DE2247685B2

DE2247685B2 - Brennstoffelement

Info

Publication number: DE2247685B2
Application number: DE2247685A
Authority: DE
Inventors: Frederick Robert San Jose Calif. Channon; James Robert Fritz
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-09-30
Filing date: 1972-09-28
Publication date: 1981-06-11
Also published as: IT967452B; JPS5526437B2; DE2265731C; GB1396767A; CH551066A; SE393212B; FR2154753B1; JPS4841196A; DE2247685C3; DE2247685A1; NL7213247A; FR2154753A1; BE789401A; US3802995A

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

In der DE-OS 15 14 993 ist ein Brennstoffelement der vorstehend genannten Art beschrieben, das in einen Kanal eingeschoben werden soll, der sich im Moderator eines Kernreaktors befindet Als Brennstoff ist für die Brennstoffstäbe nur UO₂ angegeben.

In der DE-OS 1814 641 ist ein Brennstoffelement nut einer ersten Gruppe von Brennstoffstäben mit spaltbarem Plutonium in vorbestimmtsr Anfangsanreicherung und weiteren Gruppen von Brennstoffstäben beschrieben, deren Plutoniumgehalt sich wesentlich von dem der ersten Gruppe unterscheidet

Demgegenüber lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Brennstoffelement der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Verwendung von Plutonium darin ermöglicht wird.

Die Verwendung von Plutoniumbrennstoff in einem Reaktorkern, der ursprünglich für die Verwendung von Uranbrennstoff ausgelegt war, erfordert aufgrund der Unterschiede in den Kerncharakteristiken der beiden Brennstoffe eine sorgfältige Beachtung der Unterschiede in der Reaktorleistungsfähigkeit Zum Beispiel sind die thermischen Neutroneneinfang- und die Spaltungsquerschnitte der spaltbaren Plutoniumisotope Pu-239 und Pu-241 größer als die des spaltbaren Urans U-235. Die spaltbaren Nuklide Pu-239 und Pu-241 haben große Neutronenquerschnittsresonanzen bei etwa 0,3 eV. Das Verhältnis der Wahrscheinlichkeit, daß ein Neutron parasitär in Pu-239 und Pu-241 eingefangen wird, zu der Wahrscheinlichkeit, daß ein Neutron eine Spaltreaktion in diesen Isotopen auslöst, wächst für Neutronen mit Energie nahe dieser Resonanzenergie beträchtlich an. Für thermische Energien unterhalb der 0,3-eV-Resonanzenergien fällt das Einfang/Spaltungs-Verhältnis ab. Ebenso weist das brütbare Isotop Pu-240 einen großen Einfangsquerschnitt für Neutronen mit Energien nahe 1 eV auf. Aus diesen Gründen wird der nukleare und der wirtschaftliche Wirkungsgrad verbessert wenn das Plutonium in Gebieten mit geringer thermischer Neutronen-Energie angeordnet wird.

Erfindungsgemäß wird die obige Aufgabe durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffelementes finden sich in den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Im einzelne zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt eines Brennstoffelementes,

F i g. 2 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform des Brennstoffelementes,

Fig.3 die Abhängigkeit der Stoßquerschnitte von Gadolinium und Uran und Plutoniumisotopen von der thermischen Energie,

F i g. 4 eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des Brennstoffelementes,

Fig.5 eine schematische Draufsicht auf noch eine weitere Ausführungsform des Brennstoffelementes,

Fig.6 einen Längsschnitt der Moderator- und Abstandshalter-Halterungsröhre und die

Fig.7, 8 und 9 Detailansichten (Fig.7 und 8 in Draufsicht und Fig.9 in Vertikalansicht), die das Eingreifen der Abstandshalter-Halterungsröhre in einem Brennstoffstab-Abstandshalter darstellen, und

Fig. 10 zeigt eine alternative Form einer Abstandshalter-Halterungsöse.

In F i g. 1 ist im Längsschnitt ein Brennstoffelement 20 dargestellt, das eine Anzahl von Brennstoffstäben 21 umfaßt, die von einer ein Gerüst bildenden oberen Halteplatte 22 und einer ein Gerüst bildenden unteren

Halteplatte 23 getragen werden. IMe Brennstoffstäbe 21 erstrecken sich durch mehrere Brennstoffstab-Abstandshalter 24, die eine Zwischenhaltening darstellen, um die langen Stäbe im Abstand voneinander zu halten und sie an seitlichen Vibrationen zu hindern.

jeder Brennstoffstab 21 wird aus einer langen Hülse gebildet, die spaltbaren Brennstoff und andere Materialien, wie Brutstoff, brennbares Reaktorgift, inertes Material oder dergleichen enthält, die in der Hülse durch obere und untere Endstopfen 26 und 27 iest eingeschlossen sind. An die unteren Endstopfen 27 ist jeweils ein Stift zur Ausrichtung und Halterung in Haltebohrungen 29 in der unteren Halteplatte 23 angeformt Die oberen Endstopfen 26 sind mit Ansätzen 28 versehen, die in die Haltebohrungen 31 in der oberen Halteplatte 22 passen.

