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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Kernbeladung beim Brennelementwechsel
in einem Siedewasserreaktor (SWR). Insbesondere bezieht sich die
Erfindung auf Kernbeladungsstrategien für die Entfernung
bestrahlter Brennelemente, die Beladung mit frischen Brennelementen
und das Umsetzen vorhandener Brennelemente für eine Wiederverwendung
im Kern während eines nachfolgenden Brennelementzyklus.
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Der
Kern eines SWR umfasst eine Anordnung von Brennelementen. Jedes
Brennelement beherbergt eine Anordnung von aus radioaktivem Material
geformten Brennstäben. Die Brennelemente sind im Kern auf
der Grundlage von Design Constraints wie beispielsweise den Radioaktivitätsexpositionsgrenzwerten
für jedes Brennelement angeordnet. Die Radioaktivität
des Reaktorkerns erhitzt das Wasser im Reaktor. Der Reaktor arbeitet
für gewöhnlich in einem Brennelementzyklus mit
einer Zyklusdauer von beispielsweise einem (1) Jahr, anderthalb
(1,5) Jahren oder zwei (2) Jahren. Am Ende eines jeden Brennelementzyklus
wird der Reaktor für den Brennelementwechsel sowie die
Wartung und Reparatur des Reaktorkerns und des Reaktorbehälters
abgeschaltet. Während des Brennelementwechsels werden Brennelemente
aus dem Reaktorkern entfernt, wiederzuverwendende Brennelemente
bleiben in ihrer gegenwärtigen Position oder werden für
den nächsten Zyklus in einen neuen Kern umgesetzt, und der
Kern wird mit frischen Brennelementen beladen.
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Kräne über
dem Reaktorbehälter bewegen die Brennelemente während
des Beladungsvorgangs. Um ein vorhandenes Brennelement zu bewegen,
wird der Kran über dem Brennelement in Position gebracht;
er ergreift das Brennelement, hebt es aus dem Reaktorkern heraus,
bewegt das Brennelement zu einem Brennelement-Lagerbecken oder zu einer
neuen Position im Reaktorkern und lässt das Brennelement
in das Lagerbecken oder die neue Position im Reaktorkern hinab.
Die Bewegung eines Brennelements mit dem Kran erfordert für
gewöhnlich mehrere Minuten. Während eines einzigen
Kernbeladungsvorgangs werden einige der Brennelemente zweimal bewegt,
z. B. von einer Position im Reaktorkern zu einem Lagerbecken und
zurück zu einer neuen Position im Reaktorkern. In der Vergangenheit waren
Kernbeladungspläne und -karten komplex und erforderten
die Bewegung der meisten Brennelemente in einem Reaktorkern.
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In
einem Reaktorkern sind mehrere hundert Brennelemente vorhanden.
Die Bewegung aller oder auch nur der meisten Brennelemente kann
viele Tage erfordern. Der Beladungsvorgang nahm oft sieben bis vierzehn
Tage in Anspruch und wurde selten in weniger als drei Tagen abgeschlossen.
Obwohl Fehler bei der Brennelement-Positionierung selten vorkommen,
wächst mit der Anzahl der zu platzierenden Brennelemente
das Risiko, ein Brennelement an einer falschen Position im Kern
zu platzieren. Das Bedürfnis nach einer Reduzierung der
Anzahl der in einem Kern neu zu positionierenden, z. B. umzusetzenden,
Brennelemente, ist seit langem vorhanden.
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Brennelemente
werden in einem Reaktorkern gemäß einer Kernbeladungsstrategie
angeordnet. Eine praktikable Kernbeladungs strategie stellt für
gewöhnlich sicher, dass der Reaktorkern und die Brennelemente
thermische Sicherheitsspannen (thermal margins) einhalten (z. B.
Erwärmung innerhalb der "Critical Power Ratio" (CPR) und
entlang der Länge der einzelnen Brennelemente (kw/ft),
Reaktivitätsreserven (z. B. Überschussreaktivität
bzw. hot excess, HOTEX), Abschaltreserven (SDM) und Zyklusende-Energie
(EOC energy). Die Umsetzung von Brennelementen während
des Brennelementwechsels wird oft dazu benutzt, um thermische Sicherheitsspannen
und Reaktivitätsreserven für den Reaktorkern und
einzelne Brennelemente einzuhalten. Die Kernbeladungsstrategie kann
auch sicherstellen, dass Brennelemente die Höchstgrenzen
nicht überschreiten. Die Kernbeladungsstrategie bestimmt auch
die Position und den Typ der beim jeweiligen Brennelementwechsel
zu ladenden frischen Brennelemente.
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Es
war bei konventionellen Kernbeladungsstrategien nicht ungewöhnlich,
die meisten oder alle der bestrahlten und wiederzuverwendenden Brennelemente
umzusetzen. Eine ausgedehnte Umsetzung von Brennelementen wurde
vorgenommen, um für die geeigneten thermischen Sicherheitsspannen
und Reaktivitätsreserven zu sorgen. Übertriebene
Umsetzungen erhöhen die für den Brennelementwechsel
erforderliche Zeit und erhöhen das Risiko, die Brennelemente
an falschen Positionen im Reaktorkern zu platzieren.
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Das
Designziel einer Kernstrategie kann ein "Gleichgewichts"-Reaktorkern
sein, der die thermischen Sicherheitsspannen und Reaktivitätsreserven sowie
andere Reaktorkern-Designkriterien einhält. Ein Gleichgewichtsreaktorkern
weist bei aufeinander folgenden Brennelementzyklen nur minimale Änderungen
bei der Beladung des Reaktorkerns mit Brennelementen und bei der
Exposition von Brennelementen im Reaktorkern auf. Eine Gleichgewichtsstrategie
begünstigt die Verwendung desselben Brennelementbeladungsplans,
derselben Definitionen für frische Brennstäbe
und derselben Entladung der Brennstabmuster von Zyklus zu Zyklus.
Ein Gleichgewichtsansatz für die Kernbeladung minimiert
die Reaktorkernpositionen: Von wo bestrahlte Brennelemente entfernt
werden, wo frische Brennelemente eingesetzt werden, von wo umzusetzende Brennelemente
entnommen und wo sie platziert werden, ändert sich von
einem Beladungszyklus zum nächsten nicht signifikant. Für
gewöhnlich braucht es mehrere Beladungszyklen, z. B. 8
bis 10 Zyklen, um das Gleichgewicht zu erreichen. Der Gleichgewichts-Kernbeladungsplan
repräsentiert ein gewünschtes Ziel einer Kernbeladungsstrategie,
die sich über viele Brennelementzyklen erstreckt. Die Gleichgewichtsstrategie
unterstützt Anbieter und Kunden bei der Entwicklung einer
langfristigen Kernbeladungsstrategie unter wirtschaftlichen und
Planungsgesichtspunkten. Ein Gleichgewichts-Kernbeladungsplan kann
für den Vergleich verschiedener Kernbeladungsstrategien
verwendet werden.
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Um
die für die Beladung mit Brennelementen erforderliche Zeit
zu reduzieren, benötigt man ein Verfahren und System für
die Reduzierung der bei jedem Beladungsvorgang zu bewegenden Brennelemente.
Ein Verfahren und System für die Beladung mit Brennelementen
sollte berücksichtigen: eine Kernbeladungsstrategie für
frische Brennelemente, das Entfernen der bestrahlten Brennelemente
und die Wiederverwendung von Brennelementen über zwei oder
drei aufeinander folgende Brennelementzyklen. Die Auswahl der zu
entfernenden bestrahlten Brennelemente, das Erfassen von umzusetzenden vorhandenen
Brennelementen und die Ermittlung ihrer neuen Positionen im Reaktorkern
sowie die Auswahl frischer Brennelemente und die Ermittlung ihrer Positionen
im Reaktorkern werden von einer Kernbeladungsstrategie bestimmt.
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Es
existiert schon lange ein Bedürfnis nach einer Kernbeladungsstrategie,
die den Kernbeladungsprozess vereinfacht und die Zeit verringert,
die für das Entfernen, das Umsetzen und das Einsetzen von
Brennelementen in einen Reaktorkern benötigt wird. Außerdem
existiert schon lange ein Bedürfnis nach einer Kernbeladungsstrategie,
die den Gleichgewichtszustand in einer geringeren Anzahl von Beladungszyklen
erreicht, und nach einem Gleichgewichtszustand mit nur geringen Änderungen
der Kernbeladung in aufeinander folgenden Zyklen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es
wurde ein Verfahren zur Erzeugung von Brennelementbeladungsplänen
für einen Reaktorkern in einem Kernreaktor entwickelt,
wobei der Reaktorkern eine Anordnung von Brennelementpositionen
umfasst und das Verfahren beinhaltet: Die Festlegung eines Brennelementumsetzplans
für einen geradzahligen Beladungszyklus, bezogen auf Brennelemente,
die während eines geraden Beladungszyklus zu einer anderen
Position im Kern umzusetzen sind; die Festlegung eines Brennelementumsetzplans
für einen ungeraden Beladungszyklus, bezogen auf Brennelemente,
die während eines ungeraden Beladungszyklus zu einer anderen
Position im Kern umzusetzen sind, wobei der ungerade und der gerade
Zyklus alternative und aufeinander folgende Kernbeladungszyklen
sind; die Festlegung eines Entladungsplans, der die anderen Positionen
für den Empfang der Brennelemente bestimmt, die von denjenigen
Positionen stammen, die in den Brennelementumsetzplänen
für geradzahlige und ungeradzahlige Zyklen gekennzeichnet
wurden, und die Erzeu gung von Umsetzanweisungen, die aufzeigen, welche
Brennelemente aus einem vorherigen Brennelementzyklus für
einen nachfolgenden Brennelementzyklus zu einer der anderen Position
im Kern umzusetzen sind, wobei während des geradzahligen Beladungszyklus
umzusetzende Brennelemente aus den Brennelementen ausgewählt
werden, die im Umsetzplan für geradzahlige Zyklen als umzusetzende Brennelemente
gekennzeichnet sind, und während des ungeradzahligen Beladungszyklus
umzusetzende Brennelemente aus den Brennelementen ausgewählt
werden, die im Umsetzplan für ungeradzahlige Zyklen als
umzusetzende Brennelemente gekennzeichnet sind.
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Das
Verfahren kann ferner beinhalten, den Umsetzplan für geradzahlige
Zyklen und den Umsetzplan für ungeradzahlige Zyklen so
anzulegen, dass die Positionen von Brennelementen gekennzeichnet
werden, die zuvor bereits zwei Brennelementzyklen durchlaufen haben,
und dass der Entladungsplan Positionen im Reaktorkern kennzeichnet, die
Brennelemente aufnehmen, die einen dritten Zyklus durchlaufen sollen.
Das Verfahren kann die folgenden weiteren Verfahrensschritte enthalten:
Festlegung eines Plans für die Beladung des Reaktorkerns
mit frischen Brennelementen in einem geradzahligen Zyklus, wobei
der Plan Positionen für frische Brennelemente in jedem
geradzahligen Beladungszyklus kennzeichnet; Festlegung eines Plans
für die Beladung des Reaktorkerns mit frischen Brennelementen
in einem ungeradzahligen Zyklus, wobei der Plan Positionen für
frische Brennelemente in jedem ungeradzahligen Beladungszyklus kennzeichnet;
die Erzeugung von Anweisungen für die Beladung mit frischen
Brennelementen auf der Grundlage des Plans für die Beladung
des Kerns mit frischen Brennelementen in einem geradzahligen Zyklus
und die Erzeugung von Anweisungen für die Beladung mit
frischen Brennelementen auf der Grundlage des Plans für
die Beladung des Kerns mit frischen Brennelementen in einem ungeradzahligen
Zyklus.
