DE1814641B2 - Brennstoffelementbuendel fuer einen thermischen kernreaktor - Google Patents

Description

Die nuklearen Eigenschaften von Plutoniumbrenn- gewonnen ist, ist ein Gemisch von mehreren Plutoniumstoff hängen von dem Isotopengehalt des Plutoniums isotopen einschließlich dem spaltbaren Pu 239 und ab, d. h. von dem Verhältnis der Mengen von Pu 239, 55 Pu 241, Brutmaterial Pu 240 sowie Pu 242, das in Pu 240, Pu 241 und Pu 242. Der Anteil von Pu 240 einem thermischen Reaktor ein parasitäres Material ist besonders wichtig, und zwar wegen seiner großen oder Gift ist. Eine isotopen-ZusammenseUung von Neutroneneinfangresonanz bei etwa 1 eV. Neutronen- Plutonium, die typisch für erschöpften Uranbrcnneinfänge in Pu 240 erzeugen Pu 241, das durch nieder- stoff aus einem Siedewasserreaktor ist. lautet folgenenergetische thermische Neutronen spaltbar ist. 60 dermaßen:

Die Verwendung von Plutoniumbrennstoff in einem
Reaktor, der ursprünglich für die Verwendung von

Uranbrennstoff dimensioniert worden ist, erfordert die Isotop

Berücksichtigung von Unterschieden im Reaktorbetrieb wegen der Unterschiede der nuklearen Eigen- 65 Pu 239

schäften der beiden Brennstoffe. Zu den bedeutend- Pu 240

sten Unterschieden bezüglich des Reaktorbetriebs ge- Pu 241

hören die folgenden: Pu 242

Atomaiiteil

0,590 0,257 0,121 0,032

! 814 641

Es ist wünschenswert, die Kosten für die Abtreniung dieser chemisch ähnlichen Plutoniumisotope zu vermeiden.

Es sind bereits Brennstoffelementbündel für einen thermischen Kernreaktor bekannt (französische Patentschrift 1 314 168), die in mehreren Gruppen einschließlich einer Innengruppe und mindestens eintr Aufiengrr^pe von Brennstoffelementen im wesentlichen konzentrisch um die Innengruppe angeordnet sind, wobei die Brennelemente mindestens einer Gruppe spaltbares Material und Thorium 232 in vorbestimmter Anfangsanreicherung enthalten und wobei der Anfangsthoriumgehalt des Brennstoffs der Brennelemente der einen Gruppe sich wesentlich von dem Anfangsthoriumgehalt der Brennelemente jeder anderen Gruppe unterscheidet. Durch die Verwendung von Thorium 232 als brütbares Material soll dabei in ört lichen Bereichen mit hohem Neutronenfluß die Lei-•tungsvcrteilung verbessert werden. Dieser bekannte Vorschlag ist jedoch nicht ohne weiteres geeignet, ein Brennstoffelementbündel der eingangs genannten Art eo auszulegen, daß die Gruppen der Brennstoffelemente unter Berücksichtigung der erwähnten Probleme einen geeigneten unterschiedlichen Gehall an spaltbarem Uran und Plutonium aufweisen.

Hinsichtlich der sich bei der Verwendung von Plutonium ergebenden Verhältnisse bei Brennstoffelementbündeln der eingangs genannten Art ist es bereits bekannt (»Plutonium as a Reactor Fuel«, 1967, S. 3 bis 26 und S. 571 bis 583), eine ungleichmäßige Verteilung des Plutoniumgehalts über die Brennelemente des Bündelquerschnitts vorzunehmen. Der dort grundsätzlich angegebene l.ösungsweg betrifft den Vorschlag (S. 18). die Gitterabstände oder die Durchmesser der Brennstoffstäbe zu modifizieren. Insbesondere sollen dort die Brennstoffelemente der äußeren Gruppe eine unterschiedliche Anreicherung an Plutonium aufweisen. Andererseits geht aber aus der Vorveröffenllichung hervor, daß es wegen der bestehenden Schwierigkeiten der genannten Art bisher praktisch nicht möglich war. Plutonium in Kombination mit Uran bei Brennelementbündeln der eingangs genannten Art zu verwenden. Insbesondere wird dort eine Schwierigkeit hinsichtlich der Fehhinpassung von Bündel zu Bündel diskutiert (S. 25 unten), wenn die umgebenden Bündel anfänglich Plutonium an Stelle von Uran enthalten. Die in diesem Zusammenhang bestehenden Schwierigkeiten sollen durch die Erfindung möglichst weitgehend vermieden werden.

