DE1247502B - Steuerstab mit Selbstabschirmung fuer einen Kernreaktor - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Q.:

G21d

Deutsche Kl.: 21 g - 21/31

Nummer: 1 247 502

Aktenzeichen: G 34547 VIII c/21_:

Anmeldetag: 22. März 1962

Auslegetag: 17. August 1967

Die Erfindung befaßt sich mit einem Steuerstab mit Selbstabschirmung für Kernreaktoren, der Elemente enthält, welche ein starkes Neutronenabsorptionsvermögen aufweisen und durch Neutroneneinfang in andere Elemente oder Isotope umgewandelt werden, die ein erheblich niedrigeres Neutronenabsorptionsvermögen als die Ausgangselemente oder -isotope haben, und dessen Absorptionsvermögen im Reaktorkern bei Betrieb des Kernreaktors im gleichen Maße wie die Überschußreaktivität abnimmt.

Der Steuerstab für einen Kernreaktor ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß er aus ineinanderliegenden Schalen aufgebaut ist, die neutronenabsorbierende Elemente in von Schale zu Schale unterschiedlicher Konzentration enthalten.

Ein Reaktor weist im allgemeinen einen aktiven Kern auf, der einen Brennstoff (spaltbares Material), ein Moderatormaterial und einen Reflektor zur Reflexion entweichender Neutronen enthält sowie Steuer- und Meßelemente, Vorrichtungen zur Wärmeabführung und eine geeignete Abschirmung.

Ein Reaktor wird in der Regel so konstruiert, daß er mehr als die kritische Menge spaltbaren Brennstoffes enthält, so daß der effektive Multiplikationsfaktor größer als 1 gemacht werden kann. Der effek- tive Multiplikationsfaktor ist das Verhältnis der Anzahl der Neutronen, die durch Spaltung in jeder Generation erzeugt werden zur Anzahl der Neutronen, die in der vorangehenden Generation vorhanden sind. Normalerweise wird der Multiplikationsfaktor durch Einführung eines oder mehrerer Steuerstäbe, in den Reaktor gesteuert, die Neutronen im Reaktor absorbieren und sie dadurch der Bewirkung von Spaltungen entziehen.

Die Ausgangsleistung eines Reaktors ist proportional zum Neutronenfluß und zur Dichte der Neutronen im Reaktor. Eine Änderung der Ausgangsleistung kann entweder dadurch hervorgerufen werden, daß man wenigstens teilweise die Steuerstäbe aus dem Reaktorkern herauszieht und so den Multiplikationsfaktor größer als 1 macht, wodurch die Ausgangsleistung erhöht wird, oder indem man wenigstens teilweise Steuerstäbe in den Reaktorkern einführt, um den Multiplikationsfaktor kleiner als 1 zu machen, wodurch die Ausgangsleistung verringert wird. Hat die Leistung einen gewünschten Pegel erreicht, werden die Steuerstäbe wieder so verstellt, daß sich erneut der Multiplikationsfaktor 1 ergibt. Bei einem vorgegebenen Reaktor hängt die Rate, mit der sich die Neutronendichte und damit die Ausgangsleistung erhöht oder erniedrigt, von dem Betrag ab, um den der Multiplikationsfaktor größer bzw. kleiner Steuerstab mit Selbstabschirmung
für einen Kernreaktor

Anmelder:

General Dynamics Corporation,

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

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dr.-Ing. A. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann

und Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke, Patentanwälte,

München 27, Möhlstr. 22

Als Erfinder benannt:

John Bertram Dee jun.,

Rancho Santa Fe, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 24. März 1961 (98 160)

als 1 ist. Zur Außerbetriebsetzung des Reaktors werden die Steuerstäbe hinreichend weit in den Reaktorkern eingeführt, so daß der Multiplikationsfaktor beträchtlich kleiner als 1 wird. Dadurch werden die Neutronendichte und die Ausgangsleistung auf einen vernachlässigbaren Pegel erniedrigt.

Zur wirksamen Steuerung des Betriebes des Reaktors ist es notwendig, den Reaktor mit einem Steuersystem auszurüsten, das die Steuerstäbe in jede gewünschte Stellung in dem Reaktorkern bewegen kann. Ferner ist es notwendig, das Steuersystem mit Mitteln zu versehen, die es gestatten, aus Sicherheitsgründen oder anderen Gründen den Reaktor sofort außer Betrieb zu setzen.

Eine gewisse Zeit lang begleitet eine Verminderung der Überschußreaktivität des Reaktors eine Verminderung des Neutronenflusses. Dieser Zusammenhang kann linear oder nichtlinear sein, je nach den Reaktorparametern; in hohem Maße hängt dies ab vom Abbrennzustand des Brennstoffes und ebenfalls teilweise von der allmählichen Ansammlung neutro-

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nenabsorbierender Stoffe, die aus den Spaltprozessen herrühren. Die Verminderung des Neutronenflusses ist ihrerseits von einer Verminderung der Ausgangsleistung des Reaktors begleitet. Zur Kompensation oder zur Verhütung einer Verringerung der Ausgangsleistung eines Reaktors während seiner Betriebslebensdauer ist es in der Regel nötig, fortlaufend die Stellung der Steuerstäbe im Reaktorkern zu verändern, und zwar jeweils derart, daß der Neutronenfluß und die Ausgangsleistung auf im wesentlichen konstanten Pegeln gehalten werden.

