; JPH0545154B2; GB2160698B; US4657726A; IT8521222A0

Description

Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh, Pennsylvania 15222, V.St.A.

Einrichtung zur Reaktivitätssteuerung von Kernbrennelementen

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Reaktivitätssteuerung in Kernbrennelementen nach den Oberbegriff des Anspruchs 1.

Dabei bezieht sich die Erfindung speziell auf eine solche Reaktivitätssteuereinrichtung, welche die nukleare Reaktivität eines Brennelements durch Veränderung des Volumens des Moderators/Kühlmittels im Bereich der Brennstäbe dieses Brennelements steuert und gleichzeitig ein gasförmiges abbrennbares Neutronengift einführt, wodurch die Brennstoffausnutzung verbessert und demzufolge mit einer geringeren Brennstoffanreicherung gearbeitet werden kann.

In den meisten Kernreaktoren besteht der Reaktorkern aus einer großen Anzahl langgestreckter Brennstäbe, die zu Brennelementen zusammengefaßt sind, innerhalb derer die betreffenden Brennstäbe jeweils durch einen Tragrahmen gehaltert sind. Die Brennelemente sind im allgemeinen langgestreckt und sind mit Hilfe -von oberen und unteren Kerntragplatten gehaltert und ausgerichtet. Herkömmliche Bau-

arten solcher Brennelemente weisen eine Anzahl von Brennstäben und dazwischen angeordneten hohlen Führungsrohren auf, die mittels einer Mehrzahl von entlang des Brennelements verteilt angeordneten Haltegittern in der vorgesehenen Anordnung gehalten werden, wobei die Führungsrohre an den Haltegittern befestigt sind und mit diesen zusammen das Traggerüst des Brennelements bilden. Die Führungsrohre dienen zur Führung von Steuerstäben, bei denen es sich um Neutronenabsorberstäbe, abbrennbare Neutronengiftstäbe oder Neutronenquellenelernente zur Reaktivitätssteuerung des Reaktors handelt. An den beiden Brennelementenden sind die Führungsrohre mit einem Kopfstück bzw. einem Fußstück verbunden, die ebenfalls Teile des starren Traggerüstes des Brennelements bilden. In den meisten Kernreaktoren wird im allgemeinen ein Moderator/Kühlmittel, wie beispielsweise Wasser, durch öffnungen in der unteren Kerntragplatte und durch die Brennelemente hindurch nach oben geleitet/ um die von den Brennelementen erzeugte Wärmeenergie abzuführen. Eine Brennelementenkonstruktion der eben erläuterten Gattung ist beispielsweise aus der US-PS 4 326 419 bekannt.

Schon seit den Anfängen der Kernreaktorindustrie sind immer wieder neue Verbesserungen der Konstruktion der Reaktorkernkomponenten entwickelt worden, um Änderungen der einschlägigen Sicherheitsvorschriften, Herstellungsgesichtspunkten und Energieerzeugungskosten Rechnung zu tragen. In zunehmendem Maße haben Verwender und Hersteller von Kernbrennstoff ihre Anstrengungen immer stärker auf Neutronenökonomie und eine Verringerung der Energieerzeugungskosten gerichtet. Diese Anstrengungen sind durch gesteigerte Brennstoff- und Brennstoffanreicherungskosten gefördert worden. Im Hinblick auf diese Gegebenheiten haben die Konstrukteure erhebliche Arbeit in der Entwicklung neuer Konstruktionen und in der Überarbeitung herkömmlicher Konstruktionen im sinne einer Verbesserung der. Brennstoff ausnutzung sowie auch im Hinblick auf eine Steigerung des Sicherheitsspielraums in Reaktoren geleistet.

