DE1126528B - Reaktorbeschickungsverfahren fuer heterogene Kernreaktoren und Reaktorkern zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents
Reaktorbeschickungsverfahren fuer heterogene Kernreaktoren und Reaktorkern zur Durchfuehrung des VerfahrensInfo
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- DE1126528B DE1126528B DES58125A DES0058125A DE1126528B DE 1126528 B DE1126528 B DE 1126528B DE S58125 A DES58125 A DE S58125A DE S0058125 A DES0058125 A DE S0058125A DE 1126528 B DE1126528 B DE 1126528B
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 29. MÄRZ 1962
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 29. MÄRZ 1962
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur kontinuierlichen Beschickung eines heterogenen Kernreaktors
mit um eine Achse herum annähernd symmetrisch angeordnetem Brennstoffgitter und mit in jeder
Gitterposition in mehreren Etagen übereinander angeordneten, mit Brennelementen anderer Gitterposition
im Sinne einer Wanderung aus Reaktorbereichen niedrigerer in solche höherer Neutronenflußdichte und
umgekehrt, austauschbaren Brennelementen und auf einen Reaktorkern zur Ausführung dieses Verfahrens.
Bekanntlich brennen bei heterogenen Kernreaktoren die Brennstoffelemente infolge der ungleichmäßigen
Flußdichteverteilung im Brennstoffgitter verschieden stark aus. Vom Gittermittelpunkt aus gesehen ergibt
sich praktisch ein in alle Richtungen nach außen zu abnehmender Abbrandgrad. Ohne Beeinflussung der
Brennstoffverteilung kommt in einem bestimmten Zeitpunkt der Reaktorbetrieb allmählich zum Erliegen,
obwohl die Brennstoffelemente der Außenzone oder Teile davon noch genügend Reaktivität gegenüber
den Elementen der Innenzone aufweisen.
Ungleichmäßiger Abbrand bedeutet zugleich eine ungleichmäßige Verteilung der Leistungsdichte und
der Reaktivität im Reaktor. Beides ist aus wirtschaftlichen Gründen unerwünscht, da ein schlecht ausgenutzter
Kernbrennstoff einen besonders hohen Kilowattstundenpreis zur Folge hat. Um diese Nachteile
zu vermeiden, strebt man einen möglichst gleichmäßigen Abbrand an. Die Fig. 1 bis 5 zeigen hierzu
schematisch einige bekannte Möglichkeiten.
In den Figuren stellt der viereckige Kasten den Reaktor dar, der eine Reihe von senkrecht hindurchgeführten
Brennstoffkanälen aufweist. Die Kanäle sind bei den Fig. 1 bis 4, die verschiedene Möglichkeiten
der Brennstoffumladung im gleichen Reaktor darstellen, jeweils mit zwei Etagen ruhender übereinander
angeordneter Brennstoffstäbe besetzt. Demgegenüber werden beim Reaktor gemäß Fig. 5 die Brennstoffkanäle
entsprechend den eingezeichneten Pfeilrichtungen von zwei gegenüberliegenden Seiten mit
kurzen Brennstoffstücken kontinuierlich beschickt.
Wie Fig. 1 zeigt, ergibt sich bei heterogenen Reaktoren mit ruhendem Brennstoff in grober Annäherung
ein Abbrand, wie er graduell durch die schalenförmig eingezeichneten Zonen angedeutet ist. Zur Vergleichmäßigung
des Abbrandes kann man nun gemäß Fig. 2 eine einmalige Umsetzung der Brennstoffstäbe in
radialer Richtung vornehmen. Man kann aber auch statt dessen gemäß Fig. 3 eine einmalige Vertauschung
der oberen und unteren Brennstoffstäbe vornehmen. Den größeren Erfolg erzielt man indes gemäß Fig. 4
durch eine Kombination beider Umsetzungen. In Reaktorbeschickungsverfahren
für heterogene Kernreaktoren
und Reaktorkern zur Durchführung
des Verfahrens
Anmelder:
Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Dr. Albert Ziegler, Erlangen,
ist als Erfinder genannt worden
ist als Erfinder genannt worden
diesem Falle erreicht man einen Abbrand, der bei allen Brennstoffstäben, auch über deren Länge gesehen,
ziemlich gleichmäßig ist.
Bei der in Fig. 5 dargestellten kontinuierlichen Beschickung wird überdies neben der Beseitigung des
ungleichmäßigen Abbrandgrades auch die Unsymmetrie der Flußverteilung behoben.