Nach »Proceedings of the Sec. U. N. Int. Conf. on Peaceful Uses of Atomic Energie«, Vol. 13, Bericht P/1900 USA., S. 426 bis 445, und »Reactor Handbook Material«, 1960, Bd. I, Part D, Kap. 35.6, S. 781 und 782, ist es bekannt, Steuerstäbe mit einem Material zu verwenden, bei dem die zeitliche Abnahme des Absorptionsvermögens bei Betrieb im Kernreaktor der Abnahme der Überschußreaktivität des Kernreaktors angepaßt ist.

Diese Steuerstäbe sind im allgemeinen aber als einheitliche Gebilde konstruiert und den jeweiligen Erfordernissen eines vorgegebenen Kernreaktors angepaßt. Sie sind also in der Regel nicht in Reaktoren brauchbar, deren Parameter von den Parametern des Reaktors abweichen, für den sie vorgesehen sind.

Durch die Erfindung werden Steuerstäbe geschaffen, die in einer Mehrzahl von Kernreaktoren mit unterschiedlichen Parametern brauchbar sind. Die Steuerstäbe nach der Erfindung sind derart konstruiert, daß ihre Komponenten standardisiert und austauschbar ausgebildet werden können. Aus solchen standardisierten Komponenten können den jeweiligen Erfordernissen entsprechende Steuerstäbe zusammengebaut werden.

Der Zusammenbau ist relativ einfach. Ferner kann mittels der vorliegenden Steuerstäbe leicht die beschriebene Herabsetzung des Neutronenflusses und die Ausgangsleistung im Lauf der Zeit kompensiert werden, ohne daß eine häufige Neueinstellung der Steuerstäbe im Reaktor notwendig ist. Darüber hinaus können die. Steuerstäbe derart konstruiert werden, daß sie relativ feine Einstellungen und eine genaue Steuerung der Reaktivität des Reaktors ermöglichen.

Die Erfindung liefert also in erster Linie Steuerstäbe für Kernreaktoren, deren Komponenten leicht standardisiert werden können, so daß sie aus diesen Komponenten derart zusammengesetzt werden können, daß den Erfordernissen eines vorgegebenen Kernreaktors Genüge getan wird. Ferner schafft die Erfindung einen Steuerstab, der in einer Mehrzahl von Kernreaktoren Verwendung finden kann.

Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Figuren.

Fig. 1 zeigt eine Teilansicht eines Steuerstabes von der Seite aus gesehen und teilweise im Schnitt;

F i g. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie 2-2 der

F i g. 3 zeigt zwei graphische Darstellungen des Reaktivitätsverlustes während der Reaktorlebensdauer.

Der Steuerstab weist eine Mehrzahl von ineinanderliegenden Schalen auf. Jede Schale enthält einen Stoff aus Elementen, welche ein starkes Neutronenabsorptionsvermögen aufweisen und durch Neutroneneinfang in andere Elemente oder Isotope umgewandelt werden, die ein erheblich niedrigeres Neutronenabsorptionsvermögen als die Ausgangselemente oder -isotope haben (ausbrennbarer neutronenabsorbierender Stoff). Dieser Stoff ist gleichmäßig über die Schale in vorgegebener Konzentration verteilt. Der ausbrennbare neutronenabsorbierende Stoff kann in ein geeignetes temperaturstabiles Füllmaterial eingebaut sein. Die Konzentration des Stoffes ist von Schale zu Schale verschieden, je nach den Erfordernissen des Reaktors. Die Mehrzahl der Schalen kann innerhalb eines Außenbehälters aus geeignetem Material angeordnet sein, beispielsweise in einem Außenbehälter aus Metall od. dgl., so daß die Handhabung erleichtert wird, die Festigkeit des Aufbaues erhöht wird und die Schalen geschützt werden. Innerhalb jedes Steuerstabes können eine oder mehrere aus einzelnen Schalen aufgebaute Einheiten sein. Ein vorgegebener Steuerstab kann beispielsweise eine Mehrzahl von solchen Einheiten enthalten. Beispielsweise ist jede Einheit auf die folgende aufgesetzt (gestapelt), so daß ein Steuerstab beträchtlicher Länge entsteht. Jede Schale kann sich aber auch über die Gesamtlänge des aktiven Teiles des Steuerstabes erstrecken.

