DE1187744B

DE1187744B - Fuer einen Siedereaktor mit einem neutronenmoderierenden Kuehlmittel bestimmtes Brennstoffelement

Info

Publication number: DE1187744B
Application number: DEG28184A
Authority: DE
Inventors: Donald Hay Imhoff
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1958-11-04
Filing date: 1959-10-20
Publication date: 1965-02-25
Also published as: GB930655A; US3145149A; CH384726A; BE584228A; DK106102C; GB930661A; GB930662A; NL244977A; GB930663A; FR1241339A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDDEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G 21

Deutsche Kl.: 21g-21/20

Nummer: 1187 744

Aktenzeichen: G 28184 VIII c/21 g

Anmeldetag: 20. Oktober 1959

Auslegetag: 25. Februar 1965

Es ist bereits bekannt, die Leistungsdichte eines Siedereaktors durch Verwendung von Brennstoffelementen zu erhöhen, bei denen die Spaltstoffmenge je Längeneinheit in Richtung der Kühlmittelströmung abnimmt.

Gegenstand der Erfindung ist ein für einen Siedereaktor mit einem neutronenmoderierenden Kühlmittel bestimmtes Brennstoffelement, das spaltbare und brütbare Stoffe enthält und in seiner Längsrichtung vom Kühlmittel überspült wird und das dadurch gekennzeichnet ist, daß sein Gehalt an spaltbaren Atomen je Längeneinheit ungefähr konstant ist, während sein Gehalt an brütbaren Atomen je Längeneinheit in der Richtung des Kühlmittelflusses längs des Brennstoffelementes abnimmt.

Durch die erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffelemente wird eine wesentliche Erhöhung der Leistung eines Siedereaktors und des Brennstoffabbrandes erzielt.

Die Erfindung wird nun an Hand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Neutronenfluß- bzw. Leistungsverteilung entlang eines Reaktorkernes in Richtung des Kühlmittelflusses bei verschiedenen Betriebsbedingungen und bei Verwendung von verschiedenen Brennstoffelementen,

F i g. 2 einen Längsschnitt eines Brennstoffelementes nach der Erfindung,

F i g. 3 eine graphische Darstellung einer Verteilung von hohlen Brennstofftabletten mit verhältnismäßig hoher Anreicherung und festen Brennstofftabletten mit verhältnismäßig niederer Anreicherung entlang der Länge eines Brennstoffelementes nach der Erfindung,

F i g. 4 eine graphische Darstellung, aus der ersichtlich ist, wie mit dem Brennstoffelement nach der Erfindung ein vorgegebenes k_eff und normaler oder geglätteter Neutronenfluß in Gegenwart eines siedenden Moderators erhalten wird,

F i g. 5 einen Längsschnitt einer Ausführungsform eines Brennstoffelementes nach der Erfindung und

F i g. 6 einen Längsschnitt einer anderen Ausführungsform eines Brennstoffelementes nach der Erfindung.

Flüssigkeitsmoderierte Reaktoren werden normalerweise so ausgelegt, daß der Reaktivitätskoeffizient k_ef[ mit zunehmender Temperatur abnimmt. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß der Reaktor im Betrieb nicht durchgehen kann. In der F i g. 1 ist nun die Neutronenfluß- bzw. Leistungsverteilung entlang den Brennstoffelementen eines Siedereaktors bei An-

Für einen Siedereaktor mit einem neutronenmoderierenden Kühlmittel bestimmtes
Brennstoffelement

Anmelder:

General Electric Company, Schenectady, N. Y.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. M. Licht, München 2, Theresienstr. 33, und Dr. R. Schmidt, Oppenau (Renchtal),
Patentanwälte

Als Erfinder benannt:

Donald Hay Imhoff, Los Gatos, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 4. November 1958
(771861)

wendung verschiedener Brennstoffelemente und Betriebsbedingungen dargestellt. Die Kurve 50 zeigt die normale Kosinusverteilung von Neutronenfluß und Leistung. Man kann eine solche normale Kosinusverteilung nur dann erhalten, wenn k_eff und die Anreicherung konstant innerhalb des Reaktorkernes sind.