Die erläuterten Beschickungsverfahren arbeiten aber noch nicht optimal. Sie sind nämlich im wesentlichen
nur auf die Erzielung einer günstigen Reaktivitätsbilanz abgestimmt. Die indes an ein optimales Reaktorbeschickungsverfahren
für heterogene Leistungs-Kernreaktoren zu stellenden Forderungen, von denen auch die Erfindung ausgeht, lauten demgegenüber:
1. Der Abbrand der verschiedenen Brennstoffstäbe soll untereinander und über die Länge der
einzelnen Stäbe möglichst gleich sein;
2. die Verteilung der Stäbe über den Reaktor soll eine stationäre Ordnung darstellen, d. h. die
Leistungsdichte soll im Betrieb in jedem Brennstoffkanal unverändert bleiben;
3. sowohl die Reaktivität als auch die Gesamtleistung des Reaktors soll nahezu dem maximal
Erreichbaren entsprechen, d. h. der Kilowattstundenpreis soll ein Minimum werden gemäß
folgender Vorschrift:
= Min, (1)
209 557/347
3 4
darin bedeutet: einen Reaktor mit der obigen vertikalen und radialen
Ck, Cp je eine Kostenkonstante; Gitterteilung betreffen. Fig. 6 zeigt in schaubild-
Σ, den makroskopischen Spaltungsquer- ^cher Darstellung die vier Vertikalpositionen der
schnitt für thermische Neutronen; Brennstoffstabe m den Brennstoffkanälen der vier
dV ein Volumenelement; 5 Abbrandzonen und ferner die Flußdichteverteilung
Te den maximalen Abbrand; *(*) ^ axialer Gitterrichtung. Fig 7 zeigt hierzu als
π die Produktivität (die in der Flußzeit- B^piel den Waagerechtschnitt durch das obener-
einheit τ im Überschuß produzierten ™hn}e heterogene Brennstoffstabgitter mit vier Ab-
NeutronenV brandzonen. Bei diesem Gitter stehen die (verschieden-
Φ die Neutronenfiußdichte für einen un- 10 artiS markierten) Brennstoffkanäle auf einer Vielzahl
gleichmäßig beladenen Reaktor und einander umgebender Polygonzuge ,.„.,.
Φ* die Neutronenflußdichte für einen gleich- In FlS· 6Jst>
TJchtf™n der Ordinate L tabellarisch
mäßig beladenen Reaktor· ~ ,unter. den ^e Abbrandzonen symbolisierenden
Spalten Vn, Vß, P7., Vs —die jeweilige Vertikalstaffe-
4. das Beschickungsverfahren soll leicht einer der i5 lung der Brennstoffstäbe in den Brennstoffkanälen der
(miteinander rivalisierenden) Forderungen nach einzelnen Abbrandzonen als besondere Permutation
maximaler Reaktivität bzw. maximaler Gesamt- der Ziffernfolge 4 bis 1 dargestellt. Links von der
leistung gemäß Forderung 3 angepaßt werden Ordinate, deren Veränderliche ± h die effektive Brennkönnen,
und Stoffkanallänge in axialer Gitterrichtung bezeichnet,
5. das Beschickungsverfahren soll übersichtlich sein ao ist, wie schon erwähnt, die axiale Neutronenflußsowie
den praktischen Betriebsverhältnissen Rech- dichteverteilung g(z) aufgetragen, mit den für Benung
tragen. rechnungszwecke vorgesehenen Flußwerten a, b (an
Diese Forderung wird durch die Erfindung erfüllt. /( 3 λ
Erfindungsgemäß wird das Brennstoffgitter in eine den Kanalstellen -^-, -^).
der Etagenzahl gleiche Anzahl Zonen unterschiedlichen 25 Die Permutationen zeichnen sich dadurch aus, daß
mittleren Abbrandes unterteilt und jedes Brennelement jeder Brennstoffstab auf seinem Weg von der
bei jedem Positionswechsel sowohl in eine andere, von Innen- zur Außenzone (im folgenden Einspeise- zur
allen vorher eingenommenen verschiedene Zone als Entladezone genannt) jede Vertikalposition nur einmal
auch in eine andere, von allen vorher eingenommenen einnimmt. Die in der «-Zone in der Reihenfolge 4, 3,
verschiedene Etage versetzt. 30 2, Γ sitzenden Brennstoffstäbe nehmen also in der
Die Querschnitte der Abbrandzonen stehen dabei /?-Zone die Reihenfolge 2, 1, 4, 3 in der y-Zone die
mit ihren anteiligen Neutronenfiußdichten und Ab- Reihenfolge 3, 4, 1, 2 und in der <5-Zone die Reihenbrandzeiten
im folgenden formelmäßigen Zusammen- folge 1,2, 3, 4 ein. Es zeigt sich, daß gerade mit diesen
hang: Stabstaffelungen die letzte der eingangs gestellten
111 35 Forderungen nach Übersichtlichkeit und technisch
ta '■ tß ... in = —— : — —- = Fa--F1]... Fn, einfacher Durchführbarkeit des Beschickungsver-
(2) fahrens besonders leicht erfüllt werden kann. Es ver-
darin bedeuten · einfachen sich nämlich die von der Lademaschine des
U bis tn die Zonenabbrandzeiten; Reakt f or* hf der. Umsetzung der Brennstoffstäbe
φα bis Ψη die zonenanteiligen Neutronenfluß- 4° ^zuführenden Arbeitsgange. In keinem Falle
di hten nd brauchen Kopf- und Fußende der einzelnen Brenn-
Fa bis Fn die Querschnitte der Abbrandzonen. stoi!fbe vertauscht oder mehr als ein Brennstoffstab
^ vorübergehend gespeichert bzw. m Warteposition
Zur Erläuterung sei ein Reaktor mit einem hetero- gesetzt werden. Beispielsweise lassen sich die Brenngenen
Gitter nach Art eines Stabgitters betrachtet, 45 Stoffstäbe 3 bzw. 4 der α- bzw. y-Zone bereits beim
dessen Brennstoffkanäle mit η = 4 übereinander an- zweiten Hub in richtiger Staffelungsfolge in die
geordneten und untereinander austauschbaren Brenn- Kanäle der ß- und <5-Zone bringen. Beim ersten Hub
Stoffstäben besetzt sind. Die Vertikalpositionen seien werden die Stäbe 4 bzw. 3 gefaßt und in Warteposition
in der Reihenfolge von 1 bis 4 von unten nach oben gebracht. Die (erwähnten) nachfolgenden Stäbe 3 bzw. 4
numeriert. Entsprechend der Vertikalstaffelung ist 50 werden dann beim zweiten Hub sofort in die untersten
gemäß der Erfindung das Brennstoffgitter auch in der Positionen der Kanäle der ß- und <5-Zone gesetzt.
