DE3435838A1

DE3435838A1 - Brennelement-kassette fuer druckwasser-kernreaktoren

Info

Publication number: DE3435838A1
Application number: DE19843435838
Authority: DE
Inventors: Jean-Paul Elancourt Millot
Original assignee: Framatome SA
Current assignee: Areva NP SAS
Priority date: 1983-09-30
Filing date: 1984-09-28
Publication date: 1985-04-18
Also published as: KR910005923B1; JPH0414316B2; GB8424123D0; FR2552921A1; KR850002352A; IT8467944A0; DE3435838C2; US4652416A; IT8467944A1; IT1179133B; GB2147452A; GB2147452B; FR2552921B1; JPS6093990A

Description

Brennelement-Kassette für Druckwasser-Kernreaktoren

Die Erfindung betrifft eine Brennelement-Kassette für Druckwasser-Kernreaktoren. Solche Brennelement-Kassetten bestehen im allgemeinen aus einem Bündel paralleler, entlang der Längsachse der Kassette angeordneter und mittels Verstrebungen in Querrichtung beabstandeter Brennstoffstäbe. Die Zwischenräume zwischen den Brennstäben ermöglichen die Zirkulation von Kühlwasser, in das der Reaktorkern eingetaucht ist und das Ausbilden einer als Moderator dienenden Wasserschicht um jeden Brennstab herum.

Druckwasser-Kernreaktoren verbrauchen große Mengen an natürlichem Uran und haben, einen relativ geringen Wirkungsgrad, da nur ein geringer Anteil dieses in den Brennelement-Kassetten vorhandenen Urans zur Energieerzeugung beiträgt.

Die Wiederaufbearbeitung der Materialien abgebrannter Brennelement-Kassetten ermöglicht jedoch Plutonium

wieder-^zUsjjewinnen, das als ein Teil einer Brennstoff-Charge für Brutreaktoren verwendet werden kann. Brutreaktoren haben jedoch bislang noch keine große industrielle und kommerzielle Bedeutung erlangt.

Es wurde daher vorgeschlagen, das wiedergewonnene Plutonium als einen Teil des Brennstoffs zu verwenden, der in die Brennstäbe eingeführt wird, aus denen die Brennelement-Kassetten des Reaktorkerns bestehen. Dieses Verfahren ermöglicht größere Mengen Plutonium in die Brennstoff-Chargen eines Kernreaktors einzuführen. Andererseits wird dieses Plutonium, angesichts der Neutronenenergie in einem Druckwasser-Reaktor nicht in einem befriedigenden Maße ausgenutzt . Insbesondere degradiert dieses Plutonium durch Bildung nicht

spaltbarer Isotope _aus spaltbaren Isotopen.

Dieser Nachteil wird bei einem Reaktorkern mit heterogener Struktur vermieden, indem Brennelement-Kassetten verschiedener Art nebeneinander angeordnet sind. Bestimmte Brennelement-Kassette enthalten mit einem normalen Abstand beabstandete Brennstäbe aus Uranoxid und andere Brennelement-Kassetten enthalten Brennstäbe aus Plutonium, die durch einen Abstand voneinander getrennt sind, der sehr viel kleiner ist als der, der die Brennstäbe aus angereichertem Uran trennt. Man erzielt dadurch eine Härtung des Neutronenspektrums, d. h. eine Erhöhung der mittleren Neutronenenergie in den Brennelement-Kassetten, die Brennstäbe aus Plutonium aufweisen, die von einer dünnen Wasserschicht zur Moderation der Neutronen umgeben sind.

Dies'führt jedoch dazu, daß im Reaktorkern verschiedene Typen von Brennelement-Kassetten verwendet werden.

Um den Wirkungsgrad von Druckwasser-Reaktoren zu erhöhen, hat man allgemein und ohne sich auf die Verwendung von wiedergewonnenem Plutonium zu beziehen, vorgeschlagen, das Energiespektrum der Neutronen bei diesen Reaktoren zu hohen Energien zu verschieben und dem Brennstoff einen gewissen Anteil an Brutmaterial, wie z. B. entreichertem Uran zuzugeben. Bei solchen Reaktoren müssen untermoderierte Brennelement-Kassetten verwendet werden, bei denen die Brennstäbe mit geringem Abstand zueinander angeordnet sind. Ferner müssen mindestens zwei verschiedene Arten an Brennelement-Kassetten verwendet werden, und zwar Brennelement-Kassetten mit spaltbarem Brennstoff und solche mit Brutmaterial. Will man schließlich von einem untermoderierten Betrieb des Reaktors, bei dem spaltbares Material erzeugt wird

zu einem normalen Betrieb übergehen, so muß die Brennstoff-Charge des Reaktors vollständig ausgetauscht werden.