Die Anordnung einer Mehrzahl von Schalen gestattet eine große Flexibilität und Anpassungsfähigkeit der Anordnung bezüglich den Erfordernissen eines vorgegebenen Reaktors. Die Schalen können im Hinblick auf verschiedene Giftstoffkonzentrationen, Abmessungen und Formen standardisiert sein. Die einzelnen Schalen können dann nach Wunsch ausgewählt und in geeigneter Weise zu einer Einheit zusammengestellt werden, und eine oder mehrere Einheiten können in den Außenbehälter in vorgegebener Reihenfolge eingesetzt werden, so daß dann ein Stab entsteht, der den Erfordernissen eines vorgegebenen Reaktors oder einer Serie von Reaktoren genügt. Die Steuerstäbe sind derart konstruiert, daß der Reaktivitätsverlust innerhalb des Reaktors kompensiert wird, so daß während der Betriebslebensdauer der Steuerstäbe im Normalbetrieb keine Neueinstellung der Steuerstäbe in dem Kern erforderlich ist, um einen vorgegebenen Neutronenfluß und eine vorgegebene Ausgangsleistung aufrechtzuerhalten. Die Gesamtgröße und Form des Steuerstabes kann ferner von Ort zu Ort verschieden sein, je nach den unterschiedlichen Neutronendichten in den verschiedenen Bereichen des Reaktorkernes.
F i g. 1 zeigt in Seitenansicht einen Teil eines Steuerstabes. Er weist eine Mehrzahl ineinanderliegender konzentrischer Abschnitte in Form von Schalen 9 auf. Diese Schalen können von irgendeiner Form und Größe sein, die den Reaktorparametern entspricht. Überdies können sie derart zueinander bemessen sein, daß sie leicht zusammenfügbar sind. Beispielsweise können sie so bemessen sein, daß sie, wenn sie ineinandergefügt sind, gegeneinander verschiebbar sind und sich dabei berühren. Ferner kann die äußerste Schale derart bemessen sein, daß sie den Außenbehälter berührt und ihm gegenüber verschiebbar ist. Andererseits können die Schalen und Außenbehälter auch in Druckpassung zusammengefügt sein, wodurch dann Hohlräume im Stab verringert oder ausgeschlossen werden.

Die Schalen haben meist eine im wesentlichen zylindrische Form, wie sie in F i g. 2 dargestellt ist, jedoch können die Schalen auch, falls dies gewünscht ist, quadratischen, O-förmigen, ovalen, rechteckigen

oder polygonalen Querschnitt haben. Jede Schale, mit Ausnahme der innersten, hat einen Mittelhohlraum, in den eine andere Schale einzusetzen ist, wie aus F i g. 2 ersichtlich. Die innere Schale 13 braucht keinen Mittelhohlraum zu haben, sondern kann, wie aus F i g. 2 ersichtlich, im Inneren fest sein.

Jede Schale kann aus einem geeigneten Füllmaterial hergestellt sein, dessen Struktur bei der Betriebstemperatur des Kernreaktors stabil ist. Als Füllmaterial eignet sich beispielsweise Aluminium, Zirkon ίο oder ein anderes Metall. Vorzugsweise wird jedoch ein hochtemperaturbeständiges keramisches Material verwendet, wie Tonerde, Berryliumerde, Zirkonerde oder ein anderes geeignetes Metalloxyd. Der ausbrennbare neutronenabsorbierende Stoff wird vorzugsweise gleichmäßig in dem Füllstoff jeder Schale verteilt. Vorzugsweise befindet sich der ausbrennbare neutronenabsorbierende Stoff in feinverteilter körniger Form innerhalb des Füllmaterials, wie aus Fig. 2 ersichtlich. Der Steuerstab kann in Kernreaktoren, die mit thermischen Neutronen betrieben werden, weithin benutzt werden. In solchen Fällen wird ein Stoff verwendet, der eine hohe Absorptionsfähigkeit für thermische Neutronen hat. Es eignen sich vorzugsweise Gadoliniummetall, Gadoliniumverbindüngen, Cadmiummetall, Cadmiumverbindungen, Samariummetall, Samariumverbindungen und Mischungen dieser Metalle und/oder Verbindungen. Gadolinium ist insbesondere geeignet, da es den größten thermischen Neutronenabsorptionsquerschnitt unter den angeführten Stoffen hat und ferner eine relativ geringe epithermische Absorption, d. h., Gaolinium absorbiert Neutronen in dem epithermischen Energiebereich (über dem thermischen Energiebereich) nur sehr wenig. Samarium hat den nächst- 3s größten thermischen Neutronenabsorptionsquerschnitt, jedoch den Nachteil, daß es Neutronen oberhalb des thermischen Energiebereiches in stärkerem Maß absorbiert als Gadolinium. Cadmium ist ein besonders geeigneter Absorber für thermische Neutronen, insbesondere deswegen, Weil es epithermische Neutronen nur außerordentlich wenig absorbiert. Sowohl Cadmium als auch Samarium sind für eine konstante Stoffabbrennrate geeignet. Es kann entweder Gadolinium-115 oder Gadolinium-157 mit Erfolg verwendet werden, ebenso Samarium-149 und Cadmium-113 entweder in metallischer Form oder als Verbindung. Bei Verwendung von Gadolinium-157 hat sich herausgestellt, daß eine sehr kleine Partikelgröße in der Regel zu besten Resultaten führt. Die Partikeln können beispielsweise etwa 0,33 μ groß sein.