Horizontalen in η — 4 einander umgebende Abbrand- Entsprechendes gilt für die in zwei Etagen aufeinanderzonen
(α-, β-, γ-, ό-Zone) unterteilt. Unter der Vor- folgenden Stäbe 2,1 und 1, 2 der α- bzw. y-Zone.
aussetzung, daß die eingangs genannte Forderung 4 Die Umladung der Stäbe aus der /?-Zone in die
zugunsten der Reaktivität entschieden wird, ergibt 55 y-Zone ist nun noch einfacher und übersichtlicher als
sich für die Reihenfolge, in der gemäß der Erfindung die Umladung von der «- in die /?-Zone und der
die Brennstoffstäbe positionsweise unter gleichzeitiger γ- in die <5-Zone. Die Brennstoffstäbe der /?-Zone
Platzvertauschung in der Vertikalen die Abbrand- können nämlich in der Reihenfolge, in der sie von
zonen durchlaufen, die (an dieser Stelle zunächst der Lademaschine gefaßt werden, direkt in die zunoch
nicht näher begründete) Reihenfolge von der 60 gehörenden Kanäle der y-Zone umgesetzt werden.
Innen- zur Außenzone. Der Reaktor wird also in der Da die Stäbe in den vier Abbrandzonen jeweils die
α-Zone, der Innenzone, mit frischen Brennstoffstäben gleiche vertikale und radiale Staffelungsfolge aufbeschickt
und in der <5-Zone, der Außenzone, von weisen müssen, ist gewährleistet, daß sich in jeder
verbrauchten Brennstoffstäben geräumt. Beschickung Zone nur Brennstoffstäbe mit gleicher Vorgeschichte
und Räumung laufen, auch bei jeder anderen als 65 befinden.
der vorliegenden Zonenfolge, kontinuierlich ab. Zur Erläuterung, wie nun im einzelnen die eingangs
Zum besseren Verständnis der Erfindung sei zu- genannten Forderungen 1 bis 4 beim Beschickungsvernächst
Bezug auf die Fig. 6 und 7 genommen, die fahren gemäß der Erfindung erfüllt werden, seien im
folgenden die an das Verfahren gestellten Bedingungen angeführt. Diese lassen sich in der bereits angeführten
mathematischen Beziehung
ta'· tß'· ty'. U =
1 | 1 | 1 | 1 |
ψα | ψβ | Ψ-ι | ψι |
= Fa, | Fß, Fy | , F1 |
zusammenfassen. Die Bedingungen lauten: Ein Satz von η Brennstoffstäben, im vorliegenden
Falle vier Stäben, soll nacheinander η Brennstoffkanäle
des Gitters, im vorliegenden Fall vier Kanäle, und zwar je einen aus jeder Abbrandzone in einer
noch zu wählenden Reihenfolge durchlaufen. Die Stäbe sollen dabei in der α-Zone die Zeit ta, in der
/?-Zone die Zeitig, in der y-Zone die Zeit ty und in
der (5-Zone die Zeit u verweilen. Die Zonenfolge werde durch die bevorzugte Maximierung der Reaktivität
auf die schon erwähnte Reihenfolge von innen nach außen festgelegt.
Verlangt man nun im Sinne der Forderung 1, daß der am Ende der Gesamteinsatzzeit im Reaktor
erreichte Abbrand in der Mitte jedes Stabes gleich groß sein soll
Intervall ist an sich wegen der auch innerhalb der einzelnen Abbrandzonen veränderlichen Flußverteilung
nicht für alle Abbrandzonen gleich groß. Bezeichnet man also die Zahl der Brennstoffkanäle einer Gruppe
jeder Zone mit «, β, γ, δ (Zonenfaktoren) — die
Zahlen müssen notwendig ganze Zahlen sein —, so kann man die Zonenabbrandzeiten entsprechend
ausdrücken durch die Produkte:
ttt = a- At1;
ty = γ · At3 und
= β-At2;
= δ- At1.
