DE1151608B - Rod-shaped control element for nuclear reactors - Google Patents

Description

Stabförmiges Regelelement für Atomkemreaktoren Zur Regelung und Abschaltung von Kernreaktoren, insbesondere heterogenen Reaktoren, bedient man sich bekanntlich sogenannter Regel- und Abschaltstäbe, die eine neutronenabsorbierende Substanz, z. B. Cadmium, enthalten. Während die Abschaltstäbe im Betrieb meist oberhalb des Reaktorkernes in Betriebsbereitschaft gehalten werden und damit die Neutronenflußverteilung nicht beeinträchtigen, sind die Regelstäbe je nach Überschußreaktivität des Reaktors ständig mehr oder weniger tief in den Kein eingetaucht. Dies hat bekanntlich eine starke Flußverzerrung und demgemäß im allgemeinen eine Erhöhung der thermischen Spannungen sowie eine ungünstige Spaltstoffausnutzung zur Folge. Bei Reaktoren, deren Leistung durch die maximale Temperatur am Spaltstoffelement begrenzt ist, kommt noch eine Leistungsminderung hinzu.Rod-shaped control element for nuclear reactors For the control and shutdown of nuclear reactors, especially heterogeneous reactors, it is known that so-called control and shutdown rods are used, which contain a neutron-absorbing substance, e.g. B. cadmium. While the shut-off rods are usually kept in readiness for operation above the reactor core and thus do not impair the neutron flux distribution, the control rods are constantly immersed more or less deeply into the void, depending on the excess reactivity of the reactor. As is known, this results in a strong flow distortion and accordingly in general an increase in the thermal stresses as well as an unfavorable utilization of fissile material. In the case of reactors whose output is limited by the maximum temperature at the fission element, there is also a reduction in output.

Ferner ist ein Regel- und Abschaltelement bekanntgeworden, bei dem zur Regelung von einer Relativbewegung zwischen Absorber- und Spaltstoffsubstanz unter entsprechender räumlicher Abdeckung der Substanzen Gebrauch gemacht wird. Dabei ist dem bewegbaren Absorberorgan ein Spaltstoff- oder Reflektororgan mit entsprechend verteilten spaltstoff- bzw. reflektorfreien und spaltstoff- bzw. reflektorbehafteten Zonen benachbart. Dabei wird der Neutronenfluß, der von dieser spaltstoffbehafteten Zone ausgeht, verstärkt, wenn das Absorberelement dieses verläßt, andererseits aber der Neutronenfluß in der Höhe der spaltstofffreien Zonen dadurch geschwächt. Dies gilt allerdings nicht allgemein, da der Regelbereich von der Dimensionierung der Schichtdicken im Regelelement abhängig ist.Furthermore, a control and shutdown element has become known in which to regulate a relative movement between absorber and fissile substance Use is made with appropriate spatial coverage of the substances. In this case, the movable absorber organ is a fission material or reflector organ with corresponding distributed fissile-free or reflector-free and fissile or reflector-afflicted Adjacent zones. Thereby the neutron flux, which is affected by this fissile material Zone goes out, reinforced when the absorber element leaves this, but on the other hand the neutron flux at the level of the fissile-free zones is thereby weakened. this does not apply in general, however, as the control range depends on the dimensioning of the Layer thicknesses in the control element is dependent.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wirkung eines derartigen Elementes zu verbessern und dieses auch in erhöhtem Maße zur Neutronenproduktion heranzuziehen, wodurch sich eine automatische Verringerung der Flußverzerrung im Bereich eines derartigen Regelelementes ergibt.The invention is based on the object, the effect of such To improve element and this also to an increased extent for neutron production to be used, whereby an automatic reduction of the flux distortion in the Range of such a control element results.

Die Erfindung bezieht sich demnach auf ein stabförmiges Regelelement für Atomreaktoren, das gleichzeitig Brennelement ist, bestehend aus einem feststehenden Bauteil, der regelmäßig in Zonen unterteilt ist, von denen jede zweite Spaltstoff enthält und der einen zweiten Bauteil umgibt, der relativ zum feststehenden Bauteil bewegbar und der ebenfalls in Zonen praktisch gleicher Größe wie der feststehende Bauteil unterteilt ist, von denen jede zweite neutronenabsorbierendes Material enthält.The invention accordingly relates to a rod-shaped regulating element for nuclear reactors, which is also a fuel element, consisting of a fixed Component that is regularly divided into zones, every second of which is fissile material and which surrounds a second component which is relative to the stationary component movable and also in zones practically the same size as the fixed one Component is divided, each of which contains a second neutron absorbing material.

