DE10140117A1

DE10140117A1 - Brennelement für einen Druckwasserreaktor

Info

Publication number: DE10140117A1
Application number: DE10140117A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Burtak
Original assignee: Framatome ANP GmbH
Current assignee: Areva GmbH
Priority date: 2001-08-16
Filing date: 2001-08-16
Publication date: 2002-08-29

Abstract

Ein Brennelement (2) für einen Druckwasserreaktor enthält eine Mehrzahl von neutronenabsorbierenden Brennstäben (6), wobei zumindest ein Teil dieser neutronenabsorbierenden Brennstäbe (6) auf ihrer gesamten aktiven Länge mit einem Neutronenabsorber versehen sind und die auf alle neutronenabsorbierenden Brennstäbe bezogene Konzentration des Neutronenabsorbers eine axiale Verteilung derart aufweist, dass diese Konzentration in einem mittleren Bereich höher ist als in den Randbereichen.

Description

Die Erfindung sich auf ein Brennelement für einen Druckwasserreaktor.

Ein Brennelement für einen Druckwasserreaktor enthält eine Vielzahl von Brennstäben, die üblicherweise in einem quadrati schen Gitter (14 × 14 bis 18 × 18) angeordnet sind. Sie verfügen entsprechend der Anlagengröße über unterschiedliche Längen, wobei die spaltstoffhaltige Zone (aktive Länge) bis zu 390 cm lang sein kann. Der Spaltstoff ist uranhaltig und kann aus an gereichertem natürlichen Uran, wiederverwertetem Uran (ERU = enriched reprocessed uranium) oder plutoniumhaltigem Brenn stoff (MOX = Mischoxid) bestehen.

Die Brennstäbe sind jeweils aus einer Vielzahl von Pellets zu sammengesetzt, die den Spaltstoff enthalten. Aus "H.-D. Ber ger, G. Neufert, "Advanced PWR in-core fuel management with optimized gadoline fuel designs", Proceedings of the Confer ence "TOPFUEL 99", Avignon, 13.-15. September 1999", ist es bekannt, den Pellets als abbrennbare Neutronenabsorber Gadoli nium Gd in Form von Gadoliniumoxid Gd₂O₃ in der natürlichen Isotopenzusammensetzung beizumischen. Anstelle von Gadolinium Gd in der natürlichen Isotopenzusammensetzung ist es auch mög lich, Gadolinium Gd mit künstlich erhöhtem Anteil eines absor bierenden Isotopes beizumischen. Grundsätzlich ist es auch möglich, anstelle von Gadolinium Gd andere neutronenabsorbie rende Elemente, beispielsweise Erbium Er oder Bor B einzuset zen.

Ein solcher Neutronenabsorber wird einerseits zur Vergleichmä ßigung der axialen Leistungsverteilung im Brennelement einge setzt, wobei als Auslegungsziel eine möglichst flache, annä hernd kastenförmige Leistungsverteilung während der gesamten Betriebszeit des Brennelements angestrebt ist. Andererseits dient der Neutronenabsorber auch zur Vergleichmäßigung der ra dialen Leistungsverteilung im Reaktorkern, wobei auch hier ei ne möglichst flache Verteilung der Leistungsdichte während der gesamten Betriebszeit angestrebt ist. Des weiteren dienen Neutronenabsorber zur Sicherstellung des Nachweises der Un terkrititalität. Dabei wird als Sicherheitskriterium üblicher weise angesetzt, dass ein berechneter Wert von k_eff < 0,95 ein gehalten werden muss.

Um die mit dem Neutronenabsorber angestrebten Ziele zu reali sieren sind die im Stand der Technik mit einem Neutronenabsor ber versehenen Brennstäbe alle gleich lang und weisen densel ben Absorbergehalt auf. Hierzu gibt es im Stand der Technik zwei Ausführungsvarianten. In der einen Ausführungsvariante ist der Bereich in dem der Brennstab mit einem Neutronenabsor ber versehen ist etwa 30 bis 40 cm kürzer als die aktive Länge des Brennstabs. Mit anderen Worten: Beide Enden des Brennstabs sind nicht mit einem Neutronenabsorber versehen. Diese Ausfüh rungsform wird bei Brennelementen eingesetzt, deren Brennstäbe mit 4 Gew.-% U 235 oder äquivalentem Spaltstoffgehalt bei MOX- oder ERU-Brennelementen versehen sind. Bei der anderen Ausfüh rungsvariante erstreckt sich der mit Neutronenabsorber verse hene Bereich über die gesamte aktive Länge des Brennstabs. Diese Ausführungsform wird bei Anreicherungen von über 4 Gew.-% U 235 oder äquivalentem Spaltstoffgehalt bei MOX- oder ERU- Brennelementen eingesetzt, um auch hier den Unterkritikali tätsnachweis führen zu können.