Man begeht aber nur einen im allgemeinen vernachläßigbaren (im übrigen aber kompensierbaren)
Fehler, wenn man die sich ohnehin nur sehr wenig unterscheidenden Verweilzeiten At1 ... Atn gleich
wählt. Dann gelten nämlich die Beziehungen (2) bis (6) auch unmittelbar für die Faktoren λ ... δ selbst.
Bei Berücksichtigung der über die Zonenbreite veränderlichen Flußdichte ist die Verweilzeit At qt
durch die Beziehung
beziehungsweise
3h
= g
-3h {ψα · Oi + ψβ· β + · · · ψη · η) - (α + b)
gegeben, die sich im Falle einer für alle Gruppen und Abbrandzonen gleich groß gewählten Verweilzeit
vereinfacht in:
At = -^-Λ-
2 ψα ■ oi (α + b)
(8)
(vgl. Fig. 6)], und verlangt man ferner entsprechend Forderung 1, daß der Abbrand auch über die Länge
der einzelnen Brennstoffstäbe gleichmäßig sein soll (das ist praktisch erfüllt, wenn der Abbrand am
Kopf- und Fußende jedes Stabes gleich groß ist), so ergibt sich für die zonenanteiligen Abbrände folgende
Beziehung:
ψα · ta = ψβ · tß = ψΊ · ty = φι · ti. (3)
Die Zonenabbrandzeiten ta, tß, ty, ti müssen sich
also umgekehrt zueinander verhalten wie die zugehörenden radialen Flüsse:
Es bedeutet:
ta' tß'. ty'. t{ = -
ψβ
(4)
ψα
ψβ
ψγ
ψΐ
Andererseits muß aber die Fläche einer Abbrandzone, d. h. die Zahl der darin befindlichen Kanäle,
um so größer sein, je länger jeder Stab darin verweilen soll. Es müssen sich also auch die Flächen der
einzelnen Zonen zueinander verhalten wie die zugehörenden Zeitintervalle:
ta: tßi ty : ti = Fa: Fß·. Fyi Fs. (5)
Der Forderung 1 wird also genügt, wenn folgende Bedingung erfüllt ist:
ty : t? —
Te der maximale Abbrand; ψα bis ψη die zonenanteiligen Neutronenfluß-
dichten;
fa die mittlere Neutronenflußdichte in der
fa die mittlere Neutronenflußdichte in der
«-Zone {φα · οί = ψβ · β = φη · ή);
λ bis η die Brennstoff kanalzahlen bzw. Zonenfaktoren
und
a, b die schon erwähnten Flußwerte für h_ yfi
~4 ' 4 *
~4 ' 4 *
Bei veränderlichen Verweilzeiten nach Formel (7) könnte die fällige Umsetzung der Brennstoffstäbe
immer dann vorgenommen werden, wenn die Reaktivitätsreserve des Reaktors auf ein festgesetztes
Minimum gesunken ist. Der vorliegenden Erläuterung liegt jedoch eine zonenanteiiig konstante Verweilzeit
At zugrunde.
Zur Ermittlung der in der Beziehung (2) enthaltenden Zoneneinteilung des Reaktors geht man davon aus, daß
ψ β ■ Fß = φ a · Fa — ψΊ · Fy
ist.
Der Mittelwert der Neutronenflußdichte φ über einen Bereich innerhalb eines bestimmten Core-Radius
r ist definiert durch:
ψα
Fa'.
ψβ ψΊ ψο
ί: Fy: JFa.
(6)
·ρ·άρ
Faßt man in jeder Abbrandzone eine bestimmte Anzahl von Brennstoffkanälen zu einer Gruppe zusammen,
so ergibt sich für diese Gruppe jeweils eine Zonenabbrandzeit, die gegeben ist durch das Produkt
der Brennstoffkanalzahl und des Zeitintervalls, das zwischen der Be- bzw. Umladung zweier aufeinanderfolgender
Kanäle dieser Gruppe liegt. Dieses Zeit-Ψ =
wobei das ringförmige Flächenelement dF — 2πρ·άρ
mit der Flußdichte beim Radius ρ multipliziert und das Integral darüber durch die Fläche F = π · r2
dividiert wird. Der Zähler allein gibt also den Wert für φ · F an.
7 ■■■■.. 8
Die Fig. 8 veranschaulicht den Verlauf dieser Die Folge, in der die Brennstoffstäbe die vier AbFunktion,
hier als /(r) bezeichnet, in Abhängigkeit brandzonen durchlaufen, ist weiter oben schon auf die
von der entsprechenden Kreisfläche ή ■ π. natürliche Reihenfolge <x bis δ festgelegt worden. In
Den Wert dieses Integrals für den Halbmesser R des welcher Reihenfolge man am besten vorgeht, d. h.