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Es
wurde ein Verfahren zur Entwicklung einer Gleichgewichts-Kernbeladungsstrategie
für einen Kernreaktor entwickelt, wobei der Reaktorkern eine
Anordnung von Brennelementpositionen enthält und das Verfahren
umfasst: Erzeugung eines Beladungsplans für einen geradzahligen
Beladungszyklus auf der Grundlage einer Vorlage für die
Beladung mit frischen Brennelementen in einem geradzahligen Zyklus,
einer Vorlage für das Umsetzen von Brennelementen in einem
geradzahligen Zyklus, die Positionen kennzeichnet, von denen aus
Brennelemente umgesetzt werden sollen, und eines Entladungsplans,
der Brennelementpositionen kennzeichnet, von denen aus während
des geradzahligen Beladungszyklus zweimal bestrahlte Brennelemente
zu entfernen sind; die Erzeugung eines Beladungsplans für
einen ungeradzahligen Beladungszyklus auf der Grundlage einer Vorlage
für die Beladung mit frischen Brennelementen in einem ungeradzahligen Zyklus,
einer Vorlage für das Umsetzen von Brennelementen in einem
ungeradzahligen Zyklus, und des Entladungsplans, der Brennelementpositionen
kennzeichnet, von denen aus während des ungeradzahligen
Beladungszyklus zweimal bestrahlte Brennelemente zu entfernen sind,
wobei der ungeradzahlige Beladungszyklus sich mit dem geradzahligen
Beladungszyklus abwechselt und auf diesen folgt; die Erzeugung eines
Brennelementexpositionsplans für geradzahlige Zyklen auf
der Grundlage des erzeugten Beladungsplans für geradzahlige
Zyklen und Daten hinsichtlich der Expositionsniveaus für
jedes Brennelement, das in dem Beladungsplan für geradzahlige
Zyklen gekennzeichnet ist; die Erzeugung eines Brennelementexpositionsplans
für ungeradzahlige Zyklen auf der Grundlage des erzeugten
Beladungsplans für ungeradzahlige Zyklen und Daten hinsichtlich
der Expositionsni veaus für jedes Brennelement, das in dem
Beladungsplan für ungeradzahlige Zyklen gekennzeichnet
ist; Wiederholung der Verfahrensschritte der Erzeugung von Beladungsplänen und
Brennelementexpositionsplänen während zumindest
zweier aufeinander folgender Durchläufe geradzahliger und
ungeradzahliger Beladungszyklen; Vergleich der Brennelementexpositionspläne
während zweier aufeinander folgender geradzahliger Zyklen
und Ermittlung einer potenziellen Konvergenz der Expositionspläne
(indem sie sich auf einem vorgegebenen Ähnlichkeitsniveau
befinden); falls die aufeinander folgenden Brennelementexpositionspläne
für geradzahlige Zyklen nicht konvergieren, Wiederholung
der Verfahrensschritte der Erzeugung von Beladungsplänen
und Brennelementexpositionsplänen während zumindest
zweier aufeinander folgender Schleifen geradzahliger und ungeradzahliger
Beladungszyklen und Vergleich der Brennelementexpositionspläne
aufeinander folgender geradzahliger Zyklen, und wenn die Trichter
aufeinander folgender geradzahliger Zyklen konvergieren, Meldung
einer Gleichgewichts-Kernbeladungsstrategie.
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Es
wurde eine Gruppe von Reaktorkernplänen für einen
Kernreaktor entwickelt, wobei jeder Reaktorkernplan Brennelementpositionen
in dem Reaktorkern bezeichnet und die Pläne umfassen: einen Plan
frischer Brennelemente für einen geradzahligen Zyklus,
der Reaktorkernpositionen kennzeichnet, die ein frisches Brennelement
empfangen sollen; einen Plan frischer Brennelemente für
einen ungeradzahligen Zyklus, der Reaktorkernpositionen kennzeichnet,
die ein frisches Brennelement empfangen sollen, wobei der ungeradzahlige
Zyklus und der geradzahlige Zyklus alternative, aufeinander folgende
Kernbeladungszyklen sind; einen Umsetzplan von an eine andere Position
umzusetzenden Brennelementen für einen geradzahligen Zyklus,
einen Umsetzplan von an eine andere Position umzuset zenden Brennelementen
für einen ungeradzahligen Zyklus sowie einen Entladungsplan,
der diejenigen anderen Positionen kennzeichnet, die die Brennelemente
empfangen, die in den Umsetzplänen für geradzahlige
und ungeradzahlige Zyklen gekennzeichnet sind. Die Umsetzpläne
für geradzahlige und ungeradzahlige Zyklen kennzeichnen
Positionen von Brennelementen, die zuvor bereits zwei Beladungszyklen
durchlaufen haben, und der Entladungsplan kennzeichnet Positionen
im Reaktorkern, die Brennelemente empfangen sollen, die einen dritten
Brennelementzyklus durchlaufen sollen. Ferner kann der Umsetzplan
für geradzahlige Zyklen eine Teilmenge des Plans frischer
Brennelemente für geradzahlige Zyklen sein, und die Teilmenge
wird im Reaktorkern radial auswärts angeordnet, bezogen
auf die Positionen frischer Brennelemente in dem Plan frischer Brennelemente,
die der Teilmenge nicht angehören.
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Die
Summe aller Reaktorkernpositionen, die in den Plänen frischer
Brennelemente für geradzahlige und ungeradzahlige Zyklen
dazu bestimmt wurden, frische Brennelemente zu erhalten, und der
aller Reaktorkernpositionen, die in dem Entladungsplan zum Entladen
bestimmt wurden, ist gleich der Gesamtheit aller Brennelementpositionen
in dem Reaktorkern. Die Brennelementpositionen, die in dem Umsetzplan
für geradzahlige Zyklen zum Umsetzen bestimmt wurden, können
sich an denselben Positionen befinden, wie die Brennelemente, die
laut Umsetzungsplan für ungeradzahlige Zyklen nicht umgesetzt
werden sollen. Außerdem sollen die einzigen Brennelemente,
die in den Umsetzplänen für geradzahlige und ungeradzahlige
Zyklen gekennzeichnet sind, während eines aufeinander folgenden
geradzahligen und ungeradzahligen Zyklus an andere Positionen im
Reaktorkern umgesetzt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Schemadiagramm eines Siedewasserreaktorkerns.
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Die 2 und 3 sind
Schemadiagramme von einem Viertel des Reaktorkerns, wobei 2 ein
"ungerades" und 3 ein "gerades" Beladungsmuster
für frische Brennelemente zeigt.
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4 ist
ein Plan von einem Viertel des Reaktorkerns mit Linien, die ein
Umsetzmuster für Brennelemente zeigen, wobei der Plan unter
Anwendung des hier offenbarten Umsetzalgorithmus erzeugt wurde.
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5 ist
ein Plan von einem Viertel des Reaktorkerns mit Linien, die ein
Umsetzmuster für Brennelemente zeigen, wobei der Plan unter
Anwendung eines konventionellen Beladungs-Ansatzes erzeugt wurde.
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6 ist
eine Perspektive eines beispielhaften Brennelements.
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7 ist
ein Flussdiagramm für Arbeiten an einem SWR während
der Ausfallzeiten zwischen Zyklen.
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7 ist
ein Flussdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform
des Umsetzalgorithmus.
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9 ist
ein beispielhafter Satz Steuereingaben für den Umsetzalgorithmus.
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Die 10 und 11 sind
beispielhafte Sätze von Kernbeladungsstrategieplänen,
die als Eingaben für den Umsetzalgorithmus verwendet werden
können.
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Die 12 und 13 sind
beispielhafte Zyklusende-Expositionsplänen, entsprechend
für ein gerades und ungerades Kernbeladungsschema.
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Die 14 und 15 zeigen
beispielhafte Zyklusanfangs-Reaktorkernpläne, die die Expositionsspanne
für jedes Brennelement anzeigen; diese Zahlen zeigen, dass
mit dem hier offenbarten Umsetzalgorithmus die Expositionsspanne
für beinahe alle Brennelemente nahe bei einer Design-Expositionsspanne
von 10% liegt.
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Die 16 und 17 sind
beispielhafte Zyklusende-Reaktorkernpläne, die die critical-power-ratio-Spanne
(CPR-Spanne) für jedes Brennelement anzeigen; diese Zahlen
zeigen, dass mit dem hier offenbarten Umsetzalgorithmus die CPR-Spanne
für beinahe alle Brennelemente nahe bei einer Design-CPR-Spanne
von 15% liegt.
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Die 18 und 19 sind
beispielhafte Zyklusanfangs- und Zyklusmittepläne (Zyklusanfang
= beginning of cycle, BOC; Zyklusmitte = middle of cycle, MOC) der
Abschaltreserven eines jeden Brennelements in dem gesamten Reaktorkern. 10
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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1 ist
eine zweidimensionale Schemazeichnung des Reaktorkerns 10 des
SWR von oben nach unten. Der Reaktorkern enthält hunderte
von Steuerzellen 12 (dargestellt durch einen gestrichelten
Kreis). Jede Steuerzelle umfasst vier Brennelemente 14,
die um einen Steuerstab 17 angeordnet sind. Um der Einfachheit
der Darstellung willen, ist in 1 nur ein
Steuerstab dargestellt und nur eine Steuerzelle bezeichnet. In einem
typischen Reaktorkern sind alle, oder doch die meisten Brennelemente in
Steuerzellen angeordnet. Der Reaktorkern 10 ist als zweidimensionale
Anordnung eingerichtet, in der jedem Brennelement eine spezielle
Position zugeordnet ist.
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Die
Brennelementpositionen in dem Reaktorkern sind durch einen Kernbeladungsplan
festgelegt, der während der Kernbeladung ausgeführt
wird, während der SWR offline ist und der Reaktorkern zur Entfernung
bestrahlter Brennelemente, zur Beladung mit frischen Brennelementen
und zum Umsetzen von Brennelementen, die im nächsten Zyklus
wiederverwendet werden sollen, zugänglich ist. Ein Kran 16 über
dem Reaktorkern bewegt jedes Brennelement zu seiner korrekten Position
in dem Reaktorkern. Der Reaktorkern bewegt die Brennelemente typischerweise
sequenziell, z. B. jeweils einzeln. Ein Lagerbecken 18 in
der Nähe des Reaktorkerns wird dazu benutzt, die Brennelemente
vorübergehend zu lagern. Der Kran wird zum Lagerbecken
bewegt, um bestrahlte Brennelemente abzuladen und frische Brennelemente
aufzunehmen.
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Die
Bewegungen zwischen dem Reaktorkern und dem Lagerbecken sind relativ
lang (verglichen mit den Bewegungen zwischen verschiedenen Brennelementpositionen
im Reaktorkern) und erfordern relativ lange Zeitabschnitte der Kranbewegung. Gleichermaßen
erfordert es für den Kran längere Zeitabschnitte
Kranzeit, große Reaktorkernbereiche zu durchqueren, als
Kranbewegungen zwischen benachbarten oder nahe gelegenen Brennelementen im
Reaktorkern auszuführen. Die Reduzierung der Anzahl von
Kranbewegungen zwischen dem Lagerbecken und dem Reaktorkern und
quer durch große Bereiche des Reaktorkerns wird typischerweise
eine Reduzierung der Gesamtzeit zur Folge haben, die zur Beladung
des Reaktorkerns mit Brennelementen benötigt wird.