Es ist bekannt, daß in einem Druckwasserreaktor eine bessere Brennstoffausnutzung dadurch erreicht werden kann, daß zunächst mit einem verringerten H/U-Verhältnis (Wasserstoff/Uran-Verhältnis) gearbeitet wird und dieses Verhältnis erst später während des Brennstoffzyklus auf den normalen Wert zurückgeführt wird. Die anfängliche Verringerung des H/U-Verhältnisses hat die Wirkung einer Steigerung des e^ithermischen Teils des Neutronenspektrums auf Kosten des thermischen Teils. Dies führt zu einer gesteigerten Brutrate und zu niedrigeren Spaltraten- und Brennstofferschöpfungsgeschwindigkeiten. Da der Brennstoffzyklus mit Überschußreaktivität beginnt, stellt diese Spektralverschiebung in der Anfangsphase der Kernstandzeit kein Problem dar. Wenn jedoch die Verminderung des H/U-Verhältnisses während des gesamten Brennstoffzyklus aufrechterhalten würde, könnte damit nichts gewonnen werden, da die höhere Brutstoffabsorption und die geringere Spaltrate die Vorteile aus der Brutsteigerung und dem geringeren Abbrand mehr als ausgleichen würden. Um die gesteigerte Brutrate und den niedrigeren Abbrand vorteilhaft ausnutzen zu können, ist es demzufolge notwendig, das H/U-Verhältnis im Verlaufe des Brennstoffzyklus wieder auf seinen Normalwert zurückzuführen. Das damit erhaltene Nettoergebnis ermöglicht dann den Betrieb eines Reaktors über einen vollen Brennstoffzyklus mit einer geringeren anfängliche Urananreicherung. Einer der erforschten Wege der Änderung des H/U-Verhältnisses arbeitet und Verwendung von Verdrängerstäben, Wie schon der Name sagt, werden diese Stäbe in den Reaktorkern eingeführt, um anfänglich einen Teil des Moderatorwassers zu verdrängen und dadurch das H/U-Verhältnis zu verringern. Zu einem späteren Zeitpunkt während des Brennstoffzyklus werden diese Verdrängerstäbe dann x^ieder herausgezogen oder auf andere WDise die Wasserverdrängung wieder aufgehoben.

Eine zur Beendigung der Wasserverdrängung in Betracht gezogene Möglichkeit ist die Verwendung eines mechanischen beweglichen Mechanismus ähnlich demjenigen der herkömmlichen Steuerstäbe, jedoch ist diese Möglichkeit mit gewissen Nachteilen behaftet, von denen einer darin zu sehen ist, daß bewegliche Steuermechanismen teuer sind.

Eine andere in Erwägung gezogene Möglichkeit zur Beendigung der Wasserverdrängung liegt darin, die Verdrängerstäbe nicht beweglich auszuführen, sondern sie an ihren Enden mit Membranen zu versehen, die zu einem gewissen Zeitpunkt zerstört werden, um das Eindringen von Wasser und das Füllen der hohlen Verdrängerstäbe zu ermöglichen. Eine grundsätzliche Idee sieht die Verwendung eines kleinen Heizelements vor, das eine spezielle Endkappe des betreffenden hohlen VerdrängerStabes umschließt. In dem entsprechenden Zeitpunkt wird das Heizelement eingeschaltet, wodurch ein bestimmter Teil der Endkappe so weit erweicht wird, daß der äußere Wasserdruck die Endkappe durchstößt und der Verdrängerstab sich mit Wasser füllt. Diese grundätzliche Idee wurde dahingehend erweitert, daß man für jedes Brennelement einen Verteiler vorsieht, der ähnlich der sternartigen Verbindung zwischen den einzelnen Steuerstäben einer-herkömmlichen Steuerstabgruppe und der zugehörigen Steuerstabantriebsstahge ausgebildet ist, so daß alle Verdrängerstäbe eines Verdrangerstabbündels über eine einzige, an dem Verteiler angeordnete Endkappe gesteuert werden können. Die jedem Verdrängerstabbündel zugeordnete Endkappe bestünde dann aus einen äußeren Kappenkörper, der mit dem innenliegenden Heizelement verbunden ist. Das Verfahren zur Änderung des H/U-Verhältnisses während eines Brennstoffzyklus würde dann folgendermaßen ablaufen: Zunächst würde der Reaktor auf niedrigere Leistung zurückgefahren oder in einen Heißabschaltzustand gebracht. Die Heizelemente aller Verdrängerstabbündel würden dann durch

