DE2432347C3 - Nuclear reactor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor, insbesondere Druckwasserreaktor, mit einem aus einzelnen länglichen Brennelementen zusammengesetzten Reaktorkern, dessen Brennelemente gruppenweise nach jeweils einem Abbrandzyklus ersetzt werden, und mit Steuerstäben zur Leistungsregelung, die in Längsrichtung der Brennelemente von einer Seite aus, vorzugsweise von oben, in den Reaktorkern einfahrbar sind, wobei einzelne Stäbe der von einem vorangegangenen Abbrandzyklus übernommenen Brennelemente mit abbrennbaren Neutronenabsorbern (Giften) versehen sind. Bei einem derartigen aus der deutschen Offenlegungsschrift 19 21528 bekannten Kernreaktor setzt man zur fortlaufenden Reaktivitätskontrolle Absorbermaterial in bestimmte Bereiche ein. Zu diesem Zweck werden in den Brennelementen, die bekanntlich mehrere Brennstäbe in einer genau definierten räumlichen Anordnung aufweisen, Leerstellen gelassen, die einen aus Absorbermaterial bestehenden Stab auswechseibar aufnehmen können. Als Absorbermaterial ist u. a. Aluminium-Gadolinium genannt.The invention relates to a nuclear reactor, in particular a pressurized water reactor, with a single elongated fuel assemblies assembled reactor core, its fuel assemblies in groups be replaced in each case with a burn-off cycle, and with control rods for power regulation, which in the longitudinal direction the fuel assemblies can be moved into the reactor core from one side, preferably from above, with individual rods of the fuel elements taken over from a previous burn-up cycle burnable neutron absorbers (poisons) are provided. In one such from the German Offenlegungsschrift 19 21528 known nuclear reactor is used for continuous reactivity control absorber material in certain areas. For this purpose, in the fuel assemblies, which is known several fuel rods in a well-defined spatial arrangement, leaving voids that a rod made of absorber material can be exchanged. The absorber material is, inter alia. Called aluminum gadolinium.

Bei der bekannten Anordnung ist zwar die Verteilung der Absorberstäbe über den Querschnitt des Reaktorkerns unterschiedlich und sogar variierbar. Es darf aber angenommen werden, daß das Absorbermaterial in den Absorberstäben über die Höhe des Reaktorkerns., also in axialer Richtung, gleichmäßig verteilt ist, da eine solche gleichmäßige Verteilung allgemein üblich ist und in der Entgegenhaltung auch nichts anderes gesagi: ist. So wird z.B. in der DT-OS 19 09 109 auf die unterschiedliche axiale Verteilung der abbrennbaren Neutronenabsorber ausdrücklich hingewiesen.In the known arrangement, the distribution of the absorber rods over the cross section of the reactor core is true different and even variable. But it can be assumed that the absorber material in the Absorber rods over the height of the reactor core., So in the axial direction, is evenly distributed, because a such an even distribution is common practice and nothing else is said in the citation. For example, DT-OS 19 09 109 refers to the different axial distribution of the burnable Neutron absorbers expressly pointed out.

Dem Bekannten gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Einsatz der abbrennbaren Gifte so zu wählen, daß örtliche Leistungsspitzen zu Beginn eines Brennstoffzyklus vermieden werden, die bisher schnelle Leistungserhöhungen verhinderten. Dadurch kann man das Regelverhalten des Kernreaktors so verbessern, daß er auch für den Lastfolgebetrieb zur Stützung der Netzfrequenz herangezogen werden kann.Compared to the known, the invention is based on the object, the use of the burnable poisons to be chosen so that local power peaks at the beginning of a fuel cycle are avoided, which were previously prevented rapid increases in performance. This way you can control the behavior of the nuclear reactor improve that it can also be used for load follower operation to support the network frequency.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß die abbrennbaren Neutronenabsorber von der den Siteuerstäben zugekehrten Seite der Brennelemente ausgehend über höchstens 20 °/o der Länge der Brennelemente verteilt sind und nach 3- bis 4monatigem Normalbetrieb unwirksam sind.According to the invention it is provided that the burnable neutron absorber from the Siteuerstäben facing side of the fuel assemblies for a maximum of 20% of the length of the fuel assemblies are distributed and are ineffective after 3 to 4 months of normal operation.