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Es
wird hier ein Umsetzalgorithmus offenbart, der Folgendes reduziert:
die Anzahl der umzusetzenden Brennelemente, die Fahrten zwischen
einem Reaktorkern und einem Lagerbecken und die durchschnittliche
bei jeder Kranbewegung quer durch den Reaktorkern zurückgelegte
Entfernung. Der Umsetzalgorithmus erzeugt beispielsweise einen Reaktorkernplan,
z. B. die 2 und 3, der die Reaktorkernpositionen
bestrahlter Brennelemente kennzeichnet, die aus dem Reaktorkern
entfernt und zu dem Lagerbecken bewegt werden sollen, und die Positionen
im Reaktorkern, die mit frischen Brennelementen beladen werden sollen.
Eine Mehrzahl der frischen Brennelemente soll an Reaktorkernpositionen platziert
werden, von denen bestrahlte Brennelemente entfernt werden sollen.
Der Kran 16 entfernt ein bestrahltes Brennelement aus dem
Reaktorkern, bewegt sich zu dem Lagerbecken 18, wo das
bestrahlte Brennelement in dem Lagerbecken bei 20 platziert wird,
ergreift das für die gerade frei gewordene Reaktorkernposition
bestimmte frische Brennelement 22 aus dem Lagerbecken und
bewegt sich zurück zum Reaktorkern, um das frische Brennelement
an derselben Position im Reaktorkern einzusetzen, von der einige
Minuten zuvor das bestrahlte Brennelement entfernt wurde. Während
einer Fahrt zwischen Reaktorkern und Lagerbecken hat der Kran ein
bestrahltes Brennelement in dem Lagerbecken deponiert und ein frisches
Brennelement für den Reaktorkern ergriffen. Der von dem
Umsetzalgorithmus erzeugte Reaktorkernplan reduziert die Fahrten
zwischen dem Lagerbecken und dem Reaktorkern, indem er für
den Kran festsetzt, dass dieser während jeder Fahrt ein
bestrahltes Brennelement ablegt und ein frisches Brennelement aufnimmt.
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Das
Risiko, das frische Brennelement an der falschen Position im Reaktorkern
zu platzieren, wird dadurch minimiert, dass nur eine einzige Brennelement-position
im Reaktorkern frei ist. Der Kran entfernt abwechselnd ein bestrahltes
Brennelement und setzt ein frisches Brennelement ein. Der Kran braucht nicht
mehrere bestrahlte Brennelemente zu entfernen und damit mehrere
Reaktorkernpositionen frei zu lassen. Mehrere freie Brennelementpositionen
im Reaktorkern erhöhen das Risiko, dass ein Brennelement
an der falschen Position platziert wird.
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Die
zum Beladen eines Reaktorkerns benötigte Zeitspanne hängt
teilweise von der Anzahl der Brennelemente ab, die von einer Position
im Reaktorkern zu einer anderen umgesetzt werden müssen. Die
zum Beladen eines Reaktorkerns benötigte Zeitspanne kann
deutlich reduziert werden, z. B. um mehr als 50% der Umsetz-Zeit
und sogar um 85%, wenn die Anzahl der umzusetzenden Brennelemente derart
reduziert wird, dass ein großer Teil, z. B. über 50%
der wiederzuverwendenden Brennelemente während der Beladung
nicht von einer Reaktorkernposition zu einer anderen bewegt wird.
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Der
hier offenbarte Umsetzalgorithmus reduziert die Anzahl der umzusetzenden
Brennelemente. Ein Umsetzen ist der Transfer eines in einem vorherigen
Beladungszyklus verwendeten Brennelements an eine neue Position
im Reaktorkern für einen nachfolgenden Beladungszyklus.
Die Anzahl der Umsetzungen wird teilweise durch das Ersetzen der
meisten bestrahlten Brennelemente durch frische Brennelemente reduziert.
Das Ent fernen- bestrahlter Brennelemente und das Einsetzen frischer
Brennelemente erfordern kein Umsetzen.
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Der
Umsetzalgorithmus reduziert die Anzahl der Umsetzvorgänge
weiter durch Beschränkung der meisten Umsetzvorgänge
auf einen äußeren, ringförmigen Bereich 24 des
Reaktorkerns. Der äußere, ringförmige
Bereich 24 kann durch diejenigen Brennelemente definiert
werden, die in zumindest drei Beladungszyklen verwendet werden sollen.
Der äußere ringförmige Reaktorkernbereich
schließt keine Reaktorkernpositionen im Umkreis 25 des
Reaktorkerns ein, wo Brennelemente für einen dritten Brennelementzyklus
platziert werden.
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Während
eines Brennelementwechsels bleiben die Brennelemente in dem ringförmigen
Außenbereich 24 entweder in derselben Reaktorkernposition
wie im letzten Brennelementzyklus oder werden an eine Reaktorkernposition
im Umkreis 25 des Reaktorkerns umgesetzt. Ein frisches
Brennelement wird an einer Position im Reaktorkern platziert, wo ein
Brennelement für die Umsetzung in den Umkreis entfernt
wurde. Ein frisches Brennelement in dem Außenbereich des
Reaktorkerns 24 bleibt für zwei Zyklen in derselben
Reaktorkernposition und wird dann für einen dritten Zyklus
zu einer Position im Umkreis umgesetzt.
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In
dem Außenbereich des Reaktorkerns 24 ist die Radioaktivitätsexposition
eines Brennelements während des Reaktorbetriebs geringer
als die für Brennelemente in einem Zentralbereich des Reaktorkerns 26.
Die Betriebsdauer eines Brennelements hängt ab von seinem
Expositionsniveau und seiner Betriebszeit in dem Reaktorkern. Ein
Brennelement mit einem hohen Expositionsniveau (wie es in dem Zentralbereich 26 auftritt)
hat eine Betriebsdauer von zwei Beladungszyklen, da diese Brennelemente
ihre maximal zulässigen Expositionsniveaus in nur zwei
Zyklen erreichen. Brennelemente in dem zentralen Reaktorkernbereich 26 dürfen
nicht für drei Zyklen verwendet werden. Brennelemente in
dem Außenbereich des Reaktorkerns 24 sind der
Radioaktivität weniger ausgesetzt. Brennelemente in dem Außenbereich
des Reaktorkerns verfügen über eine längere
Betriebsdauer von drei Beladungszyklen.
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Der
einwärts von dem ringförmigen Außenbereich
gelegene Zentralbereich des Reaktorkerns 26 besteht aus
Brennelementen mit einer Betriebsdauer von nur zwei Beladungszyklen.
Bei der Anwendung des Umsetzalgorithmus werden Brennelemente in
dem Zentralbereich des Reaktorkerns nicht umgesetzt, mit Ausnahme
der Brennelemente 28 in dem Zentrum des Reaktorkerns. Die
Brennelemente in dem Zentralbereich des Reaktorkerns werden entweder
entfernt und durch frische Brennelemente ersetzt oder bleiben für
einen zweiten Brennelementzyklus an ihrer gegenwärtigen
Position im Reaktorkern. Das zentrale Brennelement/die zentralen
Brennelemente 28 werden typischerweise auf Grund des hohen
Expositionsniveaus eines Brennelementes/mehrerer Brennelemente im
Zentrum des Reaktorkerns während jedes Beladungszyklus
umgesetzt.
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Während
jedes Brennelementwechsels wird die Hälfte der Brennelemente
im Zentralbereich des Reaktorkerns 26 (außer den
Brennelementen im Zentrum 28) ersetzt, während
die andere Hälfte dieser Brennelemente nicht bewegt wird.
Während aufeinander folgender Beladungsvorgänge
werden einmal die eine und einmal die andere Hälfte der
Brennelemente bewegt. Beispielsweise können in dem Zentralbereich
des Reaktorkerns Brennelemente an alternierenden Reaktorkernpositionen
entfernt werden.
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Die 2 und 3 zeigen
ein Viertel eines Reaktorkerns 10 und stellen ein beispielhaftes
Beladungsmuster für den Zentralbereich des Reaktorkerns 26 dar,
in dem an jeweils der Hälfte der Brennelementpositionen
während jedes Kernbeladungsvorgangs Brennelemente entfernt
und ersetzt werden. In den 2 und 3 wird
derselbe Reaktorkern gezeigt. 2 zeigt
die Brennelemente am Zyklusanfang eines Zyklus, z. B. eines ungeradzahligen Zyklus,
und 3 zeigt denselben Reaktorkern an dem Zyklusanfang
des nächsten Zyklus, eines ungeradzahligen Zyklus. Die 2 und 3 zeigen
die Durchschnittsexposition der Brennelemente (GWD/T) für
jedes Brennelement am Anfang eines Zyklus (BOC, beginning of cycle).
Frische Brennelemente werden mit "0,0" bezeichnet, da sie noch keiner
Strahlenbelastung ausgesetzt waren. Die wiederzuverwendenden Brennelemente
weisen einen Expositionswert von über Null auf, z. B. 23,2,
22,5 und 39.8, aber deutlich unterhalb der maximalen Expositionsschwelle
für den Zyklusanfang, z. B. 40,0. Diese Expositionswerte
für den Zyklusanfang zeigen den Betrag der Radioaktivitätsexposition
des Brennelementes während der vorhergehenden ein oder
zwei Zyklen an. Am Zyklusanfang sind die der Strahlung ausgesetzten
Brennelemente in dem Zentralbereich 26 solche, die sich
während des vorhergehenden Brennelementzyklus im Reaktorkern
befanden. Die der Strahlung ausgesetzten Brennelemente in dem Außenbereich
Bereich 24 des Reaktorkerns könnten sich in einem
oder zwei früheren Beladungszyklen in dem Reaktorkern befunden
haben.
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Design
Constraints legen am Zyklusanfang Expositionsgrenzwerte für
jedes Brennelement fest. Der Expositionsgrenzwert ist für
jedes Brennelement verschieden, und Brennelemente nahe dem Umkreis weisen
einen höheren BOC-Expositionsgrenzwert auf, z. B. über
40,0, während Brennelemente im Zentrum des Reaktorkerns
einen niedrigeren BOC-Expositions grenzwert aufweisen, z. B. 24,0.
Der BOC-Expositionsgrenzwert kann so festgesetzt werden, dass ein
Brennelement am Zyklusende (EOC) eine Exposition aufweist, die den
Expositionsgrenzwert, z. B. 44,0, nicht übersteigt.
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Das
Muster der aus dem Zentralbereich des Reaktorkerns 26 zu
entfernenden Brennelemente kann einem Schachbrettmuster gleichen,
wobei sich im Muster "weiße" Positionen mit "schwarzen"
abwechseln. Während eines Kernbeladungsvorgangs bleiben
Brennelemente an den "weißen" Positionen im Zentralbereich
des Reaktorkerns an ihrem Platz und Brennelemente an den "schwarzen"
Positionen werden zum Lagerbecken 18 gebracht und durch
frische Brennelemente 22 ersetzt. Während des
nächsten Kernbeladungsvorgangs bleiben Brennelemente an
den "schwarzen" Positionen im Zentralbereich des Reaktorkerns an
ihrem Platz und Brennelemente an den "weißen" Positionen
werden zum Lagerbecken 18 gebracht und durch frische Brennelemente 22 ersetzt.
Die Kernbeladung im Zentralbereich des Reaktorkerns 26 wechselt
bei jeder der aufeinander folgenden Kernbeladungen zwischen weiß und schwarz.
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Gleichermaßen
können die Brennelemente in dem Außenbereich des
Reaktorkerns 24 (der Umkreis 25 ist hier nicht
eingeschlossen) in einem Schachbrettmuster angeordnet sein, wobei
Brennelemente an "weißen" Positionen für einen
dritten Zyklus zum Umkreis umgesetzt und durch frische Brennelemente
ersetzt werden, während die Brennelemente in den "schwarzen"
Positionen für einen zweiten Zyklus an ihrem Platz verbleiben.