Die bekannten Ausführungsvarianten weisen jedoch zur sicheren Einhaltung der Unterkritikalität einen relativ hohen Neutro nenabsorberanteil auf, der eine hohe Restreaktivitätsbindung zur Folge hat und zu einer höheren Radioaktivität der abge brannten Brennelemente führt und somit die Brennstoffkreis laufkosten erhöht.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Brennelement für einen Druckwasserreaktor anzugeben, dessen Neutronenabsor beranordnung hinsichtlich möglichst geringer Brennstoffkreis laufkosten optimiert ist und es ermöglicht, den Anteil an Neutronenabsorbern unter Sicherstellung der Unterkritikalität zu verringern.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Brennelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Gemäß diesen Merkmalen enthält ein Brennelement für einen Druckwasserreaktor eine Mehrzahl von neutronenabsorbierenden Brennstäben, wobei zumindest ein Teil dieser neutronenabsor bierenden Brennstäbe auf ihrer gesamten aktiven Länge mit ei nem Neutronenabsorber versehen sind und die auf alle neutro nenabsorbierende Brennstäbe bezogene Konzentration des Neutro nenabsorbers eine axiale Verteilung derart aufweist, dass die se Konzentration in einem mittleren Bereich höher ist als in den Randbereichen.

Durch die Abkehr von der üblichen Vorgehensweise, nämlich in den Brennelementen jeweils identisch aufgebaute neutronenab sorbierende Brennstäbe einzusetzen, wird eine weitgehende Op timierung sowohl der axialen Leistungsverteilung im Brennele ment als auch der radialen Leistungsverteilung im Reaktorkern bei weiterhin gegebener Unterkritikalität möglich.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält das Brennelement zumindest einen neutronenabsorbierenden Brennstab mit einer axial homogenen Verteilung und zumindest einen neut ronenabsorbierenden Brennstab mit einer axial inhomogenen Ver teilung des Neutronenabsorbers.

Insbesondere ist die axial inhomogene Verteilung des Neutro nenabsorbers durch neutronenabsorberfreie Endbereiche des Brennstabs gebildet.

Vorzugsweise weisen die mit dem Neutronenabsorber versehenen Brennstäbe jeweils eine axial inhomogene Verteilung des Neut ronenabsorbers auf, wobei ein Teil der mit dem Neutronenabsor ber versehenen Brennstäbe neutronenabsorberfreie Endbereiche aufweisen. Alternativ hierzu können auch alle mit dem Neutro nenabsorber versehenen Brennstäbe dieselbe axial inhomogene Verteilung des Neutronenabsorbers aufweisen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest ein Brennstab vorgesehen, bei dem die inhomogene Verteilung des Neutronenabsorbers wenigstens drei Stufen mit jeweils konstanter Konzentration des Neutronenabsorbers um fasst.

Als Neutronenabsorber ist vorzugsweise Gadolinium Gd vorgese hen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausfüh rungsbeispiele und auf die Zeichnung verwiesen. Es zeigen:

Fig. 1 die axiale Verteilung des Neutronenabsorbers für vier zur technischen Realisierung der Erfindung geeignete Ausfüh rungsvarianten für neutronenabsorbierende Brennstäbe in einem schematischen Diagramm,

Fig. 2, 3, 4, 6, 8 jeweils einen schematischen Querschnitt durch ein Brennelement zur Veranschaulichung jeweils vorteilhafter Anordnungen der neutronenabsorbierenden Brennstäbe,

Fig. 5 und 7 jeweils in einer schematischen Prinzipdarstellung die axiale Neutronenabsorber-Verteilung für die Ausführungs formen nach Fig. 4 bzw. 6.

In Fig. 1 ist die Konzentration c des Neutronenabsorbers NA, beispielsweise Gadolinium Gd, in einem neutronenabsorbierenden Brennstab gegen den normierten Abstand l/L von einem Ende für seine gesamte aktive Länge L für vier unterschiedliche Ausfüh rungssvarianten aufgetragen. Variante a ist ein neutronenab sorbierender Brennstab, bei dem der Neutronenabsorber NA gleichmäßig über die gesamte Länge L verteilt ist. Variante b veranschaulicht einen neutronenabsorbierenden Brennstab, der in einem mittleren Bereich eine homogene Verteilung des Neut ronenabsorbers NA aufweist, bei dem jedoch die Enden unvergif tet sind. Solche unvergifteten Enden weist auch die Variante c auf, wobei bei dieser jedoch eine mehrstufige axiale Vertei lung des Neutronenabsorbers NA vorliegt. Im Ausführungsbei spiel sind symmetrisch um die Mitte 5 von Null verschiedene Konzentrationsstufen vorgesehen. Grundsätzlich kann diese Va riante auch mit drei Stufen, vier Stufen (asymmetrische Ver teilung) oder mit mehr als 5 Stufen realisiert werden. Varian te d weist ebenfalls eine mehrstufige (5-stufig) axiale Ver teilung des Neutronenabsorbers NA auf; im Unterschied zu Vari ante c sind hier jedoch auch die Enden vergiftet, d. h. mit einer von Null verschiedenen Konzentration des Neutronenabsor bers NA versehen.

