DE4121103C2 - Kernreaktor-Steuerstab - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor-Steuerstab zum Einstellen und zum Steuern der Leistung eines Sie­ dewasserreaktors, insbesondere einen Steuerstab, der eine hervorragende Reaktivität und lange Lebensdauer besitzt. Mit dem Steuerstab soll ein un­ erwünschtes Schwellen oder Ausbeulen eines Neutronenabsor­ bers beherrschbar sein und eine Verhinderung der Beein­ trächtigung der mechanischen und physikalischen Lebensdauer möglich sein, wenn eine Ausbeulung stattfindet.

Da die Neutronenabsorptionsleistung eines Steu­ erstabs für einen Siedewasserreaktor, d. h. seine Fähigkeit zur Absorption von Neutronen, nach und nach schlechter wird, muß der Steuerstab aus dem Kern des Kernreaktors herausgenommen und durch einen neuen Steuerstab ersetzt werden, nach­ dem er eine vorbestimmte Zeitspanne in Betrieb war. Allerdings muß dieser Austausch vorgenommen werden, während der Be­ trieb des Kernreaktors stillgesetzt ist, was eine umfang­ reiche Arbeit bedeutet, die lange Zeit in Anspruch nimmt. Dementsprechend lang ist die Stillstandszeit des Kernreak­ tors, was eine verschlechterte Verfügbarkeit bedeutet. Hinzu kommt das Risiko, daß die Arbeiter Strahlung ausgesetzt sind.

Bei dem gebrauchten Steuerstab handelt es sich um ein großvolumiges und stark radioaktives Abfallmaterial, so daß schon aus diesem Grund eine Verlängerung der Lebensdauer des Steuerstabs erwünscht ist. Deshalb wurden verschiedene langlebige Steuerstäbe für Kernreaktoren entwickelt, und ein Teil dieser Steuerstäbe wurde in der Praxis erprobt.

Ein solcher langlebiger Steuerstab ist in der JP-Patent-OS 53-74 697, japanische Patentveröffentlichung 59- 138 987 beschrieben. Dieser Steuerstab für einen Kernreaktor ist im we­ sentlichen so aufgebaut, daß sich in demjenigen Abschnitt, der von einer relativ großen Neutronenmenge bestrahlt wird, anstelle einer Borverbindung ein langlebiger Neutronenab­ sorber befindet, der aus Hf-Metall oder einer Ag-In-Cd-Le­ gierung besteht.

An einem unteren Abschnitt des Kernteils ist abnehmbar ein Steuerstab für Kernreaktoren in einen Spalt eingesetzt, der einen kreuzförmigen Querschnitt aufweist und zwischen Brennelementen ausgebildet ist, von denen jedes ein sich aus vier Einzelbrennelementen zusammenset­ zender Satz ist, der in den Kern des Kernreaktors geladen ist.

Einer besonders hohen Neutronenmenge werden der vordere Abschnitt, gesehen in Einsetzrichtung und der äußere Endabschnitt (das äußere seitliche Ende des Flügels) des Steuerstabs ausgesetzt. Deshalb befindet sich zur Verlän­ gerung der Lebensdauer des Steuerstabs in diesen Bereichen Hafnium (Hf), dessen Neutronenabsorptionsfähigkeit auch dann nicht nennenswert beeinträchtigt wird, wenn es mit ei­ ner großen Menge Neutronen bestrahlt wird. Außerdem ist in den übrigen Bereichen des Steuerstabs billiges und leichtes Borkarbid (B₄C) angeordnet.

Fig. 34 bis 36 zeigen einen herkömmlichen Steuerstab für Kernreaktoren. Bei diesem Steuerstab sind mehrere Glieder 1 vorgesehen, von denen jedes einen kreuzförmigen Verbin­ dungsabschnitt aufweist. Die Glieder 1 sind in axialer Richtung in vorbestimmten Intervallen angeordnet. Außerdem sind an dem Verbindungsglied 1 vier Flügel 2 befestigt, bei denen es sich jeweils um eine längliche rechtwinklige Platte handelt. Die vier Flügel 2 bilden die Form eines Kreuzes. An den Frontabschnitten der vier Flügel 2 ist eine Handhabe 3 befestigt.

Jeder der Flügel 2 besitzt mehrere Aufnahmelöcher 2a, die sich in Breitenrichtung des Flügels erstrecken. Jedes Auf­ nahmeloch 2a liegt auf einer Linie in Längsrichtung des Flügels 2. In dem Aufnahmeloch 2a im Front-Einsetzabschnitt des Flügels 2 befindet sich ein langlebiger Neutronenabsor­ ber 3a, der sich aus Hf zusammensetzt. Außerdem ist in den übrigen Aufnahmelöchern 2a ein Neutronenabsorber 4 aus B₄C eingeschlossen. In dem äußeren seitlichen Endabschnitt (Um­ fangsbereich) des Flügels 2, entsprechend dem äußeren Um­ fang des Steuerstabs A für Kernreaktoren, ist in Längsrich­ tung des Flügels 2 ein Raum 2b derart ausgebildet, daß er mit jedem der Aufnahmelöcher 2a in Verbindung steht. In dem Raum 2b befindet sich ein langlebiger Neutronenabsorber 3b aus Hf, der einen Endabschnitt jedes Aufnahmelochs 2a verschließt und verhindert, daß das B₄C-Pulver aus den Aufnahmelöchern 2a heraustritt. Zwischen dem Neutronenabsorber 3b und dem Außenumfang des Flügels 2 befindet sich ein Element 5 aus rostfreiem Stahl, welches die Durchführung von Schweißarbeiten erleichtert.

Wenn der Flügel 2 zusammengebaut wird, wer­ den die Neutronenabsorber 3a und 4 über einen Öffnungsab­ schnitt 2c (Fig. 35), der dem äußeren Umfangsabschnitt des Flügels 2 gegenüberliegt, in das jeweilige Aufnahmeloch 2a eingebracht. Dann werden der Neutronenabsor­ ber 3b und das Element 5 aus rostfreiem Stahl in den Raum 2b eingesetzt, bevor zwei Plattenabschnitte 2d, die sich in dem Öffnungsbereich 2c gegenüberliegen, nach innen umgebogen und dann durch Schweißen verschlossen werden.

Da der Schmelzpunkt des Neutronenabsorbers 3b aus Hf 2200°C beträgt, also wesentlich höher liegt als der 1400°C betra­ gende Schmelzpunkt des Stahl-Elements 5, wird der Neutro­ nenabsorber 3b während des Schweißens nicht angeschmolzen, und wird in dem äußeren Umfangsbereich des aus rost­ freiem Stahl bestehenden Flügels 2 gehalten. Eine uner­ wünschte Mischung von Hf-Atomen des Neutronenabsorbers 3b mit dem in dem Schweißbereich vorhandenen Metall wird somit verhindert. Man erhält also eine Schweißung hoher Güte.

Vorzugsweise ist ein Bereich l₁ (siehe Fig. 34), in welchem langlebiger Neutronenabsorber 3a enthalten ist, 3 cm bis 35 cm von dem vorderen Einsetzab­ schnitt des Flügels entfernt, der den Steuerstab für den Kernreaktor bildet. Ist der Bereich kürzer als 3 cm, so be­ findet sich das den Neutronenabsorber 4 bildende B₄C-Pulver in unerwünschter Weise in einem Bereich, der von einer großen Neutronenmenge bestrahlt wird. Wenn er hingegen län­ ger als 35 cm ist, wird beim Herunterfahren des Kernreak­ tors der Reaktivitätswert verschlechtert, da Hf im Ver­ gleich zu B₄C einen unzureichenden Neutronenabsorptionsef­ fekt bietet. Das teure Hf wird dann in zu hohem Maße einge­ setzt. Dieses Material ist nicht nur teuer, sondern auch schwer, so daß dann der Einsatz unwirtschaftlich ist und außerdem das Gewicht des gesamten Steuerstabs unerwünscht ansteigt, verglichen mit dem herkömmlichen Steuerstab.

Die Länge des Bereichs l₂ des Neutronenabsorbers 3b am Außenumfang des Flügels 2 beträgt vorzugsweise 0,5 bis 2 cm. Ist der Bereich kürzer als 0,5 cm, so befindet sich in diesem Bereich, der von einer großen Neutronenmenge be­ strahlt wird, B₄C-Pulver, welches hier den Neutronenabsorber 4 bildet. Bei mehr als 2 cm be­ findet sich Hf als Neutronenabsorber 3b in der (dem mittleren Abschnitt des Flügels benachbar­ ten) Zone, in welcher die Stärke des Neutronenflusses redu­ ziert ist, was zu dem oben angesprochenen Problem führen würde.

In der JP-OS 1-2 02 691 ist ein Steuerstab für Kernreaktoren beschrieben, welcher derart ausgestaltet ist, daß bei einem ähnlichen Aufbau, wie er in Fig. 34 gezeigt ist, anstelle des rostfreien Stahls eine verdünnte Hf-Legierung vorgese­ hen ist, wobei es sich um eine Legierung aus Hf und Zirkon (Zr) oder eine Legierung aus Hf und Titan (Ti) handelt.

Das Hafinium bildet zusammen mit Zr oder Ti mit beliebigem Verhältnis eine Festlösungs-Legierung. Zwar besitzen Hf, Zr und Ti im Bereich von Kern­ reaktoren eine zufriedenstellende Materialstabilität, jedoch absorbieren diese Stoffe bekanntlich Was­ serstoff, wodurch ein Hydrid gebildet wird, welches ein Ausbeulen, also eine kubische Expansion hervorruft, wenn die Menge des Wasser­ stoffs zu groß und die Menge des Sauerstoffs zu gering ist. Hf ist ein hervorragender Neutronenabsorber, der eine Mehr­ zahl von Isotopen besitzt. Dieses Material ist als typi­ scher langlebiger Neutronenabsorber bekannt, da es eine Be­ einträchtigung der Neutronenabsorptionsfähigkeit auch dann vermeiden kann, wenn es mit Neutronen bestrahlt wird. Außerdem besitzt Hf die Eigenschaft, in besonderem Maße Re­ sonanzneutronen zu absorbieren. Seine Neutronenabsorptions­ fähigkeit nimmt auch dann nicht rasch ab, wenn es bis zu einem gewissen Grad mit einem Verdünnungsmittel versetzt ist.

Wie oben beschrieben, besitzt Hf hervorragende Neutronenab­ sorptionsfähigkeit, besitzt aber auch eine sehr hohe Dichte (etwa 13,1 g/cm³). Hierdurch entsteht das Problem, daß die­ ses Material nicht ohne weiteres und beliebig in einem Steuerstab herkömmlicher Kernreaktoren eingesetzt werden kann.

Andererseits besitzt Zr geringe Dichte (6,5 g/cm³) und kann eine sehr gute Legierung zusammen mit Hf bilden. Auch Ti besitzt eine relativ geringe Dichte (4,5 g/cm³) und kann mit Hf eine hervorragende Legierung bilden. Deshalb kann eine Legierung aus Hf und Zr oder eine Legierung aus Hf und Ti (da Zr oder Ti als Verdünnungsmittel für Hf dient, wird eine solche Legierung hier als verdünnte Legierung bezeich­ net) die hervorragenden Eigenschaften in Kernreaktoren bei­ behalten. Außerdem wird das Absorptionsvermögen für Neutro­ nen im Vergleich zu der aus Hf bestehenden Struktur nicht beeinträchtigt. Die Dichte, das heißt das spezifische Ge­ wicht der verdünnten Legierung läßt sich reduzieren, so daß die Dichte von rostfreiem Stahl (etwa 8 g/cm³) leicht re­ alisierbar ist. Deshalb erhält man einen Steuerstab, der für herkömmliche Kernreaktoren geeignet ist und einen ähn­ lichen Aufbau besitzt, wie er in Fig. 34 dargestellt ist.

In diesem Fall kann das aus rostfreiem Stahl bestehende Schweiß-Element 5 bei der in den Fig. 34 bis 36 dargestell­ ten Struktur entfallen. Für die Schweißarbeiten könnte deshalb ein Element vorgesehen werden, welches aus der oben erwähnten verdünnten Legierung besteht.

