DE19546597A1 - Steuer-Absorberbündel für einen Kernreaktor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Steuerbündel für wasser­ moderierte und -gekühlte Kernreaktoren; solche Bündel sind durch einen Mechanismus vertikal bewegbar, der es ermög­ licht, sie mehr oder weniger weit in den Kern einzuführen, um den Neutronenfluß - und damit die Leistung des Reaktors - zu regeln und eventuell den Reaktor zu stoppen und ge­ stoppt zu halten.

Die Erfindung ist insbesondere anwendbar bei druckwassermo­ derierten und -gekühlten Reaktoren, deren Kern von Brenn­ elementkassetten gebildet wird, deren jede ein Bündel von Brennstäben aufweist, die an den Punkten eines regelmäßigen Rasters durch ein Skelett gehalten werden, das aus durch Führungsrohre verbundenen Endstücken gebildet ist, wobei die Führungsrohre Haltegitter für die Stäbe tragen. In die­ sem Fall umfassen die Bündel eine Spinne, die durch einen Steuermechanismus bewegbar ist und Stäbe aus absorbierendem Material trägt, die vorgesehen sind, um mehr oder weniger tief in die Führungsrohre eingeführt oder auch vollständig aus dem Kern herausgezogen zu werden.

Üblicherweise werden beim Regeln der Leistung und beim Stoppen des Reaktors mehrere Gruppen von Bündeln mit unter­ schiedlichem Aufbau eingesetzt (so etwa sog. "schwarze", stark absorbierende und "graue", schwächer absorbierende Bündel), insbesondere dann, wenn der Reaktor vorgesehen ist, um im Lastfolgebetrieb zu arbeiten, was häufige Bewe­ gungen der Steuerbündel mit mäßiger Amplitude erfordert. Derartige Steuerungsarten sind z. B. in den Druckschriften EP-A-0 051 542 (Patent FR 80 23 452) und FR-A-2 639 141 (Patent FR 88 14 771) beschrieben, auf die verwiesen wird.

Die "schwarzen" Bündel, deren Antireaktivität z. B. ca. 150 pcm (parties pour cent mille; Teile pro 100 000) beträgt, weisen ein stark absorbierendes Material auf. Dieses Mate­ rial kann insbesondere eine Silber-Indium-Cadmium-Legie­ rung, so etwa eine der in der Druckschrift FR-A-1 214 215 beschriebenen sein. Bei neuen 1300 MW-Reaktoren enthalten jedoch bestimmte der schwarzen Bündel einen aus ternärer Ag-In-Cd-Legierung im unteren Abschnitt, der sich über lan­ ge Zeiträume im Kern befinden kann, und aus Borcarbid (B₄C) im oberen Abschnitt zusammengesetzten Stapel.

Üblicherweise verwendet man "graue" Bündel, deren Antireak­ tivität beispielsweise die Hälfte derjenigen der "schwar­ zen" Bündel beträgt, verteilt, um die Leistung zu regeln. Sie sind häufig auf eine erste Gruppe, die bei einer Ver­ ringerung der Leistung zuerst in den Kern eingeführt wird, und eine zweite Gruppe verteilt, die nur in den Kern einge­ führt wird, wenn man die Leistung des Reaktors auf ein Ni­ veau zwischen ca. 5% und 80% der Nennleistung reduzieren will. Die Bündel dieser zweiten Gruppe werden nur dann vollständig eingeführt, wenn der Reaktor gestoppt und im Stopzustand gehalten werden soll.

Um die Nutzung der Reaktoren der oben definierten Art zu erleichtern, sind neue Steuerungsregeln entwickelt worden, die es ermöglichen, gleichzeitig mit dem Regeln der Lei­ stung die Temperatur und die axiale Verteilung des Neutro­ nenflusses zu regeln. Diese Steuerungsregeln machen es er­ forderlich, bestimmte der "schwarzen" Bündel wesentlich weiter in den Kern einzuführen, als dies im laufenden Be­ trieb unter den früheren Steuerungsarten erforderlich war.