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die zugehörigen Anschlußkabel mit Heizenergie gespeist, bis alle Endkappen durchbrochen worden sind. Danach würde der Reaktor wieder angefahren werden. Bei der dann aufgrund des höheren H/U-Verhältnisses gesteigerten Reaktivität müßte dann auch eine erhöhte Borkonzentration im Primärkühlmittel hergestellt werden. Einige der bei dieser Möglichkeit auftretenden Probleme wären die Zuverlässigkeit der Anschlüsse und der Verdrahtung, wenn sie dem Druck und der korrosiven Wirkung des Reaktorkühlwassers ausgesetzt sind, weiter die Möglichkeit von Störungen oder Beschädigungen an den Verdrängerstäben selbst, ferner die Frage, was mit den benutzten Verdrängerstäben nach Gebrauch geschehen soll, da sie kontaminiert sind und deshalb Transport und Beseitigung Probleme aufwerfen, und schließlich die Frage, was mit einem solchen Verdrängerstabsystem im Falle eines LOCA (Loss of Coolant Activity - Aktivität bei Kühlmittelverlust) oder anderen Reaktorstörungen passieren würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine andere Möglichkeit zur Verbesserung der Brennstoffausnutzung und dadurch zur Verringerung der Brennstoffzykluskosten zu finden, bei welchem die oben erläuterten Nachteile bekannter Lösungsversuche nicht auftreten.

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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist also so ausgelegt, daß sie im Betrieb einen Teil des Moderators/Kühlmittels verdrängt und dadurch das H/U-Verhältnis in der Anfangsphase des Brennstoffzyklus des Reaktors verringert und dann zu einem späteren Zeitpunkt die Verdrängung in Form eines allmählichen Vorgangs so zurückführt, daß das Energiespektrum durch Zurückführen des H/U-Verhältnisses

auf den Normalwert verschoben wird. Die hohlen Verdrängerstäbe sind vorzugsweise zunächst mit einem gasförmigen abbrennbaren Neutronengift gefüllt, um große positive Moderatortemperaturkoeffizienten zu vermeiden und einen negativen Moderatortemperaturkoeffizienten sicherzustellen, um zur gewünschten Leistungskurvenform beizutragen«, Nahe dem Ende eines Brennstoffzyklus wird mit der Einleitung von Moderator/Kühlmittel noch vorhandenes gasförmiges abbrennbares Neutronengift in das System hinein freigesetzt und im Gasabscheidersystem abgeführt. Die Auslegung ist derart getroffen, daß die Verringerung der Moderator-ZKühlmittel-Verdrängung und ebenso auch die Freisetzung des gasförmigen abbrennbaren Neutronengiftes auf einer langsamen und unabhängig gesteuerten Basis erfolgen, wodurch die Sicherheit gegen zufällige Freisetzung oder große Reaktivitätsminderungen während eines einzelenen Ereignisses oder Übergangs erhöht wird. Das System vergrößert auch die Flexibilität des Bedienungspersonals beim Abschwächen von unerwarteten Leistungssprüngen während des Betriebszyklus. Die eine Spektralverschiebung vornehmende Einrichtung und die Verwendung von abbrennbarem Neutronengift verringern außerdem die Probleme des Betriebs hinsichtlich der Beseitigung von verbrauchten abbrennbaren Neutronengiften, die gegenwärtig zum Niedrighalten der iiberschußreaktivität verwendet werden. Außerdem ermöglicht die Auslegung der Einrichtung eine Leistungsverteilungseins te llung noch im letzten Augenblick, da das Neutronengiftgas erst in der Reaktoranlage eingefüllt zu werden braucht und es daher möglich ist, die Neutronengiftfüllung noch bis zum Einsetzen der Brennelemente in den Reaktorkern zu ändern. Diese große Flexibilität hilft wesentlich, annehmbare Belademuster zu finden, wenn nach einer Abschaltung ein Betrieb beschließt, nicht vorgeplante Brennelemente zur Beladung zu benutzen. Des weiteren ist die Konstruktion so ausgelegt, daß Wartung und Reparatur einfach in dem Becken für verbrauchten Brennstoff ausge-

