WO1990003035A1 - Brennelement - Google Patents

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Peter Suchy
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/30—Assemblies of a number of fuel elements in the form of a rigid unit
    • G21C3/32—Bundles of parallel pin-, rod-, or tube-shaped fuel elements
    • G21C3/326—Bundles of parallel pin-, rod-, or tube-shaped fuel elements comprising fuel elements of different composition; comprising, in addition to the fuel elements, other pin-, rod-, or tube-shaped elements, e.g. control rods, grid support rods, fertile rods, poison rods or dummy rods
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the invention relates to a fuel assembly which can be used in pressurized water reactors, boiling water reactors, heavy water reactors and gas-cooled or sodium-cooled reactors.
  • the reactor core of such reactors consists of a predetermined number of fuel elements, each of which is formed by a bundle of fuel rods, which are combined by spacers. Each fuel rod contains a column of fuel pills in a tube.
  • the reactor core is located in a pressure vessel and a coolant flows through it from bottom to top.
  • the nuclear fission is controlled by neutron-absorbing control elements, with boric acid also being added to the coolant in the case of water-cooled reactors. A large amount of excess reactivity of the reactor core can be bound by the boric acid.
  • the object of the invention is to improve the corrosion resistance of the shell of fuel rods with the spacers and the fuel element structure unchanged.
  • a fuel assembly in which fuel rods are combined into a bundle by means of spacers and at least two axial regions with different fuel enrichment are provided between two successive spacers in the fuel rods in such a way that in the flow direction of the Coolant seen the area with the highest fuel enrichment begins at the height of a spacer.
  • the fuel rods of which contain fuel with the same enrichment between the spacers the service life and thus the erosion as well as the safety can be considerably increased, since the corrosion peaks can be flattened in predetermined axial positions of the fuel elements.
  • the area with the highest fuel enrichment begins at a height given by the front edge of the spacer, since a lower oxide layer thickness usually occurs in the area of the axial spacer.
  • the area with the highest fuel enrichment can also start at a height given by the upper edge of the spacer.
  • fuel assemblies with fuel rods in which only three areas with different fuel enrichment are provided between two spacers. Since fuel tablets with three different fuel enrichments are usually used in fuel element production, fuel tablets of this type can be used in the fuel rods in a simple manner without incurring any expense for special production. The economic advantage which results from a high maximum achievable fuel consumption is considerable.
  • FIG. 1 shows an oblique view of a fuel element for a pressurized water reactor in an exploded view
  • FIG. 2 shows a fuel rod of the fuel element according to FIG. 1
  • FIG Area of the same fuel enrichment curve E with two axial areas of different fuel enrichment
  • 4 shows a further embodiment for fuel rods
  • FIG. 5 curve D: oxide layer thickness of the cladding tube with fuel rods of the same fuel enrichment
  • Curve E oxide layer thickness of the cladding tube with three areas of different fuel enrichment between the spacers
  • FIG. 6 shows a third exemplary embodiment of a fuel rod with a continuously increasing enrichment gradation
  • FIG. 7 shows the associated courses of the oxide layer thickness.
  • a fuel assembly 1 which is constructed from fuel rods 2 in a square grid arrangement.
  • a predetermined number of the same fuel elements are provided, which are arranged in a reactor pressure vessel and through which a coolant flows in the direction of arrow K from bottom to top.
  • the fuel rods 2 of each fuel element are held in a supporting structure, which consist of a fuel element head 3 and a fuel element base 4 and intermediate guide tubes 5 for control rods, not shown.
  • Spacers 6 to 11 are fastened to the guide tubes 5, which combine the fuel rods 2 into a bundle and hold them in such a way that they can expand freely and have the same cooling cross sections.
  • the open design of the fuel elements at the side enables cross-mixing of the coolant and its warming up is evened out.
  • each fuel rod 2 contains in a cladding tube 12, e.g. made of Zircaloy, a column of fuel tablets 13, 14, preferably made of uranium dioxide.
