DE1948819C3 - Brennstoffbündel für thermische Kernreaktoren mit abbrennbaren Reaktorgiften - Google Patents
Brennstoffbündel für thermische Kernreaktoren mit abbrennbaren ReaktorgiftenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffbündel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es sind heterogene Siedewasserkernreaktoren bekannt,
bei denen der Kernbrennstoff in langen, stabförmigen Hülsen untergebracht ist Mehrere solcher
Brennstoffhülsen sind dann gruppenweise zusammengefaßt und in offenen Brennstoffkästen angeordnet, und
eine solche Gruppe von Brennstoffstäben wird Brennstoffbündel genannt Diese Brennstoffbündel können
getrennt aus einem Reaktor herausgenommen oder in ihn eingesetzt werden. Der Kern des Reaktors ist aus
einer ausreichend großen Anzahl solcher Brennstoffbündel aufgebaut, die in einem Schema angeordnet sind,
das etwa einem Kreiszylinder entspricht so daß von selbst eine Kettenreaktion ablaufen kann. Der ganze
Reaktorkern ist in eine Flüssigkeit eingetaucht die sowohl als Kühlmittel als auch als Neutronenmoderator
dient. Diese Flüssigkeit kann leichtes Wasser sein. Zur Regelung der Reaktivität des Kerns können Regelstäbe
gezielt zwischen die Brennstoffbündel im Kern geschoben werden, die Neutronenabsorber enthalten.
Es ist bereits bekannt, die Reaktivität eines Kernreaktors
durch abbrennbare Reaktorgifte zu regeln beziehungsweise zu steuern, und hierzu Reaktorgifte in nur
einigen wenigen Brennstoffstäben in einer Konzentration zu verwenden, daß sich die Reaktorgifte selbst
abschirmen. Der Nachteil dieser Maßnahme liegt darin, daß die anfängliche Leistungsdichte in den Brennstoffstäben
mit den Reaktorgiften sehr niedrig ist da die Reaktorgifte auch den Brennstoff selbst abschirmen und
an der Neutronenbilanz teilnehmen. Es treten somit Reaktor differentielle Leistungsspitzen auf, die als das
Verhältnis zwischen der örtlichen Leistungsdichte zum Mittelwert der Leistungsdichte im gesamten Reaktor
definiert werden können. Dieses ist bekanntlich ungünstig. Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist bereits
bekannt in den Reaktorstäben mit dem Reaktorgift an Stelle von Uran Plutonium als Brennstoff zu verwenden.
Nun hat sich gezeigt daß durch die Verwendung von verhältnismäßig hochkonzentrierten Reaktorgiften in
nur einigen wenigen Brennstcffstäben eines Kernreaktors nicht nur die Leistungsdichte in den Brennstoffstäben
mit den Giften herabgedrückt wird, sondern daß auch die Leistungsdichte in solchen Brennstoffstäben
kleiner wird, deren Abstand von den Stäben mit den Reaktorgiften nicht größer als etwa eine Neutronendiffusionslänge
ist. Wenn sich die Reaktorgifte mit dem Abbrand verbrauchen, steigt somit auch die Leistungsdichte
in den benachbarten Brennstoffstäben an. Am Anfang einer Betriebsperiode des Reaktors ist daher die
Leistungsdichte in den den Reaktorgiften benachbarten Brennstoffstäben zu niedrig, während sie mit fortschreitendem
Abbrand unzulässig hohe Werte erreichen kann. In beiden Fällen ist die Leistungsverteilung innerhalb
des Reaktors stark verzerrt, und es können unzulässig hohe örtliche Leistungsdichten auftreten.
Gewöhnlich verwendeter Kernbrennstoff enthält neben spaltbarem Material auch brütbares Material. So
besteht beispielsweise ein gewöhnlich verwendeter Kernbrennstoff aus Urandioxyd (UO2) mit 2% des
spaltbaren Isotopes U-235, während das restliche Uran das brütbare Üranisotop U-238 ist Während des
Betriebes des Reaktors wird nun das U-235 allmählich verbraucht, während ein Teil des brütbaren U-238 in
spaltbares Pu-239 umgewandelt wird. Dieses Pu-239 nimmt dann an der Kettenreaktion teil. Mit steigendem
Abbrand nimmt die Konzentration von Pu-239 allmählich zu und erreicht einen Gleichgewichtswert, Wenn
nun der bestrahlte Kernbrennstoff aus dem Reaktor herausgenommen wird, enthält er neben einer noch
verwertbaren Menge des ursprünglich eingesetzten spaltbaren Materials noch merkliche Mengen von
Plutonium, und zwar die spaltbaren Isotope Pu-239 und Pu-241 sowie das brütbare Isotop Pu-240. Der
abgebrannte Kernbrennstoff kann daher zur Gewinnung des Plutoniums aufgearbeitet werden. Wenn nun
die Aufarbeitungskosten für das Plutonium mit den Kosten des spaltbaren Urans vergleichbar werden,
erscheint es sinnvoll, das aufgearbeitete Plutonium als Kernbrennstoff einiusetzen. Dann muß aber berücksichtigt
werden, daß sich ein mit Plutonium beschickter Kernreaktor anders als ein mit Uran beschickter
Kernreaktor verhält, da die kernphysikalischen Eigenschaften von Uran und Plutonium nicht identisch sind.
