DE1244980B - Heterogener Kernreaktor mit Neutronenabsorbern zum Zwecke der Neutronenflussabflachung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G21d

DeutscheKl.: 21 g-21/31

Nummer: 1 244 980

Aktenzeichen: L 35283 VIII c/21 g

Anmeldetag: 4. Februar 1960

Auslegetag: 20. Juli 1967

Die Erfindung bezieht sich auf einen heterogenen Kernreaktor, dessen Reaktorkern Zonen aufweist, in denen das Volumenverhältnis von Moderator zu Uran gegenüber dem Durchschnittswert größer ist und in denen zum Zweck der Flußabflachung Neutronenabsorber als separate Körper mit Selbstabschirmung angeordnet sind.

Bei heterogenen Reaktoren treten bekanntlich an Unregelmäßigkeiten des Kerngitters, bei denen das Volumenverhältnis von Moderator zu Uran gegenüber dem Durchschnittswert vergrößert ist, Uberlastpunkte (örtliche Überhitzungen) auf. Diese Überlastpunkte entstehen, weil durch den Moderatorüberschuß mehr thermische Neutronen erzeugt werden und durch den Brennstoff-Unterschuß weniger thermische Neutronen eingefangen werden, so daß eine Neutronenflußanhebung in der Umgebung dieser Unregelmäßigkeiten die Folge ist.

Diese Überlastpunkte treten z. B. in wassermoderierten und wassergekühlten Reaktoren an den Verbindungsstellen auf, an denen Brennstoffstabsegmente zu langen Brennstoffelementen vereinigt werden. Fig. la zeigt in schematischer Darstellung eine derartige Verbindungsstelle 1 zweier Brennstoffstäbe 2. F i g. 1 b zeigt die Verteilung des Neutronenflusses Φ und der LeistungL auf Grund dieser Gitterunregelmäßigkeit. Die beiden schraffierten Flächen 3 kennzeichnen die Überlastpunkte.

Es wurde bereits bekannt (»Genfer Bericht« P/1402 Italy, Proc of the See. U. Ν. Int. Conf. on the Peaceful Uses of Atomic Energy, Vol. 6, 1958, S. 451) zur Vermeidung dieser Überlastpunkte Neutronenabsorber einzubringen. Diese Absorber werden an den Enden der Brennstoffsegmente dem Brennstoff selbst oder dem Strukturmaterial, wie der Hülle, zwischen den Segmenten in gleichmäßiger Verteilung zugegeben. Damit wird der Flußanstieg an den Gitterunregelmäßigkeiten verhindert und Überlastpunkte vermieden. Im Idealfall wäre dann der Neutronenfluß unabhängig von der Verbindungsstelle konstant, wie die Gerade Φ₀ in F i g. 1 c zeigt. Ein erheblicher Nachteil dieser bekannten Maßnahme besteht darin, daß im Verlauf des Reaktorbetriebes Brennstoff und Absorber wegen der unterschiedlichen Wirkungsquerschnitte für Neutroneneinfang verschieden schnell abbrennen. Während im Brennstoff durch die Bildung von Plutonium mit sehr großem Neutronenwirkungsquerschnitt der Gesamtquerschnitt für Neutroneneinfang trotz des Abbrandes nahezu konstant bleibt, nimmt die Absorbermenge und damit ihr Wirkungsquerschnitt für Neutroneneinfang ab. Eine vollständige Vermeidung von Überlastpunkten durch Zu-Heterogener Kernreaktor mit
Neutronenabsorbern zum Zwecke der
Neutronenflußabflachung

Anmelder:

Licentia Patent-Verwaltungs-G. m. b. H.,
Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Heinz Kornbichler,

Falkenstein (Taunus)

gäbe einer entsprechend bemessenen Absorbermenge ist daher nur für einen bestimmten Zeitpunkt während der ganzen Bestrahlungsdauer möglich. Wählt man die Absorbermenge für den Anfangszustand des Brennstoffelementes, so treten die Uberlastpunkte im Verlauf des Abbrandes mehr und mehr in Erscheinung. Nach teilweisem Ausbrand des Absorbers zeigt sich dann wieder ein Anstieg des Neutronenflusses Φ₁ in F i g. 1 c, wodurch sich wieder Überlastpunkte 4 ergeben. Wählt man die Absorbermenge für einen späteren Betriebszustand, so hat man als Nachteil im Anfang der Bestrahlungsperiode Unterlastpunkte, also Zonen mit verminderter Leistung, und überdies eine unnötig starke Vergiftung des Reaktors (Reaktivitätsverlust) in Kauf zu nehmen.

Es ist bekannt, separate Absorberkörper zu verwenden, um einen Neutronenfluß zu beeinflussen. Zu diesem Zweck ist es auch bekannt, selbstabschirmende Absorber zu verwenden (Proceedings ..., 1958, Vol. 13, S. 430, 433).

Ferner ist es bekannt (Zeitschrift »Nuclear Engineering«, Vol. 2, 1957, No. 17, S. 332), daß man kammartige Absorberstücke in einem Regelelement anordnet, daß aus einem Brennstoffabschnitt und einem neutronenabsorbierenden Abschnitt besteht, wobei diese kammartigen Stücke in den den Brennstoffabschnitt mit dem Absorberabschnitt verbindenden Zwischenabschnittes zu liegen kommen. Bei diesen kammartigen Absorberstücken handelt es sich aber offensichtlich um Absorber deren Absorptionsvermögen während des gesamten Abbrandes nicht konstant bleibt. Darüber hinaus sind diese Absorberstücke nicht im Strukturmaterial angeordnet, sondern lediglich an ihm befestigt.