Wegen der auftretenden Temperaturänderung, die eine Änderung des Verhältnisses Moderator—Brennstoff zur Folge hat, kann man eine solche Kosinusverteilung normalerweise kaum erreichen. Bei einer Kosinusverteilung ist das Verhältnis von Höchstwert zu durchschnittlichem Wert ungefähr 1,7. Man kann diesen Wert beinahe mit einem nichtsiedenden, flüssigkeitsmoderierten Reaktor erhalten, bei dem der Temperaturanstieg sehr gering ist, wodurch die Änderung von k_eil sehr klein wird.

Falls jedoch der Neutronenmoderator siedet, ergibt sich eine abweichende Neutronenfluß- und Leistungsverteilung. Diese abweichende Verteilung ist in der Kurve 52 der F i g. 1 gezeigt. Das Verhältnis des Höchstwertes zum durchschnittlichen Wert beträgt hier ungefähr 3,5, und daher ist auch das Verhältnis von Höchsttemperatur zu durchschnittlicher Temperatur des Brennstoffes dementsprechend hoch.

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Da die Festigkeit des Brennstoffes und der anderen Baustoffe mit der Temperatur abnimmt, ist die Höchstleistung des Reaktorkerns durch die im Reaktor auftretende Höchsttemperatur begrenzt.

Durch Einsetzen von Kontrollstäben auf der Kühlmitteleingangsseite des Reaktorkerns kann wieder eine axiale Fluß- und Leistungsverteilung erreicht werden, wie sie durch die Kurve 54 in der F i g. 1 dargestellt ist. Dadurch werden aber Neutronen vergeudet und der Brennstoffabbrand verringert. Bei Verwendung von Brennstoffelementen nach der Erfindung ergeben sich hingegen geglättete Verteilungen, die in den Kurven 56 und 58 dargestellt sind. Das Verhältnis von Höchstwert zu Durchschnittswert beträgt dabei weniger als 1,7 und nähert sich dem Wert 1,0, was mehr einer Rechteckwelle als einer Kosinuskurve entspricht.

In der Fig. 2 ist ein Brennstoffelement nach der Erfindung gezeigt. Diese Figur ist in Längsrichtung perspektivisch gezeichnet. Das Brennstoffelement ist ungefähr 2800 mm lang, hat einen Durchmesser von ungefähr 15 mm und enthält ungefähr zweihundert in axialer Richtung ausgerichtete Brennstoffkörper von ungefähr 13 mm Länge. Das Kühlmittel strömt in Längsrichtung des Brennstoffelementes, und es wird angenommen, daß in der Nähe des fünfunddreißigsten Brennstoffkörpers (Bezugsziffer 35 in der F i g. 2) von unten der Siedebereich beginnt. Falls in den Reaktor schon ein mit Wärme gesättigtes Kühlmittel eingeführt wird, beginnt dieser Siedebereich bereits am ersten Brennstoffkörper. Erfindungsgemäß nimmt jedenfalls in Richtung des Kühlmittelflusses vom Beginn des Siedebereiches bis zum zweihundertsten Brennstoffkörper (Bezugsziffer 200 in der Fig. 2) das durchschnittliche Gesamtgewicht an Brennstoff pro Längeneinheit in der Weise ab, als ob im Brennstoffstab 80 ein konisch in der Strömungsrichtung des Kühlmittels auseinanderlaufender Hohlraum vorhanden wäre, der in Nähe der Siedegrenze beginnt und sich zu dem Ende des Brennstoffelementes erstreckt, das am Kühlmittelausgang liegt. Die durchschnittliche Spaltstoffmenge pro Längeneinheit wird erfindungsgemäß im wesentlichen konstant gehalten. Die durchschnittliche Konzentration an Spaltstoff ist daher in der Nähe des Kühlmittelausganges höher, so daß oberhalb des fünfunddreißigsten Brennstoffkörpers ein im wesentlichen konstantes k_eff innerhalb des Siedebereichs erzeugt wird, das im wesentlichen denselben Wert hat wie k_elf im nichtsiedenden Bereich unterhalb des fünfunddreißigsten Brennstoffkörpers.