Is ist deshalb Aufgabe der I rfindung, ein Brennstoffelcmentbündei der eingangs genannten Art unter Berücksichtigung der erwähnten Schwierigkeiten so auszubilden, daß eine solche Isotopenzusammenset-7.ung von Plutoniumbrennston" verwendbar ist, die typisch für aus bestrahltem Kernbrennstoff gewonnenes Plutonium ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Brennstoffelementbündel der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Brennstoffelemente hinsichtlich ihres Brennslofl'gchaltes in mehrere zueinander konzentrische Gruppen aufgeteilt sind, daß dabei die Brennstoffelemente der äußeren Gruppe anfänglich spaltbares Uran, aber kein Plutonium enthalten, daß die Brennstoffelemente mindestens zweier anderer Gruppen anfänglich spaltbares Plutonium enthalten und daß sich der anfängliche Plutoniumgehalt des Brennstoffes der Plutonium enthaltenden Gruppen in der Weise unterscheidet. daS der h&chste Plutoniumgehalt in der innersten Gruppe vorliegt.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung beträgt die radiale Änderung der Anfangsplutoniumanreicherung der Brennelemente quer zu dem Bündel mindestens 1,5 Atomprozent.

Eine derartige Anordnung erlaubt insbesondere bei Siedewasserreaktoren eine Optimalisierung der Leistung und des kritischen Wärmeflußverlaufs, indem der

ίο Vorteil der Erhöhung des Verhältnisses des thermischen Spaltquerschnittes von spaltbarem Plutonium zu dem thermischen Spaltquerschnitt von spaltbarem Uran ausgenutzt wird, sowie der höheren Wärmebeiastbarkeit der zentralen Brennstoffelemente.

An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf einen Reaktorkern eines Siedewasserreaktors,
F i g. 2 eine perspektivische Ansicht eines typischen

an Brennstoffelements,

F i g. 3 einen Querschnitt durch ein Brennstoffelementbündel mit einer Brennstoff erteilung gemäß der Erfindung und

F i g. 4 den Verlauf des örtlichen Spitzenfaktors bei den. Xusführungsbeispiel des Brennstoffelementbündels gemäß der Erfindung.

Das Ausführungsbeispiel der Erfindung soll in Verbindung mit einem Siedewasserreaktor erläutert werden, dessen Reaktorkern durch Brennstoffelementbündel 19 gebildet ist, die jeweils in Vierergruppen Kontrollstäbe 13 umgeben. Schmale Zwischenräume oder Lücken N befinden sich zwischen den Gruppen von Brennelementbündeln, während breitere Zwischenräume oder Lücken W zwischen den Brennelementbündeln jeder Gruppe erforderlich sind, um die kreuzförmigen Kontrollstäbe aufzunehmen. Daher befinden sich zwei Seiten jedes Brennelementbündels in der Nähe von Kontrollstabarmoberflächen, während die anderen beiden Seiten sich in der Nähe von schmalen Kühlmittelzwischenräumen oder Wasserlücken (ausgenommen die am Umfang des Kerns) befinden. Jedes Bündel 19 ist gesondert aus dem Kern 11 ausbaubar. Bei einer typischen Brennstoffneubeschickung wird ungefähr ein Viertel der Brennelementbündel ausgetauscht, ζ. Β eines von jeder Gruppe.