Bei der Erfindung ist in striktem Gegensatz zu der technischen Lehre der vorgenannten Offenlegungsschriften bewußt eine einseitige Anordnung der abbrennbaren Gifte vorgesehen, und zwar nur über ein Fünftel des Kernvolumens. Dadurch kann, wie umfangreiche Untersuchungen ergeben haben, die Regelbarkeit großer Kernreaktoren erheblich verbessert werden. Dies beruht darauf, daß die Brennelemente, die aus einem vorangegangenen Abbrandzyklus übernommen sind, vor allem wegen der für die Leistungsregelung üblichen Steuerstabfühning und wegen des unterschiedlichen axialen Abbrands infolge der Reaktivitätsrückwirkung der Kühlmittelaufwärmspanne an der einen Seite, von der aus die Steuerstäbe in den Reaktorkern einfahren und an der das Kühlmittel heißer ist, eine größere Reaktivität aufweisen als an der anderen Seite. Diese größere Reaktivität wird durch die nach der Erfindung vorgesehenen abbrennbaren Gifte kompensiert, damit auch schnelle Leistungserhöhungen, bei denen die zur Leistungsregelung dienenden Steuerstäbe nahezu vollständig oder sogar vollständig aus dem Reaktorkern ausgefahren werden, keine unzulässigen örtlichen Leistungsspitzen verursachen. Mit dieser in Kauf genommenen Verringerung der gleichmäßigen Leistungsentwicklung am einen Ende einer Gruppe von Brennelementen wird aber die Regelbarkeit des Kernreaktors so weit erhöht, daß der neue Kernreaktor uneingeschränkt für den Lastfolgebetrieb zur Stützung der Netzfrequenz herangezogen werden kann.The invention is in strict contrast to the technical teaching of the aforementioned laid-open documents deliberately a one-sided arrangement of the burnable poisons provided, and only via one Fifth of the core volume. As extensive studies have shown, this can improve the controllability large nuclear reactors are greatly improved. This is due to the fact that the fuel assemblies that are made of a previous burn cycle are taken over, mainly because of the power control customary control rods and because of the different axial burn-off as a result of the reactivity reaction of the coolant warm-up span on one side Side from which the control rods enter the reactor core and where the coolant is hotter, one have greater reactivity than on the other side. This greater reactivity is due to the Invention provided burnable poisons compensated, thus also quick increases in performance which the control rods used for power regulation are almost completely or even completely removed from the Reactor core are extended, do not cause any inadmissible local power peaks. With this in Taken reduction in the uniform performance development at one end of a group of Fuel elements, however, the controllability of the nuclear reactor is increased so much that the new nuclear reactor can be used without restriction for load following operation to support the grid frequency.

Unter Normalbetrieb wird dabei ein Leistungsbetrieb mit mindestens 50 % der Nennleistung des Kernreaktors verstanden. Es hat sich nämlich gezeigt, daß danach eine so weitgehende Angleichung der Leistung der einzelnen Brennelemente erfolgt ist, daß die für einen Lastfolgebetrieb zur Frequenzstützung erforderlichen großen Lastrampen auch ohne abbrennbare Gifte eingehalten werden können.Normal operation is a power operation with at least 50% of the nominal power of the nuclear reactor Roger that. It has been shown that afterwards such an extensive approximation of the performance of the individual fuel assemblies is carried out that the frequency support required for a load follower operation large load ramps can also be adhered to without combustible poisons.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Dabei ist in den F i g. 1 und 2 in einem Vertikalschnitt und einer Draufsicht etwas vereinfacht der Reaktordruckbehälter eines Druckwasserreaktors dargestellt. Die F i g. 3 zeigt in einer Ansicht ein einzelnes Brennelement des Reaktorkerns.For a more detailed explanation of the invention, an exemplary embodiment is shown below with reference to the drawing described. It is in the F i g. 1 and 2 somewhat simplified in a vertical section and a plan view the reactor pressure vessel of a pressurized water reactor is shown. The F i g. 3 shows in one view a single fuel element of the reactor core.