  • a characteristic axial course D of the oxide layer thickness is plotted, which arises on the outside of the cladding tube of a fuel rod at the end of the permissible period of use, if the fuel rod contains fuel with the same enrichment over the entire axial area.
  • the axial length of the fuel rod and the positions of the spacers 6 to 11 are plotted on the ordinate, and the oxide layer thickness is plotted on the abscissa.
  • the oxide layer thickness between two spacers increases in each case in the flow direction of the coolant and drops steeply directly at the spacer. An area with the largest peaks of the oxide layer thickness occurs in the upper half of the fuel assembly.
  • two axial areas A, B with different fuel enrichment are provided in the fuel rods 2 between the two successive spacers 9 and 10 (FIG. 2) in such a way that area A.
  • Viewed in the flow direction of the coolant begins with the highest fuel enrichment at the level of a spacer 9. It is advantageous if the region A begins with the highest fuel enrichment at a height given by the front edge of the spacer 9.
  • the area A preferably has a length of 1/3 of the distance between the two spacers 9 and 10. In this case, the highest fuel concentration is expediently also provided at the height of the spacer 9.
  • FIG. 4 shows an example in which three axial regions A, B, C with different fuel enrichment are provided between all spacers 6 to 11 in the fuel rods 2.
  • the oxide layer thickness is shown as a function of the axial position, a lower oxide layer thickness is uniformly achieved via the axial course of the fuel rods 13, 14, 15 of the fuel assembly.
  • the areas A, B, C here each extend about 1/3 of the length of the distance between two spacers.
  • FIGS. 6 and 7 show the conditions when a continuous axial enrichment gradation of the fuel 16 has been carried out between the individual spacers in the fuel rods.
  • D of the oxide layer thickness there is in principle a uniform course E.

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Abstract

In einem Brennelement für Reaktoren sind Brennstäbe (2) mittels Abstandshalter (6 bis 10) zu einem Bündel zusammengefaßt. Zur Erhöhung der Lebensdauer und damit des Abbrandes der Brennstäbe (2) sind zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abstandshaltern (9, 10) in den Brennstäben (2) mindestens zwei axiale Bereiche (A, B) mit unterschiedlicher Brennstoffanreicherung in der Weise vorgesehen, daß in Strömungsrichtung (K) des Kühlmittels gesehen der Bereich (A) mit der höchsten Brennstoffanreicherung jeweils in der Höhe eines Abstandshalters (9) beginnt.

Description

Brennelement
Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement, das bei Druck¬ wasserreaktoren, Siedewasserreaktoren, Schwerwasserreaktoren und gasgekühlten oder natriumgekühlten Reaktoren einsetzbar ist.
Der Reaktorkern derartiger Reaktoren besteht aus einer vorge¬ gebenen Anzahl von Brennelementen, von denen jedes durch ein Bündel von Brennstäben gebildet ist, die durch Abstandshalter zusammengefaßt sind. Jeder Brennstab enthält in einem Rohr eine Säule von Brennstofftabletten. Der Reaktorkern befindet sich in einem Druckbehälter und wird von einem Kühlmittel von unten nach oben durchströmt. Die Kernspaltung wird durch Neutronen absorbie¬ rende Steuerelemente gesteuert, wobei bei wassergekühlten Reak- toren dem Kühlmittel auch Borsäure zugesetzt wird. Durch die Borsäure kann ein großer Betrag an Überschußreaktivität des Reaktorkerns gebunden werden. Der Einsatz von Gadolinium- bzw. Borvergiftung im Brennstoff und der Trend zu immer längeren integralen Einsatzzeiten der Brennelemente und Reaktorleistungs- erhöhungen sowie eine geringe Neutronenverlust-Beladung und der Einsatz von Brennstoff mit erhöhter Anreicherung führen bei ei¬ nem unveränderten Aufbau der Abstandshalter zu einer Erhöhung der Oxidschichtdicken und einer Reduktion der kritischen Wärme¬ stromdichte.