Es wurden ebenfalls Kernreaktoren, bei denen das EnergieSpektrum geändert wird, vorgeschlagen; solche Kernreaktoren sind z. B. in den FR-PS 82-18011 und FR-PS 82-18012 der Societe FRAMATOME beschrieben „ Bei diesen Kernreaktoren kann ein Teil der Führungs rohre der Brennelement-Kassetten zu Beginn eines Betriebszyklus des Reaktors Stäbe aus entreichertem Uran aufnehmen, die die Menge des Moderators in den Brennelement-Kassetten vermindern und in diese ein Neutronen kleiner Energie absorbierendes Material einführen, das sich in spaltbares Material umwandeln kann. Dies erschwert jedoch das Wiederaufladen des Reaktors und erfordert eine anspruchsvollere Handhabung der verschiedenen den Reaktorkern bildenden Brennelement-Kassetten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennelement-Kassette für einen Druckwasser-Reaktor anzugeben, die aus einem Bündel entlang der Längsachse der Brennelement-Kassette parallel zueinander angeordneter Brennstäbe , die in Querrichtung zueinander beabstandet angeordnet sind, um die Zirkulation von Kühlwasser und die Bildung einer Wasserschicht um die Brennstäbe herum, zur Moderation der Neutronen ermöglicht, mit der die Konstruktion des untermoderierten Reaktors vereinfacht werden kann und bei der wiedergewonnenes Plutonium unter günstigen Bedingungen, insbesondere in Reaktoren, bei denen das Energiespektrum verändert wird, verwendet werden kann.

Zu diesem Zweck weist die Brennelement-Kassette eine aus einer ersten Gruppe von Brennstäben gebildete Randzone, in der die Brennstäbe im wesentlichen mit spaltbarem Uran angereichertes Uranoxid enthalten die

Neutronen emittieren und die Kernreaktion unterhalten, und die mit einem solchen Abstand zueinander angeordnet sind, daß die Wasserschicht zur Moderation ausreichend dick ist, um die Neutronen in den Bereich thermischer Energien zu überführen, und eine aus einer zweiten Gruppe von Brennstäben gebildete zentrale Zone, .in der die Brennstäbe im wesentlichen Plutonium oder an spaltbarem Uran entreichertes Uran enthalten und mit einem Abstand zueinander angeordnet sind, der wesentlich kleiner ist als der Abstand zwischen den Brennstäben in der Randzone, auf.

Vorzugsweise weist die Brennelement-Kassette in der Randzone angeordnete Führungsrohre zum Aufnehmen von Stäben zur Änderung des Energiespektrums auf.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung zweier erfindungsgemäßer Ausführungsformen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein rechteckiges, die , Brennelement-Kassette bildendes Brennstabbündel,

Fig. 2 einen Schnitt in vergrößertem Maßstab₎eines Teilbereichs der zentralen Zone der in Fig. 1 gezeigten Brennelement-Kassette,

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein hexagonales, eine Brennelement-Kassette bildendes Brennstabbündel.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt ein eine Brennelement-Kassette mit rechteckigem Querschnitt bildendes Brennstabbündel , in dem die in der Randzone 1 der Brennelementkassette gelegenen Brennstäbe gemäß einem rechteckigen Raster angeordnet sind. Es handelt sich dabei um ein 18 χ 18 - Raster, in dem die Brennstäbe 2 durch

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Gitterstreben in einem bestimmten Abstand zueinander gehalten werden. Auf bestimmten Positionen des Rasters sind Führungsrohre 3 angeordnet, die gleichzeitig die Versteifung der Brennelement-Kassette und die Führung der in ihnen verlaufenden Stäbe sicherstellen. ^;

Der zentrale Bereich 4 der Brennelement-Kassette besteht aus einem zweiten Brennelement-Raster 5, in dem die Brehnstäbe in einem bestimmten Abstand zueinander gehalten werden, der wesentlich kleiner ist als der Abstand der Brennstäbe 2 in der Randzone 1. Diese Brennstäbe werden durch Längsprofilstreben 6 zueinander in Abstand gehalten. Der zentrale Bereich 4 der Brennelement -Kassette enthält 100 Brennstäbe, die in 10 Zeilen und 10 Spalten angeordnet sind. Das den zentralen Bereich bildende Bündel 4 kann als ganzes durch das querverlaufende Gitter zur Halterung der Brennstäbe und Führungsrohre der Randzone gehaltert werden.

Die Brennstäbe 2 der Randzonen bestehen aus mit Tabletten aus mit spaltbarem Uran angereichertem Uranoxid gefüllten Rohren ., wohingegen die Brennstäbe 5 des zentralen Bereichs 4 aus mit wiedergewonnenem Plutonium gefüllten Rohren . besteht.