Einige der Hattebohrungen 29 (z. B. einige der an den Kanten oder am Umfang befindlichen Bohrungen) in der unteren Halteplatte 23 sind mit Gewinden versehen, um Brennstoffstäbe mit Endstopfen 27' aufzunehmen, bei denen die Stifte mit Gewinde versehen sind. Die gleichen Brennstoffstabe haben ober« Endplatten 26', deren Ansätze 28' verlängert sind, um durch die Bohrungen in der oberen Halteplatte 22 hindurchzugreifen, und sie sind mit Gewinden versehen, um Haltemuttern 32 aufzunehmen. Auf diese Weise sind die obere und untere Halteplatte sowie die Brennstoffstäbe zu einer einheitlichen Struktur zusammengefügt

Das Brennstoffelement 20 weist weiterhin einen dünnwandigen röhrenförmigen Durchflußkanal 33 mit im wesentlichen quadratischem Querschnitt auf, der so geformt ist daß er gleitend über die oberen und unteren Halteplatten 22 und 23 und die Abstandshalter 24 paßt so daß der Kanal 33 leicht montiert und entfernt werden kann. Am oberen Ende des Durchflußkanals 33 ist ein Ansatz 34 befestigt, durch den der Kanal an einer Stütze 36 der oberen Halteplatte 22 mittels eines Bolzens 37 befestigt ist

Die untere Ha'teplatte 23 ist mit einem Nasenstück 38 versehen, das zum Tragen des Brennstoffelementes 20 in einer Konushülle in einer (nicht dargestellten) Reaktorkerngrundplatte in dem Reaktordruckgefäß angepaßt ist Das Ende dieses Nasenstückes ist mit öffnungen 39 versehen, um das unter Druck stehende Kühlmittel aus einem Vorratsgefäß aufzunehmen, so daß es zwischen den Brennstoffstäben nach oben fließt

Eine Ausführungsform des Brennstoffelementes 20 ist in schematischer Draufsicht in F i g. 2 dargestellt Eine Gruppe von Brennstoffstäben 21 (l)(mit Pu bezeichnet) enthält spaltbares Ausgangsplutonium, und diese Brenn-Stoffstäbe sind auf den inneren Brennstoffstabplätzen des Brennstoffelementes angeordnet Die Brennstoffstäbe 21 (1) sind von einer Anzahl von Brennstoffstäben 21 (2) (mit U bezeichnet) umgeben, die anfänglich angereichertes Uran enthalten, das frei von merklichen Mengen Ausgangsplutonium ist und diese Brennstoffstäbe sind auf den äußeren Brennstoffstabplätzen des Brennstoffelementes angeordnet Diese Anordnung erhöht die thermische Leistungsfähigkeit und vermeidet Probleme der Fehlanpassung von Brennstoffelementen e>o untereinander. Auch werden die Kosten der Plutoniumherstellung minimalisiert weil Plutoniumbrennstoff nicht in allen Brennstoffstäben enthalten ist

Die Brennstoffelemente sind von einer relativ großen Menge an relativ kaltem Wasser-Moderator umgeben. t>i Auf diese Weise sind die äußeren Brennstoffstäbe einem relativ weichen Neutronenspektrum (Neutronen mit relativ geringer thermischer Energie) ausgesetzt, wohingegen die Brennstoffstäbe in dem inneren heißeren und weniger moderierten Bereich des Brennstoffelementes einem relativ harten (höhere Energie) Neutronenspektrum ausgesetzt sind. Es ist gefunden worden, daß der Wirkungsgrad der Energieerzeugung aus spaltbarem Ausgangsplutonium in einer zentralen Gruppe, wie sie in F i g. 2 gezeigt ist durch eine stärkere Neutronenmoderation in diesem Bereich merklich erhöht wird.