Allerdings absorbiert Hf oder die Hf-Legierung Wasserstoff und erzeugt eine Ausbeulung, wenn eine übermäßig große Menge an Wasserstoff vorhanden und die Menge an Sauerstoff zu gering ist. Der oben beschriebene Steuerstab gemäß der JP-OS 1-2 02 691 ist derart ausgebildet, daß Aufnahmelöcher in dem Blatt aus der verdünnten Hf-Legierung gebildet sind und in den Aufnahmelöchern B₄C-(Borkarbid)-Pulver eingeschlossen ist. ¹⁰B des B₄C reagiert mit Neutronen unter Bildung von ⁴He und ⁷Li sowie ³T (Tritium).

Wenn die Menge von an den Steuerstab gelangenden Neutronen zunimmt, läßt sich die Menge von ³T nicht vernachlässigen. Obschon der Hauptanteil des ³T in dem B₄C verbleibt, wird ein Anteil von ihm aus dem B₄C entfernt. Da Tritium Wasser­ stoff ist, kann es von Hf, Zr oder Ti absorbiert werden. Dadurch entsteht das Problem, daß die Beständigkeit von Hf, der Hf-Zr-Legierung oder der Hf-Ti-Legierung, die auch als Struktur-Element des Steuerstabs dient, beeinträchtigt wird.

Der Steuerstab für Kernreaktoren des oben beschriebenen Typs ist derart ausgebildet, daß mehrere Aufnahmelöcher in einem Blatt aus einer verdünnten Legierung untergebracht sind, wobei die Legierung durch Verdünnen von Hf mittels Zr oder Ti als Verdünnungsmaterial hergestellt ist, während die Borverbindung in einem Abschnitt des Hauptteils der Aufnahmelöcher eingeschlossen ist. Es ist zu befürchten, daß Tritium ³T, das bei der Reaktion von Bor mit Neutronen reagiert, sowie Wasserstoff, der durch eine Radiolyse von bei der Herstellung eingegebenem Wasser entsteht, sich zwischen die Aufnahmelöcher bewegen und dadurch Hydride HfH₂ (Hf³T₂), ZrH₂ (Zr³T₂), TiH₂ (Ti³T₂) oder dergleichen mit dem Hf, Zr oder Ti entstehen. Dies führt zu einer kubi­ schen Expansion (Ausbeulung oder Schwellung) wegen der Vo­ lumenzunahme der ursprünglichen Hf-Legierung. Es besteht also die Möglichkeit, daß in der Hf-Zr- oder Hf-Ti-Legie­ rung von der Innenseite der Aufnahmelöcher her Spannungen entstehen, wobei die genannten Legierungen als Strukturma­ terial dienen.

Ein weiterer langlebiger Steuerstab ist in der japanischen Patentveröffentlichung 1-45 598 (JP-OS 57-17 292) offenbart. Bei diesem Steuerstab wird eine neutro­ nenabsorbierende Stange verwendet. Die neutronenabsorbie­ rende Stange ist derart ausgestaltet, daß Borkarbid-(B₄C)- Pulver und eine Stange aus Hf-Metall oder einer Ag-In-Cd- Legierung in einem langgestreckten, aus rostfreiem Stahl bestehenden abgedeckten Rohr eingeschlossen ist. Außerdem befindet sich zwischen den beiden genannten Elementen Me­ tallwolle. Im vorderen Endabschnitt, der sehr stark von Neutronen bestrahlt wird, befindet sich, in Einführrichtung des Steuerstabs gesehen, die Stange aus Hf-Metall oder ei­ ner Ag-In-Cd-Legierung, während das B₄C-Pulver im Endab­ schnitt gegenüber dem vorderen Einsetzabschnitt einge­ schlossen ist, weil die Menge der Neutronenstrahlung in diesem Bereich relativ gering ist.

Allerdings haben Untersuchungen gezeigt, daß noch Verbesse­ rungen des oben erläuterten Neutronenabsorber-Stabs mög­ lich sind, bei dem die Borver­ bindung und die Stange aus Hf-Metall oder Ag-In-Cd-Legie­ rung eingeschlossen sind. Das heißt, ein Anteil des Tritiums (³T), das durch die Reaktion von Bor in der Borverbindung mit Neutronen erzeugt wird, in der Ober­ flächenschicht des Hf-Metalls oder der Ag-In-Cd-Legierung absorbiert wird, die miteinander in Verbindung ste­ hen, so daß eine Ausbeulung in dem Neutronenabsorber statt­ findet. Hierdurch wird die Intaktheit des abgedeckten Rohrs beeinträchtigt.

Aufgrund der Radiolyse ändert sich außerdem ein Teil des in dem Deckrohr bei der Herstellung verbliebenen Wassers zu Wasserstoff. Da außerdem Wasserstoff das aus rostfreiem Stahl bestehende Rohr durchdringt, gelangt auch durch die Radiolyse des Reaktorkernwassers erzeugter Wasserstoff in das abgedeckte Rohr. Dieses Hineingelangen von Wasserstoff verursacht ein Schwellen des Materials, wobei der Wasser­ stoff in die Oberflächenschicht des Hf-Metalls oder der Ag- In-Cd-Legierung absorbiert werden kann, ähnlich wie bei dem oben beschriebenen Fall des Tritiums.

Aus der DE 39 03 844 A1 ist Kernreaktor-Steuerstab gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Hierbei sind die Flügel derart angeordnet, daß sie einen kreuzförmigen Querschnitt bilden, wobei jeder Flügel oder zumindest ein Mantelelement jedes Flügels aus einer verdünnten Legierung aus langlebigem Neutronenabsorber, z. B. Hafnium, und einem Verdünnungsmittel, z. B. Zirkonium oder Titan, besteht. Hierbei sind Neutronenabsorber-Aufnahmelöcher in dem aus dieser Legierung bestehenden Abschnitt enthalten. Zur Verminderung eines Aufquellens des Neutronenabsorbers sind strukturelle Maßnahmen vorgesehen.

In der EP 0 175 174 A1 ist ein Steuerstab beschrieben, der kreuzförmigen Querschnitt besitzt. Die Absorberplatten weisen Kanäle auf, in denen Borkarbid oder anderes Absorbermaterial enthalten ist, und die durch einen Mantel von der Steuerstabumgebung getrennt sind. Zwischen dem Absorbermaterial und dem Seitenteil kann ein zusätzlicher Körper aus metallischem Absorbermaterial angeordnet sein, wobei im Inneren des Steukerstabs Gasströmungspfade ausgebildet sind. Hierdurch läßt sich unterschiedlicher Gasdruck in den einzelnen Kanälen ausgleichen.

EP 0 285 380 A2 offenbart einen Steuerstab mit kreuzförmigem Querschnitt, bei dem jeder Flügel einen zylindrischen Kern und eine rohrförmige metallische Hülse für die Aufnahme von Neutronenabsorbermaterial enthält.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Steuerstab für Kernreaktoren zu schaffen, der sich durch hohe Lebensdauer auszeichnet und bei dem Ausbeulungsprobleme wirksam verhindert werden können.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 bzw. im Patentanspruch 17 genannten Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Steuerstab zeichnet sich somit dadurch aus, daß Ausbeulungsprobleme wirksam verhindert werden, wodurch die mechanische Intaktheit und folglich die gesamte Lebensdauer sowie die mechanische Festigkeit sehr gut sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Steuerstab ist ferner selbst dann, wenn Wasserstoff oder Tritium, das leicht mit Hf, Zr oder Ti, reagiert, in den Aufnahmelöchern oder sonstigen Bereichen innerhalb der Steuerstab-Flügel enthalten ist, die Erzeugung von Hydriden verringert. Zudem ist das Entstehen von Spannungen in den Aufnahmelöchern selbst bei dennoch erfolgender geringfügiger Erzeugung von Hydriden verhindert, was gleichfalls die mechanische Intaktheit des Steuerstabs verbessert und dessen Lebensdauer verlängert.

Bei dem Steuerstab sind eine Borverbindung wie zum Beispiel Borkarbid (B₄C) und Europium Hexaborid (EuB₆) und ein Was­ serstoffabsorber vorgesehen, der sich aus mindestens entwe­ der Zirkon-Partikeln (Zr), die eine hervorragende wasser­ stoffabsorbierende Wirkung haben, oder Hafnium-Pulver (Hf) zusammensetzt (da Hf eine geringere Aktivität aufweist als Zr, ist seine Partikelgröße vorzugsweise klein). Deshalb lassen sich in wirksamer Weise Tritium-Atome (³T), die als direkte oder indirekte Reaktion von Bor mit Neutronen ent­ stehen, sowie aktive Wasserstoff-Atome (H), die aus einer Radiolyse von eingeleitetem Wasser bei der Herstellung des Steuerstabs entstehen, absorbieren. Daher läßt sich die was­ serstofferzeugende Reaktion an der Innenfläche des in dem Flügel ausgebildeten Aufnahmelochs wirksam verhindern. Außerdem läßt sich wirksam eine weitere wasserstofferzeu­ gende Reaktion des Hf-Metalls oder der Ag-In-Cd-Legierung, die in einen Abschnitt der Aufnahmelöcher innerhalb des Flügels eingeführt sind, verhindern. Da das Volumen der Zr- Partikel und des Hf-Pulvers mit der Absorption von Wasser­ stoff zunimmt, muß die eingeschlossene Gemischdichte der Borverbindung und zumindest entweder der Zr-Partikel oder des Ht-Pulvers eingestellt werden, indem vorher die Volu­ menzunahme abgeschätzt wird.

Weiterhin ist an der Innenfläche des Aufnahmelochs in dem Flügel ein Zirkon-Blatt (Zr) angebracht, welches eine zu­ friedenstellende wasserstoffabsorbierende Wirksamkeit und verringerte Härte besitzt, wobei die Anordnung in Form ei­ ner Hülse erfolgt. Weiterhin ist in der Hülse die Borverbindung, zum Beispiel B₄C und EuB₆ eingeschlossen. In diesem Fall kann ein Herstellungsprozeß eingesetzt werden, bei dem ein aus Zr bestehendes rohrförmiges Element verwendet wird, bevor die Anordnung in das Aufnahmeloch eingesetzt wird. Hierdurch entsteht zwangsläufig ein Spalt gewisser Größe zwischen dem rohrför­ migen Element aus Zr und der Innenfläche des das Element aufnehmenden Rohrs. Wenn daher eine Ausbeulung stattfindet, welche das rohrförmige Element aus Zr Wasserstoff absor­ biert, so absorbiert der erwähnte Spalt die räumliche Aus­ dehnung, so daß sich der Beginn einer Spannungsentstehung oder Spannungseinleitung in dem Aufnahmeloch spürbar hin­ auszögern läßt. Wenn kein Wasserstoff oder nur sehr wenig Wasserstoff absorbiert wird, da die Wasserstoffdichte in dem rohrförmigen Element aus Zr gering ist, absorbiert das aus Zr bestehende rohrförmige Element oder der oben er­ wähnte Spalt die räumliche Ausdehnung aufgrund des An­ schwellens der Borverbindung. Deshalb läßt sich der Zeit­ punkt, zu dem die Spannung auf das Aufnahmeloch einwirkt, beträchtlich hinauszögern.

Weiterhin ist der Hf-Metall-Stab oder der Stab aus der Ag- In-Cd-Legierung, der in das Aufnahmeloch in dem Flügel ein­ zusetzen ist, in Längsrichtung in zwei Stücke unterteilt. Zwischen diesen beiden Stücken befindet sich ein Zr-Strei­ fen. Wenn also auf die Innenfläche des Aufnahmelochs aus diesem oder jenem Grund eine Spannung einwirkt, so kann der Streifen zerdrückt werden, so daß dadurch die Erzeugung von übermäßig starken Spannungen verhindert wird. Da Zr eine zufriedenstellende wasserstoffabsorbierende Wirkung hat, absorbiert es Wasserstoff, wenn die Dichte des Wasserstoffs angestiegen ist, wodurch die Dichte verringert wer­ den kann. Die aufgrund der Wasserstoffabsorption durch das eingesetzte Element, zum Beispiel die Hf-Metallstange oder die Stange aus Ag-In-Cd-Legierung, die in das Aufnahmeloch ein­ gesetzt wird, hervorgerufene Schwellung kann deutlich ver­ ringert werden. Außerdem kann die Schwellung spürbar verzö­ gert werden, die durch die Wasserstoffabsorption durch Hf, die Hf-Zr-Legierung oder die Hf-Ti-Legierung stattfindet.