F i g. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines typischen, gesondert ausbaubaren Brennelementbündels 19. Es hat einen an den Enden offenen, rohrförmigen Strömkanal 2ü und mehrere längliche Brennelemente oder -stäbe 21. die zwischen einer unteren Halteplatte 22 und einer oberen Halteplatte 23 gehaltert sind. Die Brennstäbe 21 verlaufen durch mehrere Brennslababstandshalter 24, die eine Zwischcnhalterung vornehmen. Eine untere Öffnung 26 nimmt den Strom de; Kühlwassers nach oben an den Brennstäben vorbe auf. Aus verschiedenen Gründen, z. B. wegen de; Abstandshalterwiderstands und der Reibung des Kühl niiltels entlang den Innenwänden des Strömungs kanals 20. ist der Kühlmittelstrom am größten durcl den Mittclabsehniu (vorbei an den lnncnbrennstäben der Anordnung.

In F i g. 3 ist schematisch in Aufsicht eine typisch. Brcnneiemcnianordnung in einem Brennstoffelement bündel abgebildet. Obwohl die Erfindung nicht darau beschränkt ist. hat das Bündel eine Matrix voi 49 Brennstäben, die in einer 7 7-Matrix angeordne sind. Die Brennstäbe sind ferner in mehrere im wc sentlichen konzentrisch angeordnete Gruppen au!

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geteilt, wobei die Brennstäbe jeder Gruppe verschie- nannt (abgekürzt CHF). (Der kritische Wärmefluß

dene Mengen und Arten von Spaltmaterial enthalten. ist derjenige Wärmefluß, bei dem ein großer Anstieg

Beispielsweise enthält das Brennstoffelementbündel in der Brennstabumhüllungstemperatur bei einem

von F i g. 3 drei Gruppen von Brennstäben, und zwar kleinen Weiteranstieg des Wärmeflusses auftritt. In

eine Mittengruppe von Brennstäben C, eine Zwi- 5 einem Siedewasserreaktor ist das der Punkt der Än-

schengruppe von Brennstäben / und eine Außen- oder derung von Keimsieden in Schichtsieden.)

Umfangsgruppe von Brernstäben P. Wenn der Plutoniumbrennstoff in den lnnenbrenn-

Dabei ist das Plutonium quer zur Brennelement- stäben konzentriert ist, was bei der Ausführung geanordnung so abgestuft, daß der Plutoniumgehalt am maß der Erfindung der Fall ist, ist der leerraumabhängrößten in den Innenbrennstäben C ist und die Außen- io gige Trend des Verhältnisses von Innenstab (Pu)-Lei- oder Umfangsbrennstäbe P anfänglich kein Pluto- stung zu Außenstab (U)-Leistung in der gleichen nium enthalten. Zum Beispiel können die Mitten- und Richtung wie der leerraumabhängige Trend des Ver-Zwischenbrennstäbe der Gruppen C und I spaltbares hältnisses von Innenstab-CHF zu Außenstab-CHF. Plutonium in einer Menge von 1 bis 2 Atomprozent, Diese Trends in der Leistung und im kritischen Wärmegemischt mit Uran von 0,3 bis 2 Aiornprozent, ent- 15 fluß sind in F i g. 4 abgebildet, wo der Leerraumanteil halten, während die Umfangsbrennstäbe der Gruppe P des Kühlmittels mittels der örtlichen Dampfqualität 2 bis 3 Atomprozent spaltbares Uran enthalten kön- ausgedrückt ist. Wenn also der Leerraumanteil (die nen. Diese Anordnung gewährleistet eine erhöhte Dampfqualität) mit steigender Reaktorleistung an-Wärmebelastbarkeit und ist besonders vorteilhaft für steigt, dann steigt die Leistung in den lnnenbrennstäeine Verwendung in einem Siedewasserreaktor. 20 ben aus Plutoniumbrennstoff relativ stärker als die

In einem Siedewasserrreaktor bilden die Dampf- Leistung in den Außenbrennstäben aus Uran an. blasen Leerräume in dem Moderator entlang den Dieser größere Anstieg der Leistung der Mittenbrenn-Brennstäben. Wenn die Reaktorleistung erhöht wird, stäbe aus Plutoniumbrennstoff kann durch den höhenimmt der Anteil der Moderatorleerräume zu. Der ren kritischen Wärmefluß der Mittenbrcnnstäbe auf-Spaltquerschnitt des Uranbrennstoffs nimmt schneller 25 gefangen werden, so daß die Wärmebelastbarkeit des ab als die Leerräume zunehmen, im Vergleich zu dem Reaktors erhöht wird.