Bei dem in der F i g. 2 dargestellten Brennstoffelement wird diese Änderung des durchschnittlichen Brennstoffgewichtes und der Spaltstoffatomkonzentration entlang seiner Längsachse dadurch erreicht, daß abwechselnd feste Brennstoffkörper 84 und hohle Brennstoffkörper 86 ungefähr in der gezeigten Verteilung angeordnet werden. Man kann jede gewünschte durchschnittliche Änderung der Spaltstoffatomkonzentration und des Brennstoffgewichtes entlang der Brennstoffelementlänge dadurch erreichen, daß man volle Brennstoffelementkörper, die eine bestimmte Anzahl von spaltbaren Atomen enthalten, und hohle Brennstoffelementkörper verwendet, die dieselbe Anzahl von spaltbaren Atomen enthalten, aber infolge des inneren Hohlraumes ein geringeres Gewicht und damit einen geringeren Brennstoffgehalt haben. Von der Siedegrenze, die gleich an der Kühlmitteleingangsseite beginnt, falls mit Wärme gesättigtes Kühlmittel verwendet wird, in Richtung des Kühlmittelflusses bis zum Brennstoffelementende am Kühlmittelausgang nimmt die durchschnittliche Anzahl der vollen Brennstoffkörper pro Längeneinheit ab, und die durchschnittliche Anzahl der hohlen Brennstoffkörper nimmt gleichzeitig derart zu, das das gewünschte k_efl aufrechterhalten und sogar bei Vorhandensein von Gasbläschen im Moderator eine

ίο normale oder geglättete Neutronenfluß- und Leistungsverteilung innerhalb des Siedebereichs erreicht wird. Die Ausdrücke »glatt« und »geglättet« beziehen sich auf eine Fluß- oder Leistungsverteilung, die sich der Form eines Rechtecks nähert, d. h. auf eine Verteilungskurve, bei der das Verhältnis von Höchstwert zu Durchschnittswert 1,0 ist.

In der F i g. 2 wurde der Maßstab in senkrechter und waagerechter Richtung so gewählt, daß die einzelnen Brennstoffkörper mit einer Abmessung von 13 X 13 mm als Platten erscheinen. Der Maßstab in senkrechter Richtung ist verkürzt, um in der F i g. 2 ungefähr zweihundert Brennstoffkörper anzudeuten, die in einem Brennstoffelement von ungefähr 2800 mm Länge vorhanden sind. Die Länge der Brennstoffkörper beträgt in jeder Richtung ungefähr 13 mm.

Aus der graphischen Darstellung nach der F i g. 3 geht hervor, wie sich der Prozentsatz an hohlen Brennstoffkörpern mit dem Abstand von der Siedegrenze bis zum Kühlmittelaustritt ändert. Von der Siedegrenze 92 bis zum Brennstoffelementende am Kühlmittelaustritt ist eine Gerade 90 gezogen. Der Prozentsatz an hohlen Brennstoffkörpern in aufeinanderfolgenden sich überlappenden Gruppen von zehn Brennstoffkörpern in einem Brennstoffelement nach der F i g. 2 ist durch die Punkte 94 angedeutet. Beispielsweise können zu den ersten drei Gruppen die folgenden Brennstoffkörper gehören: 35-44, 40-49, 45-54 usw. Zur Veranschaulichung ist hier eine lineare Änderung der Konzentration von hohlen Brennstoffelementen angegeben. Normalerweise wird die Änderung des Prozentsatzes von hohlen Brennstoffkörpern nicht immer linear verlaufen, sondern sie wird eine Krümmung entsprechend der Kurve 96 ausweisen, aus dieser Kurve 96 geht hervor, daß der Prozentgehalt an hohlen Brennstoffkörpern unmittelbar oberhalb der Siedegrenze mit dem Abstand schneller zunimmt als an der Kühlmittelausgangsseite. Dies ist erforderlich, um ein konstantes k_eff beim Sieden zu erhalten, da sich k_eff in Abhängigkeit von dem Moderator-Brennstoff-Verhältnis nicht linear verändert.

Aus der graphischen Darstellung nach der F i g. 4 kann man entnehmen, wie man in einem Siedewasserreaktor mit Brennstoffelementen nach der Erfindung einen bestimmten Wert von k_eff und in axialer Richtung eine normale oder geglättete Neutronenfluß- und Leistungsverteilung erreichen kann. Die Kurven 100, 102 und 104 beziehen sich auf im steigenden Maße angereicherten Brennstoff. Der Punkt 106 entspricht dem sauberen und kalten Reaktorzustand, der Punkt 108 entspricht einem Reaktorzustand bei Beginn der Verdampfung des Moderators, d. h. einem Zustand, wie er in einem Reaktor mit üblichem Brennstoff an der Siedegrenze auftritt, und der Punkt 110 entspricht dem Zustand, wie er bei der Kühlmittelaustrittsseite des Reaktors vorhanden ist. Der Punkt 112 entspricht einem an der Kühl-