führt werden können. Ein weiteres in hohem Maße vorteilhaftes Merkmal der Erfindung liegt darin, daß die Steuereinrichtung einfach durch Wiederauffüllen mit Neutronengiftgas wiederverwendbar ist. Dieses Viiederauffüllen kann leicht in der Reaktoranlage stattfinden, wodurch die Kosten für eine Beseitigung gebrauchter Verdrängerstäbe oder die Unannehmlichkeiten und hohen Kosten des Transports der kontaminierten Verdrängerstäbe vermieden werden können.

Ein Ausfü'hrungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf -die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in welchen zeigts

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Seiten-

ansicht eines herkömmlichen Brennelements mit einer Moderatorsteuereinrichtung nach der Erfindung, wobei die Verdrängerstäbe in die Führungsrohre des Brennelements eingesetzt sind,

Fig.. 2 in vergrößerter, teilweise geschnittener Seitenansicht die aus dem Brennelement herausgenommene Moderatorsteuereinrichtung,

Fig. 3 einen Querschnitt der Moderatorsteuereinrichtung in der Ebene III-III in Fig. 2, und 30

Fig. 4 einen Querschnitt der Moderator

steuereinrichtung in der Ebene IV-IV in Fig. 2,

In der folgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugsziffern in allen Darstellungen gleiche bzw. ent-

sprechende Teile und Bezeichnungen wie z.B. vorwärts, rückwärts, links, rechts, aufwärts, abwärts, und dgl, werden jeweils zweckiaäßigkeitshalber verwendet und sind nicht in einschränkendem Sinne zu verstehen.

Nunmehr wird auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig, 1 Bezug genommen. Das dort dargestellte Brennelement 10 gehört der in Druckwasserreaktoren (PWR) verwendeten Bauart an und weist grundsätzlich ein Fußstück 12, eine Anzahl von Führungsrohren 14,eine Anzahl von Haltegittern 16, eine Anordnung von Brennstäben 18, ein Instrurcentierungsrohr 20 und ein Kopfstück 22 auf. Das Fußstück 12 ist für eine Halterung des Brennelements auf der nicht dargestellten unteren Kerntragplatte ausgebildet.

Die Führungsrohre 14 verlaufen vom Fußstück 12 aus nach oben bis zum Kopfstück 22. Die Haltegitter 16 sind mit gegenseitigen Axialabständen entlang der Führungsrohre angeordnet und dienen zur Halterung und seitlichen Abstützung der Brennstäbe 18 in -der vorgesehenen gegenseitigen Relativlage. Das Instrumentierungsrohr 20 verläuft in der Mitte des Brennelements. Das Fußstück 12, das Kopfstück 22, die Führungsrohre 14 und die Haltegitter 16 bilden zusammen den Tragrahmen des Brennelements, so daß dieses ohne Beschädigung der einzelnen Bauteile gehandhabt v/erden kann.