Der gezeichnete Druckwasserreaktor für z. B. 1000 MWe besitzt einen Reaktordruckbehälter 1, der aus einem Unterteil 2 und einem mit diesen über Flansche 3 verbundenen Deckel 4 besteht. Der Reaktordruckbehälter 1 enthält in einem sogenannten Kernbehälter 5 einen Reaktorkern 6, der aus vertikal angeordneten länglichen, im Querschnitt quadratischen Brennelementen 8 zusammengesetzt ist. Zu einem Kern können etwa 100 bis zu mehr als 200 Brennelemente gehören, die aus Brennstäben mit den diese an den Enden umfassenden Kopfstücken bestehen. Die Brennstäbe sind Metallrohre, die nach dem Einfüllen von uranhaltigen Tabletten dicht verschweißt werden.The drawn pressurized water reactor for z. B. 1000 MWe has a reactor pressure vessel 1, the consists of a lower part 2 and a cover 4 connected to these via flanges 3. the Reactor pressure vessel 1 contains a reactor core 6 in a so-called core vessel 5, which consists of vertically arranged elongated, in cross-section square fuel assemblies 8 is composed. To a core can include around 100 to more than 200 fuel assemblies that are made from fuel rods with which they are attached to the End-encompassing head pieces exist. The fuel rods are metal tubes that, after being filled with uranium-containing tablets are tightly welded.

Die im Reaktorkern 6 durch Kernspaltung mit Hilfe von Neutronen entwickelte Leistung wird durch Steuerstäbe 10 geregelt, die als neutronenabsorbierendes Material z. B. Borcarbid enthalten und in Längsrichtung der Brennelemente 8 verstellbar sind. Ihre Antriebe 11 sind auf Stutzen 12 des Druckbehälterdeckels 4 befestigt. Die Steuerstäbe 10 werden demnachThe power developed in the reactor core 6 by fission with the help of neutrons is through Control rods 10 regulated, which as a neutron absorbing material z. B. contain boron carbide and in the longitudinal direction the fuel assemblies 8 are adjustable. Your drives 11 are on nozzle 12 of the pressure vessel cover 4 attached. The control rods 10 are accordingly

zur Regelung der Reaktorleistung von der Oberseite her in den Reaktorkern 6 hinein- oder aus diesem herausgefahren. moved into or out of the reactor core 6 from the top to regulate the reactor power.

Die im Reaktorkern 6 durch Kernspaltung entstehende Wärme wird durch unter hohem Druck stehendes Wasser abgeführt, das den Reaktorkern in Richtung der Pfeile 15 durchströmt. Außerhalb des Reaktordruckbehälters 1 gelangt das Wasser über eine Leitung 16 zu einem nicht dargestellten Dampferzeuger, von dem es durch eine ebenfalls nicht dargestellte Hauptkühlmittelpumpe über die Leitung 17 in den Reaktordruckbehälter 1 zurückgefördert wird.The forms in the reactor core 6 by nuclear fission heat is removed by highly pressurized water that flows through the reactor core in the direction of arrows 15 °. Outside the reactor pressure vessel 1, the water arrives via a line 16 to a steam generator, not shown, from which it is returned to the reactor pressure vessel 1 via line 17 by a main coolant pump, also not shown.

Der Reaktorkern 6 verringert bei der Wärmeerzeugung seine Reaktivität. Deshalb muß der Kernreaktor nach einer als Abbrennzyklus bezeichneten Zeit von etwa einem Jahr nachgeladen werden. Hierbei werden die meisten der Brennelemente 8 des Reaktorkerns erneut verwendet.The reactor core 6 reduces its reactivity when generating heat. Therefore the nuclear reactor must be recharged after a period of about a year called the burn-off cycle. Here will be most of the fuel assemblies 8 of the reactor core are reused.