Im nächsten Zyklus verbleiben die Brennelemente an den "weißen"
Positionen für einen zweiten Zyklus an ihrem Platz und
die Brennelemente an den "schwarzen" Positionen werden für
einen dritten Zyklus zum Umkreis umgesetzt und durch frische Brennelemente ersetzt.
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Die 2 und 3 sind
BOC-Expositionspläne, die in einem Schachbrettmuster im
Zentralbereich des Reaktorkerns 26 angeordnete frische Brennelemente
(0, 0) zeigen. Ein Vergleich der 2 und 3 zeigt,
dass die Positionen der frischen Brennelemente auf dem Schachbrettmuster
wechseln. 2 kann dazu benutzt werden,
die Positionen frischer Brennelemente für einen Kernbeladungsvorgang
zu planen, und 3 kann dazu benutzt werden,
die Positionen frischer Brennelemente für den nächsten
Kernbeladungsvorgang zu planen. Bei dem nächsten sequenziellen
Kernbeladungsvorgang (3. Vorgang) würden die Positionen,
die in 2 im Zentralbereich des Reaktorkerns 26 dargestellt
sind, mit frischen Brennelementen beladen.
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Eine
alternative Bezeichnung für die weißen und schwarzen
Positionen in dem Reaktorkern ist ihre Bezeichnung als ungeradzahlige
und geradzahlige Positionen. Die Reaktorkernpositionen erkennt man
durch Bezugnahme auf die Koordinaten 1 bis 30 am linken und oberen
Rand des in 1 gezeigten Reaktorkerndiagramms.
Beispielsweise ist die Position des Brennelements im Zentrum 28 als
die Position mit den Koordinaten 16-16 bezeichnet. Eine geradzahlige
Reaktorkernposition wird mit einem Koordinatenpaar bezeichnet, dessen
Koordinaten entweder beide geradzahlig oder ungeradzahlig sind.
Eine ungeradzahlige Reaktorkernposition wird mit einem Koordinatenpaar
bezeichnet, das eine geradzahlige und eine ungeradzahlige Koordinate
enthält.
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In
einem ersten Beladungszyklus werden Brennelemente an ungeradzahligen
Reaktorkernpositionen (2) in dem Zentralbereich 26 und
dem Außenbereich des Reaktorkerns 24 (nicht eingeschlossen
die Brennelemente im Zentrum 28 und die Brennelemente am
Umkreis) während eines Kernbeladungsvorgangs nicht bewegt.
Brennelemente an geradzahligen (3) Reaktorkernpositionen
in dem Zentralbereich 26 werden entfernt und durch ein
frisches Brennelement ersetzt, und in dem Außenbereich
des Reaktorkerns 24 werden die Brennelemente zum Umkreis
umgesetzt. Während des nächsten Beladungsvorgangs
(der nach einem Brennelementzyklus vorgenommen wird) werden Brennelemente an
geradzahligen Reaktorkernpositionen in dem Zentralbereich und dem
Außenbereich des Reaktorkerns 26, 24 während
des Kernbeladungsvorgangs nicht bewegt. Während des ungeradzahligen
Beladungszyklus werden Brennelemente an ungeradzahligen Reaktorkernpositionen
in dem Zentralbereich entfernt und durch ein frisches Brennelement
ersetzt, während die Brennelemente in dem Außenbereich des
Reaktorkerns zum Umfang umgesetzt werden.
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Brennelemente
am Umfang werden in jedem Beladungszyklus zum Lagerbecken gebracht.
Brennelemente im Zentrum 28 des Reaktorkerns werden entweder
zum Umfang umgesetzt oder zum Lagerbecken gebracht. Mit dem hier
offenbarten Umsetzalgorithmus werden die umzusetzenden Brennelemente
begrenzt auf die Hälfte der Brennelemente in dem Zentralbereich
des Reaktorkerns 26 und möglicherweise die Brennelemente
im Zentrum 28 des Reaktorkerns.
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Die
geradzahlig-ungeradzahlige (schwarz vs. weiß) Kernbeladungsstrategie
zum Ersetzen von Brennelementen wurde in der bekannten Technik bereits
verwendet. Nach bestem Wissen des Erfinders standen frühere
Anwendungen der geradzahlig-ungeradzahligen Kernbeladungsstrategie
nicht in Zusammenhang mit einem vorgeschriebenen Umsetzalgorithmus,
der Kernbeladungspläne für eine Reihe von Beladungszyklen
erzeugte, und waren nicht Teil eines Algorithmus, der eine Kernbela dungsstrategie
für mehrere Beladungszyklen oder zum Erreichen des Gleichgewichtszustands
erzeugte.
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Bei
Anwendung des hier offenbarten Umsetzalgorithmus werden typischerweise
die Brennelemente in dem Außenbereich 24 des Reaktorkerns umgesetzt.
Brennelemente im Innenbereich 26 des Reaktorkerns werden
typischerweise nicht umgesetzt, mit Ausnahme der Brennelementposition(en) im
Zentrum 28, die während eines jeden Beladungsvorgangs
umgesetzt werden. Dementsprechend wird das Umsetzen primär
an einer reduzierten Menge von Positionen im Reaktorkern und in
einem begrenzten Reaktorkernbereich vorgenommen.
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4 ist
ein beispielhafter Plan von einem Viertel des Reaktorkerns, mit
Linien, die Brennelemente bezeichnen, die von einer Position im
Reaktorkern an eine andere umgesetzt werden sollen. Um die Zeichnung
zu vereinfachen, werden nicht alle Linien dargestellt. Die umzusetzenden
Brennelemente sind unterstrichen und die durch die umgesetzten Brennelemente
zu ersetzenden zweimal bestrahlten Brennelemente sind in 4 eingekreist.
Der Plan zeigt, dass die umzusetzenden Brennelemente weitgehend
auf den Außenbereich 24 des Reaktorkerns beschränkt
sind, und dass, verglichen mit dem in 5 gezeigten
konventionellen Umsetzen, relativ wenige Brennelemente umgesetzt
werden. Der in 4 gezeigte Umsetzplan wurde
unter Verwendung des hier offenbarten Umsetzalgorithmus erstellt.
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Im
Gegensatz hierzu zeigt 5 einen konventionellen Umsetzplan
mit Linien, die die Brennelemente bezeichnen, die von einer Position
im Reaktorkern an eine andere bewegt werden sollen. Dieser konventionelle
Umsetzplan weist eine wesentlich höhere Anzahl umgesetzter
Brennelemente auf, und die Brennelemente legen im Reaktorkern eine
größere Entfernung zurück als in dem
in 4 gezeigten Umsetzplan. Während mit konventionellen
Verfahren zwar nicht immer so viele Brennelemente umgesetzt wurden,
wie in 5 gezeigt (besonders im Hinblick auf die "geradzahlig
vs. ungeradzahlig"-Vorgehensweise bei der Beladung mit frischen
Brennelementen) repräsentiert 5 doch die
massive Umsetzung von Brennelementen, die herkömmlicherweise in
Beladungszyklen durchgeführt wird.
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Ein
Vergleich der 4 und 5 zeigt
eine Verringerung der Anzahl umgesetzter Brennelemente bei einer
Beladungsstrategie, die unter Verwendung des hier offenbarten Umsetzalgorithmus
erzeugt wurde, im Vergleich zu der in 5 gezeigten Anzahl
von Umsetzungen. Durch Anwendung des hier offenbarten Umsetzalgorithmus
zur Erzeugung des in 4 gezeigten Umsetzplans, wurde
die Anzahl von Umsetzungen wesentlich reduziert, z. B. um circa
86%, verglichen mit dem in 5 gezeigten Umsetzplan.
Außerdem erfordern die in 4 gezeigten
Umsetzungen nur einen Transport der Brennelemente über
relativ kurze Strecken quer durch den Reaktorkern, verglichen mit
den Entfernungen bei den in 5 gezeigten
Umsetzungen. Durch die Verringerung der Anzahl von Umsetzungen und
die Verringerung der Umsetzentfernungen, kann die Ausfallzeit auf
Grund der Beladung mit Brennelementen um mehrere Tage reduziert
werden, z. B. ist eine Zeitersparnis von drei bis fünf
Tagen möglich. Es wird geschätzt, dass einige
SWRs Einnahmen von 1 Million USD pro Tag einbringen. Ausgehend von
dieser Schätzung, erbringt eine Reduzierung der Ausfallzeit um
drei Tage weitere 3 Millionen USD Einnahmen für jeden Beladungszyklus
des SWR.
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6 stellt
ein beispielhaftes Brennelement 14 dar. Ein Reaktorkern
umfasst typischerweise 200 bis 1.200 Brennelemente. Jedes Brennelement
enthält eine Außenhülle 30,
die eine Vielzahl von Brennstäben 32 umgibt, die
sich die sich im Grundsatz einander parallel in einer im Grundsatz
geradlinigen Matrix von Brennstäben erstrecken. Die Brennstäbe 32 sind
seitlich voneinander beabstandet durch Abstandhalter 34 an
verschiedenen vertikalen Erhebungen entlang der Länge der
Brennstäbe und der Außenhülle. Das Brennelement
weist einen Griff 36 auf, in den ein Kran sich einhakt,
um das Brennelement aus einem Reaktorkern oder Lagerbecken zu heben, das
Brennelement über dem Reaktorkern in Position zu bringen,
und das Brennelement in eine neue Position in dem Reaktorkern oder
dem Lagerbecken hinabzulassen.
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Jedes
Brennelement 14 kann besondere Funktionsmerkmale aufweisen,
wie z. B. thermische Sicherheitsspannen und Reaktivitätsreserven.
Die Brennelementeigenschaften sind abhängig von den Brennstabtypen
und -anordnungen, mit denen das Brennelement beladen wird. Da die
Brennelemente unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, z. B. die Brennstabzusammensetzung,
kann nicht notwendigerweise ein Brennelement durch ein anderes ersetzt
werden. Brennelemente mit denselben Eigenschaften werden als demselben
Typ angehörend bezeichnet. Ein Reaktorkern weist typischerweise
mehrere Brennelementtypen auf, z. B. sieben oder mehr. Es wird eine
Ermittlung durchgeführt, welcher Brennelementtyp sich an
jeder jeweiligen Brennelementposition befinden soll. Diese Ermittlung
kann außerhalb des Umsetzalgorithmus durchgeführt
werden. Als Eingabe für den Umsetzalgorithmus kann eine
Eingabematrix zur Verfügung gestellt werden. Eine beispielhafte
Eingabematrix wird unter 82 in 10 gezeigt.
Die Eingabematrix spezifiziert einen Brennelementtyp, z. B. 1 bis
7, für jede Brennelementpo sition in dem Reaktorkern. Die
Eingabematrix ist eine Bedingung für den Umsetzalgorithmus.
Der Algorithmus erzeugt eine Kernbeladungsstrategie, die die Pläne für
die Beladung mit Brennelementen plant, wobei die Brennelemente dem
Brennelementtyp angehören, der in der Eingabematrix für
jede Position im Reaktorkern spezifiziert ist.
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7 ist
ein Flussdiagramm 50 eines Verfahrens für SWR-Arbeiten
während der Ausfallzeit von Zyklus zu Zyklus. Ein SWR erzeugt
Dampf zur Stromerzeugung während einer Betriebsdauer von typischerweise
ein bis zwei Jahren, z. B. 12 bis 24 Monaten, bei Verfahrensschritt 52.