Man hat schon versucht, zur Steigerung der Korrosionsbeständig¬ keit und Erhöhung der kritischen Wärmestromdichte besonders ge¬ formte Abstandshalter und Durchmischungsgitter einzusetzen. Auch der Einsatz von zusätzlichen Abstandshaltern ist bekannt. Alle diese Maßnahmen zielen darauf ab, den Wärmeübergang zu verbes¬ sern, können jedoch in Mischkernen mit Brennelementen unter¬ schiedlicher hydraulischer Widerstände neue thermohydraulische Probleme mit sich bringen (bezüglich unterschiedlicher Brenn¬ elemente-Durchsätze und damit unterschiedlicher Kühlung (Kompa¬ tibilität). Die bekannten Maßnahmen können sogar zu Einschrän¬ kungen bei den Beladeplänen führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Korrosionsbestän¬ digkeit der Hülle von Brennstoffstäben bei unverändertem Aufbau der Abstandshalter und der Brennelementestruktur zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Brennelement gelöst, bei dem Brennstäbe mittels Abstandshalter zu einem Bün¬ del zusammengefaßt sind und zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abstandshaltern in den Brennstäben mindestens zwei axiale Be¬ reiche mit unterschiedlicher Brennstoffanreicherung in der Weise vorgesehen sind, daß in Strömungsrichtung des Kühlmittels ge¬ sehen der Bereich mit der höchsten Brennstoffanreicherung je¬ weils in der Höhe eines Abstandshalters beginnt.
Dadurch kann gegenüber den bekannten Brennelementen, deren Brennstoffstäbe Brennstoff mit gleicher Anreicherung zwischen den Abstandshaltern enthalten, die Lebensdauer und damit der Abbrand sowie die Sicherheit beachtlich erhöht werden, da eine Abflachung der Korrosionsspitzen in vorgegebenen axialen Posi¬ tionen der Brennelemente erzielbar ist.
Es ist vorteilhaft, wenn der Bereich mit der höchsten Brenn¬ stoffanreicherung in einer durch die Vorderkante des Abstands¬ halters gegebenen Höhe beginnt, da im Bereich des axialen Ab¬ standshalters meist eine niedrigere Oxydschichtdicke auftritt. Der Bereich mit der höchsten Brennstoffanreicherung kann aber auch in einer durch die Oberkante des Abstandshalters gegebene Höhe beginnen.
Es kann. in manchen Fällen ausreichen, nur zwischen zwei aufein- anderfolgenden Abstandshaltern zwei axiale Bereiche mit unter¬ schiedlicher Brennstoffanreicherung vorzusehen. Eine solche Maß- nähme wird man dann treffen, wenn zwischen zwei vorgegebenen Abstandshaltern eine besondes hohe Korrosionsspitze zu erwarten ist. Im allgemeinen wird man jedoch bemüht sein, die Korrosions¬ spitzen zwischen allen Abstandshaltern abzuflachen, um eine mög¬ lichst gleichmäßige Korrosionsschichtdicke zu erzielen.
Zwischen zwei Abstandshaltern können auch mehr als zwei, bei¬ spielsweise bis zu 4 oder 10 Bereiche mit unterschiedlicher Brennstoffanreicherung vorgesehen sein.
Es ist jedoch günstig, Brennelemente mit Brennstäben einzuset¬ zen, bei denen zwischen zwei Abstandshaltern jeweils nur drei Bereiche mit unterschiedlicher Brennstoffanreicherung vorgesehen sind. Da bei der Brennelementfertigung üblicherweise Brennstoff- tabletten mit drei unterschiedlichen Brennstoffanreicherungen benutzt werden, können derartiger Brennstofftabletten in den Brennstoffstäben auf einfache Weise eingesetzt werden, ohne daß ein Aufwand für eine Sonderfertigung entsteht. Der wirtschaft¬ liche Vorteil, der sich aus einem hohen maximal erreichbaren Brennele ent-Abbrand ergibt, ist erheblich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar¬ gestellt. Darin zeigen:
FIG 1 eine Schrägansicht eines Brennelementes für einen Druck¬ wasserreaktor in Explosionsdarstellung, FIG 2 einen Brennstab des Brennelementes gemäß FIG 1, FIG 3 axiale Verläufe der Oxidschichtdicke des Hüllrohres eines Brennstabes mit zwei Bereichen unterschiedlicher Brennstoffanreicherung zwischen zwei Abstandshaltern: Kurve D mit über den gesamten axialen Bereich gleicher brennstoffanreicherung, Kurve E mit zwei axialen Bereichen unterschiedlicher Brenn¬ stoffanreicherung, FIG 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für Brennstäbe eines
Brennelementes mit drei Bereichen unterschiedlicher Brenn¬ stoffanreicherung zwischen den Abstandshaltern, FIG 5 Kurve D: Oxidschichtdicke des Hüllrohres mit Brennstäben gleicher Brennstoffanreicherung,
Kurve E: Oxidschichtdicke des Hüllrohres mit drei Bereichen unterschiedlicher Brennstoffanreicherung zwischen den Abstandshaltern, FIG 6 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Brennstabes mit kon- tinuierlich verlaufender Anreicherungsabstufung und FIG 7 die zugehörigen Verläufe der Oxidschichtdicke.