Das Kopfstück 22 weist eine querverlaufende Adapterplatte 24 und an deren Rändern nach oben ragende Seitenwände 26 auf (von denen die vordere Wand aufgebrochen dargestellt ist), die zusammen eine Kammer bilden. An ihren Oberkanten sind die Seitenwände 26 mit einem umlaufenden Flansch 28 versehen, an welchem in geeigneter Weise Blattfedern (nicht dargestellt) befestigt sind, die mit der oberen Kerntragplatte (nicht dargestellt) in üblicher Weise zusammenwirken, um ein hydraulisches Anheben des Brennelements durch den aufwärts strömenden Kühlmittelstrom zu

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verhindern, andererseits aber Längenänderungen des Brennelements infolge von Wärmedehnungen und dgl. zuzulassen. Innerhalb der von den Seitenwänden 26 umschlossenen Kammer ist die erfindungsgemäße Moderatorsteuereinrichtung 30 untergebracht, die nachstehend mehr im einzelnen beschrieben wird. Eine detailliertere Beschreibung des Brennelements selbst.erübrigt sich, da sich die Erfindung nicht auf das Brennelement an sich bezieht.

Nunmehr wird besonders auf die Fig. 2, 3 und 4 Bezug genommen. Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich ist, weist die Moderatorsteuereinrichtung 30 eine Anzahl langgestreckter hohler Verdrängerstäbe 36 auf, die zwischen den Brennstäben anzuordnen sind und zweckmäßigerweise, obwohl dies nicht zwingend erforderlich ist, in leere Steuerstabführungsrohre 14 (Fig. 1) des Brennelements 10 eingesetzt werden, um jeweils ein bestimmtes Volumen des Moderators/Kühlwassers im Bereich der Brennstäbe 13 zu verdrängen und dadurch das H/U-Verhältnis mit Bezug auf einen gegebenen Normalwert zu verringern. Die Verdrängerstäbe 32 sind durch einen Verteiler 34 miteinander verbunden, der über dem Brennelement 10 in der von den Seitenwänden 26 des Kopfstücks 22 umschlossenen Kammer untergebracht ist und auf der Adapterplatte 27 aufliegt, wenn die Moderatorsteuereinrichtung 30 sich in ihrer Betriebsposition befindet, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist» In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Verteiler 34 ein nabenartiges Mittelstück 36, das eine mittige öffnung 38 (siehe Fig. 3 und 4) bildet, und eine Anzahl von davon radial wegragenden hohlen, rohrartigen Armen 40 auf, welche die oberen Enden der einzelnen hohlen Verdrängerstäbe 32 mit dem Mittelstück 36 verbinden. Das Mittelstück 36 ist mit einer Anzahl von radialen Bohrungen versehen, die Einlaßöffnungen 42 zu den einzelnen Armen 40 bilden. Die radial inneren Enden der Arme sind in geeigneter Weise mit dem Mittelstück verbunden, so daß die Einlaßöffungen

kontinuierliche Verlängerungen der inneren Kanäle der einzelnen Arme bilden, die am besten aus Fig, 2 ersichtlich ist. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß die Einlaßöffnungen 42 in Urafangsrichtung mit gegenseitigen Abständen in die mittige öffnung 38 des Mittelstücks 36 ausmünden (siehe Fig. 3 und 4). Vorzugsweise und aus einem anhand der folgenden Beschreibung leicht verständlichen Grund sind die Einlaßöffnungen 42 jeweils paarweise einander diametral gegenüberliegend angeordnet. In jedem der Arme 40 ist mindestens eine Auslaßöffnung 44 gebildet, wobei manche der Arme nur eine solche Auslaßöffnung und andere Arme jeweils zwei solche Auslaßöffnungen haben. Anzahl und Lage der Austrittsöffnungen 44 an jedem einzelnen Arm 40 entsprechen der Anzahl und der Position der damit verbundenen Verdrängerstäbe 32. Die Verdrängerstäbe können in geeigneter Weise mit den Armen 40 verbunden sein; vorzugsweise sind sie mittels einer Schraubverbindung mit den Armen verbunden, um An- und Abbau der Verdrängerstäbe an die Arme bzw, von ihnen zu'erleichtern. Die einzelnen Verdrängerstäbe 32 sind also über die Auslaßöffnungen 44 und die Einlaßöffnungen 42 der Arme sowie den inneren Hohlraum der Arme selbst, ohne an die spezielle dargestellte Ausführungsform gebunden zu sein, mit der mittigen öffnung 38 des Verteilers 34 strömungstechnisch verbunden.