Eine geplante Ausfallzeit des SWR tritt am Ende eines jeden Brennelementzyklus
(EOC, end of cycle) auf. Nach dem Abschalten des Reaktors wird der
Reaktorbehälter demontiert, Verfahrensschritt 54,
um den Reaktorkern für Wartungsarbeiten, Reparaturen und
die Beladung mit Brennelementen zu öffnen. Das Demontieren
des Reaktorbehälters ist typischerweise ein Vorgang, der
drei bis vier Tage in Anspruch nimmt. Sobald der Reaktor zugänglich
ist, werden Wartungsarbeiten an Steuerstäben und anderen
Reaktorkernkomponenten vorgenommen. Brennelemente können
entfernt werden, Verfahrensschritt 56, um Zugang zu den
Steuerstäben und anderen Komponenten zu schaffen, die inspiziert,
repariert und ersetzt werden sollen, Verfahrensschritt 58.
Typischerweise werden drei bis fünf Tage benötigt,
um die Brennelemente zu entfernen und bei den Verfahrensschritten 56 und 58 Reaktorkernkomponenten
zu inspizieren, zu reparieren und zu ersetzen.
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Sobald
die Wartungsarbeiten am Reaktorkern abgeschlossen sind, ist der
Reaktorkern bereit für die Beladung mit Brennelementen.
Bei Verfahrensschritt 60 werden abgebrannte Brennelemente (z.
B. Brennelemente, die den EOC-Ex positionsgrenzwert, z. B. 44,0,
erreicht oder fast erreicht haben) aus dem Reaktorkern entfernt,
der Reaktorkern wird mit frischen Brennelementen beladen und wiederzuverwendende
Brennelemente verbleiben an ihrer gegenwärtigen Position
im Reaktorkern oder werden an eine neuen Position umgesetzt. Typischerweise
wird ein Kran (oder mehrere Kräne) benutzt, um Brennelemente
zwischen dem Reaktorkern und einem Lagerbecken hin- und her zu bewegen
und Brennelemente an neue Positionen im Reaktorkern umzusetzen.
Während ein konventioneller Beladungsvorgang wegen der
Bewegung von Brennelementen typischerweise sieben bis vierzehn Tage
benötigt, kann die Bewegung von Brennelementen durch die
Anwendung des hier offenbarten Umsetzalgorithmus auf drei Tage (und
sogar noch weniger Tage) reduziert werden. Der Umsetzalgorithmus
kann dazu verwendet werden, die Anzahl der umzusetzenden Brennelemente
zu reduzieren und auch die Entfernung zu verringern, über
die die umgesetzten Brennelemente quer durch den Kern bewegt werden. Man
geht davon aus, dass der Umsetzvorgang auf einen halbtägigen
Vorgang reduziert werden kann, verglichen mit einem drei- bis siebentägigen
Vorgang bei einer konventionellen Kernbeladung, die ohne Anwendung
des hier offenbarten Umsetzalgorithmus durchgeführt wird.
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Sobald
der Reaktorkern mit Brennelementen beladen wurde und alle Wartungs-
und Inspektionsarbeiten im Reaktorkern abgeschlossen sind, wird der
Reaktorbehälter bei Verfahrensschritt 62 wieder zusammengebaut.
Bei Verfahrensschritt 64 wird der Reaktor wieder angefahren
und beginnt den nächsten Zyklus. Zu Beginn des nächsten
Zyklus ist der Reaktorkern am Zyklusanfang (BOC, beginning of cycle).
Der Reaktor erzeugt für weitere ein bis zwei Jahre Strom,
bei Verfahrensschritt 52, so dass dich der Zyklus wiederholt.
Während der Betriebsdauer des SWR wiederholt sich der Brennelementzyklus.
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Der
hier offenbarte Umsetzalgorithmus simuliert die Zyklen des SWR und
projiziert einen zukünftigen Gleichgewichtszyklus, in dem
die Brennelementpläne hinsichtlich ähnlicher Zeitzyklen
und Beladungsstrategie nur minimal voneinander abweichen. Der Gleichgewichtsbeladungsplan
wird als Ziel für die Beladungsstrategie verwendet.
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8 ist
ein Flussdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform
des hier offenbarten Umsetzalgorithmus 70. Der hier offenbarte
Umsetzalgorithmus 70 kann Teil eines Prozesses, eines Verfahrens
und einer Designstrategie zur Erzeugung eines Kernbeladungsprogramms
sein, das das Umsetzen von Brennelementen zwischen aufeinander folgenden
Beladungszyklen eines SWR minimiert. Der Algorithmus 70 kann
in ein ausführbares Computerprogramm einprogrammiert werden,
das die Steuerung von Hauptparametern durch Benutzereingaben ermöglicht.
Das Computerprogramm kann auf einem Computer ausgeführt
werden, der zur Entwicklung von Reaktorkerndesigns für
den SWR benutzt wird.
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Der
Umsetzalgorithmus erzeugt alternative Kernbeladungspläne,
die für aufeinander folgende Kernbeladungszyklen benutzt
werden können. Die Kernbeladungspläne weisen Zentralbereiche
und Außenbereiche des Reaktorkerns auf, in denen die Positionen
frischer Brennelemente und für einen zweiten Zyklus verbleibender
Brennelemente in Mustern angeordnet sind. Diese Beladungsmuster
für den Zentralbereich des Reaktorkerns können
sich von einem Beladungszyklus zum nächsten umkehren. Ein
Vergleich der 2 und 3 zeigt
Beispiele für Kernbeladungspläne für
aufeinander folgende Kernbeladungszyklen. Die Kernbeladungspläne
in den 2 und 3 weisen jeweils einen Zentralbereich 26 auf,
und die Kernbeladung beschränkt sich auf das Entfernen
bestrahlter Brennelemente und die In stallation frischer Brennelemente
an denselben Positionen, von denen die bestrahlten Brennelemente zu
ersetzen waren. Das Beladungsmuster für die frischen Brennelemente
ist ein Spiegelbild des Beladungsmusters in 3.
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Das
Festlegen eines Zentralbereichs im Reaktorkern, in dem Brennelemente
nicht umgesetzt werden, nimmt einen großen Teil der Positionen
im Reaktorkern, z. B. circa 86% aller Positionen im Reaktorkern,
vom Umsetzen aus. Die Segmentierung des Reaktorkerns in einen ringförmigen
Außenbereich 24, in dem Brennelemente umgesetzt
werden, und einen Zentralbereich 26 im Reaktorkern, in
dem Brennelemente nicht umgesetzt werden (mit Ausnahme derer im
Zentrum 28 des Reaktorkerns), reduziert die Anzahl der
während eines jeden Kernbeladungsvorgangs auszuführenden
Umsetzvorgänge und reduziert die für das Umsetzen
benötigte Zeit.
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9 zeigt
ein Beispiel der Steuereingabe 74 für den Umsetzalgorithmus 70.
Bei Verfahrensschritt 72 werden die Steuereingaben in den
Algorithmus geladen, um den Reaktorkern für den Algorithmus
zu definieren. Die Steuereingaben können die jeweilige
Anzahl folgender Elemente vorschreiben: Spalten und Reihen in einem
Viertel eines Reaktorkerns; frische Brennelemente, mit denen das
Reaktorkernviertel während jeden Beladungszyklus beladen
wird; die Gesamtzahl der Brennelemente in dem Reaktorkernviertel
und der thermohydraulische Typ. Der thermohydraulische Typ ist eine
Eingabe, die den Typ der Brennelemente in dem Reaktorkern bezeichnet
und vom Benutzer angegeben werden kann. Die Eingaben 74 können
ebenfalls die Anzahl der Beladungszyklen festlegen, z. B. 2, die
eine Schleife bilden. Die 2 und 3 zeigen
eine Schleife mit zwei Zyklen, in der jeder Beladungsplan für
frische Brennelemente im Wesentlichen gleich dem übernächsten
Beladungsplan ist. Eine Schleife ist die Sequenz von Beladungszyklen,
die dazu verwendet wird, die Beladungsmuster für frische
Brennelemente zu variieren.
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Der
Benutzer kann ebenso festlegen, ob der Beladungsplan für
die Beladung mit frischen Brennelementen ein ungeradzahliges oder
geradzahliges Muster sein soll. Die geradzahlige und die ungeradzahlige
Auswahl setzen eine Schleife aus zwei Zyklen voraus. Besteht die
Schleife aus drei oder mehr Zyklen, kann es sich um eine Beladungsauswahl handeln
wie 1, 2, 3 usw. (anstelle von ungeradzahlig und geradzahlig). Die
Auswahl des Beladungsmusters, z. B. ungeradzahlig und geradzahlig,
kann beim Verfahrensschritt 76 manuell vorgenommen werden. Der
Benutzer, der den Umsetzalgorithmus einrichtet, muss eventuell nur
ungeradzahlig oder geradzahlig auswählen, kann aber ebenso
andere Eingabeparameter für den Umsetzalgorithmus prüfen
und modifizieren. Die Auswahl des ungeradzahligen oder geradzahligen
Beladungsplans kann auf der Grundlage von Daten, die anzeigen, ob
der vorhergehende Beladungszyklus ungeradzahlig oder geradzahlig
war, automatisch durchgeführt werden, worauf für
den nächsten Zyklus ein entgegengesetztes Beladungsschema
ausgewählt wird.
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Die
Eingaben in 9 können auch eingegebene
Dateien umfassen, die eine frühere Wiederholung der Brennelemente
im Reaktorkern definieren. Diese Eingabedateien können
durch ein konventionelles Reaktorkernsimulationsprogramm erzeugt werden,
das verlässlich den Zustand des Reaktorkerns und seiner
Brennelemente während eines Brennelementzyklus vorhersagt.
Das Simulationsprogramm erzeugt Daten zum Zustand der Brennelemente
in dem Reaktorkern während eines Brennelementzyklus. Diese
Daten werden von dem Umsetzalgorithmus 70 verwendet, um
Beladungspläne für den nächsten Beladungszyklus
zu erzeugen.
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Die
Eingabedateien können die ersten Zeichen des frischen Brennelements
enthalten, die BOC-Brennstäbe, BOC-Kennzeichner, EOC-Brennstäbe
und EOC-Kennzeichner, und Bedingungen liefern, die von dem Umsetzalgorithmus
bei der Erzeugung von Umsetzplänen verwendet werden. Beispielsweise
sind die Zeichen des frischen Führungsbrennelements, z.
B. "C05", ein übliches Identifizierungszeichen, das für
alle bei einem bestimmten Wiederbeladungsvorgang hinzugefügten
Brennelemente benutzt wird; die BOC-Brennstäbe-Datei, z.
B. "Brennstäbe.ced", enthält Daten, z. B. Expositionswerte,
die sich auf die Brennelemente am Zyklusanfang (BOC) des vorhergehenden
Brennelementzyklus beziehen, und die EOC-Brennstäbe-Datei
enthält Daten, z. B. Brennelementexpositionswerte, die
sich auf die Brennelemente am Zyklusende (EOC) beziehen; die BOC-Kennzeichner-
und die EOC-Kennzeichner-Dateien bestimmen die Kennzeichner, z.
B. Brennelementgriffnummern, für jedes der Brennelemente
im Reaktorkern. Der Reaktorsimulator kann die Dateien für
die BOC- und EOC-Brennstäbe erzeugen.
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Bei
Verfahrensschritt 78 werden Brennelementstrategiepläne
des Reaktorkerns als Eingaben für den Umsetzalgorithmus
geladen. Diese Pläne sind Vorlagen, die der Umsetzalgorithmus
benutzt, um Folgendes zu ermitteln: welche Brennelementpositionen
mit Brennelementen beschickt sein sollen, die im nächsten
Zyklus nicht bewegt werden sollen; Positionen, die mit frischen
Brennelementen beladen werden sollen; Positionen, von denen Brennelemente
entladen werden sollen, und Positionen, von denen Brennelemente
umgesetzt werden sollen.