mitteleinlaßseite des Reaktors vorhandenen Zustand, wenn nicht mit Wärme gesättigtes Kühlmittel in den Reaktor eingeführt wird. Die anderen auf der Kurve 102 liegenden Punkte zwischen den Punkten 108 und 110 deuten die entlang des Brennstoffelementes im Siedegebiet auftretenden Werte von k_eff an. Wenn die Dampfbläschen in Richtung des Kühlmittelflusses größer werden und damit die Dampfmenge ansteigt, nimmt der Wert von k_eff mehr und mehr ab, bis schließlich eine Abnahme von J k₂ beim Sieden mit üblichem Brennstoff erreicht wird.

In den erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffelementen ist es möglich, aber nicht notwendig, eine gleichmäßige Änderung der Brennstoffmenge pro Längeneinheit oder der Anreicherung mit der Länge und einen konstanten Wert vonA:_t,_ff oder irgendeinen vorgegebenen Verlauf des örtlichen k_eff herzustellen, so daß entweder eine normale oder geglättete axiale Fluß- und Leistungsverteilung erreicht werden kann. Diese gleichmäßig verlaufende Änderung der Brennstoffmenge und der Anreicherung kann dadurch erreicht werden, daß ein Brennstoffstab mit einem entlang der Längsachse nach unten konisch zulaufenden Hohlraum 82 versehen wird, wie dies in der F i g. 2 angedeutet ist. Da gemäß der Erfindung jeder Brennstoff körper denselben Spaltstoffgehalt hat, wären für eine solche Ausführungsform eines Brennstoffelementes sehr viele hohle Brennstoffkörper mit verschieden großen inneren Hohlräumen erforderlich. Da nun aber die Wanderlänge von Neutronen bei Zimmertemperatur im Vergleich zu den durchschnittlichen Abmessungen eines einzelnen Brennstoffkörpers verhältnismäßig groß ist, ist es nicht notwendig, so viele verschiedenartige Brennstoffkörper zu verwenden. Die Wanderlänge der Neutronen beträgt im leichten Wasser ungefähr 6,43 cm, im Terphenyl ungefähr 6,65 cm, im schweren Wasser ungefähr 101 cm, und sie ist bei den Betriebstemperaturen des Reaktors sogar noch höher. Die größte Länge in irgendeiner Richtung eines Brennstoffkörpers bei den erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffelementen ist beträchtlich kleiner als diese Neutronenwanderlängen. Sie sind gewöhnlich kleiner als 25% und vorzugsweise kleiner als 10% dieser Wanderlängen. Befindet sich unter einer Anzahl von hohlen Brennstoffkörpern ein voller Brennstoffkörper, so ist das für ein Neutron ohne Bedeutung. Das gleiche gilt für den umgekehrten Fall. Der Wert voa.k_ef! ist also durch diejenige durchschnittliche Konzentration an spaltbaren Atomen und diejenige durchschnittliche Brennstoffmenge bestimmt, die über einen Bereich des Brennstoffelementes gemittelt wurde, der kleiner ist als ungefähr 20% der örtlichen Neutronenwanderlänge. Man kann daher den vorgegebenen Verlauf der Anreicherung und der Brennstoffmenge sehr leicht durch Verwendung von nur zwei Arten von Brennstoffkörpern erreichen. Man ordnet hohle und volle Brennstoffkörper, die beide die gleiche Spaltstoffmenge enthalten, so in einem Brennstoffstab an, daß die durchschnittliche Spaltstoffkonzentration und Brennstoffmenge in der beschriebenen Weise sich ändern.