Die Brennelement-Kassette als ganzes enthält 216 Brennstäbe 2 mit angereichertem Uran, 44 Führungsrohre 3, die die Einführung von Steuerstäben in die Brennelement-Kassette ermöglichen und 100 Plutoniumbrennstäbe 5 , die den untermoderierten Teil der Brennelement-Kassette bildet.

Die 100 Brennstäbe 5 werden mittels 81 Profilstreben 6 in einem kleinen Abstand zueinander gehalten. Figur 2 zeigt die Anordnung von vier Plutoniumbrennstäben 5 um eine Profilstrebe 6, mit der diese mit einem Abstand von 9,75 mm zwischen den Achsen der Brennstäbe, deren

Außendurchmesser 8,65 mm beträgt, gehalten werden. Im Inneren der äußeren Schutzhülle der Brennstäbe 5 ist das Spaltmaterial mit einem gewissen Spiel angeordnet, das dessen Ausdehnung zuläßt.

Die Gesamtheit der 44 Führungsrohre oder ein Teil dieser Führungsrohre kann Stäbe aus entreichertem Uran während des ersten Teils des Betriebszyklus des Reaktors aufnehmen, um das Neutronenspektrum des Reaktors zu härten und um die Menge an eingeführtem brütbaren Material, das sich in spaltbares Material umwandeln läßt, zu erhöhen. Die in dem Randbereich der Kassette, in dem die Brennstäbe angereichertes Uran enthalten, erzeugten Neutronen führen zur Spaltung der spaltbaren Isotope des Plutoniums im zentralen Bereich 4 der Brennelement-Kassette. Die aus dieser Spaltung resultierenden Neutronen sind Neutronen mit hoher Energie, da sie in der untermoderierten Zone der Brennelement-Kassette erzeugt wurden. So wird ein Degradieren des Plutoniums durch die Bildung von nicht spaltbaren Isotopen verhindert, die bei einem niederenergetischen Neutronenfluß erzeugt würden.

Während des zweiten Teils des Betriebszyklus des Reaktors wird das in der Brennelement-Kassette erzeugte spaltbare Material verwendet und ermöglicht somit die Ausbeute des ursprünglich in der Charge des Reaktors eingeführten Brennstoffs zu erhöhen.

Eine Charge des Kernreaktors· besteht aus aneinandergefügten identischen Brennelement-Kassetten , die jeweils eine Randzone mit Brennstäben, aus angereichertem Uran und mit Führungsrohren und einer zentralen Zone mit Brennstäben aus Plutonium aufweisen. Bei bestimmten Brennelement-Kassetten nehmen die Führungsrohre alle Stäbe zur Änderung des Energiespektrums auf und

bei anderen Brennelement-Kassetten nimmt ein Teil der Führungsrohre Stäbe zur Änderung des Energiespektrums und ein anderer Teil Stäbe zur Steuerung der Reaktivität des Reaktors und zur Leistungssteuerung auf. Die Brennelement-Kassetten selbst bleiben dabei identisch, sie nehmen in einem Fall nur Stäbe zur Änderung des Energiespektrums und in einem anderen Fall Stäbe zur Änderung des Energiespektrums und Steuerstäbe auf.

Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform. Diese Brennelement-Kassette hat einen hexagonalen Querschnitt. Der Randbereich der Brennelement-Kassette besteht aus mit spaltbarem Uran angereichertes Uranoxid enthaltender Brennstäben 10 und 48 Führungsrohren 12, die Stäbe aus entreichertem Uran zur Änderung des Energiespektrums und/oder Steuerstäbe des Reaktors aufnehmen .

Der mittlere Bereich 14 der Brennelement-Kassette besteht aus Plutoniumbrennstäben 15, die mittels Profilstreben 16 in einem Abstand zueinander gehalten werden, der wesentlich kleiner ist als der Abstand zwischen den Brennstäben 10. Der Bereich 14 der Brennelement-Kassette bildet also einen untermoderierten Bereich, in dem eine Härtung des Neutronenspektrums durch die verminderte Dicke der Wasserschichten zur Moderation erzielt wird.

Es ist ebenfalls möglich, die Dicke der moderierenden Wasserschichteadurch Erhöhung des Durchmessers der Brennstäbe im zentralen Bereich zu vermindern.

Die Funktionsweise der in Fig. 3 gezeigten Brennelement-Kassette, ist vollkommen

identisch zu der Funktionsweise der in den Fig. und 2 gezeigten Brennelement-Kassette. Alle weiteren Brennelement-Kassetten des Reaktorkerns sind mit der i"n

Fig. 3 gezeigten Brennelement-Kassette identisch. Eine solche Anordnung von Brennelement-Kassetten wird normalerweise von einem prismenförmigen Gefäß mit hexagonalem Querschnitt aufgenommen, des z« B. in den französischen Patentanmeldungen Nr. 2 511 174 und 2 517 826 der Societe FRAMATOME beschrieben ist.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sondern umfaßt vielmehr alle denkbaren Varianten.