Erfindungsgemäß sind die spaltstoffhaltigen Zonen des feststehenden Bauteils auf ihrer Innenseite mit einer Schicht aus neutronenabsorbierendem Material versehen, und die Zonen des beweglichen Bauteiles, die zwischen den Zonen mit neutronenabsorbierendem Material liegen, enthalten Spaltstoff. Diese Anordnung kann dabei auch so vorgesehen sein, daß die feststehenden Spaltstoffzonen schichtweise derart aufgebaut sind, daß von innen nach außen zunächst eine 5 Absorberschicht und dann mehrere Schichten Spaltstoff vorgesehen sind, deren Konzentration an spaltbaren Kernen von innen nach außen abnimmt.According to the invention, the zones of the stationary component containing fissile material are provided on their inside with a layer of neutron-absorbing material, and the zones of the movable component that lie between the zones with neutron-absorbing material contain fissile material. This arrangement can also be provided so that the fixed gap fabric zones are constructed in layers such that and then several layers of fissile material are inside out first a 5 absorber layer provided whose concentration decreases of fissile cores from the inside to the outside.

Die Fig. 1 bis 3 dienen der näheren Erläuterung des Erfindungsgedankens. Dabei stellt die Fig. 1 eine beispielsweise ebene Anordnung zwischen zonenweise eingeteilten festen und bewegbaren Teilen dar, die z. B. auch als Stäbe mit kreuzförmigem Querschnitt aufgebaut sein können. Die Fig. 2 und 3 zeigen ähnliche Anordnungen, die jedoch konzentrisch 5 aufgebaut sind und besondere Kühlmittelkanäle aufweisen. Gegenüber Fig. 1 ist außerdem in diesen Bauformen eine Erhöhung des Spaltstoffgehaltes vorgesehen, so daß damit eine weitere Verbesserung der bereits mit einer Anordnung gemäß Fig. 1 erreichbaren Verhältnisse erzielt wird.FIGS. 1 to 3 serve to explain the concept of the invention in more detail. 1 shows an example of a planar arrangement between fixed and movable parts which are zonally divided and which, for. B. can also be constructed as rods with a cross-shaped cross section. FIGS. 2 and 3 show similar arrangements which, however, are constructed concentrically 5 and have special coolant channels. Compared to FIG. 1 , an increase in the fissile material content is also provided in these designs, so that a further improvement in the conditions that can already be achieved with an arrangement according to FIG. 1 is achieved.

Die Fig. 1 a zeigt das vorliegende Regelelement in der einen Endstellung und die Fig. 1 b in der anderen Endstellung. Mit 2 sind die feststehenden Teile und mit 3 das bewegliche Teil des Regelelementes bezeichnet. Das bewegliche Teil, das z. B., wie bereits erwähnt, plattenförmig gestaltet sein kann, besitzt in gleichmäßigen Abständen angeordnete, Absorbereigenschaften besitzende Zonen 32. Die Zwischenzonen 31 sind nicht mehr frei gelassen oder mit Moderator gefällt wie bei bereits bekannten Ausführangsformen, sondern mit Spaltstoff gefüllt. Die Spaltstoff enthaltenden Zonen 21 der festen Bauteile, die dieses genannte bewegliche Bauteil 3 einschließen, besitzen auf der diesem zugewandten Seite eine dünne Absorberschicht 22. Die zwischen diesen Spaltstoffzonen 21 liegenden Zonen sind nicht mit Spaltstoff gefüllt und können z. B. wie in bekannten Ausführungsformen vom Moderator oder Kühlmittel durchflossen sein. Die Wirkungsweise dieser neuen Regelelementanordnung ist folgende: Die in den Spaltstoffzonen 21 eingebaute Absorberschicht 22 schirmt in der Stellung nach Fig. 1 a die Absorberzonen des beweglichen Teiles 3 nach außen hin ab. Dies beruht darauf, daß die von außen kominenden Neutronen, die die Spaltstoffschicht 21 durchdringen, bereits in der Absorberschicht 22, die verhältnismäßig dünn gehalten werden kann, absorbiert werden und damit nicht tiefer in das Regelelement eindringen können.FIG. 1 a shows the present control element in one end position and FIG. 1 b in the other end position. With 2 the fixed parts and 3 with the movable part of the control element are designated. The moving part that z. B., as already mentioned, can be designed plate-shaped, has evenly spaced, absorber properties possessing zones 32. The intermediate zones 31 are no longer left free or like with moderator as in already known embodiments, but filled with fissile material. The zones 21 of the fixed components containing fissile material, which include said movable component 3 , have a thin absorber layer 22 on the side facing this. B. be traversed by the moderator or coolant as in known embodiments. The operation of this new rule element array is as follows: The built-in the fissile material zones 21 absorber layer 22 shields in the position according to Fig 1 a, the absorber zones of the movable part 3 towards the outside.. This is based on the fact that the neutrons coming from outside, which penetrate the fissile material layer 21, are already absorbed in the absorber layer 22, which can be kept relatively thin, and thus cannot penetrate deeper into the control element.