Außerdem werden die aus Zr bestehenden rohrförmigen Ele­ mente in einen Abschnitt der Aufnahmelöcher eingesetzt, die in der Nachbarschaft des vorderen Einsetzabschnitts ausge­ bildet sind. Das rohrförmige Element ist als nicht-abge­ dichteter Typ ausgebildet und besitzt hohle Form, um ein Gasplenum zu bilden. Wenn in dem Gas Wasserstoff oder Tri­ tium enthalten ist, so kann dieses von dem rohrförmigen Zr- Element absorbiert werden. Deshalb läßt sich die Absorption von Wasserstoff oder Tritium in die Innenfläche des Aufnah­ melochs hinein verhindern. Im Ergebnis erhält man dauerhaft ein intaktes Aufnahmeloch. Damit besitzt das Mate­ rial die Funktion eines Wasserstoff-Tankstoffs und die Funktion eines Gasplenums (einer Gasanfüllung).

Das Hf oder die Hf-Legierung oder die Ag-In-Cd-Legierung, die den langlebigen Neutronenabsorber bilden, welcher in dem Neutronenabsorber-Stab zur Verwendung in dem Steuerstab eingeschlossen ist, absorbiert mit seiner Oberfläche Wasserstoff, der durch die Radiolyse von bei der Herstellung in dem Neutronenabsorber-Stab verbliebenen Wasser entsteht oder aus dem Wasser des Reaktorkerns gebildet wird und eindringt, nachdem es das Deckrohr durchdrungen hat, und auch Tritium, welches, falls die Borverbindung miteingeschlossen ist, aus der Reaktion zwischen Bor und Neutronen entsteht und frei­ gesetzt wird, falls die Borverbindung miteingeschlossen ist.

Erfindungsgemäß kann jedoch zwischen dem langlebigen Neutro­ nenabsorber und dem Deckrohr ein Spalt oder eine Lücke ge­ bildet sein, so daß der langlebige Neutronenabsorber von einer dünnen Hülse aus Zirkon, Hafnium, Titan oder rostfreiem Stahl umgeben ist, oder aber es ist eine Oxidschicht auf der Oberfläche des langlebigen Neutronenabsorbers ausgebil­ det, bevor letzterer von dem Deckrohr aufgenommen wird. Deshalb läßt sich die Erzeugung von Spannungen in dem Deck­ rohr aufgrund eines Anschwellens des langlebigen Neutronen­ absorbers spürbar verhindern.

Wenn zwischen dem langlebigen Neutronenabsorber und dem Deckrohr ein Spalt gebildet wird, wird der Einfluß der An­ schwellung, wenn eine solche stattfindet, auf das Deckrohr spürbar verringert. Wenn die dünne Hülse um den langlebigen Neutronenabsorber herum ausgebildet und aus Zr, Hf oder Ti besteht, so dient die Hülse als Wasserstoff-Fänger. Aus diesem Grund läßt sich das Anschwellen des langlebigen Neu­ tronenabsorbers aufgrund von Wasserstoffabsorption verhin­ dern. Obschon das Hülsen-Element einer Schwellung unter­ liegt, kann der Einfluß auf das Deckrohr reduziert werden, da der eine gewisse Größe aufweisende Spalt, der als Raum zur Aufnahme oder Absorption der Schwellung dient, notwen­ digerweise zwischen der Innenfläche des Rohrkörpers und der Außenfläche der Hülse sowie zwischen der Innenfläche der Hülse und der Oberfläche des langlebigen Neutronenabsorbers gebildet wird. In dem Fall, daß die Hülse aus rostfreiem Stahl besteht, erzeugt der langlebige Neutronenabsorber eine Schwellung. Allerdings dient die Lücke als schwel­ lungsabsorbierender Raum, so daß die Erzeugung von Spannun­ gen in dem Deckrohr spürbar herabgesetzt werden kann. Wenn auf der Oberfläche des langlebigen Neutronenabsorbers eine Oxidschicht ausgebildet wird, dient die Oxidschicht als Barriere gegen die Absorption von Wasserstoff. Deshalb läßt sich die Erzeugung von Ausbeulungen in dem langlebigen Neu­ tronenabsorber verhindern.

Wenn sowohl der langlebige Neutronenabsorber als auch die Borverbindung in dem Deckrohr eingeschlossen sind, dienen die Zr-Partikel oder das Hf-Pulver als Wasserstoff-Fangma­ terial, welches mit dem Borverbindungs-Pulver gemischt ist, das sich in einer Zone befindet, die einer relativ großen Menge Neutronen ausgesetzt ist. Deshalb wird Tritium, wel­ ches erzeugt wird, wenn die Borverbindung Neutronen ausge­ setzt wird, von den Zr-Partikeln oder dem Hf-Pulver absor­ biert. Dementsprechend läßt sich der Austrag von Tritium verhindern, und mithin wird ein Schwellen des langlebigen Neutronenabsorbers verhindert. Wenngleich die Borverbindung aufgrund des He-Gases, welches wegen der Reaktion der Borverbindung mit Neutronen erzeugt wird, eine Anschwellung hervorruft, läßt sich die Erzeugung von auf das Deckrohr einwir­ kenden Spannungen dadurch verhindern, daß man die Dichte der einschließenden Borverbindung einstellt.

Man kann ein weiteres Verfahren einsetzen, bei dem die in einer Zone vorhandene Borverbindung, die einer relativ großen Menge von Neutronen ausgesetzt ist, in dem aus Zr, Hf oder rostfreiem Stahl bestehenden Innenrohr eingeschlos­ sen wird. Wenn das Innenrohr aus Zr besteht, so kann es als Wasserstoff-Fänger oder zur Spannungs-Relaxation dienen. Be­ steht es aus Hf, so besitzt es die Funktion des Wasser­ stoff-Fängers und der Spannungs-Relaxation sowie die Funktion eines langlebigen Neutronenabsorbers. Das aus rostfreiem Stahl bestehende Innenrohr bewirkt eine Spannungs­ Relaxation, die durch Bildung des Spalts realisiert wird. Vor­ zuziehen in diesem Fall ist es jedoch, die Zr-Partikel oder das Hf-Pulver mit der Borverbindung zu mischen. Auch in diesem Fall läßt sich verhindern, daß von der Borverbindung austretendes Tritium in den langlebigen Neutronenabsorber diffundiert. Das Schwellen der Borverbindung, verursacht durch das He-Gas, läßt sich durch das Innenrohr absorbie­ ren, so daß in dem Deckrohr erzeugte Spannungen in sehr starkem Maße reduziert werden können. Erfindungsgemäß wird durch die genannten Maßnahmen die Intaktheit des Deckrohrs spürbar verbessert.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an­ hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausfüh­ rungsform eines Steuerstabs für einen Kernreaktor gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Vertikal-Schnittansicht, die einen wesentli­ chen Teil des Steuerstabs für Kernreaktoren gemäß Fig. 1 zeigt,

Fig. 3 eine Vertikal-Schnittansicht entlang der Linie I-I in Fig. 2,

Fig. 4 eine geschnittene Draufsicht entlang der Linie II- II in Fig. 2,

Fig. 5 eine geschnittene Draufsicht entlang der Linie III- III in Fig. 2,

Fig. 6 eine geschnittene Draufsicht entlang der Linie IV- IV in Fig. 2,

Fig. 7 eine geschnittene Draufsicht entlang der Linie V-V in Fig. 2,

Fig. 8 eine geschnittene Draufsicht entlang der Linie VI- VI in Fig. 2,

Fig. 9 eine Vertikal-Schnittansicht, die eine zweite Aus­ führungsform des erfindungsgemäßen Steuerstabs für Kernreaktoren darstellt, wobei ein Abschnitt eines Flügels skizziert ist,

Fig. 10 eine Vertikal-Schnittansicht entlang der Linie VII- VII in Fig. 9,

Fig. 11(A) bis 11(I) geschnittene Grundrißdarstellungen, die jeweils Strukturen von Aufnahmelöchern eines Flügels für den erfindungsgemäßen Steuerstab dar­ stellen,

Fig. 12 einen Zustand, in welchem ein Neutronenabsorber in die in dem Flügel ausgebildeten Aufnahmelöcher ein­ gesetzt werden,

Fig. 13 einen Zustand, in welchem die Aufnahmelöcher des Flügels, in die der Neutronenabsorber eingesetzt wurde, abgedichtet wird,

Fig. 14 eine Teil-Querschnittansicht, die eine dritte Aus­ führungsform des erfindungsgemäßen Steuerstabs dar­ stellt,

Fig. 15 eine Vertikal-Schnittansicht entlang der Linie H-H in Fig. 14,

Fig. 16 eine Querschnittansicht, die eine vierte Ausfüh­ rungsform eines erfindungsgemäßen Steuerstabs dar­ stellt,

Fig. 17 eine fünfte Ausführungsform des Steuerstabs gemäß der Erfindung,

Fig. 18 eine perspektivische Gesamtdarstellung, die eine sechste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steu­ erstabs zeigt,

Fig. 19 eine Schnittansicht, die einen Abschnitt der Anord­ nung nach Fig. 18 zeigt,

Fig. 20 eine Vertikal-Schnittansicht eines Neutronenabsor­ ber-Stabs, der in dem Steuerstab gemäß Fig. 18 vor­ handen ist,

Fig. 21 eine Schnittdarstellung entlang der Linie I-I in Fig. 20,

Fig. 22 eine Schnittansicht entlang der Linie J-J in Fig. 20,

Fig. 23 eine Schnittdarstellung entlang der Linie K-K in Fig. 20,

Fig. 24 bis 29 Vertikalschnittansichten weiterer Modifizie­ rungen des Abschnitts X in Fig. 20,

Fig. 30 und 31 Vertikal-Schnittansichten weiterer Modifi­ zierungen des Abschnitts Y in Fig. 20,

Fig. 32 eine Querschnittansicht, die einen Abschnitt des Flügels zu Verwendung des Steuerstabs in einem Sie­ dewasserreaktor darstellt,

Fig. 33 eine Schnittansicht, die einen Abschnitt L in Fig. 32 darstellt,

Fig. 34 eine Schnittansicht, die einen herkömmlichen Steu­ erstab für Kernreaktoren zeigt,

Fig. 35 einen Zustand, bei dem ein Neutronenabsorber in dem Aufnahmeloch des Flügels eines herkömmlichen Steu­ erstabs eingesetzt ist, und

Fig. 36 einen Zustand, bei dem der Neutronenabsorber nach Fig. 35 abgedichtet ist.

Fig. 1 zeigt die Gestalt einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steuerstabs für einen Kernreaktor. Der Steuerstab 10 wird in den Reaktorkern eines Kernreaktors eingeführt oder aus ihm herausgezogen, was mittels eines zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigten Steuer­ stab-Antriebsmechanismus erfolgt. Brennstoffkassetten bil­ den jeweils einen Satz aus vier Brennstoffeinheiten, die in dem Reaktorkern eines als Leichtwasserreaktor ausgebildeten Siedewasserreaktors angeordnet sind. Als Ergebnis des Hin­ einschiebens beziehungsweise Herausziehens des Steuerstabs in den Reaktorkern beziehungsweise aus dem Reaktorkern her­ aus läßt sich der Betrieb des Kernreaktors stillsetzen, oder es läßt sich die Leistung des Reaktors einstellen und steuern.

Der Steuerstab 10 für den Kernreaktor besitzt ein oberes Struktur-Element 11 als obere Struktureinrichtung, ein un­ teres Struktur-Element 12 als untere Struktureinrichtung, ein zentrales Verbindungsglied 13 zwischen oberem Struktur- Element 11 und unterem Struktur-Element 12, als mittige Verbindungseinrichtung dient, sowie vier rechtwinklige Flü­ gel 14, die mit dem zentralen Verbindungsglied zur Bildung eines im Querschnitt kreuzförmigen Teils verbunden sind und jeweils eine Flügeleinrichtung bilden. Eine Handhabe 15 dient zum Handhaben des Steuerstabs 10, und sie ist ein­ stückig mit dem oberen Struktur-Element 11 ausgebildet. Ein Geschwindigkeitsbegrenzer 16 ist am unteren Abschnitt des unteren Struktur-Elements 12 befestigt. Unterhalb des Ge­ schwindigkeitsbegrenzers 16 befindet sich eine Kupplungs­ buchse 17, die abnehmbar an dem Steuerstab-Antriebsmecha­ nismus befestigt ist. Führungsrollen 18 und 19 haben die Aufgabe, den Steuerstab 10 glatt zu führen.

