DE2211038A1 - Brennstoffeinheit für Kernreaktoren - Google Patents
Brennstoffeinheit für KernreaktorenInfo
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Description
Anmelderin: United States Atomic Energy Commission Washington D. C, USA
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffeinheit für den Gore eines Kernreaktors, insbesondere für Brutreaktoren, die mit
leichtem Wasser gekühlt und moderiert werden.
Brutreaktoren erzeugen Energie und vermehren gleichzeitig den Bestand an spaltbarem Material. Bei der Spaltung werden· Neutronen
und Energie frei. Der Bestand an Brutmaterial im Brutreaktor steigt, wenn Brutmaterial wie z. B. Thorium-232 bei
der Spaltung frei werdende Neutronen absorbiert. Wenn ein Thorium-232 Atom ein Neutron einfängt, wird es in Thorium-233
umgewandelt, da3 radioaktiv zu Protactinium-233 zerfällt. Dieses wiederum zerfällt zu dem spaltbaren Uran-233· Die vom
Brutmaterial zu absorbierenden Neutronen entstehen hauptsächlich durch Spaltung des Brennstoffs, in geringerem Umfang
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auch durch schnelle Spaltung von an sich nicht spaltbarem Material wie Thorium-232 und Protactinium-233· Zur Aufrechterhaltung
der Kettenreaktion und des kritischen Reaktorzustands
muss für jedes Neutronen freisetzende, zerstörte Atom des Spaltmaterials ein Neutron vom spaltbaren Material absorbiert
werden und mindestens ein weiteres Neutron muss vom Brutmaterial absorbiert werden, um neues spaltbares Material
zu erzeugen. Das Verhältnis der Neutronenproduktion durch Spaltung zur Neutronenabsorption durch spaltbares Material
muss daher wenigstens 2 betragen, um die Verluste durch Einfang durch den Moderator, durch Baumaterial, durch Spaltpro- ·
dukte und durch Verunreinigungen des Brennstoffs auszugleichen, Uran-233 das mit leichtem Wasser gekühlt und moderiert wird,
erfüllt diese Anforderung, da das Verhältnis der Neutronenproduktion zur Absorption grosser als 2 ist.
Bekannt sind Brutreaktoren mit einer Keim- oder Spaltzone und einer Mantel- oder Brutzone. Als Keim- oder Spaltzone wird
der Brennstoffbereich bezeichnet, in dem die vorwiegende Aktivität in der Spaltung von spaltbarem Material besteht. Als
Mantel- oder Brutzone wird derjenige Brennstoffbereich bezeichnet, in dem die vorwiegende Aktivität in der Umwandlung von
Brutmaterial in spaltbares Material besteht. Brennstoff kann spaltbares Material, Brutmaterial oder beides bezeichnen.
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Zu Betriebsbeginn enthält die Keimzone eines Brutreaktors mit einer Keim- und einer Mantelzone genügend spaltbares Material
und die Mantelzone genügend Brutmaterial, um den vorwiegendenv
Spalt- "bzw. Brutcharakter der betreffenden Zone zu prägen. Eine selbsterhaltende Wirkungsweise solcher Brutreaktoren konnte
mit einer Bestückung der Keim- oder Spaltzone mit Uran-233
und einer Bestückung der Mantel- oder Brutzone mit Thorium-232 erzielt werden, wobei mehrere Brennstoffeinheiten mit einer
Keim- und einer Mantelzone baukastenartig zum Core zusammengesetzt
werden. Häufig ist der Gore noch von einem Reflektormäntel aus natürlichem Thoriumoxid umgeben, vgl. zum Vorstehenden
das USA-Patent 3,351,532.
Bekannt sind auch Ausbildungen des Gore mit zwei Keimzonen und einer oder mehreren Mantelzonen in abgestufter Anordnung.
Die Brennstäbe für die Mantelzone bestehen in der Regel ganz aus Thorium in dicht gepackter Anordnung oder Bündelung. Dies
hat den Nachteil, dass der Durchfluss des Kühlmittels stark gehemmt wird und die Mantelzone ziemlich trocken bleibt. Die
dichte gepackte Anordnung ist aber notwendig, um parasitische Neutronenverluste an das Wasser in der Mantel- oder Brutzone
herabzudrücken. Die dichte Anordnung der Brennstäbe bedingt
aber grösste Schwierigkeiten des Aufbaus, der Abstützung und dergleichen. ;' ■
20 9 8 k OVO
221103a
Die Keimzonen bestehen meist aus lose angeordneten Brennstäben
mit grösserer Wasserkonzentration und der für eine starke Reaktivität erforderlichen ausreichenden Neutronenmoderation.