Die waagerecht verlaufende Gerade 114 in der F i g. 4 stellt die konstanten örtlichen Werte von k_e!t für die aufeinanderfolgenden Brennstoffbereiche dar, die im Brennstoffelement nach der Erfindung trotz der durch das Sieden verursachten Veränderung des Moderators verwirklicht werden sollen. Durch das erfindungsgemäß ausgebildete Brennstoffelement werden die auf der für den normalen Brennstoff gültigen Kurve 102 liegenden Punkte auf die Gerade 114 verschoben. In dem erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffelement für einen Siedewasserreaktor sind die hohlen und vollen Brennstoffkörper entsprechend der Kurve 96 in der F i g. 3 verteilt. In der F i g. 4 entspricht der Punkt 110 dem Punkt 110 α, mit dem dieser durch die Linie 110 b verbunden ist. Der

ίο Punkt 110a stellt den Wert von k_eSf für die zehn letzten Brennstoffkörper (191 bis 200) des Brennstoffelementes 80 nach der F i g. 2 dar. Da alle diese Brennstoffkörper hohl sind und dieselbe Anzahl von spaltbaren Atomen wie die vollen Brennstoffkörper enthalten, so sind sowohl das Moderator-Brennstoff-Verhältnis als auch die Spaltstoffkonzentration oder Anreicherung höher, wodurch der Punkt 110 auf der Kurve 102 in dem Punkt 110 a auf der höheren Anreicherungskurve 102 α und der Geraden 114 übergeht. In ähnlicher Weise gilt auch der Punkt 116 für einen Brennstoffbereich im Brennstoffelement, der ungefähr einen Abstand von einem Drittel der Brennstoffelementlänge von dem Kühlmittelaustritt hat. Die durchschnittliche Anzahl von hohlen Brennstoffkörpern ist in diesem Bereich etwas niedriger als am Punkt 110 a. Die Anreicherung ist also etwas niedriger, da dieselbe Spaltstoffmenge in einem Bereich des Brennstoffelementes vorhanden ist, in dem aber infolge der vorhandenen vollen Brennstoffkörper eine größere Brennstoffmenge vorhanden ist. Das Moderator-Brennstoff-Verhältnis ist daher auch etwas höher und die Anreicherung etwas geringer als im Punkt 110 a. Dadurch wird der Punkt 116 in den Punkt 116 a auf der Anreicherungskurve 102 b und der Geraden 114 übergeführt. Der Punkt 116 ist mit dem Punkt 116 α durch die Linie 116 b verbunden. Die auf der Kurve 102 verbleibenden Punkte, die zwischen der Siedegrenze 108 und dem Brennstoffelementende 110 liegen, werden in ähnlicher Weise in entsprechende Punkte auf der Geraden 114 übergeführt. Jeder Brennstoffbereich im Siedebereich hat daher in Gegenwart von Moderatordampf denselben Wert von k_eff. Der siedende Reaktor hat daher innerhalb des gesamten Siedebereichs einen konstanten oder im wesentlichen konstanten Wert von k_eff.

Erfindungsgemäß kann auch eine Verteilung der vollen und hohlen Brennstoffkörper getroffen werden, die von der in den Kurven96 und 90 der Fig. 3 dargestellten Verteilung abweicht, bei der aber auch wieder an der Siedegrenze 0% und am Kühlmittelaustrittsende 100% hohle Brennstoff körper vorhanden sind. Wenn man den Prozentsatz an hohlen Brennstoffkörpern zwischen diesen Punkten verringert, wie dies in den Kurven 98 oder 99 in derFig. 3 dargestellt ist, werden auch die entsprechenden örtlichen Werte von k_ef! in der Mitte des Siedebereichs im Vergleich zu den Werten an der Siedegrenze und am Kühlmittelaustritt niedriger; die Werte von k_eff liegen dann auf den Kurven 115 oder 117. Diese Werte von k_eff entsprechen wiederum einer geglätteten oder rechteckförmigen Fluß- und Leistungsverteilung, wie dies in den Kurven 56 oder 58 in der Fig. 1 angedeutet ist. Auf diese Weise erhält man ein Verhältnis des Höchstwertes zum durchschnittliehen Wert der Leistung, das gut unterhalb 1,7 liegt und sich dem Wert 1,0 nähert.

Wenn ein Reaktor mit den erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffelementen abgeschaltet wird,