Wie weiter aus Fig. 2 hervorgeht, weist die Steuereinrichtung 30 außerdem den Einlaßöffnungen 42 des Verteilers 34 zugeordnete Ventilorgane auf, um das Einströmen bzw. Nichteinströmen von Kühlmittel in die hohlen Verdrängerstäbe 32 zu steuern, also um die Einlaßöffnungen wahlweise zu schließen und zu öffnen und so den Eintritt von Kühlmittel durch die Einlaßöffnungen 42, die hohlen Arme 40 und deren Auslaßöffnungen 44 in die Verdrängerstäbe 32 zu verhindern oder zu ermöglichen. Durch öffnen der Einlaßöffnungen kann also die ursprüngliche Kühlmittelverdrängung aufgehoben werden, da dann die Verdrängerstäbe sich mit

Kühlmittel füllen, wodurch das H/U-Verhältnis erhöht oder ganz auf seinen vorgegebenen Normalwert zurückgeführt und das Energiespektrum entsprechend versch ben wird. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist als Ventilorgan ein als Ventilküken wirkender Rohrstutzen 46 vorgesehen, der so betätigbar ist, daß er sämtliche Einlaßöffnungen 42 in einer vorgegebenen Reihenfolge öffnet und schließt. Natürlich kann statt dessen auch jeder einzelnen Einlaßöffnung ein eigenes gesondertes Ventilorgan zugeordnet sein. Der Rohrstutzen 46 ist zylindrisch, d.h. er hat eine kreisrunde Querschnittsform, und in seinen untersten Abschnitt ist mindestens eine Durchtrittsöffnung 48 oder vorzugsweise ein Paar diametral gegenüberliegender Durchtrittsöffnungen gebildet. Der Rohrstutzen 46 ist so montiert, daß er mit seinem unteren Ende auf einer ringförmigen Lippe 50 aufsitzt., die einstückig mit dem Mittelteil 36 des Verteilers ausgebildet ist, und außerdem ist der Rohrstutzen mit einer oberhalb der Durchtrittsöffnungen 48 gelegenen Umfangsnut versehen, in welche ein ringförmiger, oberhalb der Lippe 50 am Mittelstück 36 gebildeter Ringflansch 52 eingreift. Diese Anordnung ermöglicht eine Drehung des Rohrstutzens 46 in der mittigen öffnung 38 des Verteilers 34, wobei der untere Abschnitt des Rohrstutzens 46 einen solchen Durchmesser hat, daß er eng anliegend in der öffnung 38 sitzt und mit seiner Außenfläche im Zusammenwirken mit der Umfangswand der öffnung 38 die Einlaßöffnungen 42 dicht verschließt und dadurch verhindert, daß Kühlmittel in diese eintritt, solange der Rohrstutzen in der Schließstellung steht. Ein Einströmen von Kühlmittel durch die Einlaßöffnungen 42 in die Verdrängerstäbe 32 kann nur auftreten, wenn der Rohrstutzen 46 in eine üffnungsstellung jedreht wird, in v/elcher die Durchtrittsöffnungen 48 mit Einlaßöffnungen 42 zur Deckung gebracht sind, wie in Fig. 4 dargestellt ist. Bei diesem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt also die Ventilsteuerung derart _f daß nur jeweils zwei einander diametral gegenüberliegende

Einlaßöffnungen (und damit maximal vier Verdrängerstäbe) gleichzeitig für das Einströmen von Kühlmittel geöffnet werden, so daß damit eine große Sicherheit gegen ein unbeabsichtigtes Auslösen einer großen Reaktivitätsänderung während eines einzelnen Ereignisses oder Übergangs gegeben ist. Darüberhinaus gibt diese Ventilsteuerung dem Bedienungspersonal eine größere Flexibilität und erlaubt ihm, unerwartete Leistungssprünge während eines Betriebszyklus abzuschwächen.

