DE1176766B - Gasdicht umhuelltes, keramisches Brennstoffelement fuer Kernreaktoren mit ausbrennbaren Neutronengiften zur Regelung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G 21

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 21g-21/31

B 55741 VIII c/21g
1. Dezember 1959
27. August 1964

Die Erfindung betrifft ein gasdicht umhülltes, keramisches Brennstoffelement für Kernreaktoren mit zwischen dem Brennstoff und dem Moderator angeordneten ausbrennbaren Neutronengiften zur Regelung der Kernreaktoren.

Es ist notwendig, Materialien mit großem Einfangquerschnitt in den Kern eines Atomreaktors zu bringen, um die überschüssige Reaktivität zu regeln. Diese Regelung ist notwendig, um den Reaktor während einer bestimmten Zeitdauer zwischen den Brennstoffbeschickungen auf gleichem Leistungsniveau zu halten. Diese Materialien mit großen Querschnitten werden oft als Neutronengifte bezeichnet. Jeder Reaktor hat eine gewisse Neutronenabsorption in einem oder mehreren Regelstäben, deren Einführung oder Herausziehen einen geregelten Betrieb oder die Stillsetzung des Reaktors bewirkt. Einige der bekannten Gifte können als »ausbrennbare Gifte« bezeichnet werden, weil sie während einer bestimmten Zeit, in der sie der Neutronenströmung ausgesetzt sind, an Wirksamkeit verlieren.

Es ist bekannt, unabhängig von den Regelstäben ausbrennbare Neutronengifte im gesamten Volumen des Reaktorkernes verteilt anzuordnen, damit die zu Beginn des Reaktorbetriebes überschüssige Anfangsreaktivität, die normalerweise durch die beweglichen Regelstäbe kompensiert wird, auf ein Minimum herabgesetzt werden kann. Dadurch wird es ermöglicht, daß der Umfang der kompensierenden Regelapparätur, wie sie zur Steuerung der Regelstäbe notwendig 3c ist, reduziert werden kann.

Die Funktion eines ausbrennbaren Neutronengiftes, das in einem Reaktorkern verteilt ist, besteht darin, die Konzentration von spaltbarem Material in dem Reaktor zu erhöhen, damit eine längere Lebensdauer des Reaktorkernes bei gleichbleibender überschüssiger Anfangsreaktivität erzielt wird. Dabei erfüllt das ausbrennbare Neutronengift den gleichen Zweck wie die bekannten· Regelstäbe, die ebenfalls der Vernichtung von Neutronen dienen. Im Gegensatz zu den Regelstäben verliert jedoch das ausbrennbare Neutronengift, während es Neutronen absorbiert, durch Umwandlung seine Wirksamkeit. Dieser Vorgang wird im allgemeinen als »Ausbrennen« bezeichnet. Das ausbrennbare Neutronengift kann so eingesetzt werden, daß es seine Wirksamkeit in dem Maße verliert, wie das spaltbare Material verbraucht wird. Dadurch kann die Überschußreaktivität des Reaktors während einer Lebensdauer der Füllung mit Brennstoffelementen durch die richtige Wahl der Konzentration des ausbrennbaren Giftes auf einen bestimmten Wert eingeregelt werden. Die wichtigsten Gasdicht umhülltes, keramisches
Brennstoffelement für Kernreaktoren
mit ausbrennbaren Neutronengiften
zur Regelung

Anmelder:

The Babcock & Wilcox Company,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. Dr. E. Karstedt, Patentanwalt,

Oberhausen (RhId.), Lipperheidstr. 30

Als Erfinder benannt:

John Frederick Mumm, Lynchburg, Va.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 2. Dezember 1958

(777 563)

ausbrennbaren Neutronengifte haben etwa die gleichen Einfangquerschnitte für Neutronen wie das spaltbare Material, und die Konzentration wird dann so eingestellt, daß sich die Überschußreaktivität mit der Zeit bei konstanter Regelabstellung nur wenig ändert. Bei einer übermäßig hohen Beschickung mit ausbrennbaren Neutronengiften kann das Verhältnis, in welchem das Gift ausbrennt, anfänglich zu groß sein, verglichen mit dem des Ausbrandes des Brennstoffes, und es wird eine Reaktivitätserhöhung eintreten. Daraus folgt, daß es gewisse kritische Grenzen gibt, innerhalb derer ausbrennbare Neutronengifte verwendet werden können.

