DE2900801C2

DE2900801C2 - Steuerstab für einen Kernreaktor

Info

Publication number: DE2900801C2
Application number: DE2900801A
Authority: DE
Inventors: Andrew James Tariffville Conn. Anthony; Malcolm Duane Clearwater Fla. Groves; Richard Hay Canton Conn. Young
Original assignee: Combustion Engineering Inc
Current assignee: Combustion Engineering Inc
Priority date: 1978-01-20
Filing date: 1979-01-11
Publication date: 1983-07-07
Also published as: DE2900801A1; SE7900514L; US4172762A; JPS54109593A; CA1105623A; SE450741B; JPS5858037B2

Description

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

In Reaktoren, insbesondere in Druckwasserreaktoren, ist es üblich, die Leistung und uie Leistungsverteilung in dem Reaktorkern mit Steuerstäben zu steuern, die von der Oberseite des Reaktors in den Kern einführbar sind Diese Steuerstäbe sind gewöhnlich zylindrische Metallhüllen, die übereinandergeschichtete Pellets gleichmäßiger Form aus neutronenabsorbierendem Material, gewöhnlich B₄C, enthalten, vgl. DE-OS 24 43 705. In dem Kern werden die Steuerstäbe in Führungsrohren 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 gewöhnlich als Maximum dessen gewählt, was durch die ' Brennstoffanordnung ermöglicht wird, damit ein Steuerstab mit maximal möglichem Durchmesser eingesetzt werden kann. Es ist wünschenswert, den Durchmesser der B₄C-PelIets in den Steuerstäben zu maximalisieren, da die Absorptionsfähigkeit der Steuerstäbe 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 B₄C-PeIlCtS und der Steuerstabhülle sowie zwischen dem Steuerstab und eo seinem Führungsrohr. ^Der $P^alt zwischen den B₄C-PeI-lets und der Hülle muß jedoch groß genug sein, um die Ausdehnung der Pellets aufzunehmen, wenn diese 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 Hüllendeformation zu einem Klemmen des Steuerstabs in seinem Führungsrohr führen kann. Wenn jedoch der Spalt zu groß ist, können Stöcke, die von den B₄C-Pe|Iets 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-10 in B₄C ab, die gegebenenfalls 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 Gestaltung von Steuerstäben zur Verwendung in Leistungsreaktoren war die ökonomisch ungünstige Tatsache, daß die Maxinsalbestrahlungsgrenzc an dem Einführende des Steuerstabes erreicht wird, lange bevor die durchschnittliche Bestrahlungsgrenze für den Rest des Steuerstabes 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 dies 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 B₄C und besitzt eine niedrigere Neutronenabsorptionsfähigkeit

Außerdem ist es aus der US-PS 33 61 639 bekannt, die Steuerstäbe mit einer zweifachen Hülle für die Pellets auf der gesamten Länge vorzusehen. Hierdurch kann zwar die Kraft die auf eine solche Doppelhülle ausgeübt wird, größer sein, jedoch wird hierdurch nicht das Problem von Pelletsplittern beseitigt, andererseits aber das Neutronenabsorptionsvermögen herabgesetzt, da bei gleichem Außendurchmesser weniger neutronenabsorbierendes Material vom Steuerstab aufgenommen werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Steuerstab nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der eine vergrößerte Lebensdauer aufweist, wobei die Neutronenabsorptionseigenschaften im Vergleich zu Steuerstäben, die mit einer gleichmäßigen Säule aus Pellets gefüllt sind, praktisch nicht vermindert werden.

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

Hierdurch ist es möglich, den Einfluß der Maximalbestrahlung am unteren Ende als den begrenzenden Faktor der Lebensdauer des Steuerstabes zu mindern, während eine genügende Neutronenabsorptionsfähigkeit am Einführende beibehalten wird.

Insbesondere besitzt die Hülse eine minimale thermische Leitfähigkeit von 0,43 W · m-' · K-', die ausreicht, um die Temperatur in der Mittellinie der Pellets unter dem Schmelzpunkt von B₄C zu halten, wenn das Steuerstabende in dem höchsten erlaubten

Neutronenfluß im Reaktorkern angeordnet ist.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dem Unteranspruch 3 zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in den Abbildungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert

Fig. 1 zeigt im Schnitt das untere Ende eines Steuerstabes;

F i g. 2 zeigt das Material für eine einstückige Hülse, bevor es um Endpellets des Steuerstabes von Fig. 1 gelegt wird.