Dies bedeutet daß die Wirkung dieser Zone 21 auf den Neutronenfluß in jeder Lage des bewegbaren Regelelementes 3 gleich groß ist. Gegenüber den bekannten Anordnungen befindet sich aber in dieser Stellung die Spaltstoffzone 31 des bewegbaren Teiles 3 im Fenster 23 der festen Bauteile und nimmt daher an der Neutronenproduktion des gesamten Elementes teil. Damit wird erreicht, daß die Flußverzerrung entlang des Regelelementes gegenüber bekannten Ausführungsformen wesentlich geringer wird. Wird nunmehr das bewegbare Teil 3 gemäß Fig. 1 b in die andere Endlage, die Abschaltstellung, gebracht, so befinden sich die absorberbehafteten Zonen 32 im Fenster 23 der festen Bauteile.This means that the effect of this zone 21 on the neutron flux is the same in every position of the movable control element 3. In contrast to the known arrangements, however, in this position the fission material zone 31 of the movable part 3 is in the window 23 of the fixed components and therefore takes part in the neutron production of the entire element. This ensures that the flow distortion along the control element is significantly less than in known embodiments. If the movable part 3 according to FIG. 1 b is now brought into the other end position, the shut-off position, the absorber-affected zones 32 are located in the window 23 of the fixed components.

Die sich nun innerhalb der Spaltstoffzonen 21 des festen Bauteiles befindlichen Spaltstoffzonen des beweglichen Bauteiles 31 beeinflussen die Neutronenproduktion der ersteren nicht, da, wie bereits erwähnt, die von außen eindringenden Neutronen die dünne Absorberschicht 22 nicht durchdringen können. Dagegen treten die Absorberabschnitte 32 in volle Wirksamkeit, d. h. wenn nach Fig. la von diesen Zonen in Höhe der Fenster 23 eine Neutronenproduktion ausging, so findet numnehr eine Neutronenabsorption statt. Der Regelbereich ist also gegenüber früheren Anordnungen dadurch wesentlich erhöht. Selbstverständlich ist es auch möglich, diese Regeleinrichtung in z. B. koaxialer oder auch anderer Weise auszuführen. The fissile material zones of the movable component 31 now located within the fissile material zones 21 of the fixed component do not influence the neutron production of the former, since, as already mentioned, the neutrons penetrating from the outside cannot penetrate the thin absorber layer 22. In contrast, the absorber portions 32 come into full effect, d. H. If, according to FIG. 1a, neutron production started from these zones at the level of the window 23 , then neutron absorption now takes place. The control range is therefore significantly increased compared to previous arrangements. Of course, it is also possible to use this control device in z. B. perform coaxial or otherwise.

Die Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung dieser beschriebenen Anordnung. Sie zeigt koaxialen Aufbau und ist mit ringförmigen Kühlkanälen 6, 7 und 8 versehen. Das ganze Regelclement ist in einem Leitrohr 4 untergebracht. Im Unterschied zur Anordnung nach Fig. 1 ist der bewegbare Stab 30 außerdem zum Durchtritt des Kühlmittels mit einer Bohrung 5 versehen. Außerdem sind die ursprünglichen spaltstofffreien Zonen des feststehenden Teiles ebenfalls mit Spaltstoff 230 gefüllt, wobei die Spaltstoffzonen 210 des feststehenden Teiles 20 aus angereichertem Spaltstoff bestehen und ebenfalls innen mit einer dünnen Schicht Absorbermaterial 220 ausgerüstet sind. Diese Anordnung ist innerhalb des Leftrohres 4 nochmals unter Belassung der bereits erwähnten Kühltnittelringspalte mit einem Rohr 240 aus Spaltstoff umgeben.Fig. 2 shows an advantageous development of this described arrangement. It has a coaxial structure and is provided with annular cooling channels 6, 7 and 8 . The entire control element is housed in a guide tube 4. In contrast to the arrangement according to FIG. 1 , the movable rod 30 is also provided with a bore 5 for the coolant to pass through. In addition, the original fissile-free zones of the fixed part are also filled with fissile material 230 , the fissile material zones 210 of the fixed part 20 being made of enriched fissile material and also being equipped with a thin layer of absorber material 220 on the inside. This arrangement is surrounded again within the left tube 4 with a tube 240 made of fissile material, leaving the cooling medium ring gaps already mentioned.