Spaltquerschnitt von Plutoniumbrennstoff, der sich Der Uranbrennstoff enthält zusätzlich zu spaltbarem

nicht wesentlich mit den Leerräumen ändert. Daher U 235 Brutmaterial U 238, das in spaltbares Pu 239

nimmt das Verhältnis der Leistung in den Innenbrenn- während des Reaktorbetriebes umgesetzt wird. Wenn

stäben aus Plutoniumbrennstoff ~u der Leistung in den 30 Plutoniumbrennstoff gleichmäßig in allen Brennstäben

Außenbrennstäben aus Uranbrc.nstoff mit den ange- verteilt ist, drückt der relativ große Spalt- und Ein-

wachsenen Leerräumen zu, die durch die erhöhte fangquerschnitt von Plutonium die Umwandlung von

Reaktorleistung entstehen. U 238 durch seinen damit konkurrierenden Einfang

Die Innenstäbe eines Brennstoffelementbündels von Neutronen. Daher besteht ein weiterer Vorteil der

haben eine höhere Wärmeflußbelastbarkeit als die 35 Konzentralion des Plutoniumbrennstoffs in den In-

Außen- oder Umfangsstäbe, und zwar wegen der grö- nenbrennstäben darin, daß die Umwandlung von

ßeren Kühlmitteldurchströmung durch den Mitten- U 238 in den Außen- oder Umfangsstäben hoch bleibt,

abschnitt der Anordnung. Die Betriebsgrenze des die sich in der Nähe der Wasserlücken in Bereichen

Brennstabwärmeflusses wird kritischer Wärmefluß ge- hohen Neutror.e.iflusses befinden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

ι 2

1. Der Einfang- und Spaltquerschnitt für thermische

Patentansprüche: Neutronen der Spaltisotope Pu 239 und Pu 241 ist

größer als der des Spalturanisotops U 235. Wenn

1. Brennstoffelementbündel für einen thermi- Plutoniumbrennstoff in eine BrennelementaaordLung sehen Kernreaktor, der ursprünglich für die allei- 5 gesetzt wird, die auch ein Brutmaterial wie U 238 entnige Verwendung mit Uran ausgelegt war, bei dem hält, dann tritt Plutonium bezüglich der Neutronen in Gruppen der Brennstoffelemente einen unterschied- einen stärkeren Wettbewerb mit U 238, als es bei liehen Gehalt an spaltbarem Uran und Plutonium U 235 der Fall sein würde. Der Plutoniumbrennstoff aufweisen, dadurch gekennzeichnet, verringert daher die Erzeugung von neuem Pu 239 daß die Brennstoffelemente hinsichtlich ihres io aus dem Brutmaterial U 238. Wenn jedoch eine be-Brennstoffgehaltes in mehrere zueinander kon- trächtliche Menge von Brutmaterial Pu 240 im PIuzentrische Gruppen aufgeteilt sind, daß dabei die toniumbrennstoff vorhanden ist, kann die Erzeugung Brennstoffelemente der äußeren Gruppe anfäng- von spaltbarem Pu 241 die Verringerung der Konverlich spaltbares Uran, aber keiu Plutonium euthal- sion von U 238 in Pu 2?9 mehr als ausgleichen. Wegen ten, daß die Brennstoffelemente mindestens zweier 15 der anfänglichen großen Erschöpfung des Spaltmateanderer Gruppen anfänglich spaltbares Plutonium rials in einem Brennelement, das Plutoniumbrennstoff enthalten und daß sich der anfängliche Plutonium- enthält, nimmt der mittlere Brennelementanordnungsgehalt des Brennstoffes der Plutonium enthalten- spaltquerschnitt mit der Brennstoffbestrahlung stärker den Gruppen in der Weise unterscheidet, daß der ab als der mittlere Spaltquerschnitt einer Brennelehöchste Plutoniumgehalt in der innersten Gruppe 20 menmnorilnuiig, die nur angereicherten Uranbrennvorliegt. stoff enthält. Wenn jedoch der Plutoniumbrennstofi