Reaktorkerns f(R) teilt man in vier gleiche Intervalle 5 welche der Zonen man als Einspeisezone und weiche
und sucht die zu den Teilungspunkten ft gehörigen man als Entladezone wählt, läßt sich aus der Lage der
Abszissenwerte n. Wegen Maxima zweier Funktionen beurteilen, die in Fig. 9
f{ schaubildlich dargestellt sind.
f _ f _ ο jr Γωίοληάο ^e Funktion π (τ) (der besseren Darstellbarkeit
ji Ji^1 t. π j nwd ü 10 halber wurde in Fig_ 9 die Funktion ι + π dargestellt)
1 1 stellt die Produktivität, das ist die in der Flußzeitein-
1 heit τ im Überschuß produzierte Zahl von Neutronen
= <piFi = -4-/(·#) = const eines Brennstoffstabes, dar. Es ist τ — Φ-t. Die
_ . Funktion 2/(t) stellt den Verlauf des makroskopischen
— r"< rß>
r"i> r5 15 Spaltungsquerschnittes eines Brennstoffstabes für ther-
verhalten sich die Flächen F% zueinander wie die rezi- mische Neutronen dar. Von diesen Funktionen be-
1 !,·„ 1 ..jj-i ei·· 1 · stimmt die erste den Funktionsverlauf des zweiten
proken Mittelwerte der radialen Flusse -=-, wie es ver- o , , .~. .. · , , nv , . ,
F <Pi Summanden der Optimierungsformel (1) (maximale
langt wird. Das geforderte Verhältnis der Kanalzahlen Reaktivität), während die zweite den ersten Summankann
unmittelbar als Differenz der Abszissenwert ab- 20 den (maximale Leistung) bestimmt. Das Diagramm
gegriffen werden. zeigt, daß im vorliegenden Fall die Produktivität π
, ■ ., , ., , , ., des einzelnen Brennstoffstabes zu Beginn der Ab-
<x: β:γ:ο = ra:(rß~ — ra):(ry — r$): (ro~ — r7). branddauer ihr Maximum hat, während das ent-
(10) sprechende Maximum des Spaltungsquerschnittes, der
Im folgenden sei nun die Frage nach der Zahl der 25 die Leistungsdichte bestimmt, zu einem späteren Zeitin
den einzelnen Abbrandzonen anzubringenden Brenn- punkt erreicht wird.
Stoff kanäle untersucht. Sie steht in unmittelbarem Zu- Teilt man die Fläche unter jeder Kurve in Flächen-
sammenhang mit der eingangs gestellten Forderung 2 abschnitte mit der Breite M = _^(n = Zahl der
nach stationärer Ordnung, d. h. unveränderter Lei- »■ v
stungsdichte in jedem Brennstoffkanal. Hierzu muß 30 Abbrandzonen) ein, so weisen diese Abschnitte unterdafür
gesorgt werden, daß in jeden Brennstoffkanal schiedlichen Flächeninhalt auf. Im Intervall Δ T1 liegt
immer nur Brennstoffstäbe mit gleicher Vorgeschichte beispielsweise der maximale Flächenabschnitt der
gelangen. π-Kurve, während derjenige der 2T/-Kurve im /It2-
Dies erreicht man durch eine sinnvolle Zusammen- Intervall liegt. Der Durchlauffolge der Brennstoffstäbe
Ordnung gleichwertiger Brennstoff kanäle zu den zonen- 35 liegt nun die Überlegung zugrunde, daß man die
weise untereinander gleich großen — bereits erwähn- τ-Zone maximalster Produktivität in den Bereich
ten — Gruppen, in denen der Brennstoffwechsel un- größten Flusses legt, während man die τ-Zone maxiabhängig von den anderen Gruppen vollzogen werden malster Leistung nach Möglichkeit in Bereiche niedekann.
Da zu jeder solchen Gruppe nur eine ganze Zahl ren Flusses legt, um dort die Leistungsdichte anzuvon
Kanälen aus jeder Zone gehören kann, muß für 40 heben. Die übrigen τ-Zonen schließen sich in beiden
die Zonenfaktoren κ, β, γ, δ ein Satz ganzer Zahlen ge- Fällen dann in der Reihenfolge abnehmenden Flächensucht
werden, die ihrerseits annähernd in dem gemäß inhaltes sinngemäß an.