Das zentrale Verbindungsglied 13, welches die vier Flügel 14 des Steuerstabs 10 miteinander verbindet, kann durchge­ hend zwischen dem oberen Struktur-Element 10 in Richtung auf das untere Struktur-Element 12 ausgebildet sein. Alter­ nativ hierzu sind mehrere zentrale Verbindungsglieder 13 in Abständen von 20 bis 30 cm angeordnet. Der obere Endab­ schnitt 14a des einstückig mit dem Verbindungsglied 13 durch Schweißen verbundenen Flügels 14 ist an dem oberen Struktur-Element 11 befestigt, während der untere Abschnitt des Flügels an dem unteren Struktur-Element 12 befestigt ist. Jeder der Flügel 14 wird, wie in den Fig. 2 und 3 ge­ zeigt ist, durch eine rechtwinklige Hafniumplatte, eine hauptsächlich Hafnium enthaltende Metallplatte, eine Me­ tallplatte aus einer Legierung aus Hafnium und Zirkon (Zr) oder eine Legierung aus Hafnium und Titan (Ti) oder einer Platte aus einer Legierung mit einer Hauptkomponente aus Zirkon (Zr) und Titan (Ti) gebildet. Der Flügel 14 besitzt mehrere Aufnahmelöcher 20, die sich in Breitenrichtung des Flügels 14 über eine Länge L erstrecken, welche äquivalent zu der gesamten axialen Länge des Kerns des Kernreaktors ist, wobei die Länge L äquivalent zu der Höhe des effekti­ ven Kernabschnitts des Kernreaktors ist, das heißt bei­ spielsweise 3,6 m oder 3,7 m.

Jedes der Aufnahmelöcher 20, das in dem Flügel 14 ausgebil­ det ist, gehört zu Zonen (A) bis (E) oder weiteren Zonen, betrachtet von der Vorderseite in Einsetzrichtung. In die Aufnahmelöcher 20 der Zone (A) sind hohle rohrförmige Ele­ mente (Hülsen) 21 eingesetzt, die jeweils aus Zr bestehen. Die aus Zr bestehenden hoh­ len rohrförmigen Elemente 21 sind jeweils mit Partikeln (Korn) aus Zr oder reinem Zr gefüllt und in die Zone (B) eingesetzt. Rohrförmige Elemente 21 aus Zr, in die jeweils ein Stab aus Hf-Metall (einer Hafnium-Legie­ rung oder einer Ag-In-Cd-Legierung) 23 als langlebiges Ab­ sorbermaterial-Element eingesetzt ist, sind in die Aufnah­ melöcher der Zone (C) eingesetzt. Weiterhin befinden sich in den Aufnahmelöchern 20 innerhalb der Zone (D) B₄C-Parti­ kel (Pulver) 27a und Partikel aus Zr 27b als Gemisch. In die Aufnahmelöcher 20 innerhalb der Zone (E) sind B₄C-Partikel eingefüllt.

Da Hafnium (Hf), welches als langlebiger Neutronenabsorber dient, Resonanz-Neutronenabsorbermaterial ist, ist es not­ wendig, das Material zu einer Stange mit großer Oberfläche in Relation zu dem Volumen zu verarbeiten. Hafnium ist ein metallisches Element, welches chemisch sehr stabil ist. Es gibt viele Arten von Hafnium-Isotopen Hf-176, Hf-177, Hf- 178, Hf-179, Hf-180 und dergleichen, die im Stande sind, in zufriedenstellender Weise Neutronen zu absorbieren und die in beträchtlichem Maß Neutronen mit Resonanzenergie absor­ bieren können. Insbesondere haben Hf-177 und Hf-178 eine hervorragende neutronenabsorbierende Wirkung. Zum Beispiel absorbiert Hf-176 ein Neutron unter Umwandlung in Hf-177 und dieses wiederum absorbiert Neutronen, um über Hf-178 und Hf-179 in Hf-180 überzugehen. Kurz gesagt, Hf-Atomkerne vermögen mehrere Neutronen zu absorbieren, und sind sehr lange Zeit im Stande, Neutronen aufzunehmen. Deshalb läßt sich sagen, daß Hafnium ein "langlebiger" Neutronenabsorber ist.

In den oben erwähnten Zonen (A) bis (D) befindet sich in dem außenseitigen Endabschnitt des Flügels 14 ein Stab aus Hf-Metall (oder ein Stab aus einer Ag-In-Cd-Legierung) 24. Außerdem befindet sich zwischen dem Hf-Metall-Stab 24 und der Stirnseite der genannten Aufnahmelöcher 20 ein Blatt oder ein Streifen 25 aus Zr.

Wie in den Fig. 4 bis 7 gezeigt ist, ist der Hf-Stab (oder der Ag-In-Cd-Legierungs-Stab) 24 von einer Schicht bezie­ hungsweise einem Blatt 25 umgeben, das aus Zr besteht. Innerhalb der oben erwähnten Zone (E) befindet sich in dem außenseitigen (umfangsseitigen) Endabschnitt des Flügels 14 eine Stange aus einer Hf-Zr-Legierung (oder eine Hf-Ti-Legierung) 26.

Die oben erwähnten Zonen (A) bis (D) sind großen Mengen von Neutronen ausgesetzt. Insbesondere sind die Zonen (A) bis (C) sehr stark den Neutronen ausgesetzt. Deshalb ist nicht eine relativ kurzlebige Borverbindung (zum Beispiel B₄C und EuB₆) eingeschlossen, sondern es ist ein Stab aus Hf-Metall (oder einer Ag-In-Cd-Legierung) 23, der eine lange Neutro­ nen-Absorptions-Lebensdauer besitzt, als langlebiger Neu­ tronenabsorber eingeschlossen. Die Zone (D) ist einer rela­ tiv starken Menge von Neutronen ausgesetzt. Es handelt sich um eine Zone, in der die Neutronenabsorptionsfähigkeit ver­ bessert werden muß. Deshalb muß in der Zone (D) die Borver­ bindung derart eingesetzt werden, daß ein Gemisch 27 vor­ liegt, das durch Mischen von Partikeln 27b aus Zr, die wasserstoffabsorbierend sind, und von B₄C-Mate­ rial 27a gebildet ist, um Tritium (³T) zu absorbieren, wel­ ches als Folge einer Reaktion zwischen Bor und Neutronen erzeugt wird.

Die oben erwähnte Zone (A) besitzt die Funktion eines Gasplenums, welches als Abschnitt zum Absorbieren von (³T) und (H) dient. Vorzugsweise ist die axiale Länge der Zone (A) auf eine Länge (von 1 bis 3 cm) beschränkt, die der Länge von einem bis drei Aufnahmelöchern 20 äquivalent ist.

Ein typisches Beispiel für diese Ausführungsform des Steu­ erstabs sieht vor, daß die Dicke des Flügels 14 etwa 8 mm, der Durchmesser jedes Aufnahmelochs 20 etwa 6 mm und der Abstand zwischen den Mittelachsen zweier Aufnahmelöcher 20 etwa 8 mm beträgt. Gemäß diesem Beispiel beträgt die benö­ tigte Länge für ein Loch etwa 3 mm (bis 1 cm) in Längsrich­ tung des Flügels 14, während die Länge für drei Löcher 28 mm (= 3×8+2×2) bis 3 cm beträgt.

In der oben erläuterten Zone (B) erfolgt hauptsächlich die Absorption von ³T und H. In dem Fall, daß Partikel 22 aus Zr eingeschlossen sind, sollte die Länge (Anzahl) für die Löcher in Längsrichtung des Flügels inner­ halb des Abschnitts, der die Summe der Zonen (A) und (B) ist, auf weniger als 2 bis 3 cm (etwa 2 bis 3 Löcher) be­ schränkt werden, um eine Beeinträchtigung des Reaktivitäts­ werts des Steuerstabs zu verhindern. Wenn man davon aus­ geht, daß die Zone (A) ein Loch und die Zone (B) zwei Lö­ cher enthält, so befinden sich in den Zonen (A) + (B) drei Löcher, woraus sich eine Länge von etwa 3 cm ergibt, ähn­ lich wie bei dem oben beschriebenen Aufbau. In jedem Fall sind die Zonen (A) und (B) nicht mit dem Neutronenabsorber gefüllt, während der Reaktivitätswert beeinträchtigt wird, wenn die Zonen (A) und (B) zu lang sind.

Die Zone (C) ist ein Abschnitt, in welchem Mittel zum Ver­ hindern eines Schwellens oder Ausbeulens des langlebigen Neutronenabsorbers derart vorgesehen sind, daß das rohrför­ mige Element 21 aus Zr ³T und H ebenso ab­ sorbiert wie es die Erzeugung von Spannungen aufgrund der Schwellung des langlebigen Neutronenabsorbers aufnimmt. Das als Wasserstoffabsorber dienende Zr ist ein weiches Material mit hervorragenden wasserstoffabsorbieren­ den Eigenschaften. Notwendigerweise wird zwischen dem Auf­ nahmeloch 20 und dem aus Zr bestehenden rohrförmigen Element 21 ein Spalt gebildet, und dieser Spalt dient als Ausbeulungs-Absorptionsraum.

Weiterhin ist die Struktur derart aufgebaut, daß die mit B₄C-Material 27a gemischten Zr-Partikeln 27b sowohl ³T als auch H innerhalb der Zone (D) absorbieren, um ein Eindif­ fundieren in andere Bereiche zu verhindern. Da die oben er­ läuterte Zone (E) Neutronen nur in sehr geringem Maße aus­ gesetzt ist, ist hier das Verhältnis der Entstehung von ³T niedrig, und außerdem ist die Radiolysegeschwindigkeit niedrig. Daher bedarf es in dieser Zone keiner speziellen Einrichtungen.

Die Länge der Zonen (A) bis (D) des Steuerstabs des Typs, der während des Betriebs eingeschoben wird, ist üblicher­ weise so gewählt, daß sie 1/4 bis 3/4 der Gesamtlänge L des Reaktorkerns, speziell etwa 1/2×L des Reaktorkerns ent­ spricht. Dies schwankt jedoch in Abhängigkeit davon, wie der Steuerstab eingesetzt wird. Wenn der Steuerstab bei­ spielsweise während des Betriebs vollständig herausgezogen wird, so kann es geeignet erscheinen, die Gesamtlänge (A) bis (D) kürzer als 1/4×L, zum Beispiel 30 cm oder kürzer zu machen.

Im folgenden soll etwas zu den Gründen gesagt werden, aus denen der angegebene Bereich (1/4 bis 3/4 der Gesamtlänge L des Reaktorkerns) gewählt wird. Ermittelt man die momentane und die mittlere Verteilung der Neutronenbelastung in dem Steuerstab des Typs, der während des Betriebs eingeschoben wird, so ist in einem Längenbereich von etwa 1/2 der Ge­ samtlänge L, gemessen vom vorderen Einsetzende des Steuer­ stabs 10, die Exposition auf dem gleichen Niveau und hoch. Der Betrag der Neutronenexposition steigt in der Zone von etwa 15 cm (in einem Bereich von etwa 35 cm oder weniger) hinter dem vorderen Einsetzende an. Eine besonders hohe Ex­ position ergibt sich in einer Zone von etwa 5 cm im vorde­ ren Endabschnitt.

Andererseits reduziert sich die Stärke der Neutronenexposi­ tion an einer Stelle von etwa 1/2×L hinter dem vorderen Einsetzende des Steuerstabs 10 in Richtung auf das hintere Einsetzende. In einer Zone von 1/4×L vom hinteren Einset­ zende in Richtung auf das vordere Einsetzende reduziert sich das Maß der Neutronenexposition beträchtlich. Der Steuerstab wird abhängig davon, wie er benutzt wird, geän­ dert, und der oben angegebene Wert 1/2×L wird in einem Be­ reich zwischen 1/4 und 3/4×L geändert.

