DE4223126A1

DE4223126A1 - Brennstoffstab fuer kernreaktor

Info

Publication number: DE4223126A1
Application number: DE4223126A
Authority: DE
Inventors: Katsuichiro Kamimura; Norio Kawata; Carlo Vitanza
Original assignee: Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan
Current assignee: Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan
Priority date: 1991-07-15
Filing date: 1992-07-14
Publication date: 1993-01-21
Also published as: GB2258340B; GB9214804D0; US5309493A; FR2679369A1; JPH0519078A; FR2679369B1; GB2258340A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Brennstoffstab für einen Kernreaktor, der Urandioxid (UO₂) oder ein Mischoxid (MOX) von Urandioxid und Plutoniumdioxid als Kernbrennstoff ent hält.

In einem allgemein gebräuchlichen thermischen Reaktor wird ein Kernbrennstoff verwendet, der Gadolinium (Gd), ein brennbares Reaktivitäts-Regelmaterial, enthält, um die Überschußreaktivität zu regeln und den örtlichen Spitzenfaktor zu verringern und da durch den Abbrand des Kernbrennstoffs zu verbessern.

Ehemals verwendete Gd-enthaltende Kernbrennstoffe schließen eine homogene Tablette aus einer festen Lösung von Gadoliniumoxid (Gd₂O₃) in UO₂ in der MOX sowie eine Doppeltablette aus einer festen Lösung von Gd₂O₃ in nur dem Mittelteil der UO₂- oder der MOX- Tablette ein.

Diese tablettierten Brennstoffe werden beim Aufeinanderschichten einer Anzahl von Tabletten verwendet, um einen Tablettenstapel zu bilden, wobei der Stapel an einem Hüllrohr abgedichtet wird, um einen Brennstoffstab zu bilden, während eine große Anzahl von Brennstoffstäben gebündelt wird, um eine Brennstoffkassette zu bilden, die in einen Reaktorkern eingesetzt wird.

Jedoch haben die oben beschriebenen homogenen Tabletten einen Mangel, daß die Leistungsregelungswirkung von Gd so ungewöhnlich ist, daß die Brennstoffstäbe mit einer sehr geringen Leistung in der Kassette ungleichmäßig verteilt sind. So gibt es dort nukle are und thermische Beschränkungen in den homogenen Tabletten.

Da außerdem die Herstellung der festen Lösung von Gd₂O₃ in UO₂ oder MOX beschränkt ist, ist es unmöglich, die beste Gd₂O₃-Kon zentration auszuwählen, die von der Effizienz des Brennstoffsta bes abhängt.

Ferner werden in der Herstellung von homogenen oder Doppeltablet ten eine Herstellungsbaureihe für Gd-freie Tabletten und eine für Gd-enthaltende Tabletten in einer einzigen Brennstoffstab-Herstel lungseinrichtung gefordert, und die Verseuchung von Gd-freien Ta bletten mit Gd muß vermieden werden. Deshalb muß die Herstellungs- Baureihe für Gd-enthaltende Tabletten unter Verwendung von pulver förmigem Gd₂O₃ vollständig getrennt werden von der üblichen Her stellungs-Baureihe für Gd-freie Tabletten, und zwei oder mehr Prüfeinrichtungen sind erforderlich, die die Herstellungskosten des Kernbrennstoffs außergewöhnlich erhöhen.

Übersicht über die Erfindung

Deshalb ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Brenn stoffstab für einen Kernreaktor mit einem Kernbrennstoff vorzuse hen, der die Mängel der üblichen Gd-enthaltenden homogenen und Doppeltabletten überwindet, um dadurch die Herstellungskosten durch Vereinfachen der Herstellungseinrichtung zu verringern, die nuklearen und thermischen Beschränkungen zu lockern und die Gd₂O₃- Konzentration zu befähigen, ohne Beschränkung in Abhängigkeit von der gewünschten Effizienz ausgewählt zu werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffstab für einen Kernreaktor mit einer großen Anzahl von hohlen Tabletten vorgese hen, jede mit einer Bohrung entlang ihrer Mittelachse und herge stellt aus Urandioxid oder einem Mischoxid aus Urandioxid und Plu toniumdioxid, ein Stab aus einem brennbaren Reaktivitäts-Regelma terial, die große Anzahl von hohlen Tabletten mit dem Stab aufge spießt, um einen Tablettenstapel zu bilden, und ein Hüllrohr, in das der Tablettenstapel eingesetzt und verschlossen wird.