F i g. 1 zeigt einen Steuerstab 10 zum Einführen in den Kern eines Kernreaktors von oben, wobei der Steuerstab 10 eine zylindrische Hülle 12 aufweist in der IMZ-Pellets 14,16 aufgeschichtet sind. In einem üblichen Steuerstab erstreckt sich der Stapel an Pellets 14 aufwärts bis zu einer Höhe von 3,6 m oder mehr, jedoch ist hier nur das Einführende des Steuerstabes in den Kernreaktor von Belang. Etwa 25 cm des unteren Teils des Steuerstabes 10 enthalten B«C-PeUets 16, die einen kleineren Radius R 3 als die übrigen Pellets 14 vom Radius R 2 aufweisen. In Abhängigkeit von der entsprechenden Reaktorauslegung können sich die Pellets 16 mit kleinerem Radius A3 auch über einen Bereich bis zu etwa 45 cm erstrecken. Die Pellets 14 und 16 sind innerhalb der Hülle 12 dicht eingeschlossen, wobei ein unterer Stopfen 20 mit der Hülle 12 verschweißt und von den Endpellets 16 durch ein Distanzstück 18 getrennt ist das einen Radius aufweist der im wesentlichen gleich dem inneren Radius R1 der Hülle 12 ist Die Pellets 16 sind umfänglich von einer metallischen einstückigen Hülse 22 umgeben, die den Raum zwischen den Pellets 16 und der Hülle 12 im wesentlichen ausfüllt

F i g. 2 zeigt das Material für die Hülse 22 vor dem Einsetzen in den Steuerstab 10. Die Pellets 16 werden mit dem Hülsenmaterial umhüllt, und das Gesamte in die Hülle 12 eingesetzt bevor der Stopfen 20 und das Distanzstück 18 angeschweißt werden. Wie in F i g. 1 dargestellt ist, stößt die Oberkante der Hülse 22 gegen die Unterseite des untersten Pellets 14 vom Radius R 2 und wird hierdurch daran gehindert, aus ihrer Stellung herauszugleiten.

Wenn der Steuerstab 10 sich in seiner zurückgezogenen Position relativ zum Reaktorkern befindet ist der Stopfen 20 nur wenige Zentimeter von dem Brennstoff entfernt, so daß das untere Ende des Steuerstabes 10 noch einem wesentlichen Neutronenfluß ausgesetzt wird. Der Neutronenfluß nimmt stark mit dem Abstand vom Reaktorkern ab, so daß an einer Stelle in dem Steuerstab 10 etwa 30 cm von dem Stopfen 20 entfernt das mit dem Neutronenfluß verbundene Problem von untergeordneter Bedeutung ist. Wenn die B₄C-Pellcts einem Neutronenfluß ausgesetzt werden, expandieren sie in einem Grad, der etwa proportional der Anzahl der absorbierten Neutronen in den B4C-Pellets ist Selbst wenn der Steuerstab aus dem Reaktorkern zurückgezogen ist, werden deshalb Neutronen in einem beträchtlichen Umfang in den unteren Pellets 16 absorbiert Die Hülse 22 nimmt diese Expansion der Pellets 16 durch Kompression auf, so daß nur wenig von der Expansionskraft der Pellets 16 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 maximal erlaubte Hüllenbeanspruchung wird für jeden Reaktor während des Genehmigungsverfahrens bestimmt.

Es wird daher ermöglicht, daß die Pellets 16 im unteren Teil des Steuerstabes 10 einer wesentlich höheren Gesamtstrahlung als der Rest der Pellets 14 ausgesetzt werden können, ohne daß die Lebensdauer des Steuerstabes 10 dadurch übermäßig begrenzt wird. Der obere Teil des Steuerstabes 10 wird nur dann einer beträchtlichen Strahlung ausgesetzt, wenn der Steuerstab 10 in den Reaktorkern eingesetzt wird.
Einige Steuerstäbe in Kernreaktoren werden nicht nur zum schnellen Abschalten des Reaktors durch schnelles und vollständiges Einführen verwendet sondern auch zum Regulieren der Neutronenflussesverteilung und der Leistung des Kerns. Diese Steuerstäbe werden häufig im normalen Betrieb in den Kern hinein- und aus diesem herausgeführt Dies kann zum Splittern von Teilchen von B4C von dem Stapel von Pellets 14 führen, die in den unteren Teil des Steuerstabes 10 gelangen und bei Abwesenheit des Hülsenmaterials Teile des Spalts zwischen den unteren Pellets 16 und der benachbarten Hülle 12 füllen würden. Derartige eingeschlossene Splitter deformiere·- and perforieren die Hülle 12 schnell nach Ausdehnen der Pellets nach einer relativ geringen Neutronenbestrahlung. Wie in F i g. 1 dargestellt ist die Hülse 22 derart bemessen, daß sie als wirksame Sperre dient um zu verhindern, daß sich irgendwelches Material von den normalen Pellets 14 zu den Pellets 16 bewegt