In dem oben beschriebenen Bereich von (A) bis (D) wirken das Blatt (der Streifen) 25 aus Zr, angeord­ net an der Außenfläche des Aufnahmelochs 20, und das Zr-Material, welches den äußeren Hf-Metall-Stab (oder den Stab aus der Ag-In-Cd-Legierung) 24 umgibt, ähn­ lich auf das in der Zone (C) angeordnete rohrförmige Ele­ ment 21, das aus reinem Zr besteht. Die Gesamtlänge der Zone (A) bis (C) beträgt etwa 15 bis 35 cm. Ist die Zone länger als die angegebene Länge, so ist dies im Hinblick auf das Gewicht des Steuerstabs nicht zu empfehlen, da das Gewicht ansteigt und der Reaktivitätswert beeinträchtigt werden kann.

Fig. 9 und 10 zeigen eine zweite Ausführungsform eines Steuerstabs 10a für einen Kernreaktor gemäß der Erfindung.

In den Fig. 9 und 10 sind gleiche und ähnliche Elemente wie in dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel mit entsprechenden Bezugszeichen versehen.

Gemäß Fig. 9 wird ein Bereich am vorderen Einsetzende mit dem Symbol (a) bezeichnet. Dieser Bereich wird gebildet, indem durch Schweißen einstückig ein Metall, dessen Haupt­ komponente Hf (zum Beispiel ein Hf-Metall mit 2 bis 3 Ge­ wichtsprozent Zr) ist, mit einer Hf-Zr-Legierung oder einem Teil aus einer Hf-Ti-Legierung zusammengefügt wird, welches die Aufnahmelöcher 20 enthält. Die Länge dieses Bereichs ist auf etwa 3 bis 35 cm eingestellt und beträgt zweckmäßi­ gerweise 10 bis 15 cm. Da dieser Bereich großen Neutronen­ mengen ausgesetzt ist, wird hierfür Hafnium, welches ein langlebiger Neutronenabsorber ist, eingesetzt (etwa 100%, in der Praxis etwa 97%).

Ein Bereich (b) ist ähnlich aufgebaut wie der im Quer­ schnitt entlang der Linie II-II von Fig. 2 dargestellte Be­ reich. Vorzugsweise beträgt die Anzahl der Aufnahmelöcher etwa 2 oder weniger.

In einem Bereich (c) ist das rohrförmige Element 21 aus Zr oder reinem Zr in das Aufnahmeloch 20 eingesetzt. Außerdem sind hier in das Aufnahmeloch der Hf-Metall-Stab (oder der Stab aus der Ag-In-Cd-Legierung) 23, dessen Durchmesser re­ duziert und dessen Länge verringert ist, und Partikel 22 aus Zr, die Wasserstoffabsorber sind, ab­ wechselnd eingesetzt. Das rohrförmige Element 21 aus Zr bildet zusammen mit dem Aufnahmeloch 20 einen kleinen Spalt, und dieser kleine Spalt dient als Raum, von welchem Ausbeulungen aufgenommen werden. Weiter­ hin dient das rohrförmige Element 21 zum Absorbieren von Schwellungen des Hf-Metall-Stabs (oder des Stabs aus Ag-In- Cd-Legierung) 23, es dient als Wasserstoffänger zum Auffan­ gen ³T und H, und es bildet einen Raum zum Absorbieren ei­ ner längsgerichteten Anschwellung des Hf-Metall-Stabs (oder des Stabs aus Ag-In-Cd-Legierung) 23.

Die Gesamtlänge der Zonen (b) und (c) beträgt für gewöhn­ lich etwa 15 cm. Vorzuziehen ist es, daß der Bereich (c) etwa zwei oder drei Aufnahmelöcher 20 besitzt, die in den Bereich hineingebohrt sind. Wenn jedoch das Material für den Flügel, in welchem die Löcher 20 ausgebildet sind, den Neutronenabsorber Hf enthält, so kann die Zone fortgelassen werden. In der Zone (d) ist in die Aufnahmelöcher 20 das aus Zr bestehende rohrförmige Element 21 eingesetzt. Außerdem ist in dieses rohrförmige Element ein Gemisch aus der Borverbindung und dem Wasserstoffabsorber, hergestellt aus Partikeln aus Zr, einge­ schlossen. Das rohrförmige Element 21 aus Zr bildet den Schwellungsraum im Aufnahmeloch 20. Weiterhin dient der rohrförmige Körper als Wasserstoffänger zum Ein­ fangen von ³T und H, und er bildet eine Zone zum Absorbie­ ren (Entspannen oder Entlasten) des Anschwellens von Bor. Die Partikel aus Zr dienen hauptsächlich als Wasserstoffänger zum Einfangen von ³T und H. Ein Bereich (e) ist ähnlich wie der Bereich ausgebildet, der im Quer­ schnitt entlang der Linie V-V in Fig. 2 dargestellt ist.

Obschon die in den Fig. 2 und 9 dargestellten Strukturen der beschriebenen Ausführungsbeispiele jeweils für sich be­ stimmte Struktur-Elemente aufweisen, so kann der Steuerstab tatsächlich komplexer ausgebildet sein, indem die oben er­ läuterten Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert wer­ den. Nach Wunsch können selbstverständlich Vereinfachungen vorgenommen werden. Zum Beispiel können die Abschnitte, die als Querschnittdarstellungen entlang den Linien II-II und III-III in Fig. 2 dargestellt sind, ersetzt werden durch einen Abschnitt entsprechend dem Querschnitt IV-IV. Außer­ dem können die Zonen (c) und (d) in Fig. 9 ersetzt werden durch Strukturen, wie sie später in Verbindung mit den Fig. 11(B) bis 11(E) und 11(G) beschrieben werden.

Fig. 11(A) bis 11(I) zeigen Strukturen für die Aufnahme­ lochabschnitte des Steuerstabs gemäß der Erfindung. Gemäß Fig. 11(A) ist der Neutronenabsorber, der aus der Borver­ bindung (B₄C und EuB₆) 27 besteht, in dem aus Zr bestehenden rohrförmigen Element (der Hülse) 21 ein­ geschlossen. Am äußeren seitlichen Endabschnitt des Flügels befindet sich der Hf-Metall-Stab (oder der Stab aus der Ag- In-Cd-Legierung) 23. Weiterhin befindet sich das Blatt (der Streifen) 25 aus Zr in dem Abschnitt hinter dem Aufnahme­ loch 20.

Wie aus Fig. 11(B) hervorgeht, ist der Durchmesser des ein­ gesetzten Hf-Metall-Stabs (oder des Stabs aus der Ag-In-Cd- Legierung) 23 verkleinert, um den Schwell-Freiraum beizube­ halten. Die Hf-Metall-Stange 23 am äußeren Endabschnitt des Flügels ist umgeben von dem rohrförmigen Element 21 aus Zr und dem aus Zr bestehenden Blatt 25. Gemäß Fig. 11(C) ist der Durchmesser des Hf-Me­ tall-Stabs (oder des Stabs aus der Ag-In-Cd-Legierung) 23 verkleinert. Außerdem sind mehrere Vorsprünge 23a in Um­ fangsrichtung des Hf-Metall-Stabs 23 ausgebildet, die eine einfache Verformung bei einer Ausbeulung zulassen. Gemäß Fig. 11(D) ist der Hf-Metall-Stab (oder Stab Ag-In-Cd) 23 dadurch gebildet, daß um einen Bolzen herum ein Vorsprung 23b ausgebildet sind, so daß Quetschabschnitte gebildet sind.

Gemäß Fig. 11(E) ist die Länge des einzusetzenden Hf-Me­ tall-Stabs (oder des Stabs aus Ag-In-Cd-Legierung) kürzer als die Tiefe des Aufnahmelochs 20, so daß in den durch die Verkürzung der genannten Länge geschaffenen Raum Partikel 22 aus reinem Zr als Wasserstoffabsorber eingefüllt werden. Gemäß Fig. 11(F) ist der Hf-Metall-Stab (oder der Stab aus Ag-In-Cd) 23 in mehrere kurze Stücke (Elemente) unterteilt, so daß zwischen diese kurzen Stücke Partikel 22 aus Zr eingefüllt werden.

Gemäß Fig. 11(G) ist der einzusetzende Hf-Metall-Stab (oder der Stab aus Ag-In-Cd) 23 vertikal in Längsrichtung unter­ teilt. Die Abschnitte zwischen den vertikal unterteilten Sektionen besitzen Vorsprünge, die durch Anschwellen zer­ drückt werden können, oder es sind Streifen aus reinem Zr in die vertikal unterteilten Abschnitte eingebracht. Die erstgenannte Struktur wird eingesetzt, um Schwellungen ab­ zufangen, während die letztgenannte Struktur einerseits Schwellungen aufzunehmen vermag und darüberhinaus anderer­ seits aber auch als Wasserstoffänger dient, und zwar wegen der dazwischenliegenden Streifen 25 aus reinem Zr, welches eine geringe Härte besitzt (weich ist).

Gemäß Fig. 11(H) ist in dem Aufnahmeloch 20 die Borverbin­ dung 27, zum Beispiel B₄C-Partikel 27a, die mit Partikeln 27b aus Zr gemischt sind, eingeschlossen. In dem äußeren Endabschnitt des Flügels 14 befinden sich außerdem Hf-Partikel (Korn) 28. Die Hf-Partikel 28, die sich im äußeren Abschnitt des Flügels 24 befinden, besitzen die Funktion eines langlebigen Neutronenabsorbers und die Funktion eines Wasserstoffängers. Da B₄C im Vergleich zu Zr Zr beschränkte wasserstoffabsorbierende Eigen­ schaften besitzt, wird die Partikelgröße geringer gewählt, das heißt im Vergleich zu den Partikeln 22 aus Zr wird zur Vergrößerung der Oberfläche Pulver (kleine Partikel) verwendet. Gemäß Fig. 11(I) sind Hf Partikel 28 in dem Abschnitt neben dem Endabschnitt des Aufnahmelochs 20 eingeschlossen. Weiterhin ist in dem Aufnahmeloch 20 die Borverbindung 27 eingeschlossen. Darüberhinaus befindet sich zwischen der Stirnfläche des Aufnahmelochs 20 und der von Zr umgebenen Hf-Metall-Stange 24 am äußeren seitlichen Endabschnitt des Flügels 14 eine Zr- Kette. In diesem Fall besitzen die Hf-Partikel 28 die Funk­ tion des Wasserstoffänger, um als Wasserstoffabsorber zu dienen, außerdem die Funktion des langlebigen Neutronenab­ sorbers.

Wenn auf der Oberfläche des Hf-Metall-Stabs 23, der in das Aufnahmeloch 20 einzusetzen ist, ein Oxid gebildet ist, läßt sich die Wasserstoffabsorption des Hf-Metall-Stabs 23 begrenzen. Hierdurch läßt sich das Schwellen weiter ein­ grenzen. Der Begriff "weiteres Eingrenzen des Schwellens" bedeutet, daß eine zusätzliche Schwellung aufgrund von Was­ serstoffabsorption praktisch verhindert wird, weil die Schwellung in der Weise stattgefunden hat, daß die Hf-Me­ tall-Stange 23, in der das Schwellen wegen der Oxidation stattgefunden hat, unter Beibehaltung eines gewissen Spalts in das Aufnahmeloch 20 eingesetzt worden ist.

Befindet sich auf der Innenseite des Aufnahmelochs 20 eine Oxidschicht, so verhindert die so gebildete Oxidschicht die Erzeugung einer Schwellung von der Innenseite des Aufnahme­ lochs 20 her, die aus Hf, Hf-Zr oder einer Hf-Ti-Legierung besteht und den Flügel 24 bildet.