Außerdem erfordern diese Steuerungsregeln, daß auf einem Teil der Höhe der Stäbe der schwarzen Bündel, der bisher außerhalb der Stopzeiten selten in den Kern eingeführt wur­ de, Material mit einer stärkeren Neutronenabsorption als der der ternären Legierung Ag-In-Cd vorhanden ist.

Diese Absorptionsstärke könnte erreicht werden mit Bündeln, deren Stäbe oberhalb eines mit Ag-In-Cd beschickten Ab­ schnitts eine Säule aus B₄C-Pellets enthalten. Jedoch er­ reicht der Fluß in Höhe des Mittelabschnitts des Stapels solche Werte, daß in diesem Abschnitt der Stäbe angeordne­ tes B₄C unter Bestrahlung eine Aufblähung erfahren würde, die die Lebensdauer der Bündel in den Reaktoren begrenzen würde.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist insbesondere, ein "schwarzes" Steuerbündel anzugeben, das gewöhnlicherweise eine Antireaktivität von mehr als 150 pcm hat, wenn es vollständig eingeführt ist, und das unter diesen Bedingun­ gen eine verlängerte Lebensdauer aufweist, wenn es für eine Art von Steuerung eingesetzt wird, die häufiges Einführen des Bündels auf großer Länge erfordert.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Steuerbündel für einen Kernreaktor gemäß Anspruch 1. Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausgestaltungen gerichtet.

Die Ag-In-Cd-Legierung (oder Hafnium) nimmt im allgemeinen einen Bruchteil der Höhe des Absorbermaterials ein, der zwischen 30% und 40%, häufig ca. 35% liegt, wohingegen die B₄C-Säule im allgemeinen einen Teil der Höhe des Absor­ bermaterials von zwischen 20% und 30%, typischerweise ca. 34%, belegt.

Bei einem solchen Bündel ist der Mittelabschnitt der Stäbe, der eine große Antireaktivität haben muß und häufig in den Kern eingetaucht ist, aus einem Material gebildet, das sich unter Bestrahlung wesentlich weniger aufbläht als B₄C. Im Gegensatz zu Pellets aus B₄C, bei denen das Bor nicht ange­ reichert ist, und die starke Schädigungen aufweisen, wenn der verbrauchte Gehalt an Bor 10 16% überschreitet, mit einer Heliumfreisetzung von zwischen 11% und 20%, werden mit ZrB₂ günstigere Ergebnisse erzielt, insbesondere wenn es auf einen Gehalt von 25% bis 45% Bor 10 angereichert ist. Mit HfB₂ werden ebenfalls bessere Ergebnisse erzielt.

Ein solches Steuerbündel für einen Kernreaktor ist für die Leistungsregelung und die Last folge geeignet und ermöglicht es, in weitem Maße die obigen gegensätzlichen Anforderungen zu erfüllen.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Kernreaktor der oben definierten Art mit zwischen dem Kern und dem oberen Kerninnenraum des Reaktors durch Steuereinrichtungen beweg­ baren Stabbündeln, wobei die Bündel schwarze Bündel und graue Bündel mit einer geringeren Antireaktivität als der­ jenigen der schwarzen Bündel für die Leistungsregelung um­ fassen, dadurch gekennzeichnet, daß nur bestimmte der schwarzen Bündel den oben definierten Aufbau haben.

Wenn, was häufig der Fall ist, die schwarzen Bündel in zwei Gruppen aufgeteilt sind, von denen eine häufig, die andere zum Reduzieren der Leistung auf einen geringen Wert oder zum Stoppen des Reaktors eingeführt wird, dann sind es die Bündel der zuerst in den Kern eingeführten Gruppe, die den oben definierten Aufbau haben.

