DE1126528B - Reaktorbeschickungsverfahren fuer heterogene Kernreaktoren und Reaktorkern zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

ANMELDETAG: 6. MAI 1958

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG
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

Dr. Albert Ziegler, Erlangen,
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, C_p 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 arti}S markierten) Brennstoffkanäle auf einer Vielzahl

gleichmäßig beladenen Reaktor und einander umgebender Polygonzuge ,.„.,.

Φ* die Neutronenflußdichte für einen gleich- ^{In Fl}S· ⁶J^st> ^TJ^chtf™^{n der Ordinate} _L tabellarisch

mäßig beladenen Reaktor· ~ ,^unter. ^den ^e Abbrandzonen symbolisierenden

Spalten V_n, V_ß, P₇., V_s —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]... F_n, 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 t_n die Zonenabbrandzeiten; ^Reakt _f ^or* ^hf ^der. Umsetzung der Brennstoffstäbe

φ_α bis _Ψη die zonenanteiligen Neutronenfluß- ⁴° ^zuführenden Arbeitsgange. In keinem Falle di hten nd brauchen Kopf- und Fußende der einzelnen Brenn-

F_a bis F_n die Querschnitte der Abbrandzonen. ^stoi!f^be 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 t_a, in der /?-Zone die Zeitig, in der y-Zone die Zeit t_y 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:

t_tt = 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 ... At_n 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 q_t durch die Beziehung

beziehungsweise

3h

= g

-3h {ψα · Oi + ψβ· β + · · · ψ_η · η) - (α + b)

gegeben, die sich im Falle einer für alle Gruppen und Abbrandzonen gleich groß gewählten Verweilzeit vereinfacht in:

At = -^-Λ-

2 ψ_α ■ 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:

ψ_α · ta = ψβ · tß = ψ_Ί · ty = φι · ti. (3)

Die Zonenabbrandzeiten t_a, 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:

t_a: tßi ty : ti = F_a: Fß·. Fyi Fs. (5)

Der Forderung 1 wird also genügt, wenn folgende Bedingung erfüllt ist:

ty : t? —

Te der maximale Abbrand; ψ_α bis ψ_η die zonenanteiligen Neutronenfluß-

dichten;
fa die mittlere Neutronenflußdichte in der

«-Zone {φ_α · οί = ψβ · β = φ_η · ή); λ bis η die Brennstoff kanalzahlen bzw. Zonenfaktoren und

a, b die schon erwähnten Flußwerte für h_ yfi
~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 — ψ_Ί · Fy

ist.

Der Mittelwert der Neutronenflußdichte φ über einen Bereich innerhalb eines bestimmten Core-Radius r ist definiert durch:

ψα Fa'.

ψβ ψ_Ί 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 Fi}g_ _{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

= <pi^Fi = -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 = r_a:(rß~ — r_a):(r_y — r$): (r_o~ — 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 zJT_x-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, ψ_α, «, 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:

t_a = 6 · 18 = 108 Tage,

t₀= 7-IS = 126 Tage,

t_y = 10· 18 = 180 Tage,

t_t = 16 · 18 = 288 Tage.

Die Gesamteinsatzzeit t_e 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)

PATENTANSPRÜCHE;

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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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