Fig. 12 und 13 zeigen einen Zustand, in welchem der ausge­ wählte Neutronenabsorber oder ein Wasserstoffänger in dem Aufnahmeloch 20 durch hermetisches Zuschweißen eingeschlos­ sen ist. Das hohle rohrförmige Element 21 aus Zr wird in das Aufnahmeloch 20 eingesetzt, das hohle rohrförmige Element 21 wird mit dem aus B₄C-Pulver gebilde­ ten Neutronenabsorber 27 gefüllt, und weiterhin wird die von dem Blatt 25 aus Zr umgebene Hf-Metall- Stange 24 in die Nähe des außenseitigen Endabschnitts des Flügels gebracht. Da das den Flügel 14 bildende, aus einer Hf-Legierung bestehende Teil, das heißt das Hf-Zr-(oder das Hf-Ti-)Teil eine Form, mit einer Endöffnung aufweist, wird dieser Abschnitt nach innen gebogen, um den äußeren Endab­ schnitt durch Schweißen zu verschließen, wie es in Fig. 13 dargestellt ist. Da die Hf-Legierung, die den Flügel bil­ det, und das Zr miteinander eine Legie­ rung bilden, geht ein Teil des Blatts 25 aus Zr, welches das Hf bei dem Schweißvorgang umgibt, in Schmelze und geht in den Schweißbereich über. Dabei entste­ hen keinerlei Probleme, da es sich bei der oben angegebenen Legierung um eine extrem sichere Legierung handelt.

Während des Schweißvorgangs kann ähnlich wie bei der her­ kömmlichen Ausgestaltung gemäß den Fig. 35 und 36 ein Teil aus einer Hf-Legierung, welches ähnlich wie die Flügel­ struktur aufgebaut ist, an der Rückseite oder Innenseite des Schweißbereichs angeordnet werden.

Fig. 14 und 15 zeigen eine dritte Ausführungsform eines er­ findungsgemäßen Steuerstabs. Gleiche und ähnliche Elemente sind mit entsprechenden Bezugszeichen versehen.

Obschon diese Ausführungsform im Grunde genommen ähnlich oder in gleicher Weise ausgebildet ist wie die erste und die zweite Ausführungsform, ist in den Frontabschnitt l₃ am Einschubende des Steuerstabs der Hf-Metall-Stab 23 einge­ setzt, auf den sich ein Teil der obigen Ausführungsformen bezieht. In einer Zone der Länge L₄ (etwa 1/4 bis 1/2 der Gesamtlänge L des wirksamen Abschnitts) von dem erwähnten Frontabschnitt in Richtung auf das hintere Einschubende des Steuerblatts ist das Aufnahmeloch 20 als Langloch ausgebil­ det, so daß es ein größeres Fassungsvermögen für den Neu­ tronenabsorber aufweist, der aus der Borverbindung 27a, zum Beispiel B₄C, besteht. Weiterhin sind Partikel 27b aus rei­ nem Zr beigemischt, die als Wasserstoffänger (Wasser­ stoffabsorber) dienen. Der Reaktivitätswert läßt sich in diesem Fall verbessern, da eine größere Menge Bor einge­ schlossen ist. Da das Verhältnis der Erzeugung von ³T in dem Abschnitt l₂ vergleichsweise klein ist, und dort auch keine Notwendigkeit besteht, den Reaktivitätswert besonders zu verbessern, werden kreisförmige Löcher gewählt, in denen der Neutronenabsorber, zum Beispiel B₄C eingeschlossen ist.

Fig. 16 zeigt eine vierte Ausführungsform eines Steuerstabs 10C für einen Kernreaktor, wobei gleiche und ähnliche Ele­ meinte mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Der Steuerstab nach dieser Ausführungsform ist derart aus­ gebildet, daß der Frontabschnitt l₁ (etwa 1/4 bis 1/2×L) des Einschubs derart strukturiert ist, daß die Aufnahmelö­ cher in einer Platte aus einer Hf-Zr- oder Hf-Ti-Legierung gebildet sind und der Endabschnitt l₂ des Einschubes so strukturiert ist, daß sich zwei Hf-Platten gegenüberliegen und zwischen sich eine Lücke bilden. In dem Abschnitt zwi­ schen den beiden Hf-Platten ist Wasser eingeschlossen, wel­ ches als Neutronenmoderator dient und die Kühlung über­ nimmt. Das Verhindern der Absorption von ³T und H von der Innenseite des Aufnahmelochs her erfolgt ähnlich wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen.

Fig. 17 zeigt eine fünfte Ausführungsform eines Steuerstabs 10D für einen Kernreaktor, wobei gleiche und ähnliche Teile mit entsprechenden Bezugszeichen versehen sind.

Der Steuerstab 10D nach dieser Ausführungsform ist so aus­ gebildet, daß der Flügel 2 dadurch gebildet wird, daß der Neutronenabsorber als U-förmiger Mantel ausgebildet ist. In der Zone l₁ (etwa 1/4 bis 1/2×L) im vorderen Einschubab­ schnitt des Steuerstabs sind die Aufnahmelöcher in der Hf- Metall-Platte, der Platte aus Hf-Zr- oder Hf-Ti-Legierung einer üblichen Zusammensetzung, die 2 bis 3 Gewichtsprozent Zr enthält, ausgebildet. Außerdem ist der Neutronenabsorber eingeschlossen. Der Endabschnitt 12 des Einschubs ist der­ art ausgebildet, daß herkömmliche Neutronenabsorber-Stäbe in einem Rohr aus rostfreiem Stahl untergebracht sind, wo­ bei die Absorber-Stäbe zum Beispiel aus struktieriertem B₄C- Pulver bestehen. Wenn der U-förmige Mantel aus einer Hf-Zr- oder Hf-Ti-Legierung besteht, so läßt sich seine Reaktivi­ tät verbessern und seine Lebensdauer verlängern. Der Mantel kann aus rostfreiem Stahl dann bestehen, wenn die oben ge­ nannten Erfordernisse nicht bestehen. Das Neutronenabsor­ ber-Element, welches in den Abschnitt l₁ einzusetzen ist, ist unterteilt in einen Abschnitt l₁₁ und einen Abschnitt l₁₂. Wenn die Dichte des Hf im Abschnitt l₁₁ groß gewählt wird, so wird dadurch wirksam die Reaktivität verbessert und die Lebensdauer verlängert. Da allerdings das Gewicht des Steuerstabs in unerwünschter Weise ansteigt, ist die Dichte des Hf in dem Abschnitt l₁₂ verringert, um auf diese Weise zu einer Gewichtsverringerung und geringeren Gesamt­ kosten zu kommen.

Der Abschnitt l₃ hat die Aufgabe, eine lokale Expansion des Neutronenflusses aufgrund einer Reduktion der Menge des Neutronenabsorbers in dem Grenzbereich zu beschränken. Folglich wird dort Hf-Metall vorgesehen.

Da der Steuerstab für einen Kernreaktor gemäß dieser Aus­ führungsform so ausgebildet ist, daß ein Gemisch eines Ma­ terials, welches Bor und mindestens entweder Partikel aus Zr oder Hafnium-Partikel enthält, in dem Aufnahmeloch eingeschlossen ist, können Wasserstoff und Tritium absorbiert werden, wobei die Wasserstoffabsorption an der Innenfläche des Aufnahmelochs verhindert werden kann.

Da außerdem die durch das Blatt aus Zirkon umgebende Borverbindung in dem Aufnahmeloch des Flügels eingeschlossen ist, lassen sich Schwellungen, die durch die Neutronenreaktion der Borverbindung entstehen, absorbieren, und außerdem können Wasserstoff und Tritium absorbiert wer­ den. Demzufolge kann man die Erzeugung von Spannungen in den Aufnahmelöchern ebenso wie eine Wasserstoffabsorption verhindern.

Da außerdem ein Hafnium-Element oder ein Element aus einer Ag-In-Cd-Legierung in Längsrichtung unterteilt ist, um den Streifen aus Zr zwischen zwei sich gegenüberstehenden Seiten zu halten, dient der Zirkonstrei­ fen als Entlastungsbereich für Spannungen, die durch das Anschwellen auf das Aufnahmeloch einwirken, wobei die Ent­ lastung durch die geringe Härte des aus reinem Zirkon be­ stehenden Streifens erfolgt. Da weiterhin hervorragende wasserstoffabsorbierende Eigenschaften gegeben sind, kann man Wasserstoff absorbieren, wenn vor anderen Materialien Wasserstoff existiert. Die Wasserstoffabsorption in die In­ nenseite des Aufnahmelochs, in das Hf-Metall und die Ag-In- Cd-Legierung läßt sich ebenso vermeiden wie das Anschwel­ len, soweit dieses durch eine Wasserstoffabsorption verur­ sacht ist. Die Entstehung von Spannungen, die auf das Auf­ nahmeloch einwirken, läßt sich vermeiden.

Weiterhin ist der Steuerstab für einen Kernreaktor gemäß dieser Ausführungsform derart ausgestaltet, daß ein rohr­ förmiges Element aus Zirkon mit zufrie­ denstellenden Wasserstoffabsorptions-Eigenschaften in min­ destens einen Teil der Aufnahmelöcher innerhalb einer Zone eingesetzt ist, die mindestens 3 cm lang ist und von dem vorderen Einschubabschnitt einen Abstand von 35 cm oder we­ niger hat. Da der Abschnitt im inneren und außerhalb des rohrförmigen Elements nicht hermetisch geschlossene Gestalt hat, kann er als Gasplenum dienen. Die Wasserstoffabsorp­ tion des Hafniums und der Ag-In-Cd-Legierung läßt sich ver­ meiden. Außerdem läßt sich die Erzeugung von Spannungen vermeiden, die durch das Anschwellen hervorgerufen werden, und ferner kann man den Anstieg des Gasdrucks in dem Steu­ erstab begrenzen. Man erhält also insgesamt einen dauerhaft zufriedenstellenden und intakten Steuerstab.

Im folgenden soll eine sechste Ausführungsform eines Steu­ erstabs eines Kernreaktors beschrieben werden.

Ein Steuerstab 30 für einen Kernreaktor ist gemäß Fig. 18 ein Steuerstab herkömmlichen Typs. Der Steuerstab 30 be­ sitzt vier Flügel 31, die verbesserte Neutronenabsorber- Stäbe 32 aufnehmen.

Jeder der Flügel 31 enthält eine Mantelplatte 33 mit tiefem U-förmigen Querschnitt, wobei die Mantelplatte jeweils mit der Öffnungsseite der Platte 33 an einer zentralen Verbin­ dungsstange 34 befestigt ist, die als zentrale Verbindungs­ einrichtung dient, wodurch die Öffnungsenden der Flügel 31 so angeordnet sind, daß sie einen kreuzförmigen seitlichen Querschnitt definieren. Mehrere Neutronenabsorber-Stäbe 32 sind in einer Reihe innerhalb der Mantelplatte 33 angeord­ net, wobei die Neutronenabsorber-Stäbe als Neutronenabsor­ ber-Einrichtung dienen. Es sind weiterhin ein oberes Struk­ tur-Element 35, ein unteres Struktur-Element 36, eine Hand­ habe 37, ein Geschwindigkeitsbegrenzer 38 und eine Kup­ plungsbuchse 39 vorhanden.

Wie in den Fig. 19 und 20 gezeigt ist, besitzt der Neutro­ nenabsorber-Stab 32 ein langgestrecktes Mantel- oder Deck­ rohr 40, welches als Giftrohr dient, wobei das Deckrohr 40 Neutronenabsorberglieder und -material 41 beziehungsweise 42 aufnimmt. Die beiden Endabschnitte des Deckrohrs 40 sind mittels Stopfen 43 verschlossen. Obschon das Deckrohr 40 normalerweise aus rostfreiem Stahl besteht, kann es auch aus Hf-Metall, einer Hf-Legierung mit Hf und Zr als Haupt­ komponenten oder einer anderen Hf-Legierung mit Hf und Ti als Hauptkomponenten bestehen.