So ist beispielsweise der Wirkungsquerschnitt der Plutoniumisotope gegenüber thermischen Neutronen
größer als der entsprechende Wirkungsquerschnitt der Uranisotope.
Die Aufgabe, zu deren Lösung die Erfindung beitragen will, besteht nun darin, die differentiellen
Leistungsspitzen innerhalb eines thermischen Reaktors auszugleichen, und zum anderen soll ein Weg angegeben
werden, wie Plutonium in einem solchen Kernreaktor sinnvoll verwendet werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe bei dem eingangs genannten Brennstoffbündel dadurch, daß erfindungsgemäß
in den Brennstoffstäben, die einen Abstand von dem das Reaktorgift enthaltenden Brennstoffstab
aufweisen, der nicht größer als eine Neutronendiffu-
sionslänge ist, ein Kernbrennstoff mit einem größeren
Spaltungsquerschnitt für thermische Neutronen als in den übrigen Brennstäben enthalten ist. Da der
Spaltungsquerschnitt in Plutonium größer als der Spaltungsquerschnitt in Uran ist, ist die Leistungsdichte
in Plutonium zu Beginn größer als die Leistungsdichte in Uran. Dadurch wird dem Einfluß der Reaktorgifte zum
Beginn einer Reaktorperiode auf die benachbarten Brennstoffstäbe entgegengewirkt Da das Plutonium
einen größeren Absorptionsquerschnitt ais das Uran aufweist, wird das Plutonium schneller verbraucht.
Dadurch können die unzulässig hohen Leistungsspitzen in den Brennstoffstäben neben den abbrennbaren
Reaktorgiften vermieden werden, die, wie bereits gesagt wurde, sonst bei weiterschreitendem Abbrand
auftreten könnten. Die Erfindung trägt also dazu bei, die örtliche Leistungsdichte innerhalb des Reaktors (und
auch innerhalb eines Brennstoffbündels) zu homogenisieren, und gleichzeitig wird ein Weg angezeigt, wie
man Plutonium sinnvoll in einem Kernreaktor als Brennstoff verwenden kann.
Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden.
Fig.! ist die schematische Ansicht eines Brennstoffbündels.
Fig.2 ist ein schematischer Schnitt durch ein Brennstoffbündel.
Fig.3 zeigt, wie die Neutronenwirkungsquerschnitte
von Uran und Plutonium im Bereich thermischer Neutronenenergien von der Energie abhängen.
Fig.4 zeigt, wie sich die örtliche Leistungsdichte in
Brennstoffetäben mit dem Abbrand ändert, die neben Brennstoffstäben mit Reaktorgiften angeordnet sind,
und zwar einmal für Brennstoffstäbe bekannter Art mit Uran und zum anderen für Brennstoffstäbe mit
Plutonium.
Fig.5 zeigt, wie abbrennbare Reaktorgifte und Plutoniumbrennstoff in nebeneinanderliegenden Brennstoffstäben
angeordnet sind.
In der F i g. 1 ist schematisch ein Brennstoffbündel 10 dargestellt. Dieses Brennstoffbündel 10 weist einen
quadratischen Brennstoffkasten 11 auf, in dem zwischen
einer oberen und einer unteren Gitterplatte 13 und 14 in
einem gewissen Abstand voneinander 6x6 Brennstoffstäbe
12 angeordnet sind. Eine Nase 16 ist mit öffnungen 17 versehen, durch die Kühlmittel eintritt
und nach oben zwischen den Brennstoffstäben 12 hindurchströmt. Die Brennstoffstäbe 12 können als
Hülse ausgebildet sein, die eine Anzahl zylindrischer Brennstoffpillen enthalten. Das Brennstoffbündel soll
auch noch Realctorgifte enthalten, die in der Form von Röhren oder Stäben in das Brennstoffbündel eingesetzt
sind oder auch mit Kernbrennstoff vermischt in einem oder mehreren der Brennstoffstäbe enthalten sein
können. Dieses ist an anderer Stelle beschrieben worden.