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hört das Sieden auf, das Moderator-Brennstoff-Ver- nung der Brennstoffkörper zu ermöglichen, ist am hältnis jedes Bereichs im Siedebereich nimmt zu; die Ende des Brennstoffelementes ein zusätzlicher Hohlentsprechenden örtlichen Werte von k_elf nehmen raum 152 vorgesehen. Vermittels des Hohlraumes

gleichzeitig entlang der verschiedenen Anreiche- 150 werden auch hohe Innentemperaturen vermie-

rungskurven zwischen 102 und 104 (F i g. 4) zu und 5 den. Wenn der Spaltstoff unmittelbar in den äußeren

liegen dann auf der Kurve 120, so daß der Gesamt- Schichten der Brennstoffkörper untergebracht wird,

wert von k_efi dem Punkt 122 entspricht. Durch weite- ist die höchstzulässige thermische Leistung dieses

res Kühlen auf Zimmertemperatur wird das Mode- Brennstoffelementes anfangs ungefähr sechzigmal

rator-Brennstoff-Verhältnis noch weiterhin etwas auf größer und sogar nach längerem Betrieb immer noch

einer durch den Punkt 122 gehenden durchschnitt- io ungefähr dreimal größer als diejenige eines normalen

liehen Anreicherungskurve verschoben. Der senk- Brennstoffelementes mit gleichmäßig angereicherten

rechte Abstand des Punktes 122 von der waagerech- Brennstoffkörpern.

ten Geraden 114 entspricht der Reaktivitätsabnahme Als Brennstoff können alle bekannten Spalt- oder

Ak₁. Bs ist ersichtlich, daß diese Reaktivitätsab- Brutstoffe verwendet werden, wie beispielsweise

nähme infolge der Dampfbläschen wesentlich gerin- 15 Uran, Thorium, Plutonium. Diese Stoffe können in

ger ist als die Reaktivitätsabnahme A k_v die dem elementarer Form, als Legierungen und Mischungen

senkrechten Abstand der beiden Punkte 108 und 111 oder als Verbindungen, wie beispielsweise als Oxyde,

entspricht und bei normalen Siedewasserreaktoren Silicide, Karbide, verwendet werden. Falls die hohlen

auftritt. Dieser Vorteil steht natürlich in Beziehung Brennstoffkörper metallischer Natur sind, können sie

mit der normalen oder geglätteten Fluß- und Lei- 20 durch Stanz-, Gieß-, Fräs- oder andere Verfahren

stungsverteilung. hergestellt werden. Falls sie keramischer Natur sind,

In der F i g. 5 ist ungefähr maßstabgetreu ein Teil können sie aus Pulver gepreßt und gesintert werden,

eines Brennstoffelementes nach der Erfindung ge- so daß ein harter Brennstoffkörper mit großer Dichte

zeigt. Das Brennstoffelement hat Anschlußteile 130 entsteht.

und 132 und besitzt eine röhrenförmige Umhüllung 25 Beider Herstellung von Brennstoffkörpern mit 134 aus korrosionsbeständigem Werkstoff, wie bei- einer äußeren Spaltstoffschicht kann dazu eine bespielsweise Zirkon oder rostfreier Stahl.Der Brennstoff- sonders geeignete Presse mit einer beweglichen stab ist aus einer Anzahl in Längsrichtung ausge- Hülse verwendet werden. Der innere Teil der richteter voller Brennstoffkörper 136 und hohler Matrize wird mit natürlichem, abgebranntem oder Brennstoffkörper 138 so zusammengesetzt, daß die 3° wenig angereichertem Uran und der äußere Ring durchschnittliche Anzahl von hohlen Brennstoffkör- mit einem hochangereicherten Stoff gefüllt. Die Hülse pern 138 nach oben (in Richtung des Kühlmittelflus- wird dann entfernt und die gesamte Masse zu einem ses) zunimmt. In der F i g. 5 sind aufeinanderfol- Brennstoffkörper zusammengepreßt, der dann gesingende Gruppen von hohlen Brennstoffkörpern ge- tert wird. Brennstoffkörper mit einer äußeren Spaltzeigt, die durch einen vollen Brennstoffkörper ge- 35 Stoffschicht können auch noch durch besondere Gießtrennt sind; die Anzahl hohler Brennstoffkörper verfahren und andere Verfahren hergestellt werden. nimmt dabei von Gruppe zu Gruppe in Richtung des Obwohl vorhergehend hauptsächlich zylinderför-Kühlmittelflusses zu. Bei dieser Ausführungsform mige und röhrenförmige Brennstoffkörper erwähnt wird eine Art von vollen und hohlen Brennstoffkör- wurden, können natürlich auch noch andere geopern verwendet. 40 metrische Formen verwendet werden. So können