Der Neutronenabsorber-Stab 32 ist grob in drei Abschnitte Y und Z unterteilt. Der Abschnitt X ist ein Bereich, der in sehr starkem Maße Neutronen ausgesetzt ist, wenn er in dem Steuerstab 30 aufgenommen ist. Deshalb befindet sich in dem Abschnitt X ein langlebiges Neutronenabsorber-Element 41 aus Hf-Metall, einer Hf-Legierung, die sich aus Hf und Zr oder Ti zusammensetzt, oder einer Ag-In-Cd-Legierung. Bei dieser Ausführungsform ist der Durchmesser des langle­ bigen Neutronenabsorber-Elements 41 um einen gewissen Be­ trag kleiner als der Innendurchmesser des Deckrohres 40 als nicht abgedichtetes Innenrohr. Weiterhin ist um das langle­ bige Neutronenabsorber-Element 41 herum eine dünne Hülse 44 aus reinem Zr, Hf, Ti oder rostfreiem Stahl gebildet und in das Deckrohr 40 eingesetzt. In den Abschnitten Y und Z be­ findet sich die Borverbindung 42 in Pulverform, welche als Neutronenabsorberelement dient. Da der Abschnitt Y einem re­ lativ starken Neutronenfluß ausgesetzt ist, sind der Bor­ verbindung 42 Partikel aus reinem Zr und/oder Hf-Pulver 45 als Wasserstoffänger (Wasserstoffabsorber) beigemischt. Da der Abschnitt Z nur einer geringeren Menge Neutronen ausge­ setzt ist und deshalb das Verhältnis der Erzeugung von Tri­ tium (³T) gering ist, ist dort der Wasserstoffänger fortge­ lassen.

Obschon als Beispiel für die Borverbindung 42 B₄C angegeben ist, können auch EuB₆ oder BN verwendet werden. Da die Bor­ verbindung 42 einer Schwellung ausgesetzt ist, weil als Er­ gebnis der Reaktion mit Neutronen He-Gas entsteht, muß die Ladungsdichte der Borverbindung 42 bestimmt werden, nachdem das Ausmaß der Schwellung, die durch die Neutronenbestrah­ lung entstehen kann, abgeschätzt worden ist. Obschon die Länge des Abschnitts X notfalls 3/4 der Gesamtlänge L aus­ machen kann, wird der Abschnitt auf etwa 3 bis 5 cm einge­ stellt, wenn eine kurze Länge erforderlich ist. Die Länge muß abhängig davon bestimmt werden, wie der den Neutronen­ absorber-Stab 32 enthaltende Steuerstab 30 eingesetzt wird. Wird er während des Betriebs des Kernreaktors beträchtlich in den Reaktorkern eingeschoben, so beträgt der Abschnitt etwa 1/3 der Gesamtlänge L. Wird der Steuerstab 30 während des Betriebs des Kernreaktors aus dem Reaktorkern herausge­ zogen, so ist der Abschnitt etwa 15 cm lang. Obschon die Länge des Abschnitts Z normalerweise etwa 1/4 bis 3/4 der Gesamtlänge L betragen kann, können die Längen der Ab­ schnitte (Y+Z) auf eine Länge eingestellt werden, die man erhält, wenn man 15 cm von der Gesamtlänge subtrahiert. Dies gilt für den Fall, daß der Steuerstab 30 bei dem Be­ trieb vollständig herausgezogen wird. Außerdem kann die Länge des Abschnitts Y auch null betragen.

In einem Abschnitt zwischen dem Stopfen 43 und dem langle­ bigen Neutronenabsorber-Glied 41 befindet sich Metallwolle 46 aus Hf, Zr, rostfreiem Stahl oder Eisen. Außerdem befin­ det sich zwischen dem Neutronenabsorber-Glied 41 und dem Borverbindungsgemisch Y Metallwolle 47, die den Zweck hat, zu verhindern, daß Gemisch des Borverbindungs-Pulvers in den Bereich um das Neutronenabsorber-Glied 41 herum ge­ langt. Die Metallwolle 47 kann die gleiche sein wie die Me­ tallwolle 46, die sich zwischen dem Stopfen 43 und dem Neu­ tronenabsorber-Glied 41 befindet. Vorzugsweise besteht diese Wolle jedoch aus neutronenabsorbierendem Material, beispielsweise handelt es sich um Hf-Wolle, falls die Länge, mit der die Metallwolle 47 eingeschlossen ist, mehr als 5 mm beträgt. Der Grund hierfür liegt darin, daß, wenn nicht-absorbierendes Material verwendet würde, der Neutro­ nenfluß sich in den oben erwähnten Bereich ausbreitet und bewirkt, daß die benachbarte Borverbindung lokal in sehr starkem Maße Neutronen ausgesetzt ist. Als Folge davon würde die Intaktheit des Neutronenabsorber-Elements beein­ trächtigt. Andererseits wird die Länge der Schicht, in der die Metallwolle 46 eingeschlossen ist, überlicherweise auf bis zu 5 bis 10 mm gewählt.

Mit dem so aufgebauten Neutronenabsorber-Stab läßt sich durch die Borverbindung erzeugtes Tritium durch die Zr-Par­ tikel oder das Hf-Pulver, die beziehungsweise das der Bor­ verbindung beigemischt ist, absorbiert werden, um auf diese Weise zu verhindern, daß das Tritium in das langlebige Neu­ tronenabsorber-Glied eindiffundiert. Da außerdem das Neu­ tronenabsorber-Glied von der aus Zr, Hf oder Tr bestehenden Hülse umgeben ist, die als Wasserstoffänger oder als Span­ nungsabsorber dient, oder von einer Hülse aus rostfreiem Stahl als Spannungs-Relaxer umgeben ist, läßt sich die Ent­ stehung von Spannungen in dem Deckrohr aufgrund eines An­ schwellens in zufriedenstellender Weise verhindern.

Fig. 24 bis 29 zeigen Modifizierungen des Abschnitts X nach Fig. 20, wobei äquivalente Elemente wie in Fig. 20 mit ent­ sprechenden Bezugszeichen versehen sind.

Bei der ersten Modifizierung nach Fig. 24 ist der Durchmes­ ser des langlebigen Neutronenabsorberglieds 41 um einen ge­ wissen Betrag kleiner als der Innendurchmesser des Deck­ rohrs 40, um einen Spalt 40 zwischen dem Absorber-Element 41 und dem Deckrohr 40 zu erhalten. Außerdem wird ein un­ erwünschtes loses Spiel, welches möglicherweise aufgrund der Durchmesserverringerung des Absorberglieds entsteht, dadurch verhindert, daß mehrere kleine Vorsprünge 51 in Ab­ schnitten des Absorberglieds 41 ausgebildt sind. Als Ergeb­ nis dieses Aufbaus lassen sich die Vorsprünge 51 leicht zu­ sammendrücken, so daß die Erzeugung von Spannungen in dem Deckrohr 40 auch dann verhindert werden kann, wenn das langlebige Neutronenabsorberglied 41 Schwellungen verur­ sacht.

Bei einer zweiten Modifizierung, die in Fig. 25 gezeigt ist, sind die lokalen Vorsprünge 51 der ersten Modifizie­ rung ersetzt durch gewinde- oder schraubenförmige Vor­ sprünge 52 in der Oberfläche des Neutronenabsorberglieds 41. Bei dieser Modifizierung erhält man einen ähnlichen Ef­ fekt wie bei der ersten Modifizierung.

Fig. 26 zeigt eine dritte Modifizierung, die derart be­ schaffen ist, daß Dellen 53 ausgebildet sind, die den Zweck haben, das Deckrohr 40 lokal nach innen vorstehen zu las­ sen, um Berührung mit dem Neutronenabsorber-Glied 41 zu er­ halten. Wenn das Neutronenabsorber-Glied 41 eine Schwellung oder Ausbeulung erleidet, können die Dellen 53 sehr leicht zurückgebildet werden. Dadurch kann keine große Spannung in dem Deckrohr 40 erzeugt werden.

Fig. 27 zeigt eine vierte Modifizierung, bei der das langlebige Neutronenabsorber-Glied 41 abschnittsweise in eine Mehrzahl kurzer Stücke unterteilt ist.

Weiterhin sind Partikel aus Zr und/oder Hf- Pulver 45 zwischen den so gebildeten Stücken angeordnet. Bei dieser Modifizierung absorbieren die Partikel aus Zr und/oder das Hf-Pulver 6 Wasserstoff und Tritium. Dadurch läßt sich eine Schwellung in dem Neutronenabsorber-Element 41 praktisch verhindern. Obschon die Partikel aus Zr und das Hf-Pulver 45 eine Schwellung hervorrufen, so bleiben diese in derselben Lücke, da das Material einen Zustand geringer Dichte einnimmt. Deshalb läßt sich die Er­ zeugung großer Spannungen in dem Deckrohr 40 vermeiden.

Fig. 28 zeigt eine fünfte Modifizierung, bei der das langlebige Neutronenabsorber-Glied 41 in Längsstücke längs­ geteilt ist. Außerdem sind zwischen den Längsstücken lokal kleine vorstehende Abschnitte 54 gebildet, die sich durch Schwellungen leicht zusammendrücken lassen. Wenn Schwellun­ gen stattfinden, so werden die kleinen vorstehenden Ab­ schnitte 54 nacheinander zusammengedrückt, so daß hierdurch die Erzeugung großer Spannungen in dem Deckrohr 40 durch den genannten Effekt verhindert werden kann. Die Zeit, zu der Spannung erzeugt wird, läßt sich also beträchtlich hin­ auszögern.

Fig. 29 zeigt eine sechste Modifizierung, bei der das langlebige Neutronenabsorber-Glied 41 ähnlich wie bei der fünften Modifizierung längsgeteilt ist. Ferner befinden sich Streifen 55 aus Zr in zumindest einem Abschnitt des Spalts zwischen den Längsstücken. Da die Streifen 56 aus Zr Wasserstoff absorbieren, läßt sich die Erzeugung von Schwellungen in dem langlebigen Neutronenabsorber-Glied 41 im wesentlichen verhindern. Ob­ schon der Streifen 55 aus Zr einer Schwel­ lung unterliegt, läßt sich die Erzeugung großer Spannungen in dem Deckrohr 40 in zufriedenstellender Weise vermeiden, weil das Material geringe Härte hat und der Spalt die Schwellung absorbiert.

Obschon nicht dargestellt, sieht die Erfindung eine siebte Modifizierung vor, bei der auf der Oberfläche des langlebi­ gen Neutronenabsorber-Glieds 41 eine Oxidschicht gebildet ist. Da in diesem Fall die Oxidschicht die Absorption von Wasserstoff vermeidet, lassen sich Schwellungen des Neutro­ nenabsorberglieds 41 vermeiden.

Eine achte und neunte Modifizierung sind Modifizierun­ gen des Abschnitts Y in Fig. 20. Fig. 30 und 31 zeigen Ver­ tikal-Schnittansichten dieser Modifizierungen.

Die achte Modifizierung gemäß Fig. 30 besteht darin, daß die Borverbindung 42 in einem nicht abgedichteten Innenrohr 56 aus reinem Zr, Hf oder rostfreiem Stahl eingeschlossen ist, welches seinerseits in dem Deckrohr 40 aufgenommen ist. Wenn das Innenrohr 56 aus reinem Zr besteht, dient es als Wasserstoffalle und als Spannungs-Relaxer ebenso wie als Neutronenabsorber. Das Innenrohr 56 aus rostfreiem Stahl dient einfach als Spannungsrelaxer zur Bildung von Lücken, um so Schwellungen zu vermeiden, die durch He-Gas der Borverbindung entstehen. Es ist daher in diesem Fall vorzuziehen, daß ein Gemisch, welches durch Mischen reiner Zr-Partikel (Korn) oder Hf-Pulver (Korn) besteht, als Was­ serstoffänger mit der Borverbindung 42 in das Innenrohr 56 eingegeben wird. Hierdurch läßt sich verhindern, daß durch die Vorverbindung 42 erzeugtes Tritium in das Neutronenab­ sorber-Glied 41 des langlebigen Typs diffudiert.