So kann z. B. in die in dem Randbereich angeordneten Brennstäbe eine gewisse Menge an Brutmaterial eingefügt werden, das sich unter der Einwirkung hochenergetischer Neutronen während des ersten Teils des Betriebszyklus des Reaktors in spaltbares Material umwandeln kann.

Die erfindungsgemäße Brennelement-Kassette kann nicht nur zur Wiederverwendung von wiedergewonnenem Plutonium in Druckwasser-Reaktoren, sondern außerdem als untermoderierte Brennelement-Kassette, die gleichzeitig spaltbares und brütbares Material beinhaltet, verwendet werden. Die Brennstäbe 5 oder 15 im zentralen Bereich der Brennelement-Kassette bestehen in diesem Fall aus brütbarem Material wie z. B. entreichertem Uran anstatt aus wiedergewonnenem Plutonium. Die erfindungsgemäße Brennelement -Kassette dient in diesem· Fall , dazu, die Charge eines untermoderierten Reaktors mit nur einer Sorte von »Brennelement-Kassetten zu bilden.

Indem man Führungsrohre, die Stäbe zur Änderung des Energiespektrums aufnehmen können,in dem Randbereich vorsieht, verbindet man die Vorteile eines Reaktors mit Änderung des Energiespektrums mit denen eines untermoderierten Reaktors.

Die Brennstäbe im zentralen Bereich der Brennelement-Kassette können mittels spiralförmig auf der Außenfläche dieser Stäbe aufgewickelten Drähten anstatt mittels den beschriebenen Profilträgern zueinander in geringem Abstand gehalten werden.

Schließlich kann die erfindungsgemäße Brennelements-Kassette in allen wassergekühlten Kernreaktoren verwendet werden, bei denen man eine heterogene Struktur des Reaktorkerns mit Zonen unterschiedlicher Moderationsfaktoren anstrebt.

Claims

BEETZ & PARTNER Patentanwälte "

Steinsdorfstr. 10 ■ D-8000 München 22 European Patent Attorneys

Telefon (089) 227201 - 227244 - 295910 _{R ßEETZ gen} .

Telex 522048 - Telegramm Allpat" München Dr-Ina R BEETZ iun

1O-36 . 745P (36 . 746H)

Priv.-Doz. Dipl.-Chem. Dr. rer. nat W. SCHMITT-FUMIAN Dipl.-lng. K. LAMPRECHT 11981

28. Sept. 1984

FRAMATOME & CIE
924oo Courbevoie, Frankreich

Ansprüche

( 1 .) Brennelement-Kassette für einen Druckwasser-Kernreaktor, mit einem Bündel in Längsrichtung der Kassette parallel zueinander angeordneter Brennstäbe, die in Querrichtung beabstandet sind, um eine Zirkulation von Kühlwasser und die Ausbildung einer moderierenden Wasserschicht um die Brennstäbe herum zu ermöglichen,

gekennzeichnet durch,

- einen aus einer ersten Gruppe von Brennstäben

(2; 10) gebildeten Randbereich (1; 11), in dem die Brennstäbe im wesentlichen mit spaltbarem Uran angereichertes Uranoxid enthalten, die Neutronen emittieren und die Kernreaktion unterhalten, und die mit einem solchen Abstand zueinander angeordnet sind, daß die .moderierende .Wasserschicht ausreichend dick ist, umd die Neutronen in den Bereich thermischer Energien zu überführen, und

- einen aus einer zweiten Gruppe von Brennstäben (5; 15) gebildeten zentralen Bereich (4; 14), in dem die

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Brennstäbe im wesentlichen Plutonium oder an spaltbarem Uran entreichertes Uran enthalten, und mit einem Abstand zueinander angeordnet sind, der wesentlich kleiner ist als der Abstand zwischen den Brennstäben (2; 10) in dem Randbereich (1; 11).
2. Brennelement-Kassette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Abstand, mit dem Brennstäbe (5; 15) in dem zentralen Bereich (4; 14) zueinander angeordnet sind, eine Wasserschicht einer Dicke definiert , die hinreichend klein ist, so daß die erzeugten Neutronen eine hohe Energie haben.
3. Brennelement-Kassette nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch

in der Randzone angeordnete Führungsrohre (3; 12) zum Aufnehmen von Stäben zur Änderung des Energiespektrums .
4. Brennelement-Kassette nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die Brennstäbe (5; 15) des zentralen Bereichs (4; 14) der Brennelement-Kassette über Längsprofilstreben (6) zueinander in Abstand gehalten werden.
5. Brennelement-Kassette nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die Brennstäbe (5; 15) des zentralen Bereichs (4; 14) der Brennelement-Kassette durch auf ihre Außenfläche spiralförmig aufgewickelte Drähte zueinander in Abstand gehalten werden.