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Die 10 und 11 sind
beispielhafte Strategiepläne. Die Strategiepläne
enthalten einen Brennelementpositionsplan 80, der alle
Brennelementpositionen in dem Reaktorkern bezeichnet (und worin
"1" die Positionen von Brennelementen bezeichnet und "0" die Positionen
ohne Brennelemente sowie außerhalb des Reaktorkerns); einen
Brennelementtypplan 82, der den für jede Position
im Reaktorkern bestimmten Brennelementtyp bezeichnet (wobei die
Zahlen 1 bis 7 anzeigen, welcher der sieben möglichen Brennelementtypen
sich an jeder Brennelementposition in dem Reaktorkern befinden soll);
einen Brennelemententladungsplan 84, der die Reaktorkernpositionen
bezeichnet, von denen Brennelemente entfernt werden sollen, da die
Brennelemente drei Zyklen durchlaufen haben (worin "1" die Positionen
mit Brennelementen bezeichnet, die einen dritten Zyklus abschließen);
einen Brennelementpositionsplan für frische Brennelemente 86 für
einen ungeradzahligen Zyklus (worin "1" die Positionen bezeichnet,
die mit frischen Brennelementen beladen werden sollen, und "0" die
Positionen bezeichnet, an denen die Brennelemente für einen
zweiten Zyklus verbleiben sollen); einen Brennelementpositionsplan
für frische Brennelemente 88 für einen
geradzahligen Zyklus (worin "1" die Positionen bezeichnet, die mit frischen
Brennelementen beladen werden sollen, und "0" die Positionen bezeichnet,
an denen die Brennelemente für einen zweiten Zyklus verbleiben sollen);
einen Plan der zweimal bestrahlten Brennelemente 90 (auch
als Brennelementumsetzplan für den ungeradzahligen Zyklus
bezeichnet) für die ungeradzahligen Zyklen, der die Reaktorkernpositionen von
Brennelementen anzeigt, die zwei Brennelementzyklen durchlaufen
haben und für einen dritten Zyklus an den Umfang (siehe
Plan 84) umgesetzt werden sollen (worin "1" die Positionen
der zweimal bestrahlten Brennelemente bezeichnet), und einen Plan der
zweimal bestrahlten Brennelemente 92 (auch als Brennelementumsetzplan für
den geradzahligen Zyklus bezeichnet) für die geradzahligen
Zyklen, der die Reaktorkernpositionen von Brennelementen anzeigt, die
zwei Brennelementzyklen durchlaufen haben und für einen
dritten Zyklus an den Umfang (siehe Plan 86) umgesetzt
werden sollen (worin "1" die Positionen der zweimal bestrahlten
Brennelemente bezeichnet). Diese Plane 80 bis 92 bezeichnen
die Brennelementpositionen in dem Reaktorkern, wo: frische Brennelemente
geladen werden sollen, für einen zweiten Zyklus wiederzuverwendende
Brennelemente an ihren gegenwärtigen Positionen verbleiben sollen,
und von denen Brennelemente für ihre Wiederverwendung in
einem dritten Zyklus umgesetzt werden sollen. Was allerdings eine
eigene Brennelementvorlage anbelangt, so werden die nach zwei Zyklen
zu entladenden Brennelemente, z. B. die zu einem Lagerbecken transportierten,
in den Brennelementpositionsplänen der frischen Brennelemente dargestellt,
die nicht auch in den Plänen der zweimal bestrahlten Brennelemente
enthalten sind.
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Die
Beladungsstrategiepläne 80 bis 92 können
bei Verfahrensschritt 94 durch den Benutzer oder die Anwendung
von Optimierungswerkzeugen optimiert werden. Das Optimierungswerkzeug
kann ein Computerprogramm sein, das einen oder mehrere der Plane 80 bis 92 stört.
Die gestörten Pläne werden in den Umsetzalgorithmus
eingegeben, um zu ermitteln, ob sich eine verbesserte Beladungsstrategie
ableiten lässt. Ein Beispiel eines Optimierungswerkzeugs
wird offenbart in der gemeinsam übertragenen und parallelen
(commonly assigned and 11/610,197, die in ihrer Gesamtheit durch
Bezugnahme enthalten ist. Das Optimierungswerkzeug kann zum Beispiel den
Brennelementtypplan 82 an jeder Brennelementposition stören.
Der gestörte Plan 82 wird in den Umsetzalgorithmus
eingegeben, um die Auswahl der frischen Brennelemente zu untersuchen und
zu-verbessern, thermische Sicherheitsspannen- und Reaktivitätsreserven-Anforderungen
einzuhalten sowie Brennelementzykluseffizienzverbesserungen zu ermöglichen.
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Bei
Verfahrensschritt 96 liest der Umsetzalgorithmus Informationen
hinsichtlich des vorherigen Beladungszyklus. Der vorherige Beladungszyklus kann
von einem Reaktorsimulator ausgegeben worden sein, der den Betrieb
des Reaktorkerns und seiner Brennelemente für den vorherigen
Beladungszyklus auf der Grundlage desjenigen Zyklus modelliert hat,
der gerade mit dem Umsetzprogramm verarbeitet wird. Die Daten hinsichtlich
der vorherigen Zyklen werden von den in den Eingabedateien (gezeigt
in 7) spezifizierten Dateien geliefert und enthalten die
BOC- und EOC-Cedar-Rod-Dateien sowie die BOC- und EOC-Kennzeichner.
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Ein
EOC-Expositionsplan für den vorherigen Zyklus ist nützlich
für die Ermittlung der Expositionsmenge für jedes
Brennelement am Zyklusende. Durch einen Vergleich der EOC- und BOC-Expositionspläne
(z. B. einen Vergleich der EOC- und BOC-Cedar-Rod-Dateien) kann
die für jede Brennelementposition im Reaktorkern für
den nächsten Brennelementzyklus vorhergesagte Expositionsmenge
für eine Schätzung der an dieser Position im nächsten
Zyklus zu erwartenden Expositionsmenge verwendet werden. Die Expositionsvorhersage
kann aussagen, dass für jede Brennelementposition im Reaktorkern
im nächsten Brennelementzyklus dieselbe Expositionsmenge
zu erwarten ist.
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Die 12 und 13 sind
Beispiele für EOC-Expositionspläne (z. B. Cedar-Rod-Dateien). Beispiele
für BOC-Expositionspläne (z. B. Cedar-Rod-Dateien)
werden in den 2 und 3 gezeigt.
Die Exposition eines jeden Brennelements während eines
einzigen Brennelementzyklus kann man durch einen Vergleich der Exposition
der Brennelemente am BOC (siehe 2 und 3)
mit der Exposition derselben Brennelemente am EOC erhalten, wie
in den 12 und 13 gezeigt
wird. Die 12 und 13 zeigen
die Durchschnittsexposition (GWD/T) für jedes Brennelement
im Reaktorkern am EOC. 12 zeigt einen "ungeradzahligen" Brennelementplan
und stimmt mit 2 insofern überein,
als 12 die Brennelementexposition am EOC für
dieselben Brennelemente zeigt, die in 2 dargestellt
sind, wobei 2 die Exposition am BOC zeigt.
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In
einem ringförmigen Außenbereich 89 sind die
Positionen frischer Brennelemente (Plan 88) in einem geradzahligen
Beladungszyklus dieselben wie die Positionen zweimal bestrahlter
Brennelemente in diesem geradzahligen Beladungszyklus (Plan 92). Während
eines geradzahligen Brennelementzyklus werden die zweimal bestrahlten
Brennelemente (Plan 92), z. B. Brennelemente, die bereits
zwei Brennelementzyklen durchlaufen haben, von den im Plan 92 gezeigten
Positionen entfernt und an den Umfang des Reaktorkerns umgesetzt,
z. B. zu in dem Plan 84 spezifizierten Entladungspositionen.
Frische Brennelemente werden an den frei gewordenen Positionen der
umgesetzten Brennelemente dort platziert, wo die frei gewordenen
Positionen in dem Plan 92 bezeichnet sind. Frische Brennelemente,
die im äußeren Ringraum des geradzahligen Brennelementpositionsplans
für frische Brennelemente 88 positioniert sind,
bleiben während zweier Brennelementzyklen an dieser Position
und werden dann für einen dritten Zyklus an die Entladungsposition
(Plan 84) bewegt. Gleichermaßen weist der Beladungsplan für
den ungeradzahligen Zyklus (Plan 87) einen äußeren
Ringraum auf, der sich mit dem Plan der zweimal bestrahlten Brennelemente 90 für
den ungeradzahligen Zyklus überschneidet. Dementsprechend können
die umzusetzenden Brennelemente auf die Brennelemente beschränkt
sein, die an die Entladungspositionen (Plan 84) am Umfang
des Reaktorkerns umgesetzt werden sollen, nämlich die Brennelemente,
die einen dritten Zyklus durchlaufen sollen.
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Bei
Verfahrensschritt 96 des Umsetzverfahrens 70 wird
eine Fehlerprüfung der Eingaben durchgeführt.
Beispielsweise können die Planeingaben in 8 analysiert
werden, um zu bestätigen, dass sie alle Brennelemente aufführen.
Die Gesamtanzahl der Brennelementpositionen in dem Entladungsplan
(ermittelt durch Addition der "1"en im Plan 84) sollte gleich
der Anzahl der zweimal bestrahlten Brennelemente sein, die laut
jedem der ungeradzahligen und geradzahligen Pläne umgesetzt
werden sollen. Eine weitere Fehlerprüfung besteht darin,
zu bestätigen, dass die Gesamtzahl der Brennelementpositionen
in dem Reaktorkern (jede mit der Zahl 1 bezeichnete Position im
Plan 80) gleich der gemeinsamen Summe der folgenden Positionen
ist: (i) Brennelemententladungspositionen (jede mit der Zahl 1 bezeichnete
Position im Plan 84), (ii) Positionen frischer Brennelemente
in dem Plan der frischen Brennelemente in dem geradzahligen Zyklus 88 (jede
mit der Zahl 1 bezeichnete Position im Plan 88) und (iii)
Positionen frischer Brennelemente in dem Plan der frischen Brennelemente
in dem ungeradzahligen Zyklus 86 (jede mit der Zahl 1 bezeichnete
Position im Plan 86).
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Bei
Verfahrensschritt 100 ermittelt der Umsetzalgorithmus den
positionsabhängigen Expositionswert für jede Brennelementposition.
Dieser Wert bezeichnet die Exposition eines jeden Brennelements
während eines Zyklus. Der Expositionswert kann ermittelt
werden durch Subtraktion der EOC-Exposition eines jeden Brennelements
von der BOC-Exposition, z. B. durch Subtraktion der Expositionswerte
in 12 von denen in 2, durchgeführt
für jedes Brennelement. Gleichermaßen ist die 3 ein
BOC-Expositionsplan für einen geradzahligen Brennelementplan
und entspricht dem in 13 gezeigten EOC-Plan. Die Exposition
des Reaktorkerns mit dem in den 3 und 13 gezeigten Brennelementmuster
ist die Differenz zwischen den Expositionswerten der 13 und 3 für
jedes Brennelement. Die Exposition eines jeden Brennelements im
Zyklus wird von dem Umsetzalgorithmus benutzt, um zu ermitteln,
welches Brennelement zu einer anderen Position im Reaktorkern umgesetzt werden
kann.
-
Bei
Verfahrensschritt 102 erstellt der Umsetzalgorithmus eine
Rangfolge der Expositionsniveaus der umzusetzenden Brennelemente.
