CH671850A5

CH671850A5 -

Info

Publication number: CH671850A5
Application number: CH2703/86A
Authority: CH
Inventors: Claus Goetzmann; Peter Rau
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1985-09-13
Filing date: 1986-07-07
Publication date: 1989-09-29
Also published as: DE3532797A1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines wassergekühlten Kernreaktors, insbesondere zum Betrieb eines Siedewasserreaktors, mit einem aus Brennstäben zusammengesetzten Reaktorkern, dessen Brennstäbe in einem regelmässigen Stabgitter parallel zueinander angeordnet sind, wobei der Reaktorkern während seiner Lebendauer einen gegebenen maximalen Abbrand aufweist.

Wie in dem Aufsatz «Ein nukleares Nachwärmesystem» in der Zeitschrift «Atomkernenergie/Kerntechnik», 1985, Heft 2, Seiten 110 bis 112 angegeben ist, bemüht man sich bei bestimmten Kernreaktoren, die für die Wärmeerzeugung eingesetzt werden sollen, eine lange Lebensdauer des Reaktorkerns zu erreichen. Zu diesem Zweck ist gemäss dem genannten Aufsatz eine besonders hohe Anfangsanreicherung von 4 bis 8% U-235 und eine Gadoliniumvergiftung vorgesehen. Mit der Gadoliniumvergiftung wird erreicht, dass trotz der hohen Anreicherung die anfängliche Reaktorleistung nicht den gewünschten Wert überschreitet.

Die Erfindung geht demgegenüber von der Aufgabe aus, eine lange Lebensdauer des Reaktorkerns für solche Kernreaktoren zu erreichen, ohne dass in grossem Umfang abbrennbare Gifte wie Gadolinium benutzt werden müssen.

Erfindungsgemäss wird die gestellte Aufgabe bei einem gat-tungsgemässen Verfahren dadurch gelöst, dass während einer ersten Betriebsperiode der Reaktorkern mit einer einer ersten Gitterebene entsprechenden ersten Kernhöhe und einer ersten

Anzahl von Brennstäben innerhalb des Stabgitters untermoderiert betrieben wird und dass zur Vergrösserung des Moderationsverhältnisses während einer anschliessenden zweiten Betriebsperiode — über den Kernquerschnitt gesehen — aus dem Stabgitter mit der ersten Kernhöhe eine Anzahl von Brennstäben herausgenommen und an axial oberhalb der ersten Kernhöhe angeordneten Stabgitterplätzen positioniert wird, so dass sich eine vergrösserte zweite Kernhöhe entsprechend einer zweiten Gitterebene ergibt.

Bei der Erfindung wird der Reaktorkern in der Anfangszeit des Betriebes untermoderiert betrieben, gegen Ende des Betriebes dagegen übermoderiert. Damit wird ohne die Verwendung von abbrennbaren Giften die gewünschte Begrenzung der Reaktorleistung am Anfang und eine immer hohe Leistungsausbeute am Ende des Reaktorbetriebes erreicht.

Die Erfindung wird vorteilhaft so ausgeführt, so dass die mit Brennstäben besetzte Querschnittsfläche des Reaktorkerns während der Lebensdauer des Reaktorkerns beibehalten wird. Damit ist gemeint, dass eine die Stäbe am Rand des Reaktorkerns umfassende Einschlusslinie während der Lebensdauer des Reaktorkerns unverändert bleibt. Damit kann auch die Kühlwasserführung durch den Reaktorkern unverändert bleiben. Verändert wird nur die Stabdichte in diesem Querschnitt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Hälfte der ursprünglich in der ersten Gitterebene sitzenden Brennstäbe für eine spätere Betriebsperiode in die zweite Gitterebene umgesetzt. Damit wird das Kernvolumen auf die doppelte Höhe gestreckt und die Stabdichte entsprechend halbiert.

Die Brennstäbe der zweiten Gitterebene können an Positionen gesetzt werden, an denen in der ersten Gitterebene Brennstäbe sitzen. Dies ergibt einen vorteilhaft geringen hydraulischen Widerstand für das den Reaktorkern durchströmende Kühlwasser. Man kann aber auch eine alternierende Anordnung in den beiden Ebenen wählen, um eine vollständige Durchmischung des den Reaktorenkern durchströmenden Kühlwassers und damit eine besonders gleichmässige Aufwärmung zu erreichen.