In F i g. 3 ist dargestellt, daß zwischen die Brennstäbe 20 des in größerem Maßstab vereinfacht perspektivisch gezeichneten Brennelements 8' auf seiner Oberseite im Kopfstück 21 zehn Stäbe 22 ragen, die parallel zur Längsrichtung der Brennstäbe 20 über 20 % der Höhe /-/des Brennelementes 8' reichen. Die Stäbe 22 können als Rohre ausgeführt sein, die u. a. Gadolinium oder ein anderes abbrennbares Gift enthalten. Das Gift kann in Form stabförmiger Körper in den Rohren angeordnet sein. Es ist auch möglich, körniges oder pulverförmiges abbrennbares Gift in Metallrohre einzusetzen. Eine andere Möglichkeit zur Verwirklichung der Erfindung besteht in massiven Metallstiften, deren Metall das abbrennbare Gift zugesetzt ist. Die Stäbe können einen wesentlich kleineren Durchmesser als die Brennstäbe 20 aufweisen, so daß sie in die Teilung der Brennstäbe 20 hineinpassen. Sie können aber z. B. auch als die Brennstäbe konzentrisch umfassende Rohre ausgebildet sein, wenn durch öffnungen für die erforderliche Kühlmittelströmung gesorgt ist. Gegebenenfalls kann man auch die zum Brennelcmentskelett gehörenden Führungsrohre in dem erfindungsgemäßen Bereich mit abbrennbaren Giften versehen.In Fig. 3 is shown that between the fuel rods 20 of the simplified perspective on a larger scale drawn fuel assembly 8 'on its upper side in the head piece 21 ten rods 22 protrude parallel to the The longitudinal direction of the fuel rods 20 extends over 20% of the height / - / of the fuel assembly 8 '. The rods 22 can be designed as tubes, which include a. Contain gadolinium or another combustible poison. The poison can be in Form of rod-shaped body be arranged in the tubes. It is also possible in granular or powder form to use combustible poison in metal pipes. Another way of realizing the invention consists of massive metal pins, the metal of which is added to the burnable poison. The wands can do you Have much smaller diameter than the fuel rods 20, so that they in the pitch of the fuel rods 20 fit in. But you can z. B. also designed as concentric tubes surrounding the fuel rods if the necessary coolant flow is provided through openings. If necessary, can the guide tubes belonging to the fuel skeleton are also included in the area according to the invention provided with combustible poisons.

Bei der Erfindung wird erreicht, daß die »alten«, d. h. aus einem vorangegangenen Brennelementzyklus übernommenen Brennelemente 8' auch bei schnellen Leistungssteigerungen, insbesondere oben, keine örtliche Überhitzung erfahren, wenn die zur Leistungsregelung dienenden Stcuerstäbe 10 vollständig aus dem Reaktorkern herausgefahren werden. In diesem Fall werden am oberen Ende (Bereich 0,2 H) der Brennelemente die abbrennbaren Gifte wirksam und kompensieren, daß im Normalfall die Steuerstäbe 10 zwar am oberen Rand des Reaktorkerns 6 stehen, dort aber doch noch eine so weitgehende Abschirmung der Brennelemente 8 bewirken, daß am Ende eines Abbrandzyklus oben eine merklich höhere Reaktivität vorhanden ist als im Bereich des unteren Kopfstückes 24.With the invention it is achieved that the "old", i.e. H. taken over from a previous fuel assembly cycle Fuel elements 8 'even with rapid increases in output, especially above, no local Experience overheating when the control rods 10 used for power control are completely removed from the Reactor core to be extended. In this case, the fuel elements are at the upper end (range 0.2 H) the burnable poisons are effective and compensate for the fact that in normal cases the control rods 10 are on The upper edge of the reactor core 6 is standing, but there is still such extensive shielding of the fuel elements 8 have the effect that at the end of a combustion cycle there is a noticeably higher reactivity at the top than in the area of the lower head piece 24.