Die F i g. 6 zeigt eine andere Ausführungsform Brennstoffkörper mit dreieckigem, viereckigem, hexaeines Brennstoffelementes nach der Erfindung. Hier gonalem oder einem anderen geeigneten Querschnitt werden fünf verschiedene Arten von Brennstoffkör- verwendet werden. In den folgenden Beispielen werpern verwendet, nämlich volle Brennstoffkörper 136 den die Verhältnisse bei einem Siedewasserreaktor und vier verschiedene Arten von hohlen Brennstoff- 45 mit Brennstoffelementen aus Urandioxyd, die die körpern 140, 142, 144 und 146, die verschieden Form eines Vollstabes haben, und bei einem Siedegroße Innenräume haben und dementsprechend weni- wasserreaktor mit den erfindungsgemäß ausgebildeger Brennstoff enthalten. Dadurch wird der vorher ten Brennstoffelementen erläutert.
erwähnte gleichmäßige Verlauf der Brennstoffmenge _R · · 1 τ
und der Spaltstoffmenge pro Brennstoffkörper er- 50 Beispiel 1
reicht. Die vollen und die hohlen Brennstoffkörper Ein Siedewasserreaktor hat einen Kern mit 488 sind jedoch zusätzlich noch von einer äußeren Brennstoffeinheiten, die einen äußeren Kühlmittel-Schicht 148 umgeben, in der im wesentlichen der ge- kanal vor ungefähr 3 m Länge und einen quadratisamte Spaltstoff untergebracht ist. Beispielsweise sehen Querschnitt mit 89 mm Seitenlänge haben. In kann der Brennstoff innerhalb der Schicht 148 aus 55 jedem Kanal befinden sich sechsunddreißig volle abgebranntem Uran, natürlichem Uran oder Tho- Urandioxyd-(UO₂)-Brennstoffelemente, die in Form rium und die Schicht 148 aus Plutonium oder ange- einer 6 · 6-Matrix angeordnet sind und voneinander reichertem Uran bestehen. Durch den konisch nach von Mitte zu Mitte einen Abstand von 18 mm haben. unten verlaufenden Hohlraum 150 wird erreicht, daß Die Anreicherung beträgt 1,50 Gewichtsprozent U²³⁵, sich die durchschnittliche Spaltstoffkonzentration 60 und die Brennstoffkörper haben einen Durchmesser und das Brennstoffvolumen so ändern, daß die auf von ungefähr 12,5 mm. Sie sind zusammengepreßt der Kurve 102 (Fig.4) zwischen den Punkten 108 und gesintert auf ungefähr 95% der theoretischen und 110 liegenden Punkte in die entsprechenden Dichte von UO₂. Die Gesamtmenge von Uran-Punkte auf der Kurve 114 übergeführt werden und dioxyd im Reaktorkern beträgt 61 000 kg. Sie ist auf ein konstanter oder vorgegebener Verlauf vonk_eff 65 17 551 Brennstoffstäbe verteilt. Der zylinderförmige erzielt wird. Bei dem in der F i g. 6 dargestellten Kern für die Spaltstoffeinheiten hat einen Durchmes-Brennstoffelement können sich im Hohlraum 150 ser von 3280 mm. Die Brennstoffstäbe der Brenngasförmige Spaltstoffe ansammeln; um eine Ausdeh- Stoffeinheiten haben eine Umhüllung aus Zircaloy-2.

Der Reaktorkern hat eine thermische Leistung von 626 MW (t). Die gesamte elektrische Leistung beträgt 192MW (e). Von der gesamten elektrischen Leistung werden 180 MW (e) an das Netz abgegeben. Als neutronenmoderierendes Kühlmittel wird leichtes Wasser verwendet, und das durchschnittliche Volumenverhältnis von Wasser zu UO., im Reaktorkern beträgt 2,17. Der Reaktor wird bei einem Druck von 71 Atmosphären betrieben. Das Wasser wird bei einer Temperatur von 263° C in den Reaktorkern eingeführt. Diese Temperatur liegt 22° C unterhalb der Sättigungstemperatur. Das aus dem Reaktor ausströmende Gemisch aus gesättigtem Dampf und Wasser hat eine Temperatur von 285° C. Es werden pro Stunde 11,6 · 10⁶ kg Kühlmittel umgewälzt. Betreibt man den Reaktor mit einem sauberen Kern im Siedezustand ohne eingeführte Kontrollstäbe bei einer Gesamtleistung von 626 MW (t), so weichen der axiale Neutronenfluß und die axiale Leistungserzeugung stark von der normalen Verteilung ab, und das Verhältnis des Höchstwertes zum Durchschnittswert beträgt ungefähr 3,5.