Die Fig. 2 a zeigt dieses Element in der einen Endstellung und die Fig. 2b in der anderen, während Fig. 2 c einen Querschnitt entlang der Linie II-II darstellt. Die gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 ebenfalls mit Spaltstoff gefüllten Fenster 230 ändern am Regelverhalten der ganzen Anordnung wenig, es werden dadurch die Flußverzerrungen entlang des Regelelementes, die in der Abschaltstellung gemäß Fig. 1 b bestehen können, nivelliert und die gleichzeitige Wirkung dieses Elementes als Brennelement erhöht. Die gleiche Bedeutung kommt dem Spaltstoffrohr 240 zu, das, kernphysikalisch gesehen, ein Teil dieser Schicht 230 bzw. 210 ist und lediglich zur Schaffung eines Kühknittelspaltes als getrenntes Bauteil vorgesehen ist. Die Anreicherung des Spaltstoffes in der Schichtung 210 dient dazu, die Neutronenbilanz des Regelelementes in der Betriebsendstellung der eines normalen Brennelementes anzugleichen. Da der angereicherte Brennstoff in Gebieten mit verminderter Neutronenflußdichte angeordnet ist, tritt eine thermische überbeansprachung bei normaler Kühlung nicht auf. Der Abbrand des angereicherten Materials ist dadurch ebenfalls entsprechend vermindert.FIG. 2a shows this element in one end position and FIG. 2b in the other, while FIG. 2c shows a cross section along the line II-II. The comparison with the embodiment of FIG. 1 is also filled with fissionable material window 230 to change the control behavior of the entire arrangement little, it will thereby Flußverzerrungen along the control element, which in the shut-off position according to FIG. 1 b may be made, leveled and the concomitant effect of this element increased as a fuel assembly. The same importance is attached to the fissile material pipe 240, which, from the point of view of the core physics, is part of this layer 230 or 210 and is only provided as a separate component to create a cooling agent gap. The enrichment of the fissile material in the stratification 210 serves to adjust the neutron balance of the control element in the final operating position to that of a normal fuel element. Since the enriched fuel is located in areas with reduced neutron flux density, thermal overstress does not occur with normal cooling. The burn-up of the enriched material is also reduced accordingly.

Wie bereits erwähnt, sind infolge der großen räumlichen Wirkung des Regelbrennelementes die Flußverzerrungen am Ort der Brennelemente im Vergleich zu Regelstäben bei gleicher Änderung der Reaktivität wesentlich geringer. Damit ist auch eine entsprechende Leistungssteigerting des gesamten Reaktors möglich.As already mentioned, due to the large spatial effect of the Standard fuel element compared to the flow distortions at the location of the fuel elements Control rods with the same change in reactivity are significantly lower. So is A corresponding increase in the performance of the entire reactor is also possible.

Es wird noch darauf hingewiesen, daß die Zonen 310 des bewegbaren Teiles 30 ähnlich wie die Zonen 210 angereicherten Spaltstoff enthalten, damit in der »Brennelementstellung« eine annähernd gleiche Neutronenproduktion entlang des ganzen Regelelementes stattfindet, und der Regelbereich vergrößert wird.It should also be pointed out that the zones 310 of the movable part 30, similar to the zones 210, contain enriched fissile material, so that in the "fuel element position" approximately the same neutron production takes place along the entire control element and the control range is increased.

Die Fig. 3 a und 3 b zeigen eine ähnliche Ausführungsform wie Fig. 2, nur ist das feststehende Teil nicht in getrennte Zonen 210 und 230 unterteilt, sondem besteht aus einem durchgehenden, aus angereichertem Spaltstoff bestehenden Rohr 211, das auf der Innenseite in gleichen Abständen entsprechend Fig. 2 a mit Absorberbelägen 220 versehen ist.The Fig. 3 a and 3 b show an embodiment similar to Fig. 2, only is not divided into separate zones 210 and 230, the fixed part, Segregate consists of a continuous, consisting of enriched nuclear fuel pipe 211, the same on the inside in At intervals according to FIG. 2 a, it is provided with absorber coverings 220.