Diese vier dargestellten Brennstabtypen sind grundsätzlich zur Verwirklichung der Erfindung geeignet, wobei die Verwendung der Varianten b und c (unvergiftete Enden) stets in Kombinati on mit einer der Varianten a oder d erfolgen muss, wie dies aus den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen für er findungsgemäße Brennelemente erläutert wird.

Ausführungsbeispiele 1, Fig. 2

Ein Brennelement 2 für einen Druckwasserreaktor enthält 16 × 16 Brennstäbe mit einem Spaltstoffgehalt von 4,4 bis 4,6 Gew.-% U 235 bzw. reaktivitätsäquivalentem ERU- oder MOX-Spaltstoff. Im Brennelement 2 verteilt sind 8 neutronenabsorbierende Brenn stäbe 6, 20 Steuerstäbe 8 und 230 unvergiftete Brennstäbe 10.

Ausführungsbeispiel 1.1, Fig. 3

4 neutronenabsorbierende Brennstäbe 6a enthalten 1 bis 3 Gew.-% Gadolinium Gd gleichmäßig über die gesamte aktive Länge ver teilt (Variante a). Die anderen 4 neutronenabsorbierenden Brennstäbe 6b enthalten 1 bis 3 Gew.-% Gadolinium Gd, wobei die Enden dieser Brennstäbe 6b (etwa 20 bis 40 cm vom aktiven En de) keinen Neutronenabsorber enthalten (unvergiftete En den)(Variante b). Durch die Kombination der Variante a mit der Variante b in einem Brennelement 2 weist die auf alle neutro nenabsorbierende Brennstäbe 6a, 6b des Brennelements bezogene Konzentration des Neutronenabsorbers eine axiale Verteilung derart auf, dass diese Konzentration in einem mittleren Be reich höher ist als in den Randbereichen.

Ausführungsbeipiel 1.2, Fig. 4 und 5

Alle 8 neutronenabsorbierenden Brennstäbe 6d enthalten Gadoli nium Gd in einer axial abgestuften Menge (drei Stufen), wobei die Gadoliniumkonzentration in einem mittleren Bereich M höher ist als in den Endbereichen E_oben, E_unten, insbesondere etwa 2 Gew.-% Gadolinium Gd in einem mittleren Bereich M und etwa 1 Gew.-% Gadolinium Gd in den Endbereichen E_oben, E_unten (Variante d, dreistufig). In Fig. 5 ist ein solcher neutronenabsorbie render Brennstab 6d veranschaulicht. Der Figur ist zu entneh men, dass sich der untere Endbereich E_unten über eine größere Länge erstreckt als der obere Endbereich E_oben.

Ausführungsbeispiel 1.3, Fig. 6 und 7

Im Brennelement sind 8 neutronenabsorbierende Brennstäbe 6d' am vorgesehen, die Gadolinium Gd in einer axial abgestuften Menge enthalten, wobei die Gadoliniumkonzentration in einem mittleren Bereich M höher ist als in den Endbereichen E_oben, E_unten und eine asymetrische Verteilung vorliegt. Der obere Endbe reich E_oben ist zweistufig (E_oben ⁽¹⁾, E^oben(2) ausgebildet, wobei die Gadoliniumkonzentration der ersten Stufe E_oben ⁽¹⁾ niedriger ist als die Gadoliniumkonzentration der zweiten Stufe E^oben(2). Die Gadoliniumkonzentration ist wie in allen mehrstufigen Aus führungsformen im mittleren Bereich M am höchsten. Der untere Endbereich E_unten ist einstufig und weist eine Gadoliniumkon zentration auf, die annähernd gleich der Gadoliniumkonzentra tion der ersten Stufe E_oben ⁽¹⁾ im oberen Endbereich E_oben ist (Variante d, vierstufig, asymmetrisch).

Ausführungsbeispiel 1.4

Im Brennelement sind neutronenabsorbierende Brennstäbe mit un vergifteten (neutronenabsorberfreien) Enden und neutronenab sorbierende Brennstäbe vorgesehen, die über die gesamte aktive Länge vergiftet sind. In beiden Brennstabvarianten nimmt die Gadoliniumkonzentration zum Rand hin gestuft ab, wobei insbe sondere die Anzahl der Konzentrationsstufen größer als 2 ist (Variante c in Kombination mit Variante d).