Daher wird zentral innerhalb der Gruppe der mit Plutoniumbrennstoff versehenen Stäbe 21 (1) eine oben und unten offene Wasser führende Röhre 41 (mit Wt bezeichnet) angeordnet Unter »innerhalb« der Gruppe wird verstanden, daß die Röhre 41 an allen vier Seiten von mit Plutoniumbrennstoff versehenen Stäben 21 (1) umgaben ist wie es in den F i g. 2,4 und 5 gezeigt ist Wie unten noch näher beschrieben wird, ist die Röhre 41 einem Brennstoffstab ähnlich mit der Ausnahme, daß sie keinen Brennstoff enthält und oben und unten offen ist, damit Kühlwasser-Moderator durch sie hindurchfneßen kann. Die auf diese Weise durch das Wasser in der Röhre 41 verstärkte Neutronenmoderation ergibt ein weicheres Neutronenspektrum für die mit Plutoniumbrennstoff versehenen Stäbe 21 (1), um den Vorteil des verringerten Einfangs^/Spaltungs- Verhältnisses in Pu-239 und Pu-241 und den verringerten Neutroneneinfang in dem brütbaren Plutonium Pu-240 (wie in F i g. 3 dargestellt ist) auszunutzen. Es wurde gefunden, daß der Einsatz einer von durchflossenen Röhre innerhalb der mit Plutoniumbrennstoff gefüllten Gruppe von Brennstoffstäben die Menge des spaltbaren Plutoniums, das für eine gegebene Ausgangsenergie erforderlich ist über die Lebensdauer des Brennstoffes um 2% verringert Vorteilhafterweise kann das Plutonium in den Brennstäben 21 (1) mit natürlichem oder erschöpftem Uran gemischt werden.

Andere Ausführungsformen als die in F i g. 2 gezeigte Grundanordnung sind in den F i g. 4 und 5 dargestellt Fig.4 zeigt ein Brennstoffelement 20(1), in der eine Gruppe von mit Plutoniumbrennstoff versehenen Brennstäben 21 (1) auf den inneren Brennstoffstabplätzen um die zentrale Wasserröhre 41 angeordnet ist Diese Plutonium enthaltende Gruppe von Brennstoffstäben (mit Pu bezeichnet) ist vorteilhafterweise aus der Mitte des Brennstoffelementes entlang der Diagonalen des Brennstoffelementes in der von dem Einfluß des Steuerstabes 13 fortführenden Richtung herausgesetzt Das in F i g. 4 dargestellte Brennstoffelement weist auch Brennstäbe 21 (3) auf, die Uranbrennstoff mit einem abbrennbaren Reaktorgift wie Gadolinium, Samarium oder dergleichen gemischt enthalten (mit bp gekennzeichnet), um überschüssige Reaktivität zu steuern.

In F i g. 5 ist ein Brennstoffelement 20 (2) dargestellt, in dem eine Gruppe von mit Plutoniumbrennstoff versehenen Stäben 21 (1) auf den inneren Brennstoffstabplätzen um die mittlere Wasserröhre 41 und eine ähnliche zweite Wasserröhre 42 herum angeordnet ist Diese Anordnung ist nützlich, wenn eine stärkere Neutronenmoderation im Bereich der Gruppe von Plutonium enthaltenden Brennstoffstäbe gewünscht wird als durch eine einzige Wasserröhre erreicht werden kann. Ebenso ist in F i g. 5 die Verwendung von abbrennbarem Reaktorgift (BP) in mehreren mit Plu'onium versehenen Stäben 21 (4) dargestellt

Es ist ein Problem beim Auslegen eines Brennstoffelementes, brauchbare wirksame Mittel zum Festhalten der Brennstoffstab-Abstandshalter 24 in ihren beabstandeten Lagen ohne die Verwendung von speziellen

Bauteilen und ohne Kompromisse im Betrieb oder für die Leistungsfähigkeit anderer Elemente der Brennstoffanordnung zu ergeben. (Zum Beispiel ist eine offensichtliche Möglichkeit die, die Abstandshalter 24 an dem Durchfhißkanal 33 zu befestigen. Dieses würde jedoch die Möglichkeit, den Kanal schnell aus der Brennstoffanordnung entfernen zu können, beseitigen.)