Die verschiedensten Verbindungen der angeführten Metalle können verwendet werden, beispielsweise Gadoliniumoxyd, Samariumoxyd, Cadmiumoxyd u. dgl. Jede solche Verbindung, die mit dem Füllmaterial verträglich ist, temperaturstabil ist und die thermische Neutronenabsorptionsfähigkeit des Giftstoffmetalls in beträchtlichem Ausmaß nicht verringert, kann verwendet werden.

Der neutronenabsorbierende Stoff kann innerhalb des Füllmaterials während der Herstellung der Schalen durch geeignete Mittel gleichmäßig verteilt werden. Beispielsweise kann gepulvertes Füllmaterial gleichmäßig mit einer geeigneten Konzentration gepulverten Giftstoffes gemischt werden und dann kann die Pulvermischung zu einem keramischen Körper gewünschter Größe und Form umgebildet werden, wozu irgendein geeignetes übliches Brennverfahren angewendet werden kann oder sonst ein Verfahren zur Verarbeitung keramischer Massen. Es kann die Pulvermasse in eine Form gebracht und heiß gepreßt werden, worauf eine Schlußbearbeitung folgt oder auch nicht, so daß die Schale ihre gewünschten Abmessungen innerhalb der geforderten Grenze erhält.

Die Wanddicke jeder Schale beträgt meist den Bruchteil eines Zentimeters. Jede Schale kann eine Länge haben, die der Gesamtlänge des Steuerstabes entspricht oder nur einem Bruchteil der Länge des Steuerstabes. In den meisten Fällen ist es günstiger, Schalen von nur einigen Zentimetern Länge herzustellen. Eine Mehrzahl ineinandergefügter Einheiten 15 dieser Schalen können, wie aus F i g. 1 ersichtlich, bis zu einer gewünschten Höhe aufeinandergestapelt werden und damit den aktiven Teil 17 des Steuerstabes bilden. Ein solcher Aufbau gestattet eine maximale Flexibilität bezüglich der Einstellung der Konzentration des neutronenabsorbierenden Stoffes im Steuerstab von Punkt zu Punkt in seiner Längsausdehnung zur Kompensation von Schwankungen der Neutronendichte innerhalb des aktiven Teiles des Reaktorkernes. Der Gesamtdurchmesser jeder Schale hängt von den Parametern des Reaktors ab und von ihrer Lage innerhalb einer bestimmten Einheit 15. Der Durchmesser kann daher zwischen einem Bruchteil eines Zentimeters und einigen Zentimetern oder mehr liegen. Ein typisches Beispiel einer Schaleneinheit für einen Steuerstab ist in F i g. 2 dargestellt. Es sind vier konzentrische Schalen 9 vorgesehen, die zu einer Einheit 15 zusammengefügt sind. Der Gesamtdurchmesser beträgt in diesem Fall etwa 3,82 cm. Eine Mehrzahl solcher Einheiten 15 können beispielsweise bis zu einer Gesamtlänge von etwa 35,6 cm in dem Außenbehälter übereinandergestapelt werden. Diese Länge entspricht der Länge des aktiven Teils eines vorgegebenen Reaktorkernes, in den der Steuerstab einzusetzen ist. .

Die gestapelten Einheiten 15 ineinanderliegender Schalen können, falls dies gewünscht ist, durch geeignete Abstandsscheiben 19, wie in F i g. 1 dargestellt, voneinander getrennt werden. Die Abstandsscheiben können aus irgendeinem geeigneten temperaturstabilen Material bestehen, etwa aus einem Metall, wie Aluminium, Zirkon, nichtrostendem Stahl, oder aus einer Keramik, wie einem feuerfesten Metalloxyd, wie Tonerde, Berryliumerde, Zirkonerde. Die Scheiben sind vorzugsweise sehr dünn, fest und zylindrisch. Ihre Dicke beträgt vorzugsweise einen Bruchteil eines Zentimeters; ihr Durchmesser liegt vorzugsweise in der Größe des Durchmessers der Schaleneinheiten 15.

Der Behälter 11, der nach den F i g. 1 und 2 um die Schaleneinheiten 15 und die Scheiben 19 herum liegt, kann aus irgendeinem geeigneten Material sein, das bei der Betriebstemperatur des Reaktors stabil ist. Beispielsweise kann er aus Aluminium-Zirkon-Legierung, nichtrostendem Stahl oder ähnlichem Metall bestehen. Auch kann er aus einem keramischen Stoff· bestehen oder aus sonst einem hochtemperaturbeständigen Material. Die Dicke des Behältermäntels kann den jeweiligen Stärken angepaßt sein und daher unterschiedlich sein. In der Regel reicht eine relativ dünne Wandung aus, etwa eine Wandung, die einen Bruchteil eines Zentimerts dick ist. Der Behälter kann derart bemessen sein, daß die Schaleheinheiten gleitend in ihn eingeschoben werden können, um auf-

einandergestapelt zu werden. Die Passung zwischen der Außenfläche jeder Außenschale 21 und der Innenfläche des Behälters 3 kann auch inniger sein, beispielsweise kann ein Drucksitz vorgesehen sein; der Behälter kann auch als Umkleidung auf der Außenfläche jeder Schale 21 jeder Einheit eines zusammengesetzten Stapels von Einheiten liegen.

