DE2900801A1

DE2900801A1 - Steuerstab fuer einen kernreaktor

Info

Publication number: DE2900801A1
Application number: DE19792900801
Authority: DE
Inventors: Andrew James Anthony; Malcolm Duane Groves; Richard Hay Young
Original assignee: Combustion Engineering Inc
Current assignee: Combustion Engineering Inc
Priority date: 1978-01-20
Filing date: 1979-01-11
Publication date: 1979-07-26
Also published as: JPS5858037B2; JPS54109593A; CA1105623A; SE450741B; US4172762A; DE2900801C2; SE7900514L

Description

zum Patentgesuch

der Firma Combustion Engineering, Inc., Windsor/Conn., USA

betreffend:

"Steuerstab für einen Kernreaktor"

Die Erfindung betrifft einen Steuerstab nach dem · Oberbegriff des Anspruchs 1.

Insbesondere in Druckwasserreaktoren ist es üblich, die Leistung und die Leistungsverteilung in dem Reaktorkern mit Steuerstäben zu steuern, die von der Oberseite des Reaktors in die Brennstoffanordnungen einführbar sind. Diese Steuerstäbe sind gewöhnlich hohle Metallrohre, die übereinandergeschichtete Pellets in gleichmäßiger Form aus neutronenabsorbierendem Giftmaterial, gewöhlich B.C, enthalten. In dem Kern werden die Steuerstäbe in Steuerführungsrohren auf- und abbewegt, die einen ungehinderten Weg in den Kern ergeben, während sie zusätzlich dazu beitragen, die strukturellen Abmessungen der Brennstoffanordnungen beizubehalten .

Der Innendurchmesser der Führungsrohre wird gs?öhnlich als Maximum'dessen gewählt, was durch die Brennstoff-

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anordnung ermöglicht wird, damit ein Steuerstabmit maximal möglichem Durchmesser eingesetzt werden kann. Es ist wünschenswert, den Durchmesser der B.C-Pellets in den Kontrollstäben zu maximalisieren, da die Absorptionsfähigkeit der Stäbe insbesondere in Reaktoren mit thermischen Neutronen sehr stark von dem Oberflächenbereich der Pellets abhängig ist. Aus diesem Grunde und zum Fördern des Wärmeübergangs besteht gewöhnlich ein enges Spiel zwischen den B.C-Pellets und der Steuerstabumhüllung sowie zwischen dem Steuerstab und seinem Führungsrohr. Der Spalt zwischen den B C-Pellets und der Umhüllung muß

jedoch groß genug sein, um die Ausdehnung der Pellets aufzunehmen, wenn djsse während ihres Aufenthalts in dem Reaktorkern bestrahlt werden. Es ist sehr wichtig, daß die auf diese Weise ausgedehnten Pellets nicht zu stark gegen die Hüllenwandung drücken, da eine Hiällendformation zu einem Klemmen des Steuerstabs in seinem Führungsrohr führen kann. Wenn jedoch der Spalt zu groß ist, können Stücke, die von den B.C-Pellets als Ergebnis der Hin- und Herbewegung der Steuerstäbe abgesprungen sind, sich in dem Spalt im unteren Teil des Steuerstabs sammeln und schnell die Hülle deformieren, wenn sich die Pellets in dem unteren Teil ausdehnen.

Die effektive Lebensdauer eines Steuerstabes wird durch die durchschnittliche kumulative Bestrahlung über die Länge des Steuerstabs und durch die Maximalbestrahlung an irgendeinem Punkt des Steuerstabes bestimmt. Die durchschnittliche Bestrahlungsgrenze hängt von der integrierten Zerstörung des absorbierenden Isotops B-To in B.C ab, die gegegebenenfalls sogar einen vollständig eingesetzten Steuerstab zum Steuern des Reaktors unwirksam machen kann. Die Maximalbestrahlungsgrenze hängt von der lokalen Hüllenbeanspruchung und der Möglichkeit des Verklemmens des Steuerstabes in seinem Führungsrohr ab. Ein hauptsächliches Problem bei der Gesataltung von Steuerstäben zur Verwendung in Leistungsreaktoren war die ökonomisch un-