Am Ende der zweiten Betriebsperiode kann es zur weiteren Steigerungen des Moderationsverhältnisses zweckmässig sein, weitere Brennstäbe aus der ersten Gitterebene in die zweite Gitterebene umzusetzen, so dass die Brennstabpositionen in beiden Gitterebenen gleichmässig besetzt bzw. unbesetzt sind. Auf diese Weise werden drei bzw. mehrere Betriebsperioden durch zwei bzw. mehrere Umsetzvorgänge erzielt. Dies wird im folgenden bei der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels noch näher erläutert, das anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben wird. Es zeigt:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Reaktorkern in der Draufsicht,

Fig. 2 bis 7 in jeweils einer Draufsicht und einer Seitenansicht drei Stufen unterschiedlicher Brennstabdichten,

Fig. 8 eine Kupplung von zwei übereinanderliegenden Brennstäben,

Fig. 9 die Zusammenfassung mehrerer Brennstäbe mit einem Skelett,

Fig. 10 ein Distanzstück für Brennstäbe in einem Längsschnitt und

Fig. 11 eine Draufsicht auf das Distanzstück.

Der in Fig. 1 dargestellte Ausschnitt aus einem Reaktorkern 1 zeigt, dass die Brennstäbe 2, die den Reaktorkern bilden und in einer Aufsicht angedeutet sind, zu im Querschnitt quadratischen Brennelementen 3 gruppiert sind. Beim Ausführungsbeispiel sind 169 Brennstäbe 2 in einem rechtwinkligen Stabgitter vorgesehen. Die Grenzen der Brennelemente 3 werden von Blechen 5 gebildet, die parallel zueinander angeordnet sind. Die Bleche 5 bilden Spalten 6, in denen die Absorberbleche 7 von kreuzförmigen Steuerstäben 8 verschiebbar angeordnet sind. Zum Bewegen der Steuerstäbe dienen Antriebsteile, insbesonde-

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re Hydraulikantriebe, die in der Figur bei 4 vereinfacht angedeutet sind. Dort sind die Ecken der Brennelemente 3 abgeflacht.

In Fig. 2 ist für ein gestrichelt umrandetes Brennelement 3 dargestellt, dass alle Brennelementpositionen mit Brennstäben 2 besetzt sind. Die Fig. 3 zeigt dazu, dass die Brennstäbe 2 alle in einer Ebene parallel zueinander hegen. Der Reaktorkern 1 hat deshalb die Höhe Hi.

Die Brennstäbe 2 enthalten oxidische Uranbrennstoffe mit einer Anreicherung von zum Beispiel 5% an Uran 235. Der Stabdurchmesser beträgt zum Beispiel 17 mm. Der Abstand der Positionen des Stabgitters beträgt 19 mm. Deshalb ist der Reaktorkern 1 bei der aus den Fig. 2 und 3 ersichtlichen Anordnung mit dem zur Kühlung verwendeten leichten Wasser untermoderiert.

Nach einer bestimmten Betriebszeit, zum Beispiel nach zwei oder drei Jahren oder auch länger (z.B. 10 -15 - 20 Jahre), in der die Brennelemente einen Abbrand von 20 000 Mwd/t erreicht haben, wird das Moderationsverhältnis durch eine Änderung der Stabanordnung in Richtung einer besseren Moderierung geändert. Die Fig. 4 zeigt, dass ein Brennelement dann statt 169 nur noch 133 Brennstäbe aufweist, weil von je 9 Brennstäben einer aus der unteren Gitterebene entfernt ist. Die entfernten Brennstäbe sind in der Fig. 5 mit 2' bezeichnet. Sie sitzen in einer axial versetzten, nämlich darüberliegenden Gitterebene 10, so dass der Kern jetzt die Höhe H2 hat. Beim Ausführungsbeispiel ist angenommen, dass die Stäbe 2' an den Positionen des Stabgitters sitzen, aus denen sie in der ersten unteren Gitterebene entfernt worden sind.

Nach dem weiteren Betrieb mit dem nach den Fig. 4 und 5 variierten Reaktorkern 1, der zum Beispiel wieder über zwei oder drei Jahre gehen kann und einen Gesamtabbrand von 40 000 Mwd/t ergibt, wird das Moderationsverhältnis nunmehr entsprechend den Fig. 6 und 7 geändert. Dies führt zu einer Übermoderierun. In dem Brennelement 3 ist nunmehr jeder zweite Brennstab 2 aus der unteren in die obere Gitterebene 10 versetzt. In beiden Gitterebenen sitzen jeweil 84 bzw. 85 Brennstäbe übereinander. Die Höhe des Reaktorkerns beträgt wiederum H2. Dabei wird auch die mit Brennstäben besetzte Querschnittsfläche des Reaktorkerns 1 beibehalten, weil schon für jedes der Brennelemente 3 der Brennelementquerschnitt voll-5 ständig, wenn auch mit Lücken in den Reihen besetzt ist. Mit dieser Stabanordnung erreicht der Reaktorkern 1 dann den Endabbrand von 60 000 Mwd/t.