Ein Behälter ist nicht erforderlich, wenn das Material, aus dem die Schalen bestehen, mit der Umgebung, d. h. mit der Innenseite und der Außenseite des Reaktorkerns nicht reagiert und wenn nur eine Schaleneinheit 15 für den Steuerstab verwendet werden muß. Der Behälter erleichtert, wenn er vorhanden ist, nicht nur die Handhabung des Steuerstabes und erhöht nicht nur dessen strukturelle Festigkeit, sondern schützt auch die Schalen vor dem Kühlmittel des Reaktors und überhaupt gegenüber der Umgebung. Ferner dient der Behälter als Abstützung des Stapels ineinandergefügter Schaleneinheiten. Dementsprechend wird in vielen Anwendungsfällen ein Behälter vorgesehen sein.

Der nicht dargestellte Rest des Steuerstabes, d. h. sein nicht aktiver Teil (wenn er überhaupt vorhanden ist) kann beispielsweise einen üblichen oberen Abschnitt oder Kopf aufweisen, der es gestattet, den Steuerstab leicht herauszuziehen, einzusetzen und ihn in bezug zum Reaktorkern einzustellen, und der es ferner gestattet, ihn in geeigneter Weise lösbar mit nicht dargestellten Greifern, Haken u. dgl. zu verbinden. Ein solcher Kopf kann, beispielsweise aus Metall, wie Aluminium, nichtrostendem Stahl, hergestellt sein. Der Steuerstab kann ferner mit einem üblichen nicht aktiven unteren Abschnitt oder Ende (nicht dargestellt), wenn gewünscht, versehen sein und derart geformt sein, daß die vertikale Ausrichtung und Abstützung des Steuerstabes im Reaktorkern erleichtert wird. Der Boden des Steuerstabes kann beispielsweise mit einer Kupplung oder einem Stiel (nicht dargestellt) versehen sein, der in eine geeignete Öffnung (nicht dargestellt) im Gitterplattenboden des Reaktorkerns paßt. Der aktive Teil des Steuerstabes soll, wenn der Stab voll in den Reaktorkern eingesetzt ist, im Bereich des aktiven Abschnittes des Reaktorkerns liegen und ihm entsprechen, um maximale Wirkung zu erzielen.

Die Gesamtkonzentration an neutronenabsorbierendem Stoff, die für einen Reaktor notwendig ist, kann ohne weiteres bestimmt werden. Kennt man den zu erwartenden Brennstoffverbrauch innerhalb einer vorgegebenen Reaktivitätslebensdauer, den Brennstoffkoeffizienten und die Reaktivitätsänderung, so kann die Anzahl der Neutronen, die durch den neutronenabsorbierenden Stoff beseitigt werden muß, berechnet werden. Diese Anzahl ist gleich der Anzahl der erforderlichen neutronenabsorbierenden Atome. Der Durchmesser, die Länge und die Anzahl der Stäbe, die zu verwenden sind, bestimmen die erforderliche Gesamtkonzentration des neutronenabsorbierenden Stoffes.

, Die Konzentration des innerhalb einer Schale einer jeden Einheit des Steuerstabes oder der Steuerstäbe verwendeten neutronenabsorbierenden Stoffes soll derart ausgewählt sein, daß der Verlust an Uberschußreaktivität im Reaktorkern mit der Zeit voll durch die Stäbe kompensiert wird.

Die neutronenabsorbierenden Stoffe werden derart ausgewählt, daß sie ausbrennbar sind. Gadolinium, Samarium, Cadmium und ihre Verbindungen sind geeignete ausbrennbare Stoffe. Die Anfangsabsorption durch die ausbrennbaren Stoffe hängt von der Gesamtwirkungsfläche des aktiven Abschnitts 17 des Stabes ab, desgleichen von dem anfänglichen effektiven Absorptionsbereich der äußeren Schale 21. Dies ist ein Maß für den Reaktivitätswert des Stabes. Der effektive thermische Neutronenabsorptionsbereich des Stabes nimmt jedoch im Laufe der Zeit ab, so daß der Reaktivitätswert des Stabes im Laufe der

ίο Zeit abnimmt.