Die einzelne Brennstoffeinheit besteht aus einer beweglichen und einer festen Einheit, durch deren Relativverschiebung
der Reaktor geregelt wird. Die bewegliche Einheit besteht aus einem zentralen Thoriummantel, umgeben von einer
ringförmigen Keimzone. Die feste Einheit besteht aus drei abgewinkelten und im gleichen Abstand um die bewegliche Einheit
angeordneten Baueinheiten, deren jede eine ortsfeste Keimzone neben der beweglichen Keimzone und eine Mantelzone
enthält. Häufig wird noch am äusseren Umfang der ortsfesten Einheiten eine weitere ortsfeste Keimzone vorgesehen. Zur
Trennung der Keimzonen und Mantelzonen muss der Aufbau Kanäle aufweisen, und zwar mindestens einen Kanal für jede Keimzone.
Im übrigen sind die ersten paar Brennstäbe der beweglichen und ortsfesten Mantel- oder Brutzonen an verschiedenen Längsstellen
mit Thorium-232 bestückt, so dass von einer Stabreihe zur anderen fortschreitend eine abgestufte Ausbildung entsteht,
so dass beim Anheben des beweglichen Brennstoffs während der Lebensdauer des Gore nacheinander verschiedene Dicken des
Neutronen einfangenden Thoriummaterials zwischen die Keimzonen zu liegen kommen und eine überschüssige Reaktivität steuern.
Diese Brennstoffanordnung zur Reaktivitätsregelung wird auch als Anordnung von Neutronengiftkeilen aus abgestuftem Thorium
bezeichnet, vgl. das USA-Patent 3»335,060. Nun müssen die ab-
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"5" 2271038
gesetzten Brennstäbe aber jeweils zwei verschiedene Durchmesser haben, um zu starke Neutronenverluste an das Kühlwasser
zwischen den oberen und unteren Mantelzonen zu vermeiden. Der Teil der Brennstäbe mit dem grösseren Durchmesser bildet
den Thoriummantel, während der Teil mit dem kleineren Durchmesser
die Keimzone bildet. Durch die notwendige Ausbildung der Brennstäbe mit zwei verschiedenen Durchmessern entstehen
aber schwierige Probleme der Fertigung, des Aufbaus und der
Abstützung.
Aufgabe der Erfindung ist eine Brennstoffeinheit für den Core von Leichtwasser-Brutreaktoren mit vereinfachtem Aufbau und
geringerem Kühlwasserwiderstand.
Die Aufgabe wird durch die Brennstoffeinheit der Erfindung
mit einem beweglichen und einem diesen umgebenden festen Teil dadurch gelöst, dass der senkrecht bewegliche Teil mehrere im
Abstand angeordnete, hauptsächlich Spaltmaterial enthaltende Brennstäbe mit einer Keim- oder Spaltzone und wenigstens
einer Mantelzone aufweist, und der feste Teil mehrere im Abstand angeordnete Mantelbrennstäbe mit einer vorwiegend mit
Brutmaterial und einer geringen Menge Spaltmaterial bestückten Zone und wenigstens einer im wesentlichen mit Brutmaterial
bestückten Zone enthält.
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Besonders günstig ist bei diesem Aufbau, dass die Brennstäbe nur einen Durchmesser haben und lose anstatt dicht gepackt
angeordnet werden können. Der Aufbau verbessert die Brutleistung, so dass beim Aufbau in vieler Hinsicht beweglicher vorgegangen
werden kann, weil eine reichliche Brutleistung zur Verfugung steht. Erzielbar sind ferner verlängerte Lebensdauer
des Gore, verbesserte Energieleistung und verbesserter Brennstoff wert.
In den zur weiteren Erläuterung dienenden Zeichnungen zeigen:
die Figur 1 eine einzelne Brennstoffeinheit für die Keim- oder Spaltzone im Querschnitt;
die Figur 2 schematisch im Längsschnitt eine einzelne Brennstoffeinheit
für die Spaltzone mit dem anliegenden Mantel mit Brut- und Keimzonen;
die Figur 3 ein Schaubild der Verschiebung zur Beaktivitätsregelung
während der Lebensdauer des Core des Reaktors.