Vorzugsweise besteht das Hülsenmaterial aus austenitischem Stahl mit maximal 0,08% C, maximal 2,00% Mn₁ maximal 1,00% Si, 17,00 bis 19,00% Cr, 9,00 bis 13,00% Ni und minimal 0,8% Cb-Ta mit einer Dichte zwischen 15 und 30%, vorzugsweise 22,5%, des theoretischen Wertes, der die minimal akzeptierbare thermische Leitfähigkeit liefert und ferner eine zufriedenstellende Kompressibilität besitzt Bei einer typischen Steuerstabausführung, bei der der Innendurchmesser der Hülle 12 aus Stahl 1,892 cm und deren Stärke 0,091 cm beträgt ergeben eine Stärke der Hülse 22 von 0,081 cm und ein Durchmesser der Pellets 16 von 1,712 cm zufriedenstellende Ergebnisse. Nimmt man einen Grenzwert für die Hüllenbeanspruchung von 4570 kg/cm² (Streckgrenze im heißen, unbestraften Zustand) an, kann 65% der B-10-Atome durch Neutronenabsorption bei einem resultierenden Anwachsen des Pelletdurchmessers von 6,5% verbraucht werden, bevor diese Beanspruchungsgrenze erreicht ist Die Zerstörung aller B-10-Atome erzeugt einen Zuwachs des Pelletradius von etwa 10%. Die Temperatur der B4C-Pelletmittellinie beträgt unter der Annahme, daß ein neuer Steuerstab in den Reaktorkern eingesetzt wird, so daß der Endbereich einem thermischen Neutronengesamtfluß im Dauerzustand von 3,0 χ 10¹⁴ Neutronpn/sec/cm² ausgesetzt wird, 1204T, v/as unterhalb der Schmelztemperatur von B4C von 1371°C liegt. Die Kompressibilität des oben erwähnten Stahls mil 22,5% seiner theoretiscnen Dichte für die Hülse 22 wird durch etwa 50% kontinuierliche Belastungsableitung für eine aufgebrachte Beanspruchung von 350 bis 422 kg/cm² gekennzeichnet. Dieses Material besitzt eine minimale thermische Leitfähigkeit von 0,5 W · m-¹ ■ ⁰K-¹, Für die bevorzugte Ausführungsform von F i g. 1 kann eine Verlängerung der Steuerstablebensdauer mit irgendeinem Hü'isenmaterial erwartet werden, das eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 0.43 W · m-' · ⁰K-¹ und eine minimale lineare Kompressionsrate von 1,0% pro 89 bar kontinuierliche Belastungsableitung besitzt. Der genannte Stahl, der einen Bereich seiner theoretischen Dichte zwischen

15 bis 30% aufweist, wurde als zufriedenstellendes Material für die meisten Druckwasserreaktorenanwendungszwecke gefunden. Zufriedenstellende Hülsen können ferner aus im wesentlichen reinem faserförmigen Nickel hergestellt werden. Die erforderliche Kompressibilität und thermische Leitfähigkeit in bestimmten Reaktoren hängt von dem Neutronenfluß in dem Reaktorkern und von den Randbedingungen, der gewünschten Lebensdauer der Steuerstäbe, dem Reaktivitätswert, der für den Steuerstab gefordert wird, und den Abmessungen des Steuerstabes ab, deren Abstimmung zur Erzielung einer optimalen Hülse ohne weiteres möglich ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Steuerstab zum Einführen in den Kern eines Kernreaktors von oben, mit einer zylindrischen Hülle des Innenradius R 1, in der eine Vielzahl von neutronenabsorbierenden B₄C-Pellets aufgeschichtet sind, deren äußerer Radius R 2 im wesentlichen gleich/? t ist, da durch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Pellet/s (16) am Einführende des Stabes (10) einen Radius A3 kleiner als Ä2 aufweist/en und daß jedes Pellet des Radius R 3 von einer zylindrischen Hülse (22) umgeben ist, deren Wanddicke im wesentlichen gleich der Differenz von R2 und R3 ist und deren Material eine lineare Kompressibilität von mindestens 1% pro 89 bar aufweist

2. Steuerstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (22) eine minimale thermische Leitfähigkeit von 0,43 W · m-'· K-' besitzt

3. Steuerstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (22) aus einem austenitischen Stahl mit maximal 0,08% C, maximal 2,00% Mn, maximal 1,00% Si, 17,00 bis 19,00% Cr, 9,00 bis 13,00% Ni und minimal 0,8% Cb-Ta mit einer Dichte zwischen 15 und 30% des theoretischen Wertes ist