Die Konzentration an ausbrennbarem Stoff in der Außenschale 21 jeder Einheit 15 des Steuerstabes 7 kann derart eingestellt werden, daß die Außenschale 21 zunächst als schwarzer Körper wirkt, d. h. alle thermischen Neutronen absorbiert, die auf sie treffen. Da der Betrag an ausbrennbarem Stoff sich mit konstanter Rate unter dem Einfluß eines konstanten Flusses mindert, kann die Rate, mit der die Außenschale allmählich durchlässig oder nicht absorbierend für thermische Neutronen wird, vorbestimmt werden. Gleiches gilt für die anderen Schalen; selbst wenn die Außenschale für thermische Neutronen durchlässig wird, kann sei jedoch wirksam hinsichtlich der Absorption einiger Neutronen anderer Energie sein. Die nächste darunterliegende Schale 23 kommt nach einer gewissen Zeitdauer, wenn die äußerste Schale durchlässig wird, mit erhöhten Konzentrationen thermischer Neutronen in Wechselwirkung. Die spezielle Anordnung der Schalen in dem Stab führt dazu, daß wenigstens zunächst diese Wechselwirkung auf Neutronen eines engeren Energiebereiches beschränkt wird als der Energiebereich der Neutronen, denen die äußerste Schale ausgesetzt ist; d. h., die äußerste Schale kann noch zu einem gewissen Grad als Schirm oder Absorber wirken und damit die Lebensdauer der Schale 23 erhöhen. Dieser Vorgang setzt sich schrittweise fort, wenn jede nächstfolgende untere Schale Neutronen ausgesetzt wird, je nach der allmählichen Erhöhung der Durchlässigkeit der darüberliegenden Schalen.

Ein weiterer zu beachtender Faktor ist, daß die Anfangsrate des Reaktivitätsverlustes im Reaktor relativ groß während des Aufbaues der Gleichgewichtskonzentration von neutronenabsorbierendem Stoff zu Brennstoff sein kann. Die äußere Schale oder die äußeren Schalen des Steuerstabes können daher mit einer geringeren Konzentration ausbrennbaren Stoffes versehen werden als die verbleibenden Schalen, so daß genau die anfängliche Höhe der Reaktivitätsverlustrate kompensiert wird.

Der Neutronenfluß neigt dazu, sich im Laufe der Zeit in vorgegebener Weise zu verringern, und zwar wegen des Abbrennens des Brennstoffes und der Ansammlung von neutronenabsorbierenden Stoffen im Brennstoff. Die notwendige Konzentration an ausbrennbaren neutronenabsorbierenden Stoffen in den jeweiligen Schalen ist daher diejenige, die ausreicht, um den Neutronenfluß und die Ausgangsleistung auf jeweils relativ konstantem Pegel zu halten, ohne daß die Steuerstäbe in dem Kern anders eingestellt werden müssen.

Im folgenden Beispiel werden die Erfordernisse in einem speziellen Kernreaktor erläutert.
Ein bekannter Forschungsreaktor kann so konstruiert sein, daß er Uran-238 angereichert mit Uran-235 bis zu einer Gesamt-Uran-235-Konzentration von 5 kg enthält, die in insgesamt 114 mit nichtrostendem Stahl umkleidete Brennstoffelemente

unterteilt sind, wobei jedes Brennstoffelement eine Gesamtlänge von 53,5 cm hat und eine aktive Länge von 35,6 cm. Das Uran ist in einem Anteil von 8 Gewichtsprozent in 92 Gewichtsprozent Zirkonhydrid in jedem Brennstoffelement vorhanden. Der Reaktor hat einen Brennstoffverbrauch von etwa 0,9 kg bei einer Reaktivitätslebensdauer von 2MW pro Jahr. Der Brennstoffkoeffizient ist etwa 0,4, und die Reaktivitätsänderung innerhalb der Lebensdauer des Reaktors beträgt auf Grund von Brennstoffverbrauch etwa 7°/o und auf Grund von sich ansammelnden neutronenabsorbierenden Stoffen im Brennstoff etwa 1,3 °/o. Die Gesamtanzahl η von durch den ausbrennbaren neutronenabsorbierenden Stoff zu beseitigenden Neutronen in der gesamten Zeit kann zu

η =

0,07 900

235

0,6 - 10²⁴ = 10²

berechnet werden. Eine gleiche Anzahl von neutronenabsorbierenden Atomen beseitigt diese vielen Neutronen, vorausgesetzt, daß der Wirkungsquerschnitt dieser Atome hinreichend groß ist, so daß kein nennenswerter restlicher neutronenabsorbierender Stoff am Ende der Lebensdauer verbleibt. Dementsprechend werden etwa 58 g Gadolinium oder 92 g Cadmium benötigt.