Auf dem Rohrstutzen 46 ist eine perforierte Niederhaltepiatte 54 gleitend verschiebbar montiert, die eine Druckfeder 56 zusammendrückt, wenn die nicht dargestellte obere Kerntragplatte auf das Brennelement aufgelegt wird.

Die Feder 56 ist als Schraubenfeder um den Rohrstutzen 46 herumgewunden und befindet sich zwischen der Niederhalteplatte 54 und dem Mittelstück 36 des Verteilers 34, so daß ein Herausdrücken der Steuereinrichtung 30 aus dem Brennelement 10 durch die Kraft des aufwärtsströmenden Kühlmittels verhindert wird. Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, sitzen auf der Platte 54 ein Motor 58, eine Batterie 60 und ein Sender/Empfänger 62 zur Betätigung des Rohrstutzens 46 im Sinne eines Schließens und öffnens der Einlaßöffnungen 42 in der oben beschriebenen Weise.

Der Motor 58 treibt ein Ritzel 64 an, das mit einem ringförmigen Zahnrad 66 in Eingriff steht, das am Rohrstutzen befestigt ist. Das Bedienungspersonal sendet von einer externen Stelle aus ein Signal (elektromagnetisches, Radio- oder Mikrowellensignal) zum Sender/Empfänger 60, der seinerseits den Motor 58 steuert, der dann den Rohrstutzen entsprechend dreht. Alternativ dazu kann der Motor 58 über einen im Reaktorkern befindlichen Drucktastenschalter betätigt werden, der durch das Instrumentierungsrohr 20 (Fig. 1) in der Mitte des Brennelements 10 zugänglich ist.

Für den Fall, daß die Verdrängung von Kühlmittel in den Führungsrohren 14 nicht ausreichend sein sollte, um einen negativen Moderatortemperaturkoeffizienten sicherzustellen, und daß die wählbare Verdrängung des Kühlmittels zur Leistungsverteilungssteuerung unzureichend sein sollte, sieht die Erfindung außerdem die Verwendung eines abbrennbaren lieutronengiftes in Gasform vor. Demgemäß sind die Verdrängerstäbe 32 vorzugsweise jeweils anfänglich mit einem abbrennbaren Neutronengiftgas gefüllt, vorzugsweise

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mit He , das freigesetzt wird, wenn die Einlaßöffnungen geöffnet werden, um das Einströmen von Kühlmittel in die Verdrängerstäbe 32 zu ermöglichen. Infolge der oben erörterten speziellen Ventilanordnung kann das Gas jeweils nur durch zwei Einlaßöffnungen (also maximal aus vier Verdrängerstäben) gleichzeitig entweichen, wodurch Sicherheitsprobleme vermieden werden.

Damit die Steuereinrichtung 30 nach Beendigung eines Brennstoffzyklus wiederverwendet werden kann_p ist bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel jeder der Verdrängerstäbe mit einem an seinem unteren Ende angeordneten Wiederfüllventil 70 ausgestattet. Zusätzlich zu dem Vorteil der Kosteneinsparung, die aus der Wiederverwendbarkeit der Brennstäbe 32 anstelle der Notwendigkeit ihrer Beseitigung ergibt, bringt das Wiederfüllventil 70 außerdem den Vorteil, daß eine Einstellung der Leistungsverteilung noch im letzten Augenblick vor dem Einsatz der Brennelemente möglich ist. Da die Verdrängerstäbe in der Reaktoranlage an Ort und Stelle gefüllt werden können, kann die jeweils spezielle Befüllung mit Neutronengiftgas zurückgestellt werden, bis die Einrichtung tatsächlich in einem Brennelement zum Einsatz kommen soll.