2. Brennstoffelementbündel nach Anspruch 1, genug Brutmaterial Pu 240 enthält (z. B. das Pluto dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Änderung nium eines Isotopengemisches, wie es typisch für erder Anfangsplutoniumanreicherung der Brennele- schöpften Uranbrennstoff eines Leistungsfaktor;, ist). mente quer zu dem Bündel mindestens 1,5 Atom- 25 dann kann die Erzeugung von neuem spaltbarem Prozent beträgt. Pu 241 aus dem Pu 240 zur Folge haben, daß sich das

mittlere Verhältnis von Spaltungen durch thermische

Neutronen zu Absorptionen durch thermische Neutronen (Spaltungen · Einfänge) weniger schnell mit der 30 Brennstoffbestrahlung ändert, als es der Fall bei einer

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffelementbündel Brennelementanordnung ist, die nur angereicherten für einen thermischen Kernreaktor, der ursprünglich Uranbrennstoff enthält.

für die alleinige Verwendung mit Uran ausgelegt war 2. Eine überschüssige heiße Reaktivität wird wegen

und bei dem Gruppen der Brennstoffelemente einen der Neutroneneinfänge in dem einen hohen Quei unterschiedlichen Gehalt an spaltbarem Uran und 35 schnitt aufweisenden Brutisotop Pu 240 verringert. Plutonium aufweisen. Damit gleichzeitig erfährt Pluloniunibrennsioff eine

Der erschöpfte Brennstoff, der aus dem Reaktor ent- geringere Reaktivitätsänderung bei Bestrahlung, fernt wird, der ursprünglich für die alleinige Verwen- 3. Der Anteil an verzögerten Neutronen des Pluto-

dung mit Uran ausgelegt war, enthält eine wertvolle niumbrennstoffs ist geringer als der von L'ranbrenn-Menge des ursprünglichen Spaltmaterials, eine bedeu- 40 stoff.

tende Menge von Plutonium einschließlich spaltbarem 4. Der Kontrollstabwert wird wegen des durch PIu

Pu 239 und Pu 241 sowie Brutmaterial Pu 240. Dieser toniumbrennstoff hervorgerufene ι größeren Wetterschöpfte Brennstoff kann bekanntlich aufgearbeitet bewerbs um Neutronen im Vergleich zu Uranbrennwerden, um das Uran und das Plutonium für eine er- stoff verringert.

neute Verwendung wiederzugewinnen. 45 5. Bezüglich eines Siedewasserreaktors hat Pluto-

Wenn die Kosten des wiedergewonnenen Plutonium- niumbrennstoff einen größeren negativen Leerraumbrennstoffs mit den Kosten des Uranbrennstoffs ver- koeffizienten der Reaktivität als Uranbrennstoff (für gleichbar werden, ist es aus wirtschaftlichen Gründen das gleiche Wasser-Brennstoff-Verhältnis) vor allem wünschenswert, derartigen Plutoniumbrennstoff zur wegen der Moderatordichteabhängigkeit der Reso-Brennstoffneubeschickung des Reaktors und/oder zur 50 nanzabsorption in Pu 240.

Brennstoffanfangsbeschickung eines Reaktors zu ver- Das Plutonium, das aus erschöpftem oder bestrahl-

wenden. tem Brennstoff aus einem thermischen Reaktor zurück-