Diese Brennelemente befinden sich an Positionen, die durch die Pläne
der zweimal bestrahlten Brennelemente 90 und 92 gekennzeichnet
werden. Ist der Zyklus, der gerade von dem Algorithmus bewertet
wird, ein "geradzahliger" Zyklus, war der vorhergehende Zyklus ein
"ungeradzahliger" Zyklus, und der ungeradzahlige Plan der zweimal
bestrahlten Brennelemente 90 kennzeichnet Brennelementpositionen
aus dem letzten Zyklus mit umzusetzenden Brennelementen. Der EOC-Expositionsplan
des vorherigen Zyklus, z. B. 13 (ungeradzahliges
EOC), liefert die Eingabedaten, z. B. die EOC-Cedar-Datei, zur Ermittlung
der Expositionsniveaus für jedes umzusetzende Brennelement.
Der Umsetzalgorithmus bildet eine Rangfolge der EOC-Expositionswerte,
z. B. vom niedrigsten zum höchsten, für jedes
der umzusetzenden Brennelemente. Die Rangfolge kann zusätzlich den
Brennelementtyp an jeder vom Umsetzen betroffenen Position berücksichtigen.
Zum Beispiel kann eine Rangfolge der Brennelemente in zwei Dimensionen
gebildet werden, wobei eine Dimension der Brennelementtyp und die
andere das Expositionsniveau des Brennelements ist. Die Rangfolge
unterstützt den Umsetzalgorithmus bei der Zuordnung der umzusetzenden
Brennelemente zu neuen Positionen im Umkreis des Reaktorkerns, wie
sie in dem Reaktorkern-Entladungsplan 84 gekennzeichnet
sind.
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Bei
Verfahrensschritt 104 erzeugt der Umsetzalgorithmus Umsetzanweisungen,
z. B. einen Umsetzplan, der für jedes umzusetzende Brennelement
eine neue Position im Reaktorkern bestimmt. Bei der Ermittlung einer
neuen Position im Reaktorkern für jedes umzusetzende Brennelement
verwendet der Algorithmus die EOC-Expositionsniveau-Rangfolge (die
die Exposition der umgesetzten Brennelemente aus dem vorhergehenden
Zyklus und eventuell den Brennelementtyp angibt), um geeignete Brennelemente
zu ermitteln, die zu neuen Positionen im Reaktorkern verbracht werden
sollen, z. B. zu Reaktorkernpositionen nahe dem Umkreis, wie es
in dem Entladungsplan 84 definiert ist. Die zu erwartende
Exposition an jeder der in dem Entladungsplan 84 bezeichneten
Positionen erhält man aus der Differenz der EOC- und BOC-Expositionsniveaus
im vorhergehenden Zyklus für die Brennelemente an diesen
Entladungspositionen. Sind die während des nächsten
Zyklus an jeder der Entladungspositionen zu erwartenden Expositionsniveaus
und die Rangfolge der Expositionsniveaus der umzusetzenden Brennelemente
(s. Pläne 90 und 92) bekannt, kann der
Umsetzalgorithmus die Brennelemente mit der niedrigsten Exposition
ermitteln, um sie an die Entladungspositionen mit der höchsten
vorhergesagten Exposition während des nächsten
Zyklus umzusetzen. Auf diese Weise erzeugt der Umsetzalgorithmus einen
Umsetzplan, wohin jedes Brennelement umzusetzen ist. Der Umsetzalgorithmus
kann bestimmen, an welchen Entladungspositionen (siehe Plan 84)
jedes der zweimal bestrahlten Brennelemente zu platzieren ist (siehe
Plan 90 zum ungeradzahligen Beladungszyklus und Plan 92 zum
geradzahligen Beladungszyklus).
-
Bei
Verfahrensschritt 106 werden die Umsetzanweisungen benutzt,
um einen Reaktorkernplan zu erzeugen, in dem die Brennelemente an
jeder Position in dem Reaktorkern bezeichnet sind. Die Daten zur
Ausarbeitung eines Reaktorkernplans stehen in Computerdatenbanken
zur Verfügung. Die Daten umfassen: die Umsetzanweisungen,
(die Brennelemente in den Entladungspositionen bestimmen – siehe
Plan 84), den Positionsplan der frischen Brennelemente
(entweder Plan 90, wenn der Zyklus ungeradzahlig ist, oder
Plan 92, wenn der Zyklus geradzahlig ist) und den EOC-Expositionsplan
für den vorherigen Zyklus, wie er beispielsweise in den 12 und 13 gezeigt
wird. Der EOC-Expositionsplan liefert Expositionsinformationen hinsichtlich
der Brennelemente, die im nächsten Brennelementzyklus an
derselben Position im Kern verbleiben sollen, und hinsichtlich der
umzusetzenden Brennelemente. Alle anderen im nächsten Zyklus
verwendeten Brennelemente sind frisch.
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In
Abhängigkeit davon, ob der nächste Brennelementzyklus
ein geradzahliger oder ungeradzahliger Brennelementzyklus ist, ist
der erzeugte Expositionsplan entweder ein BOC-Expositionsplan für einen
geradzahligen oder für einen ungeradzahligen Zyklus, wie
sie in den
2 und
3 gezeigt
werden. Unter Verwendung des Expositionsplans für den nächsten
Zyklus simuliert ein Computer den nächsten Brennelementzyklus
des Reaktorkerns. Reaktorsimulatoren sind gebräuchlich
und liegen außerhalb des Anwendungsbereichs dieser Erfindung.
Das
US-Patent 6,748,348 mit
dem Titel "Design Method for Nuclear Reactor Fuel Management", als
dessen Erfinder William E. Russel II benannt wird, beschreibt einen
bei spielhaften Reaktorsimulator. Der Reaktorsimulator erzeugt Daten,
die das EOC des simulierten Brennelementzyklus vorhersagen. Der
Umsetzalgorithmus kann unabhängig davon mit Handrechnungen
und mit enger Einbeziehung dreidimensionaler (3D) Optimierungswerkzeuge
angewendet werden, um für die Einhaltung aller das thermische
Verhalten und das Reaktivitätsverhalten betreffenden Kriterien für
den Reaktorkern zu sorgen. Verschiedene Reaktorkerndesignstrategien,
darunter "Control Cell Core"- und "Conventional Design"-Simulatoren
können die hier offenbarte Umsetz-Kartierungs-Methodik
anwenden.
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Zu
den erzeugten Daten gehört die EOC-Cedar-File-Datei (siehe 9),
die in den Benutzereingaben 74 für den Umsetzalgorithmus
enthalten ist. Der Simulator kann auch Daten ausgeben, die sich auf
den BOC des simulierten Zyklus beziehen, darunter die BOC-Cedar-File-Datei.
Bei Verfahrensschritt 108 werden die von dem Simulator
erzeugten BOC- und EOC-Brennelementdaten als Daten gespeichert und
für den Verfahrensschritt 96 verfügbar
gemacht – die nächste Wiederholung des Umsetzalgorithmus, wobei
dieser Umsetzinstruktionen für den nächsten Beladungszyklus
erzeugt.
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Nachdem
der Simulator die Daten des vorhergesagten nächsten Zyklus
erzeugt hat, z. B. BOC- und EOC-Expositionspläne, schaltet
der Algorithmus die geradzahlig/ungeradzahlig Einstellung in der
Benutzereingabedatei 74 (9) um. Der
Umsetzalgorithmus wird für einen weiteren Beladungszyklus
neu gestartet, welches der Zyklus unmittelbar nach dem letzten Zyklus
ist, für den der Umsetzalgorithmus und der Simulator eine
Simulation durchgeführt haben. Vor dem Neustart schaltet
der Algorithmus bei Verfahrensschritt 110 von ungeradzahlig
auf geradzahlig oder von geradzahlig auf ungeradzahlig um.
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Der
Umsetzalgorithmus und der Simulator durchlaufen aufeinander folgende
Brennelementzyklen.
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Eine
Schleife von Brennelementzyklen mit ungeradzahligen und geradzahligen
Brennelementmustern wird in der folgenden Sequenz gezeigt: von 2 bis 12 bis 3 bis 13 und
zurück zu 2. 2 repräsentiert
ein ungeradzahliges Muster von Reaktorkernpositionen frischer Brennelemente
in dem Zentralbereich 26. Die in 2 gezeigten Expositionsniveaus
beziehen sich auf den BOC. 12 repräsentiert
die Expositionsniveaus der Brennelemente am EOC desselben ungeradzahligen Musters,
das in 2 gezeigt wird. Zum Beispiel sind in 12 die
Brennelemente in dem Zentralbereich 26 entweder Brennelemente
(siehe das Brennelement an der Reaktorkernposition Spalte 14,
Reihe 10 mit einer Exposition von 43,9), die zwei Zyklen
durchlaufen und ihren Expositionsgrenzwert von 44,0 beinahe erreicht
haben, oder Brennelemente, die erst einen Zyklus durchlaufen haben,
und dafür bereit sind, an derselben Position einen weiteren
Zyklus zu durchlaufen (siehe das Brennelement an der Reaktorkernposition
Spalte 14, Reihe 11 mit einer Exposition von 23,4).
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Während
eines ungeradzahligen Brennelementzyklus treten bei Brennelementen
am BOC die in 2 gezeigten Expositionsniveaus
auf, und bei Brennelementen am EOC die in 12 gezeigten Expositionsniveaus.
Gleichermaßen stellt 3 ein geradzahliges
Muster von Reaktorkernpositionen für frische Brennelemente
in dem Zentralbereich 26 dar. Die in 3 gezeigten
Expositionsniveaus treten am BOC auf. 13 stellt
die Expositionsniveaus der Brennelemente desselben in 3 gezeigten
geradzahligen Musters am EOC dar. Während eines geradzahligen
Brennelementzyklus treten am BOC die in 3 gezeigten
Expositionsniveaus der Brennelemente auf, und am EOC die in 13 gezeigten.
Die Schleife von Brennelementzyklen durch die geradzahligen und
ungeradzahligen Beladungsmuster ist dargestellt durch die Sequenz
der 2 und 12, die einen Zyklus bildet,
und die Sequenz der 3 und 13, die
den zweiten Zyklus bildet. Die Schleife besteht aus den beiden Zyklen.
Während der Lebensdauer des SWR wiederholt sich die Schleife.
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Die 12 und 13 zeigen
EOC-Brennelementpläne, die die Ergebnisse des Umsetzalgorithmus
widerspiegeln. Beinahe alle der zu entladenden Brennelemente weisen
eine Exposition zwischen 42 und 47,3 auf, was eine geringe Spanne
darstellt. Am Umkreis des Reaktorkerns, wo die Brennelemente drei
Zyklen durchlaufen, liegt die Exposition bei 5 GWD/T. Dass die zu
entladenden Brennelemente, besonders die am Umkreis, alle eine ähnliche
Exposition zeigen, hält Bedenken gering, dass eines der Brennelemente
im Vergleich mit den anderen Brennelementen eine erhöhte
Exposition zeigen könnte. Dementsprechend kann der Gesamt-Entladungsexpositionsgrenzwert
erhöht werden.
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Der
Umsetzalgorithmus fährt fort, sich durch geradzahlige und
ungeradzahlige Zyklen zu wiederholen, bis eine Gleichgewichtslösung
erreicht ist. Der Algorithmus 70 speichert die erzeugten
Umsetzanweisungen für das Zusammenwirken der Zyklen. Die Gesamtheit
dieser aufeinander folgenden Kernbeladungspläne wird für
die Lebensdauer des Reaktors Teil der Kernbeladungsstrategie. Das
hier offenbarte Umsetzverfahren kann auch als eine Anwendung für radiale
Anreicherung eingesetzt werden, das Ringe höherer Anreicherung
in Richtung auf den Reaktorkern-Umkreis liefert; eine reduzierte
Anreicherung an Steuerzellenpositionen und eine reduzierte Anreicherung
an Achsen wurden in Übereinstimmung mit dieser neuen Methodik
ebenfalls entwickelt.