Claims

P atentansprüche

[V. Einrichtung zur Reaktivitätssteuerung eines Kernbrennelements, dessen Brennstäbe im Betrieb durch ein hindurchströmendes, gleichzeitig als Moderator wirkendes Kühlmittel gekühlt werden, gekennzeichnet durch: 5

a) eine Mehrzahl hohler Verdrängerstäbe (32), die zwischen den Brennstäben anzuordnen sind, um ein bestimmtes Kühlmittelvolumen zu verdrängen und dadurch das Wasserstoff/Brennstoff-Verhältnis mit Bezug auf einen gegebenen

10 Wert zu verringern,

b) einen Verteiler (34), der auf dem Brennelement anzuordnen ist und eine Anzahl von Einlaßöffnungen (42) und eine Anzahl von Auslaßöffnungen (40) aufweist, wobei jede Einlaßöffnung mit mindestens einer der Auslaßöffnungen strömungstechnisch verbunden ist und jede Auslaßöffnung ihrerseits mit einer der hohlen Verdrängerstäbe strömungstechnisch verbunden ist, und

c) ein den Einlaßöffnungen (42) des Verteilers (34) zugeordneter Ventilmechanismus (46), mittels welchem der Eintritt von Kühlmittel in die einzelnen Verdrängerstäbe zwecks Aufhebung der Kühlmittelverdrängung wahlweise steuerbar ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilmechanismus (46) wahlweise zwischen einer Schließstellung, in welcher er sämtliche Einlaßöffnungen (42) absperrt, und einer Folge von Offenstellungen bewegbar ist, in welchen jeweils eine Anzahl von Einlaßöffnungen geöffnet ist, während die übrigen Einlaßöffnungen geschlossen bleiben.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den einzelnen Offenstellungen jeweils nicht mehr als zwei der Einlaßöffnungen (42) gleichzeitig geöffnet sind.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3_f dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängerstäbe (32) mit einem gasförmigen abbrennbaren Neutronengift gefüllt sind, das in die Kühlmittelströmung hinein freigesetzt wird, wenn der Ventilmechanismus (46) die dem betreffenden Verdrängerstab zugeordnete Einlaßöffnung (42) öffnet.
L 20 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige abbrennbare Neutronengift He ist,
6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verdrängerstab (32) mit einem Ventil (70) ausgestattet ist, das eine Wiederfüllung mit dem abbrennbaren gasförmigen Ne'utronengift nach Beendigung eines Brennstoffzyklus ermöglichte
7₀ Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteiler (34) eine mittige Öffnung (38) aufweist, die mit den einzelnen, an ihrem Umfang mit gegenseitigen Abständen angeordneten Einlaßöffnungen (42) in Strömungsverbindung steht, und daß der Ventilmechanismus einen als Ventilküken wirkenden Rohrstutzen (46) aufweist, in welchem mindestens eine Durchtrittsöffnung (48) gebildet ist, und daß der Rohrstutzen (46) drehbar im Verteiler ange-

ordnet ist, derart daß seine Außenfläche dichtend mit der Wandfläche der mittigen öffnung (38) des Verteilers zusammenwirkt und durch Drehen des Rohrstutzens wahlweise alle Einlaßöffnungen (42) verschließbar oder die Durchtrittsöffnung (38) wahlweise mit jeweils einer der Einlaßöffnungen zur Deckung bringbar ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrstutzen (46) mit zwei einander diametral gegenüberliegend angeordneten Durchtrittsöffnungen (48) versehen ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteiler (34) ein nabenartiges Mittelstück (36), in welchem die mittige öffnung (38) gebildet ist, und eine Anzahl hohler rohrartiger Arme (40) aufweist, die radial von dem Mittelteil wegragen und an ihren inneren, mit dem Mittelteil verbundenen Enden jeweils eine Einlaßöffnung (42) und im übrigen jeweils mindestens eine Austrittsöffnung (44) hab.en.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme (40) jeweils abwechselnd mit einer Austrittsöffnung bzw. mit zwei Austrittsöifnungen versehen sind.