Formel (10) geforderten Verhältnis zueinander stehen. Gemäß Fig. 9 liegt für die Produktivität 71 die maxi-
Im vorliegenden Fall wurden die Zahlen 6,7,10 und 16 male τ-Zone im ersten Intervall Δ T1. Infolgedessen
gewählt. Das bedeutet, daß jede der vorgesehenen 45 ordnet man diesem Flußzeitintervall die innerste Zone
Kanalgruppen in der «-Zone 6, in der |S-Zone 7, in als Einspeisezone des Reaktorgitters zu. Das ist gemäß
der y-Zone 10 und in der (5-Zone 16 Brennstoffkanäle Fig. 7 die oc-Zone. Die β-, γ- und ό-Zone schließen
aufweist. Die Gruppenzahl richtet sich nach der Größe sich dann entsprechend dem Verlauf der π-Kurve,
des Reaktorgitters. Sie wurde willkürlich zu 9 gewählt. also in ihrer natürlichen Buchstabenfolge, an. Es sei
In Übereinstimmung mit dieser Konfiguration sind 50 jedoch bemerkt, daß bei der Anordnung nach Fig. 7
in das Brennstoffgitter nach Fig. 7 insgesamt bevorzugt die Maximierung des Abbrandes — nicht
ο « χ τ j in x ta _ «1 ^er Leistung — angestrebt wird, d. h. daß die vor-
y · <ö + / -+- IU + ίο; - JM gesehene Durchlauffolge nicht auch zugleich die beste
Brennstoffkanäle eingezeichnet. Zur Unterscheidung Maximierung der Leistung mit sich bringt. Hierzu
der Gruppen sind die zusammengehörenden Brenn- 55 müßte, da die maximale Teilfläche der 2/-Kurve im
Stoffkanäle einer Gruppe mit der gleichen Mar- -dT2-Intervall liegt, diesem Intervall die obige y-Zone
kierung gekennzeichnet. Die Legende zu Fig. 7 zeigt als Einspeisezone zugeordnet werden. Insofern liegt
neun verschiedene Gruppenmarkierungen. Ent- eine gewisse Rivalität beider Forderungen vor.
sprechend den neben den Markierungszeichen Würde die maximale Teilfläche der rr-Kurve im
stehenden Großbuchstaben werden die Gruppen im 60 Z^-Intervall liegen, so würde man zweckmäßig die
folgenden in Verbindung mit den Buchstaben A bis I /3-Zone als Einspeisezone wählen und über die «- und
benannt. Wie Fig. 7 zeigt, sind die Brennstoffkanäle y-Zone zur <5-Zone gelangen. Würde die maximale
der Α-Gruppe für sich auf dem innersten, konzentrisch Teilfläche der I7/-Kurve im zJTx-Intervall liegen, so
um die gitterfreie Mittelposition liegenden Polygonzug würde man zweckmäßig die ό-Zone als Einspeiseangeordnet.
Die übrigen Gruppenkanäle sitzen ver- 65 zone wählen.
mischt auf den restlichen Polygonzügen. Die Brenn- Indes gelten für die Maximierung der Leistung ge-
stoffkanäle einer Gruppe liegen zudem in jeder Zone wisse Besonderheiten. Es ergeben sich keine Vorteile,
auf nahezu gleichem Abstand vom Gittermittelpunkt. wenn man die frischen Brennstoffstäbe in die Zone
stark absinkenden Flusses einspeist. Hier ist die Regulierung der Leistungsdichte besser mit Mitteln zur Beeinflussung
der Kühlmittelmenge möglich. Die allgemeinere Vorschrift zur Leistungsmaximierung lautet
daher so, daß man eine Durchlauffolge wählt, bei der das Integral j Ef Φάν maximal wird. Das ist im wesentlichen
gleichbedeutend mit der Forderung, daß das größte Ζΐτ-Flächenintervall einer so weit außenliegenden
Reaktorzone zugeordnet wird, daß die wärmetechnisch maximale Leistungsdichte nicht überschritten
wird.
Eine Maximierung von Reaktivität und Leistung läßt sich schließlich durch probeweises Durchrechnen
der Optimierungsvorschrift (1) für verschiedene Durchlauffolgen
finden.
Welche der Maximierungen man auch immer wählt, auf jeden Fall wird die Forderung 3 nach einem minimalen
Kilowattstundenpreis besser als bei allen eingangs kurz beschriebenen oder ähnlich arbeitenden
Beschickungsverfahren erfüllt.
Hierzu gehören auch die Fälle eines über das ganze Volumen mit Brennstoffstäben gleichen Alters τ besetzten
Reaktors, dann eines über das ganze Volumen gleichmäßig gemischt mit Brennstoffstäben verschiedenen
Alters (0<τ<τ<.) besetzten Reaktors und ferner
eines zentral beschickten Kugelreaktors, dessen Brennstoff kontinuierlich und radial nach außen mit solcher
Geschwindigkeit abwandert, daß er am äußeren Rande des Reaktors gerade den maximalen Abbrand τ<>
erreicht. Schließlich gehört hierzu der Fall eines heterogenen Reaktors, der etwa nach Art des beim Reaktor
nach Fig. 6 angewendeten Verfahrens, jedoch nur von einer Seite her, beschickt wird.
Nachdem die an das Beschickungsverfahren gemäß der Erfindung gestellten Bedingungen bezüglich des
Abbrandes und die daraus hergeleitete Beziehung (2) erläutert sind, sei im folgenden das Verfahren an
Hand der Fig. 7 beschrieben.