Eine in den Figuren 1 und 2 dargestellte besonders günstige Ausbildung zeigt eine Brennstoffeinheit 20 mit einer hexagonalen,
zentralen, beweglichen Anordnung oder Einheit 22, umschlossen von einer ortsfesten Einheit 24. Die mit einer
äusseren Abstützung 32 versehene, zentrale, bewegliche Einheit
- 7 209840/0679
22 ist in der Umkleidung 26 durch, nicht gezeigte Mittel vertikal
beweglich, und bildet mit dieser Kühlkanäle für den Kühlmitteldurchlauf.
Die "bewegliche Einheit 22 besteht aus mehreren achsial verlaufenden, durch den gesamten aktiven Bereich
des Core hindurchgehenden Brennstäben 36 mit gleichmässigen
Durchmessern. Das die Brennstäbe bildende Rohrmaterial besitzt günstigerweise gute mechanische Eigenschaften bei höherer
Temperatur und einen niedrigen Einfangsquerschnitt für thermische Neutronen. Ein Beispiel für ein solches Material
ist Zirkonoxid.
Die Keim- oder Spaltzone liegt ganz innerhalb der beweglichen
Einheit 22 zwischen den Enden der Brennstäbe 36. Der Brennstoff in dieser Zone besteht aus einer Mischung der Oxide
von Uran-233 und Thorium-232, in der U-233-O2 5-15% und vorzugsweise
7 »4- Gew.% der Mischung ausmacht. Das atomare Verhältnis
von Wasserstoff zu Uran-233 in dieser Keimzone 34
soll 30 - 60 betragen. Ferner sind in der Zone Neutronengifte,
z. B. Thorium, keilförmig abgesetzt. Über und unter der Zone 34· hervorstehende Enden der Brennstäbe 36 bilden die obere
Mantelzone 38 und die untere Mantelzone 40. Diese Mantel- oder
Brutzonen enthalten einen Brutstoff, z. B. Thorium-232 in Oxidform und sollen ein atomares Verhältnis von Wasserstoff zu
Thorium von 0,9-3 haben. Die Mantelzone 38 ist komplementär
zum abgesetzten Teil der Keimzone 34- abgestuft ausgebildet.
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Die die Zonen J4-, 38 und 40 bildenden Brennstäbe 36 können
eine Vielzahl von Keim- und Mantelbrennstofftabletten enthalten. Diese sind so aufeinandergestapelt, dass beim Zusammenbau
der Brennstäbe 36 die in der Figur 2 gezeigte abgestufte
Form entsteht. Ein loser Zusammenbau der Brennstäbe vermindert den hydraulischen Widerstand gegenüber dem hindurchströmenden
Kühlmittel. Die Brennstäbe werden durch bekannte Mittel, z. B. abstandshaltende Gitter achsial in festem gegenseitigem
Abstand gehalten. Im Gegensatz zu den bekannten Brennstäben haben sie nur einen Durchmesser, an Stelle von
zwei verschiedenen Durchmessern. Die Herstellung ist daher wesentlich einfacher. Beim Zusammenbau mehrerer Brennstoffeinheiten
zu einem Core sollen die Keim- oder Spaltzonen insgesamt etwa 20 - 40% des Corecolumens betragen.
Eine äussere Abstützung 50 der ortsfesten Einheit 24 erstreckt
sich achsial über die ganze Länge des Core. Die Brennstäbe 48 dieser Einheit 24 bilden eine Uran enthaltende Mantelzone
42 und die oberen und unteren Mantelzonen 44-46 und bestehen z. B.aus einer Zirkonlegierung. Die Zone 42 enthält
eine Mischung aus Uran-233 und Thorium-232 jeweils in Oxid-"
form, wobei U-233-Op °»8 ~ 3 u*1·3· vorzugsweise 1,7 Gew.% der
Mischung ausmacht und das Verhältnis von Wasserstoff zu Uran-233 40 - 120 beträgt. Geringe Mengen Spaltstoffe, z. B. 1,7
Gew.% U-233-O2 ändern den Charakter der Zone 42 als Manteloder
Brutzone nicht. Die vorwiegende Aktivität dieser Zone
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besteht also in der Umwandlung von Brutmaterial in spaltbares
Material.