Der Durchmesser und die Anzahl der mit ausbrennbarem neutronenabsorbierendem Stoff versehenen Steuerstäbe, die in dem Reaktor zu verwenden sind, können durch entsprechende Verdünnung des jeweiligen Giftstoffes bestimmt werden. Ein für thermische Neutronen schwarzer Steuerstab mit einem Durchmesser von 3,72 cm hat an einer geeigneten Stelle innerhalb des Reaktorkerns einen Reaktivitätswert von 2, bei einer Betriebstemperatur des Reaktors von beispielsweise 280° C. Die anfängliche Überschußreaktivität des Reaktors ist zu etwa 12 berechnet, so daß sechs Steuerstäbe mit ausbrennbarem neutronenabsorbierendem Stoff zur Kompensation der anfänglichen Überschußreaktivität erforderlich sind. Hinzu kommt zusätzlich ein zentraler Steuerstab eines anderen Typs, der 5 Gewichtsprozent Cadmium, 15 Gewichtsprozent Indium und 80 Gewichtsprozent Silber enthält, die in einem Behälter aus Zirkonlegierung oder nichtrostendem Stahl verteilt sind.

Die eine der beiden graphischen Darstellungen in F i g. 3 zeigt den Reaktivitätsverlust von 8,3 °/o innerhalb einer 2-Jahres-Periode des angeführten Reaktors. Die andere graphische Darstellung stellt im Zusammenhang damit den gleichen Reaktivitätsverlust in Prozent dar, und zwar bei dem effektiven Radius der Stäbe mit ausbrennbarem Stoff nach Fig. 1 für den Reaktor. Es ist also zunächst in den Stäben hinreichend neutronenabsorbierender Stoff vorhanden, um die Überschußreaktivität bei Betriebsbeginn des Reaktors zu kompensieren. Geht die Überschußreaktivität verloren (auf Grund Abbrand des Brennstoffes und Ansammlung von neutronenabsorbierenden Stoffen), so nimmt der effektive Radius des Steuerstabes entsprechend ab (auf Grund des Abbrandes in ihm), so daß der gewünschte stationäre Zustand bezüglich Neutronenfluß und Ausgangsleistung aufrechterhalten bleibt, ohne daß es notwendig wird, die Steuerstäbe in dem Reaktorkern neu einzustellen. Kennt man die Totalmenge ausbrennbaren neutronenabsorbierenden Stoffes, die notwendig ist, und die notwendige Reaktivitätskompensation zu jedem Zeitpunkt, so können danach die notwendigen Konzentrationen in den jeweiligen Schalen der Steuerstäbe ohne weiteres berechnet werden.

Jeder der sechs ausbrennbaren neutronenabsorbierenden Stoff enthaltenden Steuerstäbe ist, wie in den F i g. 1 und 2 dargestellt, aufgebaut. Jeder dieser

ίο Steuerstäbe enthält also zehn Einheiten 15 von Schalen 9 innerhalb eines Behälters 11 aus nichtrostendem Stahl. Jede Einheit 15 besteht aus vier ineinanderliegenden konzentrischen Schalen. Jede Schale, mit Ausnahme der innersten, hat eine Wanddicke von 0,47 cm. Die innerste Schale ist fest und hat einen Durchmesser von 0,94 cm. Der Gesamtdurchmesser der ineinanderliegenden Schalen beträgt also 3,72 cm. Der Behälter hat eine Wanddicke von 0,509 cm, so daß der Gesamtdurchmesser des Steuer-Stabes 3,82 cm beträgt. Die Gesamtlänge des Steuerstabes beträgt 53,5 cm. Sein aktiver Abschnitt hat eine Länge von 35,6 cm. Der Rest des Steuerstabes kann mit Stützelementen usw. versehen sein, die in F i g. 1 nicht dargestellt sind. Zwischen jede der Einheiten oder Nester 15, die in dem Behälter 11 gestapelt sind, befindet sich eine Abstandsscheibe aus nichtrostendem Stahl einer Dicke von 0,0712 cm und eines Durchmessers von 3,42 cm.

Jede Schale wird durch Heißpressen in einer Form hergestellt. Als Preßmasse wird eine körnige Mischung aus Tonerde, Al₂O₃, und Gadoliniumoxyd, Gd₂O₃, verwendet. Das Heißpressen erfolgt wie in der Technik keramischer Preßmassen üblich. Es entsteht ein fester keramischer Körper in Form einer Schale, in dem Gadoliniumoxyd gleichmäßig in der Tonerde verteilt ist. Das Gadoliniumoxyd ist. für Resonanzneutronen durchlässig.

Die Konzentration des Gadoliniumoxyds in der Tonerde ist von Schale zu Schale verschieden, und zwar sowohl in Axialrichtung als auch in Radialrichtung des Steuerstabes. Die Konzentration ist derart eingestellt, daß die Reaktivitätsverlustrate kompensiert wird (vgl. F i g. 3 und 4), nämlich durch die Radialverteilung der Konzentration des Gadoliniumoxyds von Schale zu Schale, und daß Unterschiede in der Neutronenflußverteilung im Kern kompensiert werden, nämlich durch die Konzentrationsverteilung des Gadoliniumoxyds von Schale zu Schale in Axialrichtung. Der Neutronenfluß ist am größten in der Mittellinie oder in der Mitte des Reaktorkerns und fällt in Richtung nach oben und unten bezüglich der Kernmitte ab. Die Verteilung nähert sich bei dem speziell betrachteten Reaktor einer abgeschnittenen Kosinuskurve.