Es wird deshalb eine der wasserführenden Röhren, z. B. die Wasserrohre 41, mit Mitteln zum Aufnehmen und Festhalten der Brennstoff stab-Abstandshalter 24 ausgebildet Details solcher Mittel sind in den F i g. 6 bis 9 unter gleichzeitiger Bezugnahme auf die Darstellung des Brennstoffelementes nach F i g. 1 angegeben. Eine Ausführungsform der die Abstandshalter haltenden Röhre 41 ist in F i g. 6 in Seitenansicht gezeigt Sie zeigt eine zusammenhängende, nicht segmentierte lange Röhre 43, die aus einem Material hergestellt ist, das für die Verwendung in einem Reaktorkern geeignet ist, wie z. B. Edelstahl oder Zirkonium. An dem unteren Ende der Röhre 43 ist ein unterer Endstopfen 44 befestigt der mit einer Verlängerung 46 versehen ist die z. B. einen quadratischen Querschnitt aufweist Die Verlängerung 46 ist zum Einpassen in eine spezielle Haltebohrung 29(1) (s. Fig. 1) mit der richtigen Form in der unteren Halteplatte 23 ausgebildet um ein Drehen der Wasserröhre 41 nach dem Einsetzen in ihre Lage zu verhindern. Der untere Endstopfen 44 und seine Verlängerung 46 können mit einem zentralen Durchgang 47 versehen sein, um Kühlmittel von dem Nasenstück 38 des Brennstoffelementes aufzunehmen. to

An dem oberen Ende der Röhre 43 ist ein oberer Endstopfen 48 mit einer Verlängerung 49 zum Einpassen in eine Haltebohrung 31 der oberen Halteplatte 22 (s. Fig. 1) befestigt Eine zentrale Bohrung 51 reicht durch den Endstopfen 48 und die Verlängerung 49, um einen Ausgang für den Kühlmitte 1-ModeratorfhiB durch die Röhre 43 zu liefern.

Die Röhre 43 kann ebenfalls mit mehreren KOhI-mitteleinlaßlöchern 52 nahe dem unteren Teil der Röhre 43 und mehreren Kühlmittelauslaßlöchern 53 in dem oberen Teil der Röhre 43 versehen sein. Die Auslaßlöcher 53 können in Zahl und/oder Größe abgestuft sein, so daß ein wesentlicher Teil des relativ kalten Kühlmittels in der Röhre 43 aus dieser in einer gewünschten Höhe im Brennstoffelement ausströmen kann, um Kühlung und Moderation der benachbarten Brennstoffelemente in dieser Höhe, z. B. in der oberen Hälfte des Brennstoffelementes zu verstärken.

An der Wasserröhre 43 sind mehrere radial verlaufende, axial mit Abständen voneinander angebrachte Aufhängeansätze 54 angeformt die in einen entsprechenden Brennstoffstab-Abstandshalter 24 eingreifen können, der dadurch in einer festen axialen Lage gehalten wird. Diese in die Abstandshalter eingreifenden Aufhängeansätze 54 können an der Röhre 43 z. B. durch Schweißen befestigt sein.

Das Einfügen der mit in die Abstandshalter eingreifenden Aufhängeansätze versehenen Wasserröhre 41 in das Brennstoffelement und das Eingreifen der Abstandshalter 24 ist in den F i g. 7 bis 9 dargestellt Aus oberen und unteren Verriegelungs-Trennstangen 56(1), 56(2) und 57(2) wird ein Röhrendurchgang 55 durch die Abstandshalter 24 gebildet Eine Feder 58 übt eine seitliche Kraft auf die Wasserröhre 41 aus und zwingt sie zum seitlichen Anschlag an einem Paar fester Glieder 59 und 61. Die Wasserröhre 41 wird in den Durchgang 55 eingesetzt wie in F i g. 7 gezeigt so daß sich die Aufhängeansätze,54 entlang der Diagonalen des Durchgangs 55 in Richtung auf die Ecke zwischen dem festen Glied 61 und der Feder 58 erstrecken, bis sich die Aufhängeansätze 54 in einer axialen Stellung zwischen den oberen und unteren Trennstangen des Abstandshalters befinden. Die Wasserröhre 41 wird dann entgegen dem Uhrzeigersinn um 45° gedreht wie in F i g. 8 nach der Drehung gezeigt um die die Aufhängeansätze 54 zwischen die oberen und unteren Trennstangen 56(1) und 56(2) zu bringen (s. Fig.9). Um eine weitere Drehung der Wasserrohre 41 zu verhindern, ist die Verlängerung 46 des unteren Endstopfens 44 mit einem quadratischen Querschnitt ausgebildet Wenn nun die Abstandshalter 24 von den Aufhängeansätzen 54 festgehalten werden, werden die stabförmige Wasserröhre 41 und die Abstandshalter nach unten bewegt wobei die Verlängerung 46 in die angepaßte Haltebohrung 29 (1) der unteren Halteplatte 23 (F i g. 1) eingreift.

Eine andere Ausführungsform des Aufhängeansatzes für die Abstandshalter ist in F i g. 10 dargestellt, bei der ein Stift 62 in gegenüberliegenden Löchern in die Hülse 43 der Wasserrohre 41 derart eingeschweißt ist daß sich der Stift 62 zwischen Abstandshalterstangen 56' (1) und 56'(2) erstreckt um auf diese Weise so in den Abstandshalter 24 einzugreifen, daß dessen axiale Verschiebung verhindert wird.