Der Mantelbrutstoff in den oberen und unteren Mantelzonen 44
und 46 besteht aus Thorium-232 in Oxidform und soll ein atomares Verhältnis von Wasserstoff zu Thorium-232 von 0,9 - 3
haben. Die uranhaltige Mantelzone 42 ist stufenweise abgesetzt. Die untere Mantelzone 46 ist entsprechend stufenförmig
ausgebildet. Die Brennstäbe 48 in der ortsfesten Einheit 24 können mehrere Spaltbrennstofftabletten und Brutstofftabletten
in Aufeinanderstapelung enthalten, um so die stufenförmige
Ausbildung zu erhalten. Die Brennstäbe 48 sind in loser Anordnung zusammengebaut und bilden die nasse uranhaltige Mantelzone
42 und die nasse obere und untere Mantelzone 44 und"46.
Wie in der beweglichen Einheit 22 werden die Brennstäbe 48 durch bekannte Mittel in festem gegenseitigem Abstand gehalten«
Infolge der losen Anordnung der Brennstäbe werden die durch die bekannte kompakte Anordnung entstehenden Probleme des
Aufbaus vermieden. Alle Brennstäbe 48 haben nur einen Durchmesser.
Die folgende Tabelle enthält die Abmessungen eines besonders
günstigen Ausführungsbeispiels. Die mit Buchstaben bezeichneten Längen beziehen sich auf die entsprechenden Bezugszeichen
der Figur 2.
- 10 209840/0679.
TABELLE I
| 0 | Pt. | Inch | |
| Gesamthöhe | 0 | 8 | 6 |
| Entfernung über die hexagonalen Flächen | 0 | 1 | 5 |
| Durchmesser der Brennstäbe für die Keimzone | O | ,255 | 0,255 |
| Abstand der Brenristäbe für die Keimzone | ,070 | 0,070 | |
| Durchmesser der Brennstäbe f.d.Mantelzone | ,576 | 0,576 | |
| Abstand der Brennstäbe f. d. Mantelzone | ,055 | 0,055 | |
| Länge a | 9,0 | ||
| Länge b | 14,0 | ||
| Länge c | 3,72 | ||
| Länge d | 4,03 | ||
| Länge e | 4,34 | ||
| Länge f | 4,63 | ||
| Länge g | 4,89 | ||
| Länge h | 5,34 | ||
| Länge i | 6,00 | ||
| Länge j | 6,60 | ||
| Länge k | 7,20 | ||
| Länge 1 | 7,80 | ||
| Länge m | 8,50 | ||
Wie zuvor erwähnt, hatten ortsfeste Keim- oder Spaltzonen in bekannten Brennstoffeinheiten die Aufgabe, für die beweglichen
Keimzonen annehmbare Brennstoffwerte sicherzustellen.
In der erfindungsgemässen Anordnung mit einer einzelnen Keim-
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oder Spaltzone wird der gleiche Effekt durch die Brennstoff-Verteilung
in dent uranhaltigen Mantel 4-2 erzielt. Damit kann die ortsfeste Keimzone und der für diese erforderliche Kanal
fehlen. Der freiwerdende Raum steht für zusätzliches Brutmaterial zur Verfugung. Dadurch ergibt sich eine starke Vergrösserung
der Brutkapazität der Brennstoffeinheit 20. Diese erhöhte Kapazität gestattet ihrerseits wiederum bauliche Ausbildungen,
die wegen ihrer Beeinträchtigung der Brutkapazität bisher für unzulässig gehalten wurden. So ist z. B. die Reaktivität
sregelung mit dem festen und beweglichen Brennstoff ohne Brennstäbe mit zwei verschiedenen Durchmessern möglich
Ferner brauchen die Mantelbrennstäbe nicht mehr dicht gepackt zu werden, denn wegen der verbesserten Brutleistung können
die mit loser Anordnung verbundenen Neutronenverluste an das
Mantelwasser in Kauf genommen werden.
Ferner brauchen die Mantelbrennstäbe nicht mehr dicht gepackt zu werden, denn wegen der verbesserten Brutleistung können
die mit loser Anordnung verbundenen Neutronenverluste an das
Mantelwasser in Kauf genommen werden.
