DE9402702U1

DE9402702U1 - Brennelement mit abbrennbarem Neutronengift

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Publication number: DE9402702U1
Application number: DE9402702U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-02-18
Filing date: 1994-02-18
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2004-02-19

Description

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Siemens'Aktiengesellschaft

Brennelement mit abbrennbarem Neutronengift
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Die Erfindung betrifft ein Brennelement mit mehreren über den Brennelement-Querschnitt verteilten, ein abbrennbares Neutronengift enthaltenden, stationären Absorberkörpern.

Für die Neubeladung und/oder Nachladung eines Kernreaktors werden Brennelemente verwendet, deren Kernbrennstoff (z. B. oxidische Sinterkörper aus UO2 oder aus einer Mischung von UO2 und PuO2/ wobei die Sinterkörper in Hüllrohren aus einer Zirkoniumlegierung gasdicht eingeschlossen sind und Brennstäbe bilden) verhältnismäßig stark mit spaltbaren Isotopen angereichert ist und bis zum Ersatz dieser Brennstäbe möglichst weit abbrennen soll ("hoher Entladeabbrand"). Die mit solchen Brennstäben bestückten Brennelemente weisen am Beginn des Zyklus eine Überschuß-Reaktivität auf, die gebunden werden muß. Dazu setzt man "abbrennbare Absorber" ein, also ein Neutronengift, dessen Absorptionswirkung für die auftretenden Neutronen abnimmt, je langer das Brennelement dem Neutronenfluß ausgesetzt ist. Als abbrennbares Neutronengift wird meist Gadolinium verwendet, jedoch ist auch Bor, Samarium, Europium oder Erbium möglich.

Es ist bereits vorgeschlagen, den Brennstoff mit Bor oder Borverbindungen zu überziehen, was jedoch mit chemischen Problemen bei Herstellung und Einsatz derartiger Brennstoff-Pellets verbunden ist. Üblicherweise wird daher dem Brennstoffpulver bereits bei der Herstellung der Pellets Gadolinium beigemischt.

Auch Absorber aus Borglas sind bereits vorgeschlagen worden,

die stationär in solchen Brennelementen eingesetzt werden,

die nicht an Positionen sitzen, an denen Steuerstäbe zur Regelung der Kernreaktion angeordnet sind.

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• · · a

Die Neuerung stellt ein Brennelement zur Verfügung, bei dem stationäre Absorberkörper auf vorteilhafte Weise in das Brennelement eingebracht und über das Brennelement verteilt sind. Dabei soll insbesondere Bor verwendet werden können, das hinsichtlich seiner ■Absorbereigenschaften günstiger und wirksamer ist als Gadolinium.

Die Neuerung sieht hierfür borhaltige Drähte vor, die locker in einer gasdichten Hülle eingeschlossen sind. Solche Drähte können leicht in die Brennelemente eingebaut und in einer der auftretenden Neutronenverteilung angepaßten Weise über den Querschnitt des Brennelements verteilt werden.

Insbesondere sieht die Neuerung für einen Druckwasserreaktor ein Brennelement mit Brennstäben, Steuerstabführungsrohren und über den Querschnitt des Brennelements verteilten, ein abbrennbares Neutronengift enthaltenden Absorberkörpern vor, bei denen die Absorberkörper borhaltige Drähte sind, die locker in einer gasdichten Hülle eingeschlossen und in oder um Steuerstabführungsrohre angeordnet sind.

Bevorzugt ist dabei jeweils von einer Hülle ein ganzes Bündel dieser Drähte eingeschlossen. Insbesondere können die Hüllen so kurz gewählt sein, daß mehrere Hüllen hintereinander etwa der Länge des Brennelements entsprechen. Im Brennelement sind dann jeweils mehrere solche Hüllen mit Absorberkörpern übereinander angeordnet. Gegebenenfalls können übereinander angeordnete Hüllen mit Absorberkörpern von einem gemeinsamen Schutzrohr umgeben sein.

Die axiale Verteilung der relativ kurzen Absorberkörper kann im Brennelement so gewählt werden, daß sich Absorberkörper, die an einer Stelle des Brennelement-Querschnitts übereinander angeordnet sind, in axialer Richtung mit Absorberkörpern überlappen, die an einer anderen Stelle des Brennelementquerschnitts übereinander angeordnet sind. Wenn also die Enden von Absorber-Hüllen, die an einer Stelle des Querschnitts

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übereinander angeordnet sind, in einer axialen Höhe des Brennelements aneinanderstoßen, also an dieser Stelle des Brennelements nur Hüllenmaterial und kein Absorbermaterial vorliegt, so befindet sich auf der entsprechenden Höhe des Brennelements an einer anderen Stelle des Querschnitts der Mittelteil einer Absorber-Hülle und damit auch das Absorbermaterial der in dieser Hülle eingeschlossenen Absorberkörper, so daß sich im Mittel eine nahezu homogene Verteilung von Absorbermaterial über die Höhe des Brennelements ergibt.
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Bevorzugt sind die Absorberkörper mit ihren Hüllen jeweils stationär, aber entfernbar im Brennelement gehalten.

Die Hüllen selbst bestehen vorzugsweise aus einem Hochtemperatur-festen und korrosionsbeständigen Metall mit geringer Wasserstoffaufnähme, wozu Metalle oder Metallegierungen verwendet werden, deren Verhalten und Eigenschaften im Strahlungsbereich eines Kernreaktors .bereits durch entsprechenden kommerziellen Einsatz bekannt ist. Es kommen also insbesondere Zirkoniumlegierungen (z. B. "Zirkaloy") in Frage, aus denen bereits die Hüllrohre von Brennstäben bestehen, daneben können aber unter Umständen auch Nickel-Legierungen oder rostfreier Stahl verwendet werden, die auch für andere Strukturelemente von Brennelementen eingesetzt sind.

Die Drähte selbst bestehen vorteilhaft aus hochschmelzenden Metallen, die einen borhaltigen Überzug aufweisen. So können z. B. Wolframdrähte oder Drähte aus anderen Refrakturmetalien mit Bor oder Boriden beschichtet werden.

Anhand von sechs Ausführungsbeispielen wird die Neuerung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen Querschnitt durch einen rohrförmigen Absorberkörper ("Absorberrohr") nach der Neuerung,

Figur 2 einen Querschnitt durch eine quadratische Gittermasche mit einem Steuerstabführungsrohr und vier Posi-

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tionen für Absorberrohre nach Figur 1 bei einem Abstandhalter eines Druckwasser-Brennelements,

Figur 3 eine Schutzhülse für vier um ein Steuerstabführungsrohr oder einen Brennstab angeordnete Absorberrohre oder aus übereinander gestapelten Absorberrohren gebildeten Absorbersäulen,
Figur 4 einen Querschnitt durch ein Steuerstabführungsrohr mit einer Absorbersäule,

Figur 5 mehrere von Blechschalen geschützte Absorberrohre, und

Figur 6 Blechschalen nach Figur 5, die zu einer Anordnung mit annähernd poligonalem Querschnitt geformt sind.

Nach Figur 1 ist ein Bündel von Wolframfasern oder Wolframdrähten 1, die mit Bor beschichtet sind, in einer Hülle 2 aus Zirkaloy gasdicht eingeschlossen, wodurch ein Absorberrohr 3 entsteht.

Beim Einsatz im Reaktor treten hohe Anforderungen an die 0 Hülle, vor allem deren mechanische und chemische Beständigkeit auf. Beim Abbrand des Bors entstehen erhebliche Mengen an Spaltprodukten, die zu einem hohen Innendruck im Rohr führen, dessen Außenfläche der stark temperaturabhängigen Korrosion durch das Kühlmittel ausgesetzt ist. Außerdem führen Strahlungshärtung und insbesondere eine Versprödung durch Sauerstoffaufnahme zu Alterungserscheinungen in der metallischen Hülle. Deshalb ist nicht ausgeschlossen, daß eine derartige Hülle platzt und bei einem solchen Versagen der Hülle radioaktive Stoffe aus dem Absorberkörper in den Kühlkreislauf austreten können.

Um derartige Schäden zu begrenzen, sitzen die borhaltigen Drähte oder Fasern verhältnismäßig locker in der Hülle, so daß die Hülle ein erhebliches Volumen bereitstellt, indem sich die Drähte bei thermischen Belastungen ausdehnen und die freigesetzten Spaltprodukte entweichen können. Ein großer Teil des freien Innenvolumens entsteht dadurch, daß die Länge

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der Drähte 1 deutlich kürzer ist als die Innenlänge der Hülle 2. Außerdem sind die Absorberkörper verhältnismäßig kurz und enthalten daher nur verhältnismäßig geringe Mengen Absorbermaterial, so daß beim Versagen einer Hülle auch nur eine geringe Radioaktivität austreten kann.

An sich müßte das Absorbermaterial kontinuierlich über die gesamte Aktivlänge des Brennelements verteilt sein. Gemäß der Neuerung können mehrere dieser kurzen Absorberkörper hintereinander angeordnet sein, um Absorbersäulen zu bilden, deren Länge ungefähr der aktiven Länge des Brennelements entspricht. Die Querschnitte derartiger Absorbersäulen 10, 11, 12 und 13 sind in Figur 2 dargestellt. Dort ist der Quer-. schnitt durch eine rechteckige Gittermasche eines Abstandhalters gezeigt, der im Brennelement eines Druckwasserreaktors für die mechanische Halterung und den seitlichen Abstand der Brennstäbe und Steuerstabführungsrohre sorgt. Die Absorbersäulen sind dabei gleichmäßig· um ein Steuerstabführungsrohr 14 herum angeordnet und zwar jeweils in dem Zwickel, der zwischen dem Steuerstabführungsrohr 14 und den Gitterstegen 15, 16 in jedem Eck der Gittermasche entsteht. Die Querschnittsebene dieser Figur geht dabei durch solche Teile der Absorbersäulen 10, 11 und 12, in denen sich sowohl Hüllrohrmaterial wie Absorbermaterial befinden. Bei der Absorbersäule 13 jedoch verläuft der in Figur 2 gezeigte Querschnitt durch den Teil der Absorbersäule, der das gasdicht verschlossene Ende eines Absorberrohrs bildet und somit nur aus Hüllmaterial enthält, also die praktisch die Stoßstelle, an der zwei übereinander angeordnete Absorberrohre dieser Absorbersäule aneinander angrenzen.

Die Wanddicke D der in Figur 1 gezeigten Hülle ist so gewählt, daß entsprechend den Erfahrungen mit den Zirkaloy-Hüllrohren von Brennstäben kein Hüllenschaden durch den Innendruck, die Korrosion im Kühlmittel und die Wasserstoffaufnahme entsteht (insbesondere D > 0,5 mm). Der Durchmesser der Rohre liegt etwa zwischen 1,5 und 4 mm. Es kann, vor allem

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auch im Hinblick auf einen leichten Einbau der Absorberrohre, auch vorteilhaft sein, die jeweils zu einer Absorbersäule zusammengefaßten, übereinander angeordneten Absorberrohre von einer Schutzhülse zu umschließen.
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In Figur 3 ist eine derartige Schutzhülse 20 mit einer zylindrischen Innenfläche 21 und einer den Maschen des Abstandhalters angepaßten Außenfläche 22 gezeigt. Auch hier sind in den Ecken der Schutzhülse Absorberrohre 24 angeordnet. Eine derartige Ausbildung ist vor allem dann vorteilhaft, wenn das Absorbermaterial nicht über die gesamte Länge des Brennelements verteilt sein soll, sondern z. B. nur in einem mittleren Bereich vorgesehen ist, in dem eine besonders hohe Neutronenstrahlung auftritt. Diese Schutzhülse ist dann in der entsprechenden Höhe' am Steuerstabführungsrohr 23 (oder auch an einem Brennstab) angeordnet.

Die Steuerstabführungsrohre können auch zur Aufnahme der Absorberrohre oder entsprechender, sich über die aktive Länge des Brennelements erstreckender Absorbersäulen verwendet werden, wie Figur 4 zeigt. Die Absorberrohre 31 selbst (Außendurchmesser d2) sind dabei von Trägerrohren 30 (Innendurchmesser dl) geschützt, wobei gesonderte mechanische Zentriervorrichtungen zur Halterung der Absorberrohre in den Trägerrohren nicht unbedingt erforderlich sind. Da die Steuerstabführungsrohre 32 von Kühlmittel durchströmt sind, das die Trägerrohre in Vibrationen versetzen könnte, ist es vorteilhaft, diese Trägerrohre ("Schutzrohre") zentriert im Steuerstabführungsrohr zu halten. Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn die Absorbersäulen bzw. die Trägerrohre eine von außen zugängliche (in Figur 4 nicht dargestellte) Angriffsfläche aufweisen, um sie zu entfernen, wenn das Absorbermaterial abgebrannt ist und nicht mehr benötigt wird. Nach dem Entfernen der Absorbersäule steht dann deren Querschnitt für das Kühlmittel bzw. einen Moderator zur Verfügung.