Die oben beschriebene Kombination hat eine Reihe von Vorteilen. Die Wasserröhre (oder die Wasserröhren) sorgt für eine stärkere Neutronenmoderation in der Gruppe Plutonium enthaltender Brennstoff stäbe, um die Leistungsfähigkeit des Plutoniumbrennstoffes zu vergrößern. Die Wasserröhre 41 hat die zweifache Funktion, im zentralen Bereich des Brennstoffelementes stärker zu moderieren und die Abstandshalter 24 in axialer Stellung zu halten, wodurch zusätzliche die Abstandshalter haltende Bauteile nicht erforderlich sind und die Probleme, einen mit Brennstoff versehenen Stab zum Haltern der Abstandshalter zu verwenden, entfallen.

Die folgende Zusammenstellung zeigt beispielhafte Anfangsparameter der Ausführungsform eines Brennstoffelementes, wie es in F i g. 4 dargestellt ist

Brennstoffelement 20 (1)

Anzahl der Brennstoffstabplätze 49
Anzahl mit Brennstoff versehener Stäbe 48
Anzahl der Wasserröhren 1

Anzahl der mit Phitonhimbrennstoff

versehenen Stabe 21 (1) 10
Mittlerer Gehalt an spaltbarem Pu 2£Gew.-%

Mittlerer Gehalt an natürlichem U 96,2 Gew.-% Anzahl der mit Uranbrennstoff

versehenen Stäbe 21 (2) 33

Mittlerer Gehalt an spaltbarem Pu keiner
Mittlerer Gehalt an spaltbarem U 15 Gew.-%

Anzahl der mit abbrennbarem Gift versehenen Brennstoffstäbe 21 (3) 5

Mittlerer Gehalt an spaltbarem Pu keiner
Mittlerer Gehalt an spaltbarem U 23 Gew.-%

Mittlerer Gd-Gehalt 2,0 Gew.-%

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennstoffelement zur Verwendung zusammen mit einer Vielzahl von gleichartigen Brennstoffelementen und einem Neutronenmoderator im Kern eines Atomkernreaktors, welches aus einer Vielzahl von langen Brennstoffstäben besteht, die mit Abständen zueinander im Element angeordnet sind und eine sich über die Länge des Elementes erstreckende, oben und unten offene Röhre aufweist, die innerhalb des Bereiches der Brennstoffstäbe parallel zu ihnen angeordnet ist, und eine Anzahl von axial beabstandeten Brennstoffelement-Abstandshaltern zum seitlichen Haltern der Brennstoffstäbe aufweist, wobei Abstandshalter-Halterungsmittel fest mit der Röhre verbunden sind und in die Abstandshalter eingreifen, um eine axiale Verschiebung dar Abstandshalter zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffstäbe (21) in an sich bekannter Weise in einer Anzahl von Gruppen angeordnet sind, von denen eine erste Gruppe (Pu) spaltbares Ausgangsplutonium und eine zweite Gruppe (U) anfänglich angereichertes, von merklichen Mengen Ausgangsplutonium freies Uran enthält, daß die Röhre (41) im Bereich der ersten Gruppe von Brennstoffstäben (Pu) angeordnet ist und daß diese Röhre (41) von einem Moderator durchflossen wird.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre (41) im wesentlichen denselben äußeren Durchmesser wie die Brennstoffelemente (21) aufweist

3. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre (41) zum Abfließen des Moderators Löcher (53) in der oberen Hälfte aufweist

4. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter-Halterungsmittel aus einer Vielzahl axial voneinander beabstandeter Aufhängeansätze (54,62), die fest mit der Röhre (41) verbunden sind und in die Abstandshalter (56,57) eingreifen, bestehen.

5. Brennstoffelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre (41) zum Ausklinken der Aufhängeansätze (54, 62) aus den Abstandshaltern (56,57) drehbar ist

6. Brennstoffelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (29 (1), 46) zur Verhinderung des Drehens der Röhre (41) vorhanden sind.

7. Brennstoffelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die Drehbewegung verhindernden Mittel aus einer unteren Endplatte (44) mit quadratischem Querschnitt (46), die fest an der Röhre (41) angebracht ist, und einer dazu passenden quadratischen Konushülle (29 (I)) in einer Halteplatte (23) bestehen.

8. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre (41) an jedem Ende einen Endstopfen (44, 48) aufweist und daß diese t>o Endstopfen (44,48) mit Durchgängen (45,51) für den Moderator versehen sind.