Beim Ausführungsbeispiel sind im Reaktorkern 6 neun Brennelemente 8' eingezeichnet, die bereits einen Abbrandzyklus durchlaufen haben. Die Zahl der Elemente richtet sich jedoch nach der Gesamtmenge der Brennelemente 8 des Kerns 6. Üblicherweise beträgt sie etwa ²/₃ aller Brennelmente 8. Diesen sind die Stäbe 22 mit dem abbrennbaren Gift zugeordnet. Die Erfindung kann aber auch so verwirklicht werden, daß weitere Stäbe 22 mit abbrennbaren Giften in der Nähe der Brennelemente 8' in anderen Brennelementen 8 vorgesehen sind.In the exemplary embodiment, nine fuel elements 8 'are shown in the reactor core 6, which have already passed through a burn-up cycle. However, the number of elements depends on the total amount of the fuel elements 8 of the core 6. Usually, it is about _{^2/3 of} all Brennelmente 8. These are associated with the rods 22 with the burnable poison. However, the invention can also be implemented in such a way that further rods 22 with burnable poisons are provided in the vicinity of the fuel assemblies 8 'in other fuel assemblies 8.

Da bei der Ausführungsform nach F i g. 3 zehn Stäbe 22 mit abbrennbarem Gift pro Brennelement 8' vorgesehen sind, sind über den Reaktorkern insgesamt fast 100 Stäbe 22 verteilt. Ihre Wirksamkeit soll so groß sein, daß sie zusammengenommen rund 1%o der Anfangsreaktivität des Kernes 6 binden. Das reicht zur Kompensation der anfänglichen örtlichen »Überreaktivität« aus, die ohnehin nach einem vierteljährlichen Normalbetrieb mit 50 % Nennleistung oder mehr abgebrannt ist, so daß auch das abbrennbare Gift verbraucht sein kann. Dies läßt sich durch geeignete Wahl der Menge, Anordnung und des Stoffes der abbrennbaren Gifte erreichen.Since in the embodiment according to FIG. 3 ten rods 22 with burnable poison per fuel assembly 8 ' are provided, a total of almost 100 rods 22 are distributed over the reactor core. Their effectiveness is said to be so great be that together they bind around 1% o of the initial reactivity of the core 6. That is enough for Compensation for the initial local »overreactivity«, which anyway after a quarterly Normal operation with 50% rated power or more is burned, so that the burnable poison can be consumed. This can be achieved by a suitable choice of the amount, arrangement and substance of the reach burnable poisons.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (2)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Kernreaktor, insbesondere Druckwasserreaktor, mit einem aus einzelnen länglichen Brennelementen zusammengesetzten Reaktorkern, dessen Brennelemente gruppenweise nach jeweils einem Abbrandzyklus ersetzt werden, und mit Steuerstäben zur Leistungsregelung, die in Längsrichtung der Brennelemente von einer Seite aus,.vorzugsweise von oben, in den Reaktorkern einfahrbar sind, wobei einzelne Stäbe der von einem vorangegangenen Abbrandzyklus übernommenen Brennelemente mit abbrennbaren Neutronenabsorbern versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die abbrennbaren Neutronenabsorber von der den Steuerstäben (10) zugekehrten Seite der Brennelemente (8') ausgehend über höchstens 20 % der Länge (4) der Brennelemente (8') verteilt sind und nach 3- bis 4monatigem Normalbetrieb unwirksam sind.1. Nuclear reactor, in particular pressurized water reactor, with a single elongated fuel element assembled reactor core, its fuel elements in groups after one Combustion cycle to be replaced, and with control rods for power regulation, which run in the longitudinal direction of the Fuel assemblies can be moved into the reactor core from one side, preferably from above, with individual rods of the fuel elements taken over from a previous burn-up cycle burnable neutron absorbers are provided, characterized in that the burnable Neutron absorber from the side of the fuel elements (8 ') facing the control rods (10) starting over a maximum of 20% of the length (4) of the fuel elements (8 ') are distributed and after 3- to 4 months of normal operation are ineffective. 2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abbrennbaren Neutronenabsorber eine Anfangsreaktivität von I⁰Ao binden.2. Nuclear reactor according to claim 1, characterized in that the burnable neutron absorbers ^{bind an initial reactivity of I 0} Ao.