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günstige Tatsache, daß die Maximalbestrahlungsgrenze an dem Ende des Steuerstabes, das dem Reaktorkern am nächsten ist, erreicht wird, feige bevor die durchschnittliche Bestrahlungsgrenze für den Steuerstab erreicht wird. Dies resultiert aus der hohen Bestrahlung des unteren Endes des Stabes, die auch auftritt, wenn der gesamte Steuerstab aus dem Reaktorkern in die zurückgezogene Position herausgehoben ist. Wollte man das Reaktorgefäß langer machen, so daß die unteren Enden der Steuerstäbe weiter von dem Reaktorkern entfernt sind, wenn sie sich in ihrer zurückgezogenen Position befinden, wäre zu kostspielig.

Zur Lösung dieses Problems ist es bekannt, das untere Ende der Steuerstäbe mit einer Masse aus Silber-Indium-Cadmium (Ag-In-Cd) zu füllen, die nicht die hohe Ausdehnungsfähigkeit wie B₄C unter Bestrahlung aufweist. Jedoch ist diese Masse sehr viel teurer als B.C und besitzt eine niedrigere Neutronenabsorptionsfähigkeit.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Steuerstab nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der eine vergrößerte Lebensdauer aufweist und eine Säule von neutronenabsorbierenden Pellets enthält, die durch Bestrahlung hervorgerufene Ausdehnung zeigen, wobei die Herstellungskosten des Steuerstabes nicht wesentlich vergrößert und die Neutronenabsorptionseigenschaften relativ zu Steuerstäben, die mit einer gleichmäßigen Säule aus derartigen Pellets gewfüllt sind, nicht vermindert werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist es möglich, B.C-Pellets im unteren Teil von Steuxstäben, die über dem Reaktorkern angeordnet werden, in einer Weise zu verwenden, die den kostspieligen Effekt,

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der dadurch hervorgerufen wird, daß die Maximalbestrahlung am unteren Ende der begenzende Faktor der Lebensdauer des Steuerstabes ist, mindert, während eine genügende Neutronenabsorptionsfähigkeit im unteren Ende beibehalten wird. Weiterhin wird erreicht, daß abgeplatzte Stücke von den Pellets am unteren Ende des Steuerstabes zwischen die Pellets und die benachbarte Hülle gelangen.

Insbesondere besitzt die Hülse eine minimale thermische Leitfähigkeit, die ausreicht, um die Temperatur in der Mittellinie der Pellets unter dem Schmelzpunkt von B.C zu halten, wenn das Steuerstabende in dem höchsten erlaubten Neutronenfluß der Leistungsspitze in dem Reaktorkern angeordnet ist. Ein geeignetes Hüllenmaterial ist rostfreier Stahl in Form eines porösen Metalls mit einer Dichte von 22,5% des theoretischen Wertes.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in den beigefügten Abbildungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeir Spieles näher erläutert.

Fig. 1 zeigt im Schnitt das untere Ende eines Steuerstabes gemäß der Erfindung,

Fig. 2 zeigt die einstückige Hülse, bevor sie um die Endpellets des Steuerstabes von Fig. gelegt wird,

Fig. 1 zeigt einen Steuerstab 1o, der eine zylindrische Hülle 12 aufweist, in der B.C-Pellets 14, 16 übereinander gestapelt sind. In einem üblichen Kernreaktor erstreckt sich der

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Stapel an Pellets 14 aufwärts um etwa 3,6 m oder mehr, jedoch ist hier nur der untere Teil des Steuerstabes 1o von Belang. Etwa 25 cm des unteren Teils des Steuerstabes 1o enthalten B.C-Pellets 16, die einen kleineren Radius als die übrigen Pellets 14 aufweisen. In Abhängigkeit von der entsprechenden Reaktorauslegung können sich die Pellets 16 mit kleinerem Radius auch über einen Bereich bis zu etwa 45 cm erstrecken. Die Pellets 14 und 16 sind innerhalb der Hülle 12 dicht eingeschlossen, wobei die untere Dichtung 2o mit der Hülle 12 verschweißt und von den Endpellets 16 durch einen Abstandshalter 18 getrennt ist, der einen Radius aufweist, der im wesentlichen gleich dem inneren Radius der Hülle 12 ist. Die Endpellets 16 sind umfänglich von einer metallischen einstückigen Hülse 22 umgeben, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform im wesentlichen den Raum zwischen den Endpälets 16 und der Hülle 12 ausfüllt.