Die F i g. 2 zeigt nun einen schematischen Querschnitt durch ein Brennstoffbündel 10 und durch einen
kreuzförmigen Regelstab 18. Als Beispiel sei angenommen, daß ein mit »up« gekennzeichneter Brennstoffstab
12' abbrennbares Reaktorgift in einer solchen Konzentration enthält, daß die anfängliche Leistungsdichte in
den benachbarten Brennstoffstäben heruntergedrückt würde, sofern die benachbarten Brennstoffstäbe gewöhnlichen
Uranbrennstoff enthielten.
Um nun die Verzerrungen der örtlichen Leistungsdichten in denjenigen Stäben kleiner zu machen, die
neben einem Stab mit Reaktorgift in einem Gebiet angeordnet sind, das von dem Reaktorgift noch stark
beeinflußt wird, wird gemäß der Erfindung in diesen Stäben als Brennstoff Plutonium verwendet In einem
thermischen Reaktor, in dem also die meisten Spaltungen durch thermische Neutronen verursacht
weiden, wird das Plutonium bis zu einem Abstand von einer Neutronendiffusionslänge von dem Stab mit dem
Reaktorgift verwendet (Eine Neutronendiffusionslänge ist definiert als die Quadratwurzel aus dem sechsten Teil
des quadratischen Mittelwertes des Abstandes, der von den Neutronen mit thermischer Energie bis zum Einfang
der Neutronen überbrückt wird.)
Bei dem Brennstoffbündel nach den F i g. 1 und 2 beträgt der Durchmesser der Brennstoffstäbe etwa
12,7 mm, und der Brennstoffkasten ist etwa 12,5 cm breit. Die Brennstoffstäbe, die nicht weiter als eine
Neutronendiffusionslänge von dem Brennstoffstab 12' mit den Reaktorgiften entfernt liegen, sind daher die 8
um den Stab 12' herum angeordneten Brennstoffstäbe 12". Diese Stäbe sind mit »Ρικ<
gekennzeichnet, um anzudeuten, daß diese Stäbe gemäß der Erfindung als Brennstoff Plutonium enthalten.
Wie bereits erwähnt, kann Plutonium in der Nachbarschaft von Reaktorgiften die Verzerrungen der
Leistungsdichten deswegen herabsetzen, weil der Neutronenabsorptionsquerschnitt von Plutonium größer
als der Neutronenabsorptionsquerschnitt von Uran ist. Dieses geht aus der F i g. 3 hervor, in der der totale
Wirkungsquerschnitt von Uran und Plutonium im Bereich thermischer Neutronenenergien dargestellt ist.
Für Neutronenenergien bis zu etwa 0,85 eV ist der Wirkungsquerschnitt von Plutonium immer größer als
der Wirkungsquerschnitt von Uran.
Wie sich die Maßnahmen gemäß der Erfindung auswirken, geht aus der F i g. 4 hervor, in der die relative
örtliche Leistungsspitze in Abhängigkeit vom Abbrand dargestellt ist. (Die relative örtliche Leistungsspitze ist
definiert als die Leistungsdichte in einem bestimmten Brennstoffstab in einer bestimmten Höhe, dividiert
durch die gemittelte Leistungsdichte in allen Brennstoffstäben eines Brennstoffbündels in der gleichen Höhe.)
Die Kurve 19 zeigt den bisher bekannten Fall, bei dem in den Brennstoffstäben 12" neben dem Brennstoffstab 12'
mit dem Reaktorgift normaler Uranbrennstoff verwendet wird. Wie man sieht, ist die Leistungsdichte zu
Beginn einer Betriebsperiode kleiner als der Mittelwert, und sie steigt mit fortschreitendem Abbrand an, wenn
das Reaktorgift allmählich verbraucht wird. Sie k?
dann unzulässig hohe Werte erreichen. (Für du>es Beispiel ist angenommen worden, daß der Brennstoff für einen Abbrand von etwa 20 000 Megawatt-Tagen pro Tonne ausgelegt ist, und daß das Reaktorgift bereits nach 5000 Megawatt-Tagen pro Tonne verbraucht ist. Diese Annahme erscheint sinnvoll, wenn man bedenkt, daß nach einem bekannten Schema zum Austausch von verbrauchtem Kernbrennstoff periodisch immer nur ein Viertel aller Brennstoffbündel ausgetauscht wird.)
dann unzulässig hohe Werte erreichen. (Für du>es Beispiel ist angenommen worden, daß der Brennstoff für einen Abbrand von etwa 20 000 Megawatt-Tagen pro Tonne ausgelegt ist, und daß das Reaktorgift bereits nach 5000 Megawatt-Tagen pro Tonne verbraucht ist. Diese Annahme erscheint sinnvoll, wenn man bedenkt, daß nach einem bekannten Schema zum Austausch von verbrauchtem Kernbrennstoff periodisch immer nur ein Viertel aller Brennstoffbündel ausgetauscht wird.)