Ausführungsbeispiele 2

Die Brennstäbe eines 16 × 16 Druckwasserreaktor-Brennelementes weisen einen Spaltstoffgehalt von 4,8 bis 5,2 Gew.-% U 235 bzw. reaktivitätsäquivalentem ERU- oder MOX-Spaltstoff auf.

Ausführungsbeispiel 2.1, Fig. 8

4 bis 8 neutronenabsorbierende Brennstäbe 6a (im dargestellten Beispiel 8 Brennstäbe) enthalten 1 bis 4 Gew.-% Gadolinium Gd gleichmäßig über die gesamte Länge verteilt. 4 bis 8 neutro nenabsorbierende Brennstäbe 6b (im dargestellten Beispiel 4 Brennstäbe) enthalten 1 bis 4 Gew.-% Gadolinium Gd, wobei die Enden dieser Stäbe (ca. 20 bis 40 cm vom aktiven Ende) neutro nenabsorberfrei sind (Variante a in Kombination mit Variante b).

Ausführungsbeispiel 2.2

Alle neutronenabsorbierenden Brennstäbe (8 bis 16) enthalten Gadolinium Gd in einer axial abgestuften Konzentration, die in der Mitte beispielsweise mit 2 bis 4 Gew.-% höher ist als an den Enden, an denen sie vorzugsweise zwischen 1 bis 3 Gew.-% beträgt (Variante d).

Ausführungsbeispiel 2.3

In analoger Ausgestaltung zum Ausführungsbeispiel 1.3 gibt es sowohl neutronenabsorbierende Brennstäbe mit unvergifteten En den als auch neutronenabsorbierende Brennstäbe, bei denen sich die Vergiftung auf die gesamte Länge erstreckt, wobei in bei den Brennstabtypen die Gadoliniumkonzentration zum Rand hin abnimmt und die Anzahl der Konzentrationsstufen größer als 2 ist (Variante c in Kombination mit Variante d).

Bezugszeichenliste

2

Brennelement

6

,

6

a-d,

6

d' neutronenabsorbierender Brennstab

8

Steuerstab

10

unvergifteter Brennstab
M mittlerer Bereich
E_oben

, E_unten

oberer, unterer Randbereich
E_oben ⁽¹⁾

, E_oben ⁽²⁾

erste, zweite Stufe
L Länge
c Konzentration
NA Neutronenabsorber
l/L normierter Abstand
a, b, c, d Varianten

Claims

1. Brennelement (2) für einen Druckwasserreaktor mit einer Mehrzahl von neutronenabsorbierenden Brennstäben (6, 6a-d, 6d'), wobei zumindest ein Teil dieser neutronenabsorbierenden Brennstäbe (6, 6a, 6d, 6d') auf ihrer gesamten aktiven Länge (L) mit einem Neutronenabsorber (NA) versehen sind und die auf alle neutronenabsorbierende Brennstäbe (6, 6a-d, 6d')bezogene Konzentration des Neutronenabsorbers (NA) eine axiale Vertei lung derart aufweist, dass diese Konzentration in einem mitt leren Bereich M höher ist als in den Randbereichen (E_oben, E_unten).

2. Brennelement (2) nach Anspruch 1, das zumindest einen neut ronenabsorbierenden Brennstab (6a) mit einer axial homogenen Verteilung und zumindest einen neutronenabsorbierenden Brenn stab (6b, 6c, 6d, 6d') mit einer axial inhomogenen Verteilung des Neutronenabsorbers (NA) enthält.

3. Brennelement nach Anspruch 2, bei dem die axial inhomogene Verteilung des Neutronenabsorbers (NA) durch neutronenabsor berfreie Endbereiche (E_oben, E_unten) des neutronenabsorbierenden Brennstabs (6b, 6c)gebildet ist.

4. Brennelement nach Anspruch 1, dessen mit dem Neutronenab sorber versehenen Brennstäbe (6b, 6c, 6d, 6d') jeweils eine axial inhomogene Verteilung des Neutronenabsorbers (NA) auf weisen.

5. Brennelement nach Anspruch 4, bei dem ein Teil der mit dem Neutronenabsorber (NA) versehenen Brennstäbe (6b, 6c) neutro nenabsorberfreie Endbereiche aufweisen.

6. Brennelement nach Anspruch 4, dessen mit dem Neutronenab sorber (NA) versehenen Brennstäbe (6d, 6d') dieselbe axial in homogene Verteilung des Neutronenabsorbers (NA) aufweisen.

7. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zumindest einem Brennstab, bei dem die inhomogene Verteilung des Neutronenabsorbers (NA) wenigstens drei Stufen (6d, 6d') mit jeweils konstanter Konzentration des Neutronenabsor bers (NA) umfasst.

8. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Neutronenabsorber (NA) Gadolinium Gd vorgesehen ist.