Neutronengifte, wie z. B. Bor, sind im allgemeinen Materialien, welche bei Erreichen bestimmter Temperaturgrenzen flüchtig werden. Es ist daher notwendig, das ausbrennbare Neutronengift in einem von Natur aus nicht porösen Material unterzubringen, um den Verlust des Neutronengiftes durch gasförmige Diffusion zu beschränken. Aus Gründen des Wirkungsgrades ist es nun aber notwendig, die Temperatur im Innern der Brennstoffelemente bis an die Schmelztemperatur des Kernbrennstoffes (z. B. des

409 658/335

3 4

Uranoxyds oder der Uranlegierung) heranzuführen. rostfreien Stahls beigemischt. Dabei wird das zusatz-Bei diesen Betriebszuständen wird aber das brenn- liehe Bor während des Standardverfahrens dem Stahl bare Gift bei einer Unterbringung im Kernbrennstoff beigegeben, der zunächst in der herkömmlichen Weise selbst durch thermische Diffusion in kühlere Bereiche geschmolzen und legiert wird, wobei die gewünschte getrieben. Das würde aber bedeuten, daß sich ein grö- 5 Menge Bor nach der endgültigen Desoxydation des ßerer Anteil des Giftes vom aktiven Kern entfernt Stahls hinzugefügt wird. Das Bor wird als Eisenbor und sich an den kühleren Enden der Brennelement- oder als natürliches Borerz hinzugefügt. Die entstäbe ansammelt. Da es sich dann noch innerhalb der stehende Legierung enthält das Bor als ausbrennbares nicht porösen Brennelementhülle befindet, kann es Neutronengift in einer verhältnismäßig festen unzwar nicht nach außen austreten, für den Zweck, den io durchlässigen Form und kann in der gleichen Weise es erfüllen soll (nämlich die Regelung des Reaktivi- wie gewöhnlicher rostfreier Stahl bearbeitet werden, tätsüberschusses im Reaktorkern), ist es dort jedoch In der vorliegenden Ausführungsform wird der rostnahezu bedeutungslos. freie Stahl durchbohrt und zu einem nahtlosen Rohr Dieser Vorgang verläuft naturgemäß bei der Ver- gezogen. Die einzige Einschränkung bei diesem Verwendung eines oxydförmigen Brennstoffes wegen der 15 fahren besteht darin, daß bei der Bearbeitung der Lezwangläufigen Porosität schneller ab. Eine Zulegie- gierung nach dem Hinzufügen des Bors Temperaturen rung des Neutronengiftes ist daher vor allem bei von 1200° C nicht überschritten werden sollten, da oxydförmigen Kernbrennstoffen wenig sinnvoll. bei diesen Temperaturen die Legierung »heißbrüchig« Hierzu kommt noch, daß es außerordentlich schwie- zu werden beginnt.

rig ist, das Neutronengift mit einem Oxyd-Brennstoff 20 In der Zeichnung ist die Reaktivität (Ordinate) zu mischen und in diesem Gemisch eine kontrollierte eines Reaktors in Abhängigkeit von der Betriebszeit Menge des Neutronengiftes während des Herstel- des Reaktors in Tagen (Abszisse) aufgetragen. Dabei lungsverfahrens zurückzuhalten. Bei den bekannten zeigt die ausgezogene Kurve die Reaktivität ohne Verfahren werden die verdichteten Oxyde einem Sin- Borzusatz, während die gestrichelte Kurve die Reakterbetrieb bei hoher Temperatur unterworfen. Bei 25 tivität des Reaktors mit einer Borbeimischung in der den dazu notwendigen Temperaturen vergast und Brennstoffelementumhüllung zeigt. Die Differenz entweicht jedoch das Neutronengift. zwischen den Werten dieser beiden Kurven ist das Ein weiteres Problem entsteht beim Mischen des Maß für die auf Grund der Beimischung des aus-Neutronengiftes mit dem Brennstoff. Es ist außer- brennbaren Neutronengiftes zusätzlich im Kern einordentlich schwierig, Oxyde und ausbrennbares Neu- 30 geleitete Reaktivität.

tronengift in dem notwendigen Verhältnis von etwa Bei Betrachtung des Anfangsteiles der strichlierten 1:10 000 gewichtsmäßig zu mischen und dabei noch Kurve fällt es auf, daß die Reaktivität des Reaktors zusätzlich eine homogene Mischung zu erhalten, bis zu etwa 50 Tagen stark fällt und sich dann bis weiche einen wirksamen Reaktorbetrieb erst ermög- zu einem Maximum von etwa 200 Tagen erhöht, licht. 35 Diese Umkehrung ist ein kritischer Faktor bei der Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, Festsetzung der Menge des ausbrennbaren Neudie homogene Verteilung des Neutronengiftes im Re- tronengiftes, die in den Reaktor gebracht werden aktorkern auch nach längerem Betrieb des Reaktors kann. Es ist ermittelt worden, daß die Größe des Anzu erhalten. stieges und dadurch die Menge des ausbrennbaren Es sind Brennstoffelemente bekannt, bei denen aus- *o Giftes im Reaktor durch den Umfang der Überschußbrennbare Neutronengifte in einer Kernbrennstoff- reaktivität begrenzt werden muß, die anfänglich im legierung verteilt sind. Femer ist es bekannt, Brenn- Reaktor vorhanden und durch bewegliche Regelstäbe Stoffelemente mit einer, das metallische spaltbare Ma- regelbar ist.

terial umschließenden metallischen oder nicht metal- Somit würde bei der vorliegenden Kurve keinerlei

lischen Hülle zu versehen, welche innen mit einem 45 Zufügung von Bor, die eine Überschußreaktivität

Keramik- oder Cermetmantel ausgefüttert ist. Diese von mehr als 1,08 herbeiführen würde, zulässig sein.