Wie erinnerlich, sind den Zonenfaktoren « bis δ
die Werte 6, 7, 10, 16 zugeordnet worden. Jede der Gruppen A bis / weist in den Abbrandzonen eine entsprechende
Zahl von Brennstoffkanälen auf. Die Verweilzeit At ergibt sich durch Einsetzen der dem
vorliegenden Gitter zugeordneten Werte für den Endabbrand Te, ψα, «, α und b. Sie ist für alle Gruppen
und Zonen gleich groß angenommen und betrage im vorliegenden Fall 18 Tage. Daraus ergibt sich dann
für das Beschickungsverfahren folgender Ablauf:
Alle 18 Tage, jedoch nicht für jede Gruppe am gleichen Tag, wird in zyklischer Reihenfolge in der
<5-Zone einer der sechzehn Kanäle einer Gruppe ausgeräumt. Gleichzeitig wird von den zehn Kanälen der
betreffenden Gruppe in der y-Zone, die ebenfalls in zyklischer Folge an die Reihe kommen, jeweils der
Kanal mit den ältesten Stäben entleert, die Stäbe werden nach dem weiter oben angegebenen Permutationsschema vertauscht und in die frei gewordenen Kanäle
der ό-Zone wieder eingesetzt. Der frei gewordene Kanal in der y-Zone wird in gleicher Weise wieder mit
den Stäben des zugeordneten Kanals der /3-Zone und dieser wieder mit den Stäben des zugeordneten Kanals
der α-Zone aufgefüllt. Dabei werden die Stäbe jedesmal nach dem erwähnten Permutationsschema umgetauscht.
In den frei gewordenen Kanal der «-Zone werden schließlich wieder jeweils vier frische Brenn-Stoffstäbe
eingesetzt.
Infolge des Nachladezwanges kann niemals der Fall eintreten, daß irgendeiner der Brennstoffkanäle
unbesetzt bleibt oder irgendwo eine Stauung von Brennstoffstäben an einem bestimmten Kanal eintritt.
Vielmehr ist durch die verschiedene Zahl der Kanäle für jede Zone sozusagen eine eigene Uhr geschaffen,
die dafür sorgt, daß die Stäbe um so langer in der betreffenden Zone bleiben, je niedriger die Flußdichte
dort ist.
Da innerhalb von 18 Tagen jede der neun Gruppen umgesetzt sein muß, ergibt sich, daß an jedem zweiten
Tag ein Brennstoffkanal einer anderen Gruppe in jeder Zone, insgesamt also vier Kanäle einer Gruppe, bedient
werden müssen. Es werden also beispielsweise am 1. Tage die vier ersten Kanäle der A-Gruppe,
am 3. Tage die vier ersten Kanäle der B-Gruppe, am 5. Tage die vier ersten Kanäle der C-Gruppe
usw. ausgetauscht. Am 18. Tage würden dann die vier zweiten Kanäle der Α-Gruppe, am 20. Tage die vier
zweiten Kanäle der B-Gruppe usw. umbesetzt. Es ergeben sich somit für die einzelnen Zonen folgende
Zonenabbrandzeiten:
ta = 6 · 18 = 108 Tage,
t0= 7-IS = 126 Tage,
ty = 10· 18 = 180 Tage,
tt = 16 · 18 = 288 Tage.
Die Gesamteinsatzzeit te je Brennstoffstab beträgt
bei dieser Betriebsweise 702 Tage. Dieser Wert ergibt sich auch aus der Formel:
te = ----
m
351
18 = 702,
es bedeutet k die Gesamtzahl der Brennstoff kanäle und m die Zahl der Gruppen.
Das in der obigen Weise ablaufende Beschickungsverfahren erfüllt die zu Anfang aufgestellten Forderungen.
Es läßt sich leicht für die Lademaschine programmieren. Es ist auch leicht einzuhalten, da der Umsetzrhythmus
durch konstante Zeitintervalle bestimmt ist. Im Rhythmus tritt keine Änderung ein, wenn beispielsweise
die y-Zone als Einspeisezone und die <5-Zone als Entladezone vorgesehen wird. Es ist somit auch
Forderung 4 nach leichter Abstimmbarkeit des Verfahrens auf maximale Reaktivität oder maximale
Leistung erfüllt. Außer den schon erwähnten Gründen liegt ein weiterer Grund dafür darin, daß im vorliegenden
Beispiel für alle neun Gruppen der gleiche Satz von Zonenfaktoren gewählt wurde. Dadurch gewinnt
das Programm an Übersichtlichkeit.
Grundsätzlich können aber auch Gruppen mit verschiedenen Zonenfaktoren gebildet werden, so daß
eine bessere Anpassung an die Flußverteilung möglich ist. Ferner würde eine größere Zahl von Brennstoffstäben
je Kanal ebenfalls eine Verbesserung in dieser Hinsicht bringen, allerdings um den Preis eines häufigeren
Umsetzens. Der zusätzliche Aufwand würde zudem, wie die Rechnung zeigt, lediglich die beim vorliegenden
Verfahren noch bestehenbleibende Ungleichheit des Abbrandes zwischen Kopf- und Fußende
der Brennstoffstäbe von etwa 4% beseitigen. Diese Differenz kann indes unbedenklich in Kauf genommen
werden.