Beispiel II

Bei derselben Leistung von 626 MW (t) mit einem sauberen Kern und im Siedezustand wurde das Verhältnis von Höchstwert zu Durchschnittswert von Neutronenfluß und Leistung auf 1,5 verringert, indem Kontrollstäbe auf der Kühlmitteleingangsseite in den Reaktorkern eingeführt wurden. Durch die Verwendung von Kontrollstäben zur Glättung des Neutronenflusses und der Leistung verringert sich die erwartete Lebensdauer des Reaktorkerns auf ungefähr 3000MWD/t (Megawatt-Tage pro Tonne).

Beispiel III

Ein Reaktorkern mit den erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffstäben wird im siedenden Zustand mit derselben Leistung betrieben. Die Brennstoffstäbe haben dieselbe Länge und denselben Durchmesser, sind aber aus vollen zylinderförmigen Brennstoffkörpern, die 1,5 Gewichtsprozent U²³⁵O₂ enthalten, und hohlen Brennstoffkörpern mit einem zylindrischen Hohlraum von 6,3 mm Durchmesser hergestellt. Diese hohlen Brennstoffkörper enthalten gewichtsmäßig ungefähr 25% weniger Brennstoff als die vollen Brennstoffkörper, aber in den beiden Arten von Brennstoffkörpern ist dieselbe Menge an angereichertem UO₂ vorhanden. Da in dem zylinderförmigen Brennstoffelement aber weniger Brennstoff enthalten ist, beträgt die Anreicherung 2,0%. Die hohlen Brennstoffkörper sind im wesentlichen nach Kurve 98 in der F i g. 3 im Brennstoffelement verteilt. Das Verhältnis des Höchstwertes zum Durchschnittswert von Neutronenfluß und Leistung beträgt ungefährt 1,4; dabei wird eine Lebensdauer von 5000 MWD/t erwartet. Zur Glättung des Neutronenflusses sind keine Kontrollstäbe erforderlich. Der Reaktor kann deswegen so lange betrieben werden, bis sämtliche Kontrollstäbe aus dem Kern entfernt sind. Darüber hinaus kann der Reaktor auch noch weiter betrieben werden, wobei aber die Leistung allmählich abnimmt.

Beispiel IV

Falls der Kern des obenerwähnten Reaktors mit einer Leistung von 626 MW (t) durch die in der F i g. 6 gezeigten Brennstoffstäbe ersetzt wird, beträgt sogar noch am Ende der Brennstofflebenszeit die thermische Leistung des Reaktors ungefähr MW (t). Dieser Wert ist ungefähr 100% höher als der bei der Verwendung von üblichem Brennstoff.

Durch die erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffelemente kann die Leistung eines Siedewasserreaktors daher wesentlich erhöht und gleichzeitig der bisher erreichbare Brennstoffabbrand vergrößert werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Für einen Siedereaktor mit einem neutronenmoderierenden Kühlmittel bestimmtes Brennstoffelement, das spaltbare und brütbare Stoffe enthält und in seiner Längsrichtung vom Kühlmittel überspült wird, dadurch gekennzeichnet, daß sein Gehalt an spaltbaren Atomen je Längeneinheit ungefähr konstant ist, während sein Gehalt an brütbaren Atomen je Längeneinheit in der Richtung des Kühlmittelflusses längs des Brennstoffelementes abnimmt.

2. Brenstoffelement nach Anspruch 1, das in seiner Längsrichtung hintereinander angeordnete Brennstofftabletten enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Tabletten zum Teil massiv und zum Teil hohl sind.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vom kühlmitteleintrittsseitigen Ende bis zur Siedegrenze nur massive Tabletten vorgesehen sind, während von der Siedegrenze bis zum kühlmittelaustrittsseitigen Ende der prozentuale Anteil der hohlen Tabletten ungefähr linear, vorzugsweise in der Nähe der Siedegrenze etwas stärker als am kühlmittelaustrittsseitigen Ende, zunimmt.

4. Brennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der hohlen Tabletten in Richtung des Kühlmittelflusses stetig zunimmt.

5. Brennstoffelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tabletten eine periphere Schicht aufweisen, in der im wesentlichen der gesamte Spaltstoff untergebracht ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1