Lösungen brachten bezüglich der vorbeschriebenen Bei den bekannten Reaktoren würde die praktische

Probleme nicht den gewünschten Erfolg. Grenze etwa bei 1000 g natürlichem Bor pro Kubik-

Erfindungsgemäß liegt die Lösung der gestellten meter Stahl sein. Diese Menge könnte in den struk-

Aufgabe darin, daß die ausbrennbaren Neutronengifte 50 turellen Materialien des Reaktors, wie beispielsweise

in der äußeren Hülle des Brennstoffelementes ange- in der Brennstoffelementumhüllung, untergebracht

ordnet sind. Dieses Brennstoffelement ist durch die werden, ohne daß gleichzeitig während des Betriebes

Maßnahme gekennzeichnet, daß das Neutronengift des Reaktors die Anfangsreaktivität überschritten

natürliches oder angereichertes Bor ist und als Eisen- wird.

bor oder Borerz der Brennstoffelement-Umhüllung 55 Für den kritischen Wert der Reaktivität, der die beigefügt ist. Dabei kann die Brennstoffumhüllung aus Menge des zuzufügenden ausbrennbaren Neutronen-Stahl, rostfreiem Stahl, Chrom-Nickel-Stahl, Zir- giftes festlegt, ist der Wert im Minimum bei 1,07 konium, Aluminium oder Legierungen der vorgenann- gültig. Bei den in Betracht gezogenen Reaktortypen ten Stoffe bestehen. Zweckmäßigerweise, so haben es würde dieser etwa bei 200 g natürlichem Bor pro die Versuche ergeben, wird das Neutronengift den 60 Kubikmeter Stahl liegen.

Hüllen-Brennstoffmaterialien im Verhältnis von 200 Im allgemeinen kann rostfreier Stahl einer bebis 1000 g pro Kubikmeter beigemischt. stimmten Güteklasse bis zu 60 g Bor pro Kubik-In einem Ausführungsbeispiel besteht der Brenn- meter enthalten, das augenscheinlich im Herstellungsstoff aus einer Mischung von Uran- und Thorium- verfahren von Natur aus vorhanden ist. Diese kleine Oxyden, die von einer Stahlumkleidung aus rost- 65 Menge Bor wird nicht absichtlich zugefügt und sie freiem Stahl umhüllt sind, der etwa 18% Chrom und würde praktisch auch keinerlei Wirkung auf die 8% Nickel enthält. In einem solchen Brennelement Regelung eines Reaktors haben. Erst Beimischungen sind etwa 500 g Bor homogen einem Kubikmeter des von 200 bis 1000 g natürlichen Bors pro Kubik-

meter Stahl beginnen sich auf die Regelung auszuwirken.

Obwohl den Versuchen natürliches Bor zugrunde gelegt wurde, kann beispielsweise auch Europium Verwendung finden. Die dabei zugefügten Mengen entsprechen in etwa dem oben spezifizierten Gehalf an natürlichem Bor. Ebenso kann auch angereichertes Bor verwendet werden, da die Menge dieser Materialien entsprechend den angegebenen Beimengungen an natürlichem Bor eingestellt wird.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Gasdicht umhülltes, keramisches Brennstoffelement für Kernreaktoren mit zwischen dem Brennstoff und dem Moderator angeordneten Neutronengiften, dadurch gekennzeichnet, daß die ausbrennbaren Neutronengifte in der äußeren Hülle des Brennstoffelementes angeordnet sind.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Neutronengift natürliches oder angereichertes Bor ist und als Eisenbor oder Borerz der Brennstoffelementumhüllung beigefügt ist.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Neutronengift Stahl, rostfreiem Stahl, Chrom-Nickel-Stahl, Zirkonium, Aluminium oder Legierungen der vorgenannten Stoffe beigemischt ist.

4. Brennstoffelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bor oder ein anderes Neutronengift den Hüllen-Brennstoffmaterialien im Verhältnis von 200 bis 1000 g pro Kubikmeter beigemischt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 796 989.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 658/335 8.64 © Bundesdruckerei Berlin