In der vorliegenden Erfindung werden, wie oben beschrieben, die hohlen Tabletten aus UO₂ oder MOX in einem üblichen Verfahren in einer Kernbrennstoff-Herstellungseinrichtung hergestellt. Anderer seits kann der Stab aus einem brennbaren Reaktivitäts-Regelmateri al wie Gd₂O₃ vorher in einer Nicht-Kernbrennstoff herstellenden Anlage hergestellt werden, die sich von der Kernbrennstoff her stellenden Einrichtung unterscheidet, und dann mit den hohlen Tabletten in der Kernbrennstoff herstellenden Einrichtung verei nigt werden, um einen Brennstoffstab nach der vorliegenden Erfin dung zu bilden. Deshalb ist es nicht notwendig, zwei unabhängige Baureihen in der Kernbrennstoff-Herstellungseinrichtung zu bilden, d. h. die Baureihe zur Verarbeitung von Gd₂O₃ und die Baureihe zur Verarbeitung einzig von solchem Kernbrennstoffmaterial wie UO₂ oder MOX, und die Herstellungskosten für den Kernbrennstoffstab können verringert werden.

Der optimale Brennstoffstab kann durch Variieren des Gd₂O₃-Stab durchmessers oder der Gd₂O₃-Konzentration im Stab in Abhängigkeit von der Effizienz des Kernbrennstoffs entwickelt werden.

In der Struktur der vorliegenden Erfindung, in der der Gd₂O₃-Stab in die Bohrungen der hohlen UO₂ oder MOX-Tabletten eingesetzt wird, kann die ausgezeichnete Ausführung der üblichen hohlen Ta blette wie des Kernbrennstoffs bleiben, wie sie ist. Denn vergli chen mit einer Festbrennstoff-Tablette aus demselben Material macht es die hohle Tablette möglich, die Brennstofftemperatur niedrig zu halten, das Ausströmen von spaltbarem Gas zu regeln und die mechanische Wechselwirkung zwischen den Brennstofftablet ten und dem Hüllrohr zu verringern. Ferner werden nach der vor liegenden Erfindung die Bohrungen der hohlen Tabletten nicht zer rissen, sogar wenn sich eine plastische Verformung in den hohlen Tabletten während der Bestrahlung in einem Kernreaktor ereignet, und deshalb können die charakteristischen Eigenschaften der hoh len Tabletten beibehalten werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1(A) bis 1(E) zeigen die Schritte zur Brennstoffstab-Her stellung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt eines Teiles des Brennstoffstabes gemäß der vorliegenden Er dung;

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt längs der Linie A-A in Fig. 2;

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt einer Ausführung einer Brenn stoffkassette, in der die Brennstoffstäbe gemäß der vorliegenden Erfindung zum Bilden der äußeren Schicht verwendet werden;

Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwi schen dem örtlichen Spitzenfaktor und dem Abbrand, die erzielt wird, wenn die in Fig. 4 dargestellte Brenn stoffkassette verwendet wird (unten in der graphischen Darstellung), wenn die Brennstoffkassette mit Gd-freien Brennstoffstäben verwendet wird (in der Mitte der gra phischen Darstellung) und wenn die Brennstoffkassette mit üblichen Brennstoffstäben aus Gd-enthaltenden ho mogenen Tabletten verwendet wird (oben in der graphi schen Darstellung);

Fig. 6 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwi schen der effektiven konstanten Multiplikation und dem Abbrand, der erzielt wird durch Variieren des Durchmes sers des Gd₂O₃-Stabes im Brennstoffstab gemäß der vor liegenden Erfindung; und

Fig. 7 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwi schen der effektiven konstanten Multiplikation und dem Abbrand, die erzielt wird durch Variieren der Gd-Kon zentration des Gd₂O₃-Stabes in dem Brennstoffstab ge mäß der vorliegenden Erfindung.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung

Fig. 1 zeigt das Zusammenbau-Verfahren zum Herstellen des Brenn stoffstabes gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 1(A) zeigt hohle UO₂- oder MOX-Tabletten 1 und einen langen Gd₂O₃-Stab in Flucht mit den Bohrungen der hohlen Tabletten 1. Die hohlen Ta bletten 1 werden durch Mischen, Formen und Sintern von pulverför migem UO₂ oder MOX in einer üblichen Brennstoffstab-Herstellungs einrichtung hergestellt. Andererseits wird der Gd₂O₃-Stab 2 durch Formen von pulverförmigem Gd₂O₃ in der Gestalt eines Sta bes mittels Extrusionsformung und dann Sintern in einer nichtnu klearen Stab-Herstellungseinrichtung hergestellt, die sich von der Brennstoffstab-Herstellungseinrichtung unterscheidet, und dann zur Brennstoffstab-Herstellungseinrichtung transportiert.