Aus der folgenden Tabelle ergibt sich die Gadoliniumoxydkonzentration in jeder Schale einer jeden Einheit oder eines jeden Nestes in jeder der sechs betrachteten Steuerstäbe. In der Tabelle sind die Schalen jeder Einheit mit den Buchstaben A, B, C und D identifiziert, beginnend in der Mitte und radial fortschreitend; d. h., A bezeichnet die innere Schale,

• B die radial nächstäußere Schale, C die radial dritte Schale und D die äußerste Schale. Die zehn Einheiten sind mit 1 bis 10 bezeichnet in der Folge von oben nach unten im aktiven Abschnitt des Steuerstabes. Die Konzentration des neutronenabsorbierenden Stoffes ändert sich symmetrisch zur Mittelebene des Stabes.

.·.■;,· 709 637/531

	Schalen	Konzentration an aus-
		brennbaren neutronen
Einheit		absorbierenden
	A	Stoffen (Gd2O3)
	B	in g/cm3 Tonerde
1 und 10	C	0,035
	D	0,035
	A	0,030
	B	0,020
2 und 9	C	0,040
	D	0,040
	A-	0,030
	B	0,025
3 und 8	C	0,040
	D	0,040
	A	9,030
	B	0,025
4 und 7	C	0,045
	D	0,045
	A	0,030
	B	0,025
5 und 6	C	0,045
	D	0,045
	0,035
	0,025

Die Steuerstäbe sind also derart konstruiert, daß in ihnen leicht die Konzentration an neutronenabsorbierenden Stoffen eingestellt werden kann, und zwar sowohl in radialer als auch in axialer Richtung, und damit eine genaue Kompensation sowohl des Reaktorreaktivitätsverlustes mit der Zeit, als auch des unterschiedlichen Neutronenflusses in verschiedenen Höhen im Reaktorkern möglich ist.

Der Querschnitt eines jeden Steuerstabes muß nicht notwendigerweise zylindrisch sein, kann beispielsweise auch rechteckig, oval oder auch ganz unregelmäßig geformt sein. Die Schalen innerhalb jeder Einheit können untereinander von gleicher oder nicht gleicher Form und Größe sein. Sind mehrere Einheiten vorhanden, können die Einheiten untereinander von gleicher oder nicht gleicher Form und Größe sein.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Steuerstab mit Selbstabschirmung für Kernreaktoren, der Elemente enthält, welche ein starkes Neutronenabsorptionsvermögen aufweisen und durch Neutroneneinfang in andere Elemente . oder Isotope umgewandelt werden, die ein erheblich niedrigeres Neutronenabsorptionsvermögen als die Ausgangselemente oder -isotope haben, und dessen Absorptionsvermögen im Reaktorkern bei Betrieb des Kernreaktors im gleichen Maße wie die Uberschußreaktivität abnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstab aus ineinanderliegenden Schalen (21, 23) aufgebaut ist, die neutronenabsorbierende Elemente in von Schale zu Schale unterschiedlicher Konzentration enthalten.

2. Steuerstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalen (21, 23) radiale

ίο Abstände untereinander aufweisen.

3. Steuerstab nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch mehrere aus konzentrischen Schalen aufgebaute Einheiten (15), die übereinandergestapelt in einem Außenmantel (11) aus einem bei der Arbeitstemperatur des Reaktors strukturell stabilen Material untergebracht sind.

4. Steuerstab nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheiten (15) durch zwischengefügte Abstandstücke (19) voneinander getrennt sind.

5. Steuerstab nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Elemente mit starkem Neutronenabsorptionsvermögen in den Einheiten (15) derart eingestellt ist, daß Unterschiede des Neutronenflusses in unterschiedlichen Höhen des Reaktorkerns kompensiert werden.

6. Steuerstab nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente mit starkem Neutronenabsorptionsvermögen einen hohen thermischen Neutronenabsorptionsquerschnitt haben und gleichmäßig innerhalb eines temperaturstabilen Füllmaterials verteilt sind.

7. Steuerstab nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Elemente mit starkem Neutronenabsorptionsvermögen Gadoliniummetall und/oder Gadoliniumverbindungen und/oder Samariumrnetall und/oder Samariumverbindungen verwendet werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 049 986,
1055 709;

britische Patentschriften Nr. 835 257, 817 756;
französische Patentschriften Nr. 1 253 182,
239 165;

USA.-Patentschrift Nr. 2 898 281;
Proc. of the Sec. U. N. Int. Conf. on the Peaceful Uses of Atomic Energy, Vol. 13, 1958, Bericht P/1900, USA., S. 426 bis 445;

Reactor Handbook Material, 1960, Bd. I, Part D, Kap. 35.6, S. 781 und 782.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1179 652.

Bei der Bekanntmachung der Anmeldung ist ein Prioritätsbeleg ausgelegt worden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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