Die in Fig. 2 und 3 gezeigten Bauformen der Regeleinrichtung ermöglichen dieselbe der Form eines normalen zylindrischen Brennelementes anzupassen und sie dementsprechend auch an normalen Gitterplätzen für Brennelemente im Reaktorkern einzusetzen.The designs of the control device shown in FIGS. 2 and 3 enable the same to be adapted to the shape of a normal cylindrical fuel element and accordingly also to be used in normal grid locations for fuel elements in the reactor core.

Abschließend sei noch erwähnt, daß die Absorberschicht 220 ganz entfallen kann, wenn die Dicke der Spaltstoffzonen 210 und 240 so groß gemacht werden kann, daß in den Innenraum des Bauteiles 210 keine Neutronen mehr gelangen. Das gleiche gilt für den Fall einer genügend hohen Anreicherung der Spaltstoffschicht 210. Außerdem sei noch erwähnt, daß an Stelle des Spaltstoffes im beweglichen Teil 30 auch eine moderierende Substanz treten kann. ]Tadurch wird ein Teil des schnellen Neutronenflusses moderiert und damit der Regelbereich erweitert.Finally, it should be mentioned that the absorber layer 220 can be omitted entirely if the thickness of the fissile material zones 210 and 240 can be made so great that no neutrons can get into the interior of the component 210. The same applies to the case of a sufficiently high concentration of the fissile material layer 210. It should also be mentioned that a moderating substance can also be used in place of the fissile material in the movable part 30. ] This moderates part of the fast neutron flux and thus expands the control range.

Claims (4)

PATENTANSPRUCHE: 1. Stabförmiges Regeleleinent für Atomkernreaktoren, das gleichzeitig Brennelement ist, bestehend aus einem feststehenden Bauteil, der regelmäßig in Zonen unterteilt ist, von denen jede zweite Spaltstoff enthält und der einen zweiten Bauteil umgibt, der relativ zum feststehenden Bauteil bewegbar ist und der ebenfalls in Zonen praktisch gleicher Größe wie der feststehende Bauteil unterteilt ist, von denen jede zweite neutronenabsorbierendes Material enthält, dadurch -gekennzeichnet, daß die spaltstoffhaltigen Zonen des feststehenden Bauteils auf ihrer Innenseite mit einer Schicht aus neutronenabsorbierendem Material versehen sind und die Zonen des beweglichen Bauteiles, die zwischen den Zonen mit n,1-utronenabsorbierendem Material liegen, Spaltstoff enthalten. PATENT CLAIMS: 1. Rod-shaped control element for atomic nuclear reactors, which is also a fuel element, consisting of a stationary component which is regularly divided into zones, each of which contains fissile material and which surrounds a second component which is movable relative to the stationary component and which also is divided into zones of practically the same size as the stationary component, each of which contains second neutron-absorbing material, characterized in that the zones of the stationary component containing fissile material are provided on their inside with a layer of neutron-absorbing material and the zones of the movable component, which lie between the zones with n.1-utron-absorbing material, contain fissile material. 2. Regelelement g nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehenden, Absorberschichten enthaltenden Spaltstoffzonen schichtweise derart aufgebaut sind, daß von innen nach außen zunächst eine Absorberschicht und dann mehrere Schichten Spaltstoff vorgesehen sind, deren Konzentration an spaltbaren Kernen von innen nach außen abnimmt. 2. control element g according to claim 1, characterized characterized in that the stationary, absorber layers containing fissile material zones are built up in layers in such a way that from the inside to the outside initially an absorber layer and then several layers of fissile material are provided, their concentration of fissile Cores decreases from the inside out. 3. Regelelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn eicbnet, daß die nach innen mit neutronenabsorbierendem Material abgeschirmten Spaltstoffzonen des feststehenden äußeren Bauteils angereicherten Spaltstoff enthalten und die dazwischenliegenden Zonen mit Spaltstoff versehen sind. 3. Control element according to claim 1 or 2, characterized in that the inwardly shielded with neutron-absorbing material zones of the fixed outer component contain enriched fissile material and the intermediate zones are provided with fissile material. 4. Regelelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es einen zylindrischen koaxialen Aufbau hat und in einem bestimmten Abstand von einem Rohr aus Spaltstoff umgeben ist, das wiederum in einem bestimmten Abstand von einem Kühlmittelleitrohr umgeben ist. In Betracht gezogene Druckschriften: »Neues aus der Technik«, 1960, Nr. 5, S. 2.4. Control element according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that it has a cylindrical coaxial structure and is surrounded at a certain distance by a pipe made of fissile material, which in turn is surrounded at a certain distance by a coolant pipe. Considered publications: "Neues aus der Technik", 1960, No. 5, p. 2.