709 617/400

Claims (3)

Aufgabe der Erfindung ist es, daß Absorberkörper zur Anwendung gelangen, die so kompakt sind und ein derartiges Volumen aufweisen, daß über einen vorgegebenen Zeitraum der Neutronenfluß in einem bestimmten inneren Bereich dieser Körper praktisch s Null ist. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Körper in den die einzelnen Brennelemente einer Brennelementsäule verbindenden Zwischenabschnitten angeordnet sind. ίο Dadurch wird erreicht, daß während des gesamten Abbrandes die an den Verbindungsstellen der Brennelemente auftretende Erhöhung des Neutronenflusses um einen praktisch konstanten Betrag unterdrückt wird. Bildet man die Absorberkörper z. B. als Zylinder oder Kugel aus, so sind deren Abmessungen so zu wählen, daß gerade der gewünschte Effekt der Vermeidung von Flußanhebungen bewirkt wird. F i g. 2 zeigt zwei Ausführungsbeispiele, bei denen die schwarzen Körper als Zylinder 5 bzw. als Kugel 6 ausgebildet und in der Verbindungsstellei untergebracht sind. Im Inneren dieser Körper kann so viel Absorberstoff untergebracht werden, daß trotz längerer Bestrahlung und des damit verbundenen Ausbrandes der Körper praktisch nach wie vor für Neutronen schwarz bleibt. Der anfängliche Überschuß an Absorber hat dabei nicht die eingangs erwähnte nachteilige Wirkung wie bei verteilt untergebrachtem Überschuß, weil er wegen der Eigenschaften des schwarzen Körpers nicht zur Geltung kommt. Eine ideale Auslegung des schwarzen Körpers ergibt sich, wenn er so dimensioniert ist, daß der Flußverlauf im Moderator an den Verbindungsstellen etwa der gleiche ist wie im übrigen Gitter. Zur Erläuterung zeigt F i g. 3 den Flußverlauf Φ2 an der Verbindungsstelle 1, in die ein schwarzer Körper 5 eingebaut ist und den entsprechenden Flußverlauf Φ3 in Brennstoffstab und Moderator. Der normale Brennstoffstab und die Verbindungsstelle sind zum besseren Verständnis in derselben Figur dargestellt. Die neutronenabsorbierende Wirkung des vorgeschlagenen schwarzen Körpers bleibt über die ganze Abbrandzeit des Brennstoffelementes unverändert. Durch die Wahl der den jeweiligen Verhältnissen angepaßten Dimensionen kann daher das Auftreten von Überlastpunkten während der gesamten Einsatzdauer des Brennstoffs weitgehend vermieden werden. Besonders günstig ist es, wenn man in der Umgebung des schwarzen Körpers einen Stoff mit hohem Streuquerschnitt für Neutronen unterbringt. Die eingangs erwähnte Eigenschaft des Brennstoffes, seinen Absorptionsquerschnitt für Neutronen während des Abbrandes nur wenig zu ändern, gilt nicht für alle Anreicherungsgrade. Bei hoher Anreicherung nimmt der Wirkungsquerschnitt während des Abbrandes ab, weil die Plutoniumerzeugung nicht so sehr ins Gewicht fällt. In diesen Fällen ist eine Kom- bination von der an sich bekannten gleichmäßigen Verteilung von Absorber und Unterbringung eines schwarzen Körpers aus Absorbern vorteilhaft. Man erreicht damit einen gewünschten teilweisen Abbrand des Absorbers. Durch Anbringung mehrerer Körper aus Absorbern, z. B. in Form von ineinandergeschachtelten Körpern mit unterschiedlichem Absorbergehalt, kann man sogar erreichen, wenn der Absorbergehalt in den äußeren Zonen entsprechend gering ist, daß die Körper sich nach und nach während der Bestrahlung infolge der Abnahme des Absorberstoffes von schwarzen Körpern in graue Körper umwandeln. Auf diese Weise läßt sich der zeitliche Verlauf der neutroneneinfangenden Wirkung der Absorberkombination sogar einer gewünschten Funktion (je nach der Art des Brennstoffes) anpassen. Erleichtert wird dies durch die Wahl verschiedener Absorber mit unterschiedlichem Wirkungsquerschnitt. F i g. 4 zeigt als Beispiel einen zylindrischen schwarzen Körper 7, der von zwei Hohlzylindern 8, 9 umgeben ist, die entsprechend dieser Auslegung graue Absorber sind, wodurch eine dauernde Vermeidung von Überlastpunkten ermöglicht wird. Die beschriebene Kombination von schwarzen und grauen Körpern, bzw. sonst irgendwie im Reaktor untergebrachten abbrennbaren Absorbern, kann außer zur Vermeidung von Überlastpunkten übrigens auch zur Kompensation des Reaktivitätsverlustes, der sich während der Abbranddauer einstellt, benutzt werden. Patentansprüche:

1. Heterogener Kernreaktor, dessen Reaktorkern Zonen aufweist, in denen das Volumenverhältnis von Moderator zu Uran gegenüber dem Durchschnittswert größer ist und in denen zum Zweck der Flußabflachung Neutronenabsorber als separate Körper mit Selbstabschirmung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper (5, 6, 7) in den die einzelnen Brennelemente (2) einer Brennelementsäule verbindenden Zwischenabschnitten (1) angeordnet sind.

2. Heterogener Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Umgebung der Neutronenabsorber Stoffe mit hohem Streuquerschnitt für Neutronen angeordnet sind.

3. Heterogener Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper aus Absorbern mit verschiedenen Wirkungsquerschnitten bestehen.

In Betracht gezogene Druckschriften: Nuclear Engineering, August 1957, S. 332; »Proceedings of the Second U. Ν. International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, 1958, Vol.13, S.426 bis 445, und Vol.6, 1958, S. 451.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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