In FIG 1 ist ein Brennelement 1 dargestellt, das aus Brennstä¬ ben 2 in einer quadratischen Gitteranordnung aufgebaut ist. In einem Reaktorkern wird eine vorgegebene Anzahl von untereinan¬ der gleichen Brennelementen vorgesehen, die in einem Reaktor¬ druckbehälter angeordnet und in Richtung des Pfeiles K von un¬ ten nach oben von einem Kühlmittel durchströmt werden. Die Brennstäbe 2 jedes Brennelementes werden in einer Tragstruktur gehalten, die aus einem Brennelementekopf 3 und einem Brennele¬ mentefuß 4 und dazwischenliegenden Führungsrohren 5 für nicht gezeigte Steuerstäbe bestehen. An den Führungsrohren 5 sind Abstandshalter 6 bis 11 befestigt, welche die Brennstäbe 2 zu einem Bündel zusamenfassen und derart halten, daß sie sich frei ausdehnen können und gleiche Kühlquerschnitte vorliegen. Durch die seitliche offene Konstruktion der Brennelemente wird eine Quervermischung des Kühlmittels ermöglicht und dessen Aufwärmung vergleichmäßigt.
Wie FIG 2 zeigt, enthält jeder Brennstab 2 in einem Hüllrohr 12, z.B. aus Zircaloy, eine Säule aus Brennstofftabletten 13, 14, vorzugsweise aus Urandioxid.
Im Diagramm der FIG 3 ist ein charakteristischer axialer Verlauf D der Oxidschichtdicke aufgetragen, die außen am Hüllrohr eines Brennstabes am Ende der zulässigen Einsatzdauer entsteht, wenn der Brennstab Brennstoff mit über den gesamten axialen Bereich gleicher Anreicherung enthält. Auf der Ordinate sind die axiale Länge des Brennstabes sowie die Positionen der Abstandshalter 6 bis 11 und auf der Abszisse die Oxidschichtdicke aufgetragen. Wie man erkennen kann, nimmt die Oxidschichtdicke zwischen zwei Abstandshaltern in Strömungsrichtung des Kühlmittels jeweils zu und fällt unmittelbar an dem Abstandshalter steil ab. Dabei tritt in der oberen Hälfte des Brennelementes ein Bereich mit größten Spitzen der Oxidschichtdicke auf.
Zur Abflachung dieser Spitze der Oxidschichtdicke sind in den Brennstäben 2 zwischen den zwei aufeinanderfolgenden Abstands¬ haltern 9 und 10 (FIG 2) zwei axiale Bereiche A, B mit unter¬ schiedlicher Brennstoffanreicherung in der Weise vorgesehen, daß in Strömungsrichtung des Kühlmittels gesehen der Bereich A mit der höchsten Brennstoffanreicherung jeweils in der Höhe eines Abstandshalters 9 beginnt. Es ist vorteilhaft, wenn der Bereich A mit der höchsten Brennstoffanreicherung in einer durch die Vorderkante des Abstandshalters 9 gegebene Höhe beginnt. Der Bereich A hat vorzugsweise eine Länge von 1/3 des Abstandes der beiden Abstandshalter 9 und 10. Dabei ist zweckmäßigerweise auch in der Höhe des Abstandshalters 9 die höchste Brennstoffanreiche¬ rung gegeben.