Fig. 2 zeigt die Hülse 22 vor dem Einsetzen in den Steuerstab 1o. Die Pellets 16 werden mit der Hülse 12 umhüllt, und das Gesamte in die Hülle 12 eingesetzt, bevor die Endkappe 2o und der Abstandshalter 18 angeschweißt werden. Wie in Fig. dargestellt ist, stößt die Oberkante 2 4 der Hülse 22 gegen die Unterseite 26 des untersten regulären Pellets 14 und wird hierdurch daran gehindert, aus ihrer Stellung herauszugleiten·

Wenn der Steuerstab 1o sich in seiner zurückgezogenen Position relativ zum Reaktorkern (nicht dargestellt) befindet, ist die Endkappe 2o nur wenige Zentimeter von dem Brennstoffentfernt, und das untere Ende des Steuerstabes 1o wird einem wesentlichen Neutronenfluß ausgesetzt. Der Neutronenfluß nimmt stark mit dem Abstand vom Reaktorkern ab, so daß an einer Stelle in dem Steuerstab 1o etwa 3o cm-von der Endkappe 2o entfernt, das Problem, mit dem sich die Erfindung befaßt, von untergeordneter Bedeutung wird. Wenn die B.C-Pellets einem Neutronenfluß ausgesetzt werden, expandieren sie in einem Grad, der

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etwa proportional der Anzahl der Neutronenabsorptionen ist, die in dem B.C-Pellets auftreten. Selbst wenn der Steuerstab aus dem Reaktorkern zurückgezogen ist, werden Neutronen in einem beträchtlichen Umfang in den unteren Endpellets absorbiert. Die Hülse 22 nimmt diese Expansion durch Kompression auf, wenn sich die Endpellets 16 ausdehnen, so daß nur wenig der Expansionskraft der Pellets auf die Hülle 12 übertragen wird. Wie oben ausgeführt wurde, darf sich die Hülle 12 nicht wesentlich ausdehnen, da dann die Möglichkeit besteht, daß sie in dem zugehörigen Führungsrohr (nicht gezeigt) klemmt. Die maximalerlaubte Hüllenbeanspruchung wird für jeden Reaktor während des Genehmigungsverfahrens bestimmt.

Die Erfindung ermöglicht es daher, daß die Endpellets 16 im unteren Teil des Steuerstabes Io einer wesentlich höheren Gesamtstrahlung als der Rest der Steuerstabpellets 14 ausgesetzt werden können, ohne daß die Lebensdauer des Steuerstabes 1o übermäßig begrenzt wird. Der obere Teil des Steuerstabes 1o wird nur dann einer beträchtlichen Strahlung ausgesetzt, wenn die Steuerstab 1o in den Reakto-rkern eingesetzt wird, jedoch wird der untere Teil nicht nur bestrahlt, wenn er sich um Reaktorkern befindet, sondern, wie bereits weiter oben ausgeführt, wenn der Steuerstab aus dem Reaktorkern herausgezogen ist.

Ein ige Steuerstäbe in Kernreaktoren werden nicht nur zum schnellen Abschalten des Reaktors durch schnelles und vollständiges Einführen verwendet, sondern ebenfalls zum REgulieren der Form des Neutronenflusses und der Leistung des Kerns. Diese Steuerstäbe werden häufig als Teil der normalen Betriebsmaßnahmen in den Kern hinaus- und aus diesem herausgeführt. Diese Handhabung führt zu Splittern und Teilchen von B.C von dem Stapel von Pellets 14, die sich in den unteren Teil des Steuerstabs 1o vorarbeiten und bei Abwesenheit einer entsprechenden Begrenzung Teile des Spaltes zwischen den unteren Pellets 16 und der be-

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nachbarten Hülle 12 füllen. Derartige eingeschlossene Splitter deformieren und perforieren die Hülle 12 schnell nach Ausdehnen der Pellets nach einer relativ geringen Neutronenbestrahlung. Wie in Fig. 1 dargestellt, kann die Hülse 22 derart bemessen sein, daß sie als wirksame Sperre dient, um zu verhindern, daß sich irgendwelches Material von dennormalen Pellets 14 zu den Endpellets 16 bewegt.