Die Erfindung ist besser zu verstehen anhand der nachfol­ genden Beschreibung besonderer Ausgestaltungen der Erfin­ dung, die als nicht einschränkende Beispiele angegeben wer­ den. Die Beschreibung nimmt Bezug auf die begleitenden Zeichnungen; es zeigen

Fig. 1 ein Prinzipschema, das eine mögliche Verteilung schwarzer und grauer Bündel im Kern eines Druckwasser­ kernreaktors gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 2 eine schematische Ansicht der Spinne eines Bündels und der von dieser gehaltenen Stäbe;

Fig. 3 eine mögliche Verteilung der Absorber in einem schwarzen Steuerbündel.

Es werden nun mögliche Arten der Ausführung der Erfindung beschrieben, angewandt auf einen Reaktor, dessen Kern aus Brennelementkassetten mit quadratischem Querschnitt gebil­ det ist, die die in Fig. 1 gezeigte Anordnung haben. Die Erfindung ist aber in gleicher Weise anwendbar auf andere Kernreaktoren, solche mit hexagonalem Raster und/oder sol­ che, die zusätzlich zu den nur eine parasitische Absorption der Neutronen hervorrufenden Bündeln Bündel zum Variieren des Energiespektrums der Neutronen aufweisen.

In Fig. 1 ist nur die Anordnung von Bündeln gezeigt, die durch Steuermechanismen in den Kern versenkt oder aus dem Kern herausgezogen werden können. Die mit X₁ bis X₅ be­ zeichneten Positionen nehmen Regelbündel auf, von denen die mit X₂ bezeichneten "schwarze" Bündel sind. Die mit SA; SB, SC und SD bezeichneten Positionen nehmen Stopperbündel auf.

Die Stäbe der Bündel an den Positionen X₁ können in her­ kömmlicher Weise auf ihrer gesamten Länge ein und dasselbe neutronenabsorbierende Material enthalten, so etwa eine ternäre Ag-In-Cd-Legierung mit 80 Gew.-% Silber, 15 Gew.-% Indium und 5 Gew.-% Cadmium. Sie können auch einen Stab aus Ag-In-Cd-Legierung im unteren Abschnitt und B₄C-Pellets im oberen Abschnitt enthalten.

Jedes Bündel hat oft den in Fig. 2 gezeigten Aufbau. Es um­ faßt eine Spinne 10, deren Nabe vorgesehen ist, um an einer Steuerstange befestigt zu werden, und deren ausstrahlende Arme 12 jeweils ein oder zwei Stäbe halten. Das in Fig. 2 beispielhaft gezeigte Bündel umfaßt 24 Stäbe.

Wie Fig. 3 zeigt, (die der Klarheit wegen nicht maßstäblich ist), umfaßt jeder Stab 14 eine durch Stopfen 18 verschlos­ sene Hülle 16, die eine Säule aus absorbierenden Materiali­ en enthält, die durch eine zusammengedrückte Feder zwischen der Säule und dem oberen Stopfen gegen den unteren Stopfen gedrückt gehalten wird.

Bei einem der gegenwärtig verwendeten Druckwasserreaktorty­ pen mit einer Leistung von 1450 MW haben alle Stäbe eine Länge von ca. 4300 mm und sind auf einer Länge von 410 mm mit absorbierenden Materialien gefüllt, wobei der Freiraum 19 als Sammelkammer für das Helium dient, das aus der ra­ dioaktiven Verwandtschaft (filiation) des Bor 10 entsteht, wenn letzteres Neutronen absorbiert.

Das im unteren Abschnitt des Stabs angebrachte Absorberma­ terial 22 ist aus Ag-In-Cd-Legierung oder aus Hafnium ge­ bildet, z. B. in Form eines massiven Stabes, dessen Höhe zwischen 30%und 40%, im allgemeinen bei ca. 35% der Hö­ he der Säule liegt.