Die Kurve 20 aus F i g. 4 zeigt nun, daß sich die relative örtliche Leistungsspitze wesentlich weniger mit
dem Abbrand ändert, wenn man gemäß der Erfindung in den neben dem Brennstoffstab 12' liegenden Brennstoffstäben
an Stelle von Uranbrennstoff Plutonium verwendet. Da der Absorptionsquerschnitt von Plutoniun.
größer als der von Uran ist, werden trotz des abbrennbaren Reaktorgiftes mehr Neutronen vom
Plutonium als vom Uran eingefangen, so daß die anfängliche Leistungsdichte größer ist. Das Plutonium
verbraucht sich daher auch schneller als Uran, so daß die
Leistungsdichte mit fortschreitendem Abbrand weniger stark ansteigt.
Wieviel Plutonium in den Stäben 12" verwendet wird, hängt von den jeweiligen Umständen ab. Man kann den
Plutoniumgehalt so weit erhöhen, daß die maximale Leistungsdichte in den Brennstoffstäben mit dem
Plutonium, die während des Abbrandes auftritt, die maximale Leistungsdichte in irgendeinem anderen
Brennstoffstab des Bündels erreicht. Dieses steht der Forderung nicht im Wege, die Schwankungen der ι ο
örtlichen Leistungsdichte im Verlauf des Abbrandes so klein wie möglich zu halten. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
kann man den allgemeinen Verlauf der Kurve 20 (F i g. 4) erreichen, wenn der Brennstoff in den
Stäben 12" etwa 1,2 Atomprozent an spaltbarem Plutonium und etwa 1,8 Atomprozent an spaltbarem
Uran enthält.
In manchen Fällen ist das abbrennbare Reaktorgift in
einem Brennstoffstab nicht gleichmäßig verteilt, sondern seine Konzentration ändert sich in axialer
Richtung. Es gibt auch Fälle, in denen es günstig ist, abbrennbares Reaktorgift nur in einem relativ kleinen
Abschnitt eines Brennstoffstabes zu verwenden. In solchen Fällen kann es günstig sein, in den danebenliegenden
Brennstoffstäben das Plutonium nur in solchen Abschnitten zu verwenden, die in der gleichen Höhe wie
das Reaktorgift liegen. Dieses ist in der Fig. 5 dargestellt. Hier sind die Brennstoffstäbe 12' und 12" in
Zonen Is bis 5a unterteilt, und das Reaktorgift (Bp)
sowie das Plutonium befinden sich nur in den Zonen 2a der Stäbe 12' beziehungsweise 12".
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Brennstoffbündel für thermische Kernreaktoren mit mehreren Brennstoffstäben, von denen mindestens
einer ein abbrennbares Reaktorgift enthält, dadurch gekennzeichnet, daß in den
Brennstoffstäben, die einen Abstand von dem das Reaktorgift enthaltenden Brennstab aufweisen, der
nicht größer als eine Neutronendiffusionslänge ist, ein Kernbrennstoff mit einem größeren Spaltungsquerschnitt für thermische Neutronen als in den
übrigen Brennstäben enthalten ist.
2. Brennstoffbündel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als ein Kernbrennstoff spaltba- ι j
res Uran und als anderer Kernbrennstoff mit dem größeren Spaltungsquerschnitt Plutonium verwendet
ist
3. Brennstoffbündel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktorgift zumindest in
einem Abschnitt mindestens eines Brennstoffstabes enthalten ist
4. Brennstoffbünde! nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktorgift nur in einem
Abschnitt eines Brennstoffstabes enthalten ist, und daß in den daneben angeordneten Brennstoffstäben
der zweite Kernbrennstoff mit dem höheren Spaltungsquerschnitt nur in denjenigen Abschnitten
enthalten ist, die mit dem das Reaktorgift enthaltenden Abschnitt auf gleicher Höhe liegen.
5. Brennstoffbündel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Reaktorgiftes
so hoch ist, daß eine Selbstabschirmung des Reaktorgiftes gegeben ist.
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