Ein Steuerstab, wie er in Fig. 32 dargestellt ist, wurde in jüngerer Zeit entwickelt und ist Gegenstand der JP-OS 2- 2 54 895 Fig. 33 ist eine vergrößerte Ansicht eines Aus­ schnitts L in Fig. 32. Ein Neutronenabsorber-Element-Lade­ abschnitt 58 hat einen kreisförmigen Querschnitt, während der Außenbereich des Abschnitts etwa quadratische Form auf­ weist, wobei die Form durch ein polsterndes Material in Einheiten von 90° gebildet ist. Durch abwechselndes Schweißen der Kissenabschnitte 59 (zur Bildung der Schweißabschnitte 60) läßt sich der in Fig. 32 dargestellte Steuerstab erhalten, dessen äußere Form im wesentlichen die gleiche ist, wie sie in Fig. 19 dargestellt ist. Allerdings gibt es einen bedeutenden Unterschied zwischen der Struktur nach Fig. 32 und derjenigen nach Fig. 19. Der Unterschied liegt darin, daß der Mantel 33 in der Struktur nach Fig. 32 weggelassen ist. Da die Dicke des Flügels 31 die gleiche sein muß, um in dem gleichen Kernreaktor verwendet zu wer­ den, lassen sich die Durchmesser des Neutronenabsorber- Glied-Ladeabschnitts 58 um einen Betrag vergrößern, welcher dem von der Struktur fortgelassenen Mantel 33 entspricht. Deshalb läßt sich eine größere Anzahl von Neutronenabsor­ bern einschließen. Dadurch läßt sich der Reaktivitätswert des Steuerstabs des Kernreaktors verbessern und die Lebens­ dauer verlängern.

Wie in den Fig. 19 und 20 gezeigt ist, kann die Struktur des Neutronenabsorber-Stabs 32 in ähnlicher Weise an einen Neutronenabsorber-Stab, wie er in den Fig. 32 und 33 darge­ stellt ist, angepaßt und zu einer etwa rechteckigen Form gestaltet werden.

Der Erfinder hat die Struktur eines Innenrohrs zur Verwen­ dung als Steuerstab gemäß der JP-OS 2-2983 untersucht. Ob­ schon eine Struktur zum Verhindern der Beeinträchtigung des Reaktivitätswerts durch Verwendung eines Neutronenabsorbers in dem Stopfen für das Innenrohr in der JP-OS 2-2983 darge­ stellt ist, ist die vorliegende Erfindung derart ausgestal­ tet, daß die aus reinem Zr bestehende Hülse (Innenrohr) als Wasserstoffänger eingesetzt wird. Obschon eine ähnliche Struktur eines Innenrohrs in der JP-OS 2-13 888 offenbart ist, ist dort das Konzept des Wasserstoffängers nicht ent­ halten.

Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß der Neu­ tronenabsorber-Stab derart ausgebildet ist, daß das Deck­ rohr vor übermäßig großen Spannungen geschützt werden kann. Hierdurch läßt sich die Intaktheit des langlebigen Neutro­ nen Neutronenabsorber-Elements verbessern.

Obschon die Ausführungsformen des Neutronenabsorber-Stabs gemäß der vorliegenden Erfindung für einen Steuerstab aus­ gelegt sind, der in einem Siedewasserreaktor verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen spe­ ziellen Anwendungsfall beschränkt. Die Erfindung kann auch Anwendung finden bei einem Steuerstab zur Verwendung in ei­ nem Druckwasserreaktor. Ferner kann die Struktur des Neutro­ nenabsorber-Stabs angepaßt werden an einen Steuerstab zur Verwendung in einem Leichtwasserreaktor, einem Schwerwas­ serreaktor, einem Konverter-Reaktor oder einem schnellen Brutreaktor.

Claims (19)

1. Kernreaktor-Steuerstab, umfassend: mehrere plattenförmige Flügel (14), die miteinander über zentrale Verbindungsanordnungen derart verbunden sind, daß sie einen kreuzförmigen Querschnitt bilden, und die mehrere Aufnahmelöcher für Neutronenabsorbermaterial enthalten, die jeweils in Breitenrichtung jedes Flügels verlaufen und über die Länge des Flügels verteilt angeordnet sind, wobei die Flügel (14) aus Hafnium-Metall, einer Hafnium-Legierung, die sich aus Hafnium und Zirkon oder aus Hafnium und Titan zusammensetzt, oder aus einer Legierung mit Zirkon oder Titan als Hauptkomponente bestehen, das Neutronenabsorbermaterial (23) in dem in Einschubrichtung vorne gelegenen Teilbereich aus Hafnium, einem Metall mit einer Hauptkomponente aus Hafnium oder einer Silber-Indium-Kadmium-Legierung hergestellt ist, und in den restlichen Aufnahmelöchern (20) ein Bor enthaltender Neutronenabsorber aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in denjenigen Bor enthaltenden Neutronenabsorber (27a) aufnehmenden Aufnahmelöcher (20), die in einem Bereich hinter dem vorderen Einschubabschnitt liegen, der bis zu 1/4 der Höhe L eines effektiven Kernabschnitts des Kernreaktors liegt, ein Gemisch (27) aus einem Material (27a) enthalten ist, welches Bor und mindestens einen Wasserstoffabsorber aus Zirkon-Partikeln und/oder Hafniumpulver enthält.

2. Steuerstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Flügel (14) gebildeten und in einem Bereich von dem vorderen Einschubabschnitt, der einer großen Neutronenmenge ausgesetzt ist, bis zu 1/4×L angeordneten, und mit einem Bor enthaltenen Material gefüllten Aufnahmelöcher (20) von einem Zirkonblatt (21) umgeben sind.

3. Steuerstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmelöcher (20), die in dem Flügel (14) in dem in Einschubrichtung vorne gelegenen Teilbereich vorhanden sind, mit dem Neutronenabsorber (23) gefüllt und von einem Zirkonblatt (31) umgeben sind.

4. Steuerstab nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das in die Aufnahmelöcher (20), die in dem in Einschubrichtung vorne gelegenen Teilbereich vorhanden sind, einzusetzende langlebige Neutronenabsorber (23) eine gewinde- oder schraubenförmige Gestalt hat und Vorsprünge (23a, 23b) sowie Vertiefungen an der Außenoberfläche aufweist.

5. Steuerstab nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des in jedes der Aufnahmelöcher (20), die in dem in Einschubrichtung vorne gelegenen Teilbereich vorhanden sind, einzusetzenden Neutronenabsorbermaterial (23) innerhalb des Flügels (14) kürzer ist als die Tiefe des Aufnahmelochs (29), und mindestens ein Wasserstoffabsorber (22) aus mindestens entweder Zirkon-Partikeln oder Hafnium-Pulver in einem Raum des Aufnahmelochs (20) eingeschlossen ist, dessen Bereich der verkürzten Länge entspricht.

6. Steuerstab nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das in jedes der in dem Flügel (14) ausgebildeten Aufnahmelöcher (20), die in dem in Einschubrichtung vorne gelegenen Teilbereich vorhanden sind, einzusetzende Neutronenabsorber (23) in mehrere kurze Neutronenabsorber-Elemente unterteilt ist, in mindestens einem Abschnitt zwischen den Neutronenabsorber-Elementen eine Lücke gebildet ist und mindestens ein Wasserstoffabsorber (22) in die Lücken eingefüllt ist, welcher zumindest aus entweder Zirkon-Partikeln oder Hafnium-Pulver besteht.

7. Steuerstab nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das in jedes der in dem Flügel (14) ausgebildeten Aufnahmelöcher (20), die in dem in Einschubrichtung vorne gelegenen Teilbereich vorhanden sind, einzusetzende, Neutronenabsorber (23) in mehrere Stücke längsgeteilt sind, die parallel zur axialen Richtung des Aufnahmelochs verlaufen, wobei Vorsprünge zur Erzeugung von Lücken beziehungsweise Spalten zwischen den Stücken ausgebildet sind.

8. Steuerstab nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das in jedes der in dem Flügel (14) ausgebildeten Aufnahmelöcher (20), die in dem in Einschubrichtung vorne gelegenen Teilbereich vorhanden sind, einzusetzende Neutronenabsorbermaterial (23) in mehrere Stücke parallel zur Axialrichtung des Aufnahmelochs (20) längsgeteilt ist, wobei zwischen den Stücken ein Zirkonstreifen liegt.

9. Steuerstab nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem auf der Oberfläche des Neutronenabsorbermaterials (23), der in jedes der Aufnahmelöcher (20), die in dem in Einschubrichtung vorne gelegenen Teilbereich vorhanden sind, einzusetzen ist, eine Oxidschicht gebildet ist.

10. Steuerstab nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite der Aufnahmelöcher (20), in denen der Bor enthaltende Neutronenabsorber (27a) eingeschlossen ist, eine Oxidschicht ausgebildet ist.

11. Steuerstab nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, Anspruch 1, daß mindestens ein aus mindestens entweder Zirkon-Partikeln oder Hafnium- Pulver zusammengesetzter Wasserstoffabsorber (22) in mindestens einem Aufnahmeloch (20) eines Bereichs eingeschlossen ist, der 3 cm oder mehr und 35 cm oder weniger von dem vorderen Einschubende des Flügels (14) entfernt ist (Fig. 5).

12. Steuerstab nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein rohrförmiges Zirkon-Element (21) zur Bildung eines Glasplenums in mindestens ein Aufnahmeloch (20) derjenigen Aufnahmelöcher eingesetzt ist, die in einem Bereich von 3 cm oder mehr und 35 cm oder weniger hinter dem vorderen Einschubende des Flügels (14) liegen.

13. Steuerstab nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus Hafnium-Metall, einem Metall mit der Hauptkomponente Hafnium oder einer Ag-In-Cd-Legierung bestehender Neutronenabsorber-Stab (24), der sich in Längsrichtung des Flügels (14) erstreckt, in dem äußeren Bereich jedes der Aufnahmelöcher (20) angeordnet ist, die sich in einem Bereich von mindestens 1/4×L hinter dem vorderen Einschubende des Flügels (14) aus erstrecken, wobei der Hauptabschnitt des Neutronenabsorber-Stabs mit einer Zirkon-Hülse (25) abgedeckt ist.

14. Steuerstab nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Neutronenabsorber-Stab (24) und den Aufnahmelöchern (20) ein Zirkon-Streifen (25) angeordnet ist.

15. Steuerstab nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Hafnium-Partikel in einem Bereich von 1 bis 2 cm hinter dem äußeren Endabschnitt jedes der Aufnahmelöcher (20) eingeschlossen sind, welche zumindest in einem Bereich von 1/4×L hinter dem vorderen Einschubende des Flügels (14) angeordnet sind, wobei die Hafnium-Partikel in Richtung Innenseite des Flügels (14) weisen.

16. Steuerstab nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein rohrförmiges Zirkon-Element (21) in jedes der Aufnahmelöcher (20) eingesetzt ist, die den Bor enthaltenden Neutronenabsorber (27a) aufweisen und zumindest in dem Bereich von 1/4×L hinter dem vorderen Einschubende des Flügels (14) angeordnet sind, und Partikel (27b) aus reinem Zirkon und eine Borverbindung (27a) als Gemisch in dem rohrförmigen Element (21) eingeschlossen sind.

17. Steuerstab zur Verwendung in Kernreaktoren, mit
einer zentralen Verbindungseinrichtung (34),
einer Mantelplattenanordnung (33), die einen U-förmigen seitlichen Querschnitt besitzt und derart an die zentrale Verbindungseinrichtung angeschlossen ist, daß sie Flügel (31) bilden, die unter Bildung eines kreuzuförmigen Querschnitts angeordnet sind, und
eine Neutronenabsorber-Stab-Anordnung (32), die in der Mantelplattenanordnung (33) in einer Reihe aufgenommen und dadurch gebildet ist, daß ein Neutronenabsorbermaterial (41) aus Hafnium-Metall mit Hauptkomponente Hafnium oder einer Silber-Indium-Kadmium-(Ag-In-Cd-)Legierung in einem Deckrohr (40)aufgenommen ist, wobei eine Lücke oder eine Hülse (44) um das Neutronenabsorbermaterial herum gebildet wird oder auf einer Oberfläche des Neutronenabsorbermaterials (41) eine Oxidschicht gebildet ist und in einer vorbestimmten Zone des Deckrohrs (40) eine Borverbindung vorhanden ist, die mit mindestens einem Wasserstoffabsorber (45) gemischt ist, der sich aus Zirkon-Partikeln oder Hafnium-Pulver zusammensetzt.

18. Steuerstab nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Stopfen-Anordnung (43) zum Abdichten zweier Endabschnitte des Deckrohrs (40).

19. Steuerstab nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Neutronenabsorbermaterial (41) in einem nicht abgedichteten Innenrohr (44) eingeschlossen ist, welches innerhalb des Deckrohrs (40) aufgenommen ist.