Der obere Abschnitt der Absorbermaterialsäule, der nur sel­ ten in einen intensiven Neutronenfluß eingetaucht ist und ein Material mit hohem Einfangquerschnitt enthalten muß, ist aus einem Stapel 24 von B₄C-Pellets gebildet, in denen das Bor seinen natürlichen B 10-Gehalt aufweist.

Der mittlere Abschnitt der Absorbermaterialsäule ist aus einem Stapel von Pellets aus einem Material gebildet, das

• einen Neutroneneinfangquerschnitt von wenigstens dersel­ ben Größenordnung wie B₄C aufweist,
• bei gleichem Erschöpfungsgrad des Bor 10 und bei gleicher Geometrie eine geringere Aufblähung unter Bestrahlung aufweist als B₄C,
• bei gleicher Wirksamkeit eine nicht wesentlich größere Masse aufweist,
• ein Korrosionsverhalten in Druckwasser aufweist, das dem von B₄C wenigstens gleichwertig ist.

Bei einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist der mitt­ lere Abschnitt der Säule aus gesinterten Pellets aus HfB₂ gebildet, welches den Vorteil hat, aus zwei absorbierenden Atomen zu bestehen, da das Isotop 177 des Hafniums einen hohen Neutroneneinfangquerschnitt hat und sich nach Neutro­ nenabsorption in Hf 178 umwandelt, das seinerseits stark absorbierend ist.

Für die derzeit beabsichtigten Steuerungsarten liegt der von HfB₂ belegte Bruchteil der Säulenhöhe zwischen 35% und 45%, häufig bei ca. 41%, wenn die Ag-In-Cd-Legierung ei­ nen Bruchteil von 35%belegt. In diesem Fall liegen die Borcarbidpellets der Stäbe hoch genug, um nur kurze Zeit hohen Flüssen ausgesetzt zu sein.

Eine erste Lösung besteht darin, massive Pellets zu verwen­ den, die unter solchen Bedingungen gesintert sind, daß die Dichte der Pellets ca. 70% der theoretischen Dichte aus­ macht. Dadurch nimmt die Masse eines Stabes im Verhältnis zu den gegenwärtig verwendeten, bei denen B₄C-Pellets die Stelle der HfB₂-Pellets einnehmen, nur mäßig zu, so daß die gleichen Steuermechanismen für die Bündel verwendet werden können. Diese Lösung hat insbesondere den Vorteil, daß die gleichen Steuermechanismen für sämtliche schwarzen Stäbe verwendet werden können.

Eine andere Lösung besteht darin, ringförmige HfB₂-Pellets zu verwenden, um das Volumen der Pellets zu verringern: In diesem Fall können ringförmige Pellets verwendet werden, die unter solchen Bedingungen gesintert sind, daß die Dich­ te des HfB₂ bis zu 95% des theoretischen Werts erreicht. Eine interne Hülse aus einer Legierung auf Zirkoniumgrund­ lage kann dann verwendet werden, um die Pellets im Verhält­ nis zueinander zu zentrieren. Diese Lösung ermöglicht es, die bessere mechanische Festigkeit der dichteren Pellets auszunutzen.

Als Beispiel kann angeführt werden, daß ein für ein schwar­ zes Bündel vorgesehener Stab eine Hülle von 4340 mm Innen­ länge aufweisen kann, die auf 145 cm durch Ag-In-Cd, auf 170 cm durch HfB₂ und auf 100 cm durch B₄C belegt ist, so daß ein Heliumsammelraum oder Plenum von 19 cm übrigbleibt. Der Ag-In-Cd-Stab kann stufig ausgebildet sein. Der Außen­ durchmesser, z. B. 8,35 mm im unteren Abschnitt auf einer Länge von 75 cm, kann im oberen Abschnitt in einer Hülle von 8,73 mm Innendurchmesser um 0,10 mm bis 0,15 mm vergrö­ ßert sein.