Steuerstäbe, die zum Steuern der Leistung verwendet werden, müssen gegenüber der in den B.C-Pellets erzeugten Hitze widerstandsfähig sein, wenn sie den maximal erlaubten Neutronenflüssen bei voller Leistung ausgesetzt werden. Es ist wahrscheinlich, daß der Endbereich des Steuerstabes in einigen Fällen sich in dem maximalen Neutronenfluß des Reaktorkerns befindet, daher muß die Hülse 22 eine thermische Leitfähigkeit besitzen, die es ermöglicht, daß die Wärme, die in den Endpellets 16 erzeugt wird, durch die Hülle 12 abgeführt wird, ohne daß die Temperatur der Endpellets Grenzwerte, typischerweise die Schmelztemperatur von BC, überschreitet. Ein Problem entsteht in diesem Zusammenhang, da Materialien, die die gewünschte Kompressibilität für die Hülse 22 aufweisen, gewöhnlich die gewünschte thermische Leitfähigkeit vermissen , lassen.

Vorzugsweise besteht das Hülsenmaterial aus rostfreiem Stahl des Typs 347 mit 22,5% seiner theoretischen Dichte, der die minimal akzeptierbare thermische Leitfähigkeit liefert und ferner eine zufriedenstellende Kompressibilität besitzt. Bei einer typischen S teuars tab aus führung, bei der der Innendurchmesser der Hülle aus rostfreiem Stahl 1,892 cm und die Dicke der Hülle o,o91 cm beträgt, ergeben eine Hülsendicke

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von o,o81 cm und ein Endpelletdurchmesser von o,712 cm zufriedenstellende Ergebnisse. Nimmt man einen Grenzwert für

die Hüllenbeanspruchung von 457o kg/cm (Streckgrenze im

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heißen, unbestrahlten Zustand) an, kann 65% der B-1o-Atome durch Neutronenabsorption bei einem resultierenden Anwachsen des Pelletdurchmessers um 6,5% verbraucht werden, bevor diese Beanspruchungsgrenze erreicht ist. Die Zerstörung aller B-1o-Atome erzeugt einen Zuwachs des Pelletradius von etwa 1o%. Die Temperatur der B.C-Pelletmittellinie beträgt unter der Annahme, daß ein neuer Steuarstab in den Reaktorkern eingesetzt wird, so daß der Endbereich einem

1 4 thermischen Neutronengesamtfluß im Dauerzustand von 3,ο χ 1ο Neutronen/sec/cm ausgesetzt wird, 12o4°C, was unterhalb der Schmelztempeatur vonB.C von 1371°C liegt. Die Kompresä.-bilität des rostfreien Stahls vom Typ 347 mit 22,5% seiner theoretischen Dichte für die Hülse 22 wird durch etwa 5o% kontinuierliche Belastungsableitung für eine aufgebrachte Beanspruchung von 35o - 422 kg/cm gekennzeichnet. Dieses Material besitzt eine minimale thermische Leitfähigkeit von 3,5 BTÜ (britische Wärmeeinheiten)/h/929,o29 cm²/ Grad Fahrenheit. Fsfür die bevorzugte Ausführungsform von Fig. 1 kann eine Verlängerung der Steuerstablebensdauer mit irgendeinem Hülsenmaterial· erwartet werden, das eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 3,00 BTü/h/929,o29 cm /Grad Fahrenheit und eine

minimale lineare Kompressionsrate von 1,0 % pro 7o kg/cm kontinuierliche Belastungsableitung besitzt. Rostfreier Stahl vom Typ 347, der einen Bereich seiner theoretischen Dichte zwischen 15 - 3o% aufweist, wurde als Zufriedenste^endes Material· für die meisten Druckwasserreaktorenanwendungszwecke gefunden. Zufriedenste^ende Hül·sen können ferner aus im wesentlichen reinem faserförmigen Nickel -hergesteilt werden. Rostfreier Stahl von Typ 347 ist kommerziell etwa von der Technetics Division der Brunswick Corporation erhält^ch. Die erforderliche Kompressibilität und thermische Lietfähigkeit in bestimmten Reaktoren hängt von dem Neutronenflußin dem Reaktorkern und von den Randbedingungen, der gewünschten Lebensdauer der Steuerstäbe, dem Reaktivitätswert, der für den Steuerstab gefordert wird,

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und den Abmessungen des Steuerstabes ab. Das Abstimmen dieser Faktoren zur Erzielung einer optimalen Hülse ist für den Fachmann ohne weiteres möglich.