Sollte bei dem vorliegenden Beschickungsverfahren der Umstand ungünstig wirken, daß beim Einsetzen
gemäß Fig. 6 frische Brennstoffstäbe auf die ungünstigen äußeren Vertikalpositionen kommen, kann das so
geändert werden, daß man die frischen Stäbe zu-
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nächst in die inneren Vertikalpositionen 3,2 der «- und
1, 4 der ß-Zone einsetzt und sie beim nächsten Wechsel auf die äußeren Positionen 4, 1 bzw. 2, 3 der «- bzw.
jö-Zone bringt. Dadurch wird jedoch der Umsetzvorgang
komplizierter und rechtfertigt vermutlich nicht diese Korrektur.
Um ferner zu vermeiden, daß Brennstoffstäbe aus den Außenbereichen oder den Innenbereichen der Abbrandzonen
in jeder weiter durchlaufenen Zone wieder in die Außen- oder Innenbereiche gelangen und somit
ständig in Gebieten höheren oder niederen Flusses (bezogen auf den betreffenden Flußmittelwert der
Zone) sitzen, ist, wie Fig. 7 zeigt, deshalb eine gewisse Kompensation durch entsprechende Vertauschung der
Brennstoffkanäle geschaffen. Dadurch wird der Fehler wettgemacht, der durch die Mittelung der zonenanteiligen
Flüsse verursacht wird. Im einzelnen ist die Kanalvertauschung in den vier Abbrandzonen so getroffen,
daß die in der «- und /S-Zone an Orten höherer
oder niederer Flußdichte sitzenden Brennstoffkanäle einer Gruppe in der γ- und <5-Zone an Orten niederer
oder höherer Flußdichte sitzen. Beispielsweise befinden sich die Brennstoffkanäle der Gruppen A bis E näher
am Gittermittelpunkt als die Kanäle der Gruppen F bis /. Dafür gilt in der γ- und <5-Zone das Umgekehrte.
Dort sitzen die Kanäle der Gruppen A bis E in größerem
Abstand vom Gittermittelpunkt als die Kanäle der restlichen Gruppen F bis /.
Claims (7)
1. Verfahren zur kontinuierlichen Beschickung eines heterogenen Kernreaktors mit um eine Achse
herum annähernd symmetrisch angeordnetem Brennstoffgitter und mit in jeder Gitterposition in
mehreren Etagen übereinander angeordneten, mit Brennelementen anderer Gitterpositionen im Sinne
einer Wanderung aus Reaktorbereichen niedrigerer in solche höherer Neutronenflußdichte und umgekehrt,
austauschbaren Brennelementen, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffgitter in eine
der Etagenzahl gleiche Anzahl Zonen unterschiedlichen mittleren Abbrandes unterteilt und jedes
Brennelement bei jedem Positionswechsel sowohl in eine andere, von allen vorher eingenommenen
verschiedene Zone als auch in eine andere, von allen vorher eingenommenen verschiedene Etage
versetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im inneren Bereich einer Zone
befindlichen Brennelemente beim Positionswechsel in einen äußeren Bereich der nächsten Zone gebracht
werden und umgekehrt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neue Brennelemente stets in einer
mittleren Etage eingesetzt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der neuen Brennelemente
in der zweiten Zone von innen eingesetzt wird.
5. Reaktorkern zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Flächengrößen der verschiedenen Abbrandzonen derart abgestuft sind, daß die Anzahl ihrer Gitterpositionen
etwa umgekehrt proportional ihrer mittleren Flußdiehte ist.
6. Reaktorkern nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtzahl der Gitterpositionen
in mehrere Gruppen aufgegliedert ist, von denen jede über den gesamten Gitterquerschnitt
annähernd gleichmäßig verteilt ist.
7. Reaktorkern nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zahl der Gitterpositionen jeder Gruppe von Zone zu Zone in einem ganzzahligen,
den Zonenabbrandzeiten angepaßten Verhältnis abgestuft ist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
»Nuclear Engineering«, 1, 1956, S. 281.
»Nuclear Engineering«, 1, 1956, S. 281.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 209 557/347 3.62
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CH7270559A CH370490A (de) | 1958-05-06 | 1959-04-29 | Reaktorbeschickungsverfahren für heterogene Kernreaktoren |
GB15576/59A GB923633A (en) | 1958-05-06 | 1959-05-06 | Improvements in or relating to nuclear reactor charging methods |
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DES58125A DE1126528B (de) | 1958-05-06 | 1958-05-06 | Reaktorbeschickungsverfahren fuer heterogene Kernreaktoren und Reaktorkern zur Durchfuehrung des Verfahrens |
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Family Applications (1)
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- 1959-05-06 GB GB15576/59A patent/GB923633A/en not_active Expired
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