Es ist nicht erforderlich, eine Heliumatmosphäre unter Druck in dem Plenum 19 vorzusehen: Durch die Freisetzung von Helium, das durch Neutronenabsorption des Bors erzeugt wird und unter Bestrahlung abgegeben wird, entsteht schnell ein ausreichender Druck.

Bei einer anderen Ausgestaltung ist der mittlere Abschnitt der Säule aus einem Stapel von ZrB₂-Pellets gebildet. Die Höhen des Ag-In-Cd-Stabes, des ZrB₂-Pellet-Stapels und des B₄C-Pellet-Stapels können dieselben wie im vorhergehenden Fall sein. Der Ag-In-Cd-Stab hat im allgemeinen einen ge­ ringfügig (um 0,10 bis 0,15 mm) kleineren Durchmesser auf etwa der Hälfte seiner Länge. Die ZrB₂- und B₄C-Pellets können einen um 1 mm kleineren Nenndurchmesser als in dem vorhergehenden Fall haben.

Damit die Neutronenabsorption des ZrB₂-Stapels in etwa je­ ner der B₄C-Pellets entspricht, die er ersetzt, ist das Bor im allgemeinen auf ca. 30% Bor 10 angereichert, wenn die Pellets so gesintert sind ,daß sie ca. 80% ihrer theoreti­ schen Dichte haben. Der Bor 10-Gehalt kann bis auf ca. 25% verringert sein, wenn die Pellets eine höhere Dichte von bis zu 95% der theoretischen Dichte haben.

Das Zirconiumdiborid und das Hafniumdiborid, mit denen die Erfindung ausgeführt werden kann, können hergestellt werden durch Borieren des entsprechenden Oxids bei einer Tempera­ tur von ca. 2000°C in Gegenwart von Kohlenstoff. Die Reak­ tion kann unter solchen Bedingungen durchgeführt werden, daß der Gehalt des restlichen Carbids 0,3% nicht über­ schreitet. Das Vorhandensein dieses Carbids verbessert die Sinterfähigkeit des Diborids und ermöglicht es, wenn ge­ wünscht, Dichten von bis zu 98% der theoretischen Dichte zu erreichen.

Claims (6)

1. Steuerbündel für einen Kernreaktor mit einer Spinne, an der Stäbe aufgehängt sind, die ein Neutronenabsorbermateri­ al enthalten, wobei das Material wenigstens in bestimmten der Stäbe in deren unterem Abschnitt aus einer Absorbersäu­ le aus einer Ag-In-Cd-Legierung und im oberen Abschnitt aus einer Säule von Borcarbidpellets (B₄C) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Mittelabschnitt von zwischen 35% und 45% der Höhe des Absorbermaterials das Absorbermaterial aus mit Bor 10 isotropenangereichertem ZrB₂ oder aus HfB₂ gebildet ist.

2. Bündel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Abschnitt aus B₄C 20% bis 30% der Höhe und der un­ tere Abschnitt aus Hafnium oder Ag-In-Cd-Legierung 30% bis 40% der Höhe belegt.

3. Bündel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Abschnitt ca. 24% der Höhe, der untere Abschnitt ca. 35% der Höhe und der mittlere Abschnitt ca. 41% der Höhe belegen.

4. Bündel nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der mittlere Abschnitt aus ZrB₂ besteht, das auf einen Bor 10-Gehalt von zwischen 25% und 30% angereichert ist und eine Dichte von zwischen 80% und 95% der theore­ tischen Dichte besitzt.

5. Bündel nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Abschnitt aus HfB₂ besteht, dessen Bor nicht angereichert ist und das eine Dichte von ca. 70% der maximalen theoretischen Dichte besitzt.

6. Bündel nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Abschnitt aus einem Stapel ringförmiger HfB₂-Pellets mit natürlichem Bor 10-Gehalt und einer Dichte von zwischen 70% und 95% der maximalen theoretischen Dichte gebildet ist.