Fig. 1(B) zeigt den Schritt beim Einsetzen des Stabes 2 in die Bohrungen der hohlen Tabletten 1 nacheinander sowie um die Ta bletten 1 mit dem Stab 2 aufzuspießen, um einen Tablettenstapel zu bilden, wie er in Fig. 1(C) dargestellt ist. Der so geformte Tablettenstapel 3 wird dann in ein Hüllrohr 4 aus einem Metall wie Zirkaloy oder rostfreier Stahl, wie in Fig. 1(D) dargestellt, eingeschoben, und dann werden die offenen Enden des Hüllrohres mit Stopfen 5 verschlossen, um einen beabsichtigten Brennstoff stab 10 auszubilden, wie in Fig. 1(E) dargestellt.

Fig. 2 und 3 sind Schnitte, die den inneren Aufbau des Brenn stoffstabes 10 zeigen, worin der lange Stab 2 in die Bohrungen der aufgeschichteten hohlen Tabletten 1 eingeschoben ist, um die Tabletten 1 mit dem Stab 2 aufzuspießen, und der so geformte Ta blettenstapel in das Hüllrohr 4 eingeschoben ist.

Der Brennstoffstab gemäß der vorliegenden Erfindung wird unten mit Bezug auf dessen Verwendung in einem Verbesserten Thermi schen Reaktor (ATR) dargestellt. Fig. 4 zeigt eine Brennstoff- Kassette mit insgesamt 54 Brennstoffstäben, d. h. 12 Stäbe bilden die innere Schicht, 18 Stäbe die Zwischenschicht und 24 Stäbe die äußere Schicht. Die Brennstoffstäbe 10 gemäß der vorliegenden Erfindung, jeder mit der Kombination aus hohler MOX-Tablette 1 und Gd₂O₃-Stab 2, bilden die äußere Schicht. Der Stab hat einen Gd₂O₃-Gehalt von 100% und einen Durchmesser von 1,0 mm. In Fig. 4 bezeichnet das Bezugszeichen 6 ein Druckrohr und das Bezugs zeichen 7 ein Trennrohr.

Die Ausführung der Brennstoffkassette wurde analysiert und be rechnet, um die in Fig. 5 dargestellten Ergebnisse zu erhalten. Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die die Abhängigkeit des örtlichen Spitzenfaktors der Brennstoffkassette (das Verhältnis des die größte lineare Wärme erzeugenden Betrages zu dem durch schnittliche lineare Wärme erzeugenden Betrag der Brennstoffstä be im Kernreaktor) zum Abbrand zeigt. Die durch Verwendung der Brennstoffkassette mit der in Fig. 4 dargestellten Ausbildung er zielten Ergebnisse sind in der graphischen Darstellung unten an gegeben, jene werden durch Verwenden einer Brennstoffkassette mit Gd-freien Brennstoffstäben erzielt, die in der Mitte der graphischen Darstellung angegeben sind, während jene durch Ver wenden einer üblichen Brennstoffkassette mit Brennstoffstäben aus Gd-enthaltenden homogenen Tabletten erzielt werden, die in der graphischen Darstellung oben angegeben sind. Die Gd-enthaltenden homogenen Tabletten hatten einen Gd₂O₃-Gehalt von 3,0%, und die äußere Lage der Brennstoffkassette hatte 6 Brennstoffstäbe mit Gd-enthaltenden homogenen Tabletten.

In dem Brennstoff der Gd-enthaltenden homogenen Tabletten ist das Pulver der Gd-enthaltenden Brennstoffstäbe gering, wie in Fig. 5 oben gezeigt ist, und deshalb muß die Leistung der anderen Brenn stoffstäbe, insbesondere jene in der äußeren Schicht angeordnete, vergrößert werden. Entsprechend den nuklearen Eigenschaften wird die Toleranz der Leistungsspitzengrenze des Brennstoffstabes und entsprechend den thermischen Eigenschaften der kritische Lei stungsbetrag verringert. So sind in den brennstoffenthaltenden Gd-enthaltenden homogenen Tabletten nur sechs von den Brennstoff stäben, die die äußere Schicht der Brennstoffkassette bilden, die Gd-enthaltenden Brennstoffstäbe, zumal die Reaktivitäts-Regelwir kung übermäßig wird, wenn alle von den 24 Brennstoffstäben, die die äußere Schicht bilden, Gd-enthaltende Brennstoffstäbe sind.

Im Gegensatz dazu können in der Brennstoffkassette mit Brenn stoffstäben gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in Fig. 4 dar gestellt, alle 24 Brennstoffstäbe in der äußeren Schicht Brenn stoffstäbe gemäß der vorliegenden Erfindung sein, und deshalb kann die Leistung der Brennstoffstäbe in der äußeren Schicht so gar verringert werden. Entsprechend werden die in den üblichen Gd-enthaltenden homogenen Tabletten erforderlichen nuklearen und thermischen Beschränkungen gelockert, und eine weitere Rationa lisierung wird möglich gemacht.

Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, die die Ergebnisse einer Prüfung der Abhängigkeit von K_eff (effektive konstante Multipli kation) vom Abbrand zeigt, die erzielt werden, wenn der Durch messer des Gd₂O₃-Stabes mit einem Gd₂O₃-Gehalt von 50% auf 1,0, 2,0 und 3,0 mm verändert wurde. Fig. 7 ist eine graphische Dar stellung, die die Ergebnisse einer Prüfung der Abhängigkeit von K_eff vom Abbrand zeigt, die erzielt werden, wenn der Gd₂O₃-Ge halt des Gd₂O₃-Stabes mit einem Durchmesser von 1,0 mm auf 10, 20, 30, 50, 70 oder 100% verändert wurde. Es wird aus diesen graphischen Darstellungen ersichtlich, daß eine Wirkung von re gelbarem Reaktivitäts-Überschuß entsprechend den Eigenschaften des Brennstoffs, solche wie die spaltbare Konzentration oder der Durchmesser des Brennstoffstabes, durch Ändern des Durchmessers und des Gd-Gehalts des Gd₂O₃-Stabes erzielt werden kann.

Obgleich in den oben beschriebenen Beispielen nur Gd₂O₃ als brennbares Reaktivitäts-Regelmaterial verwendet wird, können auch andere Reaktivitäts-Regelmaterialien wie Sm₂O₃, Eu₂O₃ und Dy₂O₃ verwendet werden. Die Konzentration des brennbaren Reaktivitäts- Regelmaterials kann durch Abschwächen mit einem Keramikmaterial wie ZrO₂ oder Al₂O₃ anders als das brennbare Reaktivitäts-Regel material eingestellt werden.

Es wird aus dem Vorhergehenden klar, daß die vorliegende Erfin dung in die Lage versetzt, einen Stab mit solch einem brennbaren Reaktivitäts-Regelmaterial wie Gd₂O₃ in einer üblichen Einrich tung herzustellen, die nicht irgendeine Strahlungskontrolle be nötigt und deshalb ohne zwei getrennte Baureihen, d. h. einer Bau reihe zum Verarbeiten von Gd₂O₃ und einer Baureihe zum Verarbei ten nur von UO₂- oder MOX-Brennstoff, in der Brennstoffherstel lungs-Einrichtung auskommen kann. So können die Herstellungsko sten des nuklearen Brennstoffstabes merklich verringert werden.

Die Löslichkeit von Gd₂O₃ in UO₂ oder MOX war in einer üblichen homogenen Tablette mit einer homogenen festen Lösung von Gd₂O₃ in UO₂ oder MOX eingeschränkt. In der vorliegenden Erfindung ist jedoch die beste Ausführung für die Effizienz des Kernbrennstoffs möglich durch Ändern des Durchmessers des Gd₂O₃-Stabes und/oder der Gd₂O₃-Konzentration in Abhängigkeit von der Effizienz des Kernbrennstoffs, und ferner werden die nuklearen und thermischen Beschränkungen der homogenen Tablette gelockert.

Ferner kann in der vorliegenden Erfindung, in der die hohlen UO₂- oder MOX-Tabletten benutzt werden, die Brennstofftemperatur im Reaktor niedrig gehalten werden, und hervorragende Eigen schaften der üblichen hohlen Tabletten können aufrechterhalten werden, so daß das Ausströmen von spaltbarem Gas verringert wer den kann.

Claims

1. Brennstoffstab für einen Kernreaktor, gekennzeichnet durch
eine große Anzahl von hohlen Tabletten (1), von denen jede ei ne Bohrung entlang ihrer Mittelachse aufweist und die aus Urandioxid (UO₂) oder einem Mischoxid (MOX) aus Urandioxid (UO₂) und Plutoniumdioxid (PuO₂) hergestellt sind,
einer Stange (2) aus einem brennbaren Reaktivitäts-Regelmate rial, wobei auf die Stange (2) die große Anzahl von hohlen Tabletten (1) aufgespießt ist, um einen Tablettenstapel (3) zu bilden, und
ein Hüllrohr (4), in das der Tablettenstapel (3) eingeschoben und verschlossen ist.

2. Brennstoffstab für einen Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Stange (2) in Abhängigkeit von der ge wünschten Effizienz des Brennstoffstabes (10) eingestellt ist.

3. Brennstoffstab für einen Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des brennbaren Reaktivitäts-Regelmateri als in der Stange (2) in Abhängigkeit von der gewünschten Effi zienz des Brennstoffstabes (10) eingestellt ist.

4. Brennstoffstab für einen Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Einstellen der Konzentration des brennbaren Reaktivi täts-Regelmaterials in der Stange (2) durch Abschwächen des brennbaren Reaktivitäts-Regelmaterials mit keramischem Materi al ausgeführt ist.

5. Brennstoffstab für einen Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das brennbare Reaktivitäts-Regelmaterial Gadoliniumoxid (Gd₂O₃) ist.