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Es
wurde festgestellt, dass SWR-Kerndesigns, die den hier offenbarten
Umsetzalgorithmus verwendeten, ähnliche Reaktorkern-Betriebsmerkmale
aufweisen, z. B. Expositionsniveaus für aufeinander folgende
Zyklen, obwohl die Positionen frischer Brennelemente in den Zyklen
sich unterscheiden. Die von dem hier offenbarten Umsetzalgorithmus
gelieferten Reaktorkernpläne wurden dazu benutzt die bei
der Entladung vorhandene Exposition (discharge exposure) zu minimieren
und für geeignete thermische Sicherheitsspannen, Reaktivitätsreserven
und eine hervorragende Brennelementzykluseffizienz zu sorgen. Die
mit dem hier offenbarten Algorithmus entwickelten Kernbeladungspläne
lieferten Beladungsstrategien mit 86% weniger Umsetzungen als traditionelle
Kernbeladungsstrategien. Die Reduzierung der Umsetzung von Brennelementen
sorgt für reduzierte Reaktorausfallzeiten, z. B. eine Reduzierung
um mehrere Tage. Die Reduzierung der Ausfalltage wirkt sich direkt
in Form von zusätzlichen Tagen der Stromerzeugung aus und
damit als Einnahmen aus der Stromerzeugung. Es wird geschätzt, dass
ein SWR pro Tag Energie im Wert von einer Million USD erzeugt, so
dass jede Reduzierung der Ausfallzeit um einen Tag pro Beladungszyklus
einen Zuwachs von einer Million USD bedeutet.
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Während
es wichtig ist, die Umsetzzeit zu reduzieren, ist es ebenfalls wichtig,
dass das Design die geforderten thermischen Sicherheitsspannen und Reaktivitätsreserven
sowie die gewünschte Energie erzeugt. Der Simulator – Verfahrensschritt 106 – kann eine Überprüfung
beinhalten, um zu bestätigen, dass der Reaktorkernplan,
z. B. der BOC-Reaktorkernplan der Brennelemente alle Design Constraints
erfüllt, wie beispielsweise Sicherheitsspannen. In geringerem
Ausmaß, aber dennoch wichtig für Gleichgewichtsanalysen,
sollten die Designs auch ähnliche vergleiche zwischen aufeinander
folgenden Zyklen zeigen. Es ist beispielsweise vorteilhaft für
Gleichgewichtszwecke, wenn zwei aufeinander folgende ungeradzahlige
Zyklen ähnliche Expositionen und eine ähnliche
Leistung aufweisen, und gleichermaßen, wenn zwei aufeinander
folgende geradzahlige Zyklen ähnliche Expositionen und
eine ähnliche Leistung aufweisen. Tatsächlich
kann der Gleichgewichtszustand als erreicht gelten, wenn aufeinander
folgende Wechselwirkungen von geradzahligen Zyklen des Umsetzalgorithmus
und Reaktorkernsimulationen ähnliche Resultate erbringen
und/oder aufeinander folgende Wiederholungen ungeradzahliger Zyklen des
Umsetzalgorithmus und Reaktorkernsimulation ähnliche Resultate
erbringen. Da die Umsetzmethodik die Brennelementexposition analysiert,
z. B. Brennelementabreicherung im vorhergehenden Zyklus, und das
positionsabhängige Potenzial für Expositionsakkumulation
ermittelt, wird durch das Umsetzverfahren ein Brennelement geliefert,
dass die betreffende Position am besten nutzt. Der Umsetzalgorithmus
erzeugt Beladungsstrategien, die den Designkriterien entsprechen.
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Die 14 und 15 zeigen
ungeradzahlige und geradzahlige BOC-Pläne von Brennelementen,
deren Werte, z. B. 0,886 (an der Reaktorkernposition 13–16)
der Spanne zwischen dem BOC-Expositionsgrenzwert und der tatsächlichen
BOC-Exposition des Brennelements entsprechen. Die Reaktorkernpositionen
der in den 14 und 15 gezeigten
Brennelemente wurden durch den Umsetzalgorithmus ermittelt. Der
Umsetzalgorithmus ist nützlich bei der Erzeugung von Reaktorkernen
mit Brennelementen, die im Betrieb alle den Designzielen nahe kommen.
Ein Spannenwert von 0,886 zeigt an, dass das Brenn element eine Exposition
von 88,6% des Expositionsgrenzwertes aufweist, was einer Spanne von
11,4% entspricht. Eine 10%-Spanne ist eines der Designziele. Der
Expositionsgrenzwert wird für jede Brennelementposition
festgelegt und hängt davon ab, ob das Brennelement an seiner
Position einen oder zwei zusätzliche Zyklen durchlaufen
soll, und welche Expositionsmenge an dieser Position für
den nächsten Zyklus erwartet wird. Die Spannen für
alle in den Reaktorkernplänen in den 14 und 15 gezeigten
Brennelemente liegen relativ dicht beieinander und hauptsächlich
zwischen einer Spanne von 25% und 11%, außer am Reaktorkern-Umkreis.
Es ist vorteilhaft und weist auf eine gute Ausnutzung der Brennelemente
hin, wenn ein Reaktorkernplan so eingerichtet wird, dass die Brennelemente
in dem Reaktorkern einem Designziel relativ nahe kommen.
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Die 16 und 17 zeigen
die EOC-CPR-Grenzwerte (CPR = critical power ratio) für
jedes Brennelement in einem ungeradzahligen (16) und
in einem geradzahligen ( 17) Beladungszyklus.
Diese Darstellungen zeigen, dass die Brennelemente den CPR-Designzielen
von 0,85 (15% vom Ziel) nahe kommen.
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Die 18 und 19 sind
beispielhafte Zyklusanfangs-(BOC) und Zyklusmitte-(MOC)Pläne
eines gesamten Reaktorkerns mit den Abschaltreserven (SDM, shut
down margins) jeder Zelle in dem Reaktorkern. Diese Pläne
zeigen die Abschaltreserven für einen Beladungsplan, der
unter Anwendung des hier offenbarten Umsetzalgorithmus erzeugt wurde. Die
Abschaltreserven sind insofern relativ einheitlich, als die meisten
Abschaltreserven am BOC in einer Spanne von 2,2 bis 1,4 und an der
MOC von 2,7 bis 1,3 liegen, außer am Umkreis und im Zentrum
des Reaktorkerns. Eine relativ geringe Spanne bei den Abschaltwerten,
wie sie in den 18 und 19 dargestellt
ist, weist auf eine effektive Beladung mit Brennelementen hin.
-
Neue
Aspekte des hier offenbarten Verfahrens und Systems können
umfassen: eine automatisierte Lösung zur Erzeugung von
Umsetzanweisungen für jeden Beladungszyklus; einen Umsetzalgorithmus,
der in Verbindung mit einem Kernsimulator verwendet werden kann,
um eine Gleichgewichts-Kernstrategie zu entwickeln; die Verwendung von
benutzerdefinierten Eingaben und Daten aus früheren Beladungszyklen
zur Ermittlung von Umsetzpositionen; Expositionsakkumulationspotenzial;
Verwendung des Umsetzalgorithmus zusammen mit manuellen und/oder
Software-Optimierungswerkzeugen, um verbesserte Umsetzanweisungen
zu entwickeln; Verwendung des Umsetzalgorithmus zusammen mit einer
Vielzahl von Nutzungsplänen für frische Brennelemente;
der Umsetzalgorithmus ist nützlich bei der Platzierung
von Brennelementen mit höheren Anreicherungen in Richtung
auf den Umkreis, wo die Brennelemente lange exponiert werden, und
der Umsetzalgorithmus ermöglicht Brennelemente mit geringer
Anreicherung an Positionen für den Steuerzellen-Betrieb,
unterstützt eine geringe Anreicherung an den Achsen zu
Berücksichtigung von Nachbareinschränkungen, und
der Umsetzalgorithmus liefert eine automatische Auswahl zweimal bestrahlter
Brennelemente, die zu Umkreispositionen umgesetzt werden sollen,
wobei das Umsetzen auf der Grundlage der Exposition und der zu überwindenden
Entfernung festgelegt wird.
-
Die
technischen Auswirkungen des hier offenbarten Verfahrens und Systems
umfassen: Kernbeladungsdesigns mit großartigen Grundlagen,
eine bessere BOC-kw/ft-Ausnutzung, eine bessere EOC-CPR-Ausnutzung,
eine bessere EOC- Entladungsexposition sowie schöne Gleichgewichtsziellösungen
ohne Umsetzen. Die wirtschaftlichen Vorteile des hier offenbarten
Verfahrens und Systems können beinhalten: Kundenausfälle
von drei Tagen oder weniger, eine Einnahmensteigerung durch längere Stromerzeugungszeiten
auf Grund kürzerer Ausfallzeiten, geringeres Risiko von
Beladungsfehlern durch weniger Umsetzungen sowie schnelle Kerndesignlösungen
ohne Umsetzen.
-
Während
die Erfindung in Verbindung mit derjenigen Ausführungsform
beschrieben wurde, die gegenwärtig als die praktikabelste
und bevorzugte Ausführungsform angesehen wird, ist zu beachten, dass
die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform
beschränkt sein soll, sondern es im Gegenteil beabsichtigt
ist, verschiedene Modifikationen und gleichwertige Anordnungen abzudecken,
die im Geist und Anwendungsbereich der angefügten Ansprüche
enthalten sind.
-
- 10
- SWR-Reaktorkern
- 12
- Steuerzellen
- 14
- Brennelemente
- 16
- Kran
- 17
- Steuerstab
(control blade)
- 18
- Lagerbecken
- 20
- Bestrahlte
Brennelemente
- 22
- Frische
Brennelemente
- 24
- Reaktorkern-Außenbereich
- 25
- Reaktorkern-Umkreis
- 26
- Reaktorkern-Zentralbereich
- 28
- Brennelementposition
im Reaktorkern-Zentrum
- 30
- Außenhülle
des Brennelements
- 32
- Brennstäbe
- 34
- Abstandhalter
im Brennelement
- 40
- Griff
- 42
- Steuerstab
- 50
- SWR-Lebenszyklus
- 52
- Reaktorbetrieb
- 54
- Demontage
des Reaktorbehälters
- 56
- Abladen
von Brennelementen
- 58
- Reaktorkernwartung
- 60
- Beladung
mit Brennelementen
- 62
- Zusammenbau
des Reaktorbehälters
- 64
- Anfahren
des Reaktors
- 70
- Umsetzalgorithmus
- 72
- Beladungssteuereingaben
- 74
- Steuereingaben
- 76
- Manuelle
Modifikation der Steuereingaben
- 78
- Beladungsstrategiepläne,
Planvorlagen
- 80–92
- Strategiepläne – Brennelementplan
- 94
- Modifikation
der Pläne
- 96
- Lesen
der den vorherigen Zyklus betreffenden Informationen
- 98
- Fehlerprüfung
- 100
- Positionsabhängiger
Expositionswert
- 102
- Erstellung
einer Rangfolge der umzusetzenden Brennelemente
- 104
- Umsetzanweisungen
- 106
- Brennelementzyklussimulation
- 108
- Vom
Simulator erzeugte BOC- und EOC-Brennelementdaten werden gespeichert
- 110
- Modifikation
der Eingaben, um geradzahlig/ungeradzahlig widerzuspiegeln
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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