Aus dem Schaubild der Figur 3 ist die Lage ersichtlich, in
der die beweglichen Brennstoffeinheit 22 während der Lebensdauer des Gore kritisch wird; sie zeigt ferner, wie weit
diese zurückgezogen werden muss, um während der Core-Lebensdauer den kritischen Zustand aufrechtzuerhalten. Wie die Figur 3 weiter zeigt, ist die Regelstrecke während der Gore-Lebensdauer gering, d. h. die kritische Stellung des beweglichen Brennstoffs ändert sich während dieses Zeitraums nicht erheblich. Verbesserte Lebensdauer und kleinere Regelstrecke
der die beweglichen Brennstoffeinheit 22 während der Lebensdauer des Gore kritisch wird; sie zeigt ferner, wie weit
diese zurückgezogen werden muss, um während der Core-Lebensdauer den kritischen Zustand aufrechtzuerhalten. Wie die Figur 3 weiter zeigt, ist die Regelstrecke während der Gore-Lebensdauer gering, d. h. die kritische Stellung des beweglichen Brennstoffs ändert sich während dieses Zeitraums nicht erheblich. Verbesserte Lebensdauer und kleinere Regelstrecke
- 12 209840/0 679
sind weitgehend mif den verbesserten Brennstoff viert und die
anfängliche Überschussreaktivität infolge der abgesetzten
Form der Brennstoffeinheit mit nur einer Keim- oder Spaltzone
zuräckzufuhren. Der höhere Brennstoffwert ist auch unter anderen
Gesichtspunkten als dem der Nennleistung: von Interesse.
So kann die 7mt Regelung erforderliche Brennstoffstellung
schneller erreicht werden. Das kann besonders zum schnellen Abschalten des Reaktors wiehtip sein.
Claims (10)
- Patentansprüche(l.JBrennstoffeinheit für den Gore eines Leichtwasser-Brutreaktors mit einem "beweglichen "und einem diesen "umgebenden festen Teil, dadurch gekennzeichnet, dass der senkrecht bewegliche Teil (22) mehrere im Abstand angeordnete, hauptsächlich Spaltmaterial enthaltende Brennstäbe (36) mi"fc einer Keim- oder Spaltzone (34) und wenigstens einer Mantelzone (38, 40) aufweist und der feste Teil (24) mehrere im Abstand angeordnete Kante !brennstabe (48) mit einer vorwiegend mit Brutmaterial und einer geringen Menge Spaltmaterial bestückten Zone (42) und wenigstens einer im wesentlichen mit Brutmaterial bestückten Zone (44, 46) enthält.
- 2. Brennstoffeinheit gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelstäbe als Brutmaterial Thorium-232 enthalten und ihr Abstand so gross ist, dass das atomare Verhältnis von Wasserstoff zu Thorium-232 0,9-3 beträgt.
- 3. Brennstoffeinheit gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine geringe Menge Spaltmaterial enthaltende Zone der Mantelstäbe 0,8-3 Gew.% TJ-233-O2 enthält.- 14 -209840/0679
- 4. Brennstoffeinheit gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das spaltbare Material in der Keimzone Uran-233 ist und der Abstand der Keimzonenbrennstäbe so gross ist, dass das atomare Verhältnis von Wasserstoff zu Uran-233 im Bereich von 30 - 60 liegt.
- 5. Brennstoffeinheit gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die Keimzone bildenden Brennstabteile S - 15 Gew.% U-233-O2 enthalten.
- 6. Brennstoffeinheit gemäss Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstäbe der Keim- und Mantelzone jeweils nur einen Durchmesser haben und in loser Anordnung vorliegen.
- 7. Brennstoffeinheit gemäss Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelne Keimzone abgestuft verjüngt zuläuft .
- 8. Brennstoffeinheit gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mantelzone der beweglichen Einheit mit der Abstufung der Keimzone komplementär abgestuft ausgebildet ist.209840/06 7 9
- 9· Brennstoffeinheit gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine geringe Menge spaltbares Material enthaltende Mantelzone abgestuft verjüngt zuläuft und die im wesentlichen mit Brutmaterial bestückte Mantelzone mit dieser komplementär abgestuft ausgebildet ist.
- 10. Brennstoffeinheit gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, lass die K^imzone PO - 4-0 Vol.9o der Brennsirtffeinheit ausmacht.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US12415071A | 1971-03-15 | 1971-03-15 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE2211038A1 true DE2211038A1 (de) | 1972-09-28 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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Country Status (3)
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| FR (1) | FR2130225B1 (de) |
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1972
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- 1972-03-08 DE DE19722211038 patent/DE2211038A1/de active Pending
- 1972-03-14 FR FR7208876A patent/FR2130225B1/fr not_active Expired
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Also Published As
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| FR2130225B1 (de) | 1975-04-25 |
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| FR2130225A1 (de) | 1972-11-03 |
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