In Fig. 8 ist zu sehen, dass die Brennstäbe 2 der unteren Gitterebene und 2' der oberen Gitterebene miteinander verbunden 10 sind. Zu diesem Zweck besitzen sie Endstücke 14 und 15, die nach Art eines Bajonettverschlusses ineinander greifen. Das Endstück 14 besitzt dazu einen über eine zylindrische Bohrung 16 greifenden hakenförmigen Vorsprang 17. Unter diesen lässt sich der Vorsprung 18 eines Dornes 19 drehen, der einen kleine-15 ren Durchmesser als die zylindrische Bohrung 16 hat.

In Fig. 9 ist dargestellt, dass die Brennstäbe 2 der unteren Gitterebene und 2' der oberen Gitterebene auch durch weitere Strukturteile zusammengefasst werden können. Solche Strukturteile sind eine untere Endplatte 22, die durch einen durchge-20 henden Stab 23 mit einer oberen, sogenannten Kopfplatte 24 verbunden ist, und Greifzapfen 25, die in einem Stück mit dem Strukturstab 23 hergestellt sein können. Zwischen der unteren Endplatte 22 und der Kopfplatte 24, die vorzugsweise leicht abnehmbar ist, können Abstandshalter 26 angeordnet werden. 25 In den Fig. 10 und 11 ist zu sehen, dass die Brennstäbe 2, 2' auch mit Distanzstücken 30 versehen werden können, um den gewünschten grösseren Abstand bei der stärker moderierten Kernanordnung zu erhalten. Das Distanzstück 30 hat wie die Fig. 11 erkennen lässt, einen kreuzförmigen Querschnitt. Die 30 Kreuzform ist jedoch nicht ganz symmetrisch, weil zwei Kerben 31 in zwei benachbarten Flügeln 32 und 33 des Kreuzquerschnittes Vorsprünge 35 und 36 zugeordnet sind, die an den beiden weiteren Flügeln 37 und 38 des Kreuzquerschnittes sitzen. Solche Distanzstücke 30 können, wie die Fig. 10 zeigt, mit 35 einem nabenförmigen Bund 39 an dem Zapfen 19 des Endstückes 15 eines Brennstabes 2, 2' festgemacht werden.

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3 Blätter Zeichnungen

Claims

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1. Verfahren zum Betrieb eines wassergekühlten Kernreaktors, insbesondere zum Betrieb eines Siedewasserreaktors, mit einem aus Brennstäben zusammengesetzten Reaktorkern, dessen Brennstäbe in einem regelmässigen Stabgitter parallel zueinander angeordnet sind, wobei der Reaktorkern während seiner Lebensdauer einen gegebenen maximalen Abbrand aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass während einer ersten Betriebsperiode der Reaktorkern mit einer einer ersten Gitterebene entsprechenden ersten Kernhöhe (Hi) und einer ersten Anzahl von Brennstäben (2) innerhalb des Stabgitters untermoderiert betrieben wird und dass zur Vergrösserung des Moderationsverhältnisses während einer anschliessenden zweiten Betriebsperiode — über den Kernquerschnitt gesehen — aus dem Stabgitter mit der ersten Kernhöhe (Hi) eine Anzahl von Brennstäben herausgenommen und an axial oberhalb der ersten Kernhöhe (Hi) angeordneten Stabgitterplätzen positioniert wird, so dass sich eine vergrösser-te zweite Kernhöhe (H2) entsprechend einer zweiten Gitterebene (10) ergibt.

2. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Brennstäben (2) besetzte Querschnittsfläche des Reaktorkerns (1) während der Lebensdauer des Reaktorkerns beibehalten wird.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hälfte der ursprünglich in der ersten Gitterebene sitzenden Brennstäbe (2) für eine spätere Betriebsperiode in die zweite Gitterebene umgesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstäbe (2' )der zweiten Gitterebene (10) an Positionen des Stabgitters gesetzt werden, an denen in der ersten Gitterebene Brennstäbe (2) sitzen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der zweiten Betriebsperiode zur weiteren Steigerung des Moderationsverhältnisses Brennstäbe (2, 2') aus der ersten Gitterebene in die zweite Gitterebene (10) umgesetzt werden, so dass die Brennstabpositionen in beiden Gitterebenen gleichmässig besetzt bzw. unbesetzt sind.