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Claims

29ÜQ801 Combustion Engineering, Inc. Patentansprüche

1. Steuerstab für einen Kernreaktor zum Anordnen über dem Reaktorkern mit einer abgedichteten zylindrischen Hülle mit einem Innenradius R1,in der eine Vielzahl von neutronenabsorbierenden Peülets aufgeschichtet sind, deren äußerer Radius R2 im wesentlichen gleich R1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Piellets (16) am unteren Ende der Steuerstab (1o) einen Radius R3 kleiner als R2 aufweist und eine Hülse (22) umfänglich um die Pellets (16) angeordnet ist, die eine genügende Dicke aufweisen, um zu verhindern, daß verrutschte Pelletsplitter zwischen die Endpellets (16) und die Hülle (12) gelangen, und eine genügende Kompressibilität aufweist, um durch Bestrahlung hervorgerufene radiale Ausdehnung der Endpellets (16) ohne übermäßige Beanspruchung der Hülle (12) aufzunehmen.

2. Steuerstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (12) einstückig ist.

3. Steuerstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Endpiellets (16)aus B.C sind.

4. Steuerstab nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (22) eine Kompressibilität aufweist, die genügend ist, um bis zu 1o% durch Bestrahlung hervorgerufene Expansion der Endpellets (16) ohne übermäßige Beanspruchung der Hülle (12) aufzunehmen.

5. Steuerstab nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (22) aus rostfräem Stahl von Typ 347 mit einer Dichte zwischen 15 und 3o% des theoretischen Wertes ist.

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6. Steuerstab für einen Kernreaktor mit einer abgedichteten zylindrischen Hülle mit einem inneren Radius R1, deren Beanspruchung einen Wert S nicht überschreiten darf und in der eine Vielzahl von B .C-PeHets zur Neutronenabsorption aufgeschichtet sind, die einen äußeren Radius R2 im wesentlichen gleich R1 besitzen, wobei der Steuerstab zur Auf- und Abwärtsbewegung in dem Reaktorkern hinaus- und aus diesem heraus beweglich angeordnet ist und der Kern einen maximal erlaubten Neutronenfluß F besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß wenistens eines der Pellets (16) am unteren Ende des SteuerStabes (1o) einen Radius R3 geringer als R2 aufweist und eine einstückige Hülse (22) um die Endpellets (16) herumangeordnet ist, wobei die Hülse (22) eine lineare Kompressiblität aufweist, die ausreicht, um die durch Bestrahlung hervorgerufene radiale Expansion der Endpellets (22) ohne eine die maximale Belastung S der Hülle (12) erzeugende Belastung hervorzurufen, aufzunehmen.

7. Steuerstab nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (22) eine thermische Leitfähigkeit besitzt, die ausreicht, um die Temperatur in der Mittellinie der Endpellets

(16) unterhalb des Schmelzpunktes von B.C zu halten, wenn die Endpellets (16) sich in dem Neutronenfluß S befinden.

8. Steuerstab nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet daß die Hülse (22) eine Dicke im wesentlichen gleich R2-R3 besitzt

9. Steuerstab nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (22) eine minimale thermische Leitfähigkeit von 3,ο BTU/h/929,o29 cm²/Grad Fahrenheit besitzt.

10. Steuerstab nach einem der Ansprüche 6-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse eine minimale lineare Kompressibilität von

2
1% pro 7o3 kg/cm kontinuierliche Belastungsableitung aufweist.

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11. . Steuers tab nach einem der Ansprüche 6-1o, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle aus rostfreiem STahl von Typ 34 7 mit einer Dichte'zwisehen 15 und 3o% des theoretischen Wertes besteht.

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