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In Figur 5 sind die entsprechenden Absorberrohre 50, 51 in zwei Blechschalen 52, 53 eingelagert, die über entsprechende Schweißnähte 54, 55 miteinander verbunden sind. Dadurch ist es möglich, Absorberrohre oder auch die erwähnte Absorbersäulen in Blechstrukturen zu integrieren, die auch für den Aufbau des Brennelementes verwendet werden.

Gemäß Figur 6 sind die beiden, drei entsprechende Absorberrohre 60 umgebenden Blechschalen 62, 63 so gebogen und geformt, daß sie annähernd einen hexagonalen Außenquerschnitt bilden. Ein derartiges reguläres Sechseck bietet einerseits eine hinreichend gleichmäßige Verteilung des Absorbermaterials und ist außerdem z. B. «an den Innenquerschnitt eines Steuerstabführungsrohres angepaßt, in das diese Anordnung eingesetzt werden kann.

In Druckwasser-Brennelementen sind die Positionen der Steuerst ab führung sr öhre so gewählt, daß das zur Steuerung der Reaktion eingeführte Absorbermaterial in einer für die Moderation der Neutronen und die Führung der Reaktion günstiger Weise über den ganzen Kern verteilt ist. Daher bieten sich diese Positionen auch an, um das verwendete Neutronengift in den Kern einzubringen. Außerdem ist in diesen Positionen nur ein beschränkter Kühlmittelfluß zur Kühlung des Brennelements erforderlich, so daß die Absorberkörper an diesen Stellen auch hydrodynamisch verträglich sind. Im Prinzip können aber die drahtförmigen Absorberkörper nach der Neuerung auch an anderen Stellen des Reaktorkerns angeordnet sein.

Claims

G 3 O 5 8 Schut zansprüche

1. Brennelement mit mehreren über den Querschnitt verteilten, ein abbrennbares Neutronengift enthaltenden, stationären Absorberkörpern (3),

dadurch gekennzeichnet, daß

die Absorberkörper borhaltige Drähte sind (1), die locker in einer gasdichten Hülle (2) eingeschlossen sind.

2. Brennelement für einen Druckwasserreaktor mit Brennstäben, Steuerstabführungsrohren (14) und über den Querschnitt verteilten, ein abbrennbares Neutronengift enthaltenden, stationären Absorberkörpern (10, 11, 12, 13),
dadurch gekennzeichnet, daß

die Absorberkörper borhaltige Drähte (1) sind, die locker in einer gasdichten Hülle (2) eingeschlossen und in Steuerstabführungsrohren oder um Steuerstabführungsrohre (14) herum angeordnet sind.

3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß
jeweils in einer Hülle ein (2) Bündel dieser Drähte (1) eingeschlossen ist.

4. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Hüllen (2) so kurz sind, daß mehrere Hüllen hintereinander etwa die Länge des Brennelements ergeben.

5. Brennelement nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß

jeweils mehrere jeweils eine Hülle aufweisende Absorberkörper übereinander angeordnet sind.

6. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
gekennzeichnet durch

G 3-O 5 &dgr;

eine axiale Verteilung der Absorberkörper, bei der sich Absorberkörper, die an einer Stelle des Brennelement-Querschnitts übereinander angeordnet sind, in axialer Richtung mit Absorberkörpern überlappen, die an einer anderen Stelle des Brennelement-Querschnitts übereinander angeordnet sind.

7. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß

die Absorberkörper entfernbar im Brennelement gehalten sind.
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8. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß

die Hüllen aus einem Hochtemperatur-festen und korrosionsbeständigen Metall mit geringer Wasserstoffaufnähme, insbesondere einem beim Einsatz im Strahlungsberexch eines Kernreaktors bereits bewährten Metall wie einer Zirkonium-Legierung, rostfreiem Stahl oder einer Nickel-Legierung, bestehen.

9. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß

die Drähte aus einem hochschmelzenden Metall, insbesondere Wolfram, bestehen und einen borhaltigen Überzug, insbesondere eine Beschichtung aus Bor und/oder Boriden aufweisen.