Im Hüllrohr 12 der Brennstäbe werden im Bereich zwischen den Ab¬ standshaltern 9 und 10 Brennstofftabletten 13 (Bereich A) mit einer Brennstoffanreicherung von z.B. 3,2 % (oder 2,5 % bzw. 1,9 % ) und Brennstoffabletten 14 (Bereich B) mit einer Brenn- stoffanreicherung von 2,5 % (oder 1,9 % bzw. 1,4 %) vorgesehen. Der übrige axiale Bereich enthält Brennstofftabletten 13 mit gleicher Brennstoffanreicherung von z.B. 3,2 % oder 2,5 % oder 1,9 % . Wie aus dem Kurvenverlauf E zu ersehen ist, wird bei Ein¬ satz von Brennstoffen mit unterschiedlicher Brennstoffanreiche¬ rung im Bereich der Abstandshalter 9 und 10 die größte Spitze der Oxidschichtdicke etwa bis auf das Niveau der benachbarten Oxidschichtspitzen herabgesetzt, so daß die Korrosion des Hüll- rohres 12 verringert wird und damit der Entladeabbrand der Brenn¬ elemente 1 erhöht wird.
FIG 4 zeigt ein Beispiel, bei dem zwischen allen Abstandshaltern 6 bis 11 in den Brennstäben 2 jeweils drei axiale Bereiche A, B, C mit unterschiedlicher Brennstoffanreicherung vorgesehen sind. Wie man aus der zugehörigen FIG 5, in der die Oxidschichtdicke in Abhängigkeit von der axialen Position dargestellt ist, ent¬ nehmen kann, wird über den axialen Verlauf der Brennstäbe 13, 14, 15 des Brennelementes gleichmäßig eine niedrigere Oxid¬ schichtdicke erzielt. Die Bereiche A, B, C erstrecken sich hier jeweils etwa über 1/3 der Länge des Abstandes zweier Abstands¬ halter.
Die FIG 6 und 7 geben die Verhältnisse wieder, wenn eine konti¬ nuierliche axiale Anreicherungsabstufung des Brennstoffes 16 zwischen den einzelnen Abstandshaltern in den Brennstäben vor¬ genommen ist. Für einen gegebenen Verlauf D der Oxidschichtdicke ergibt sich ein im Prinzip gleichmäßiger Verlauf E.

Claims

Patentansprüche
1. Brennelement für Reaktoren, bei dem Brennstäbe (2) mittels Abstandshalter (6 bis 10) zu einem Bündel zusammengefaßt sind und mindestens zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abstandshal¬ tern (9, 10) in den Brennstäben (2) wenigstens zwei axiale Be¬ reiche (A, B) mit unterschiedlicher Brennstoffanreicherung in der Weise vorgesehen sind, daß in Strömungsrichtung (K) des Kühlmittels gesehen der Bereich (A) mit der höchsten Brennstoff- anreicherung jeweils in der Höhe eines Abstandshalters (9) be¬ ginnt.
2. Brennelement nach Anspruch 1, bei dem der Bereich (A) mit der höchsten Brennstoffanreicherung in einer durch die Vorderkante des Abstandshalters (9) gegebenen Höhe beginnt.
3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2 mit Brennstäben. (2), bei denen zwischen zwei Abstandshaltern (9, 10) jeweils drei Be¬ reiche (A, B, C) mit unterschiedlicher Brennstoffanreicherung vorgesehen sind.
4. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Bereich (A) mit der höchsten Brennstoffanreicherung in einer durch die Oberkante des Abstandshalters (9) gegebenen Höhe be- ginnt.
5. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit Brenn¬ stäben (2), in denen Brennstofftabletten (12) mit unterschied¬ licher Brennstoffanreicherung angeordnet sind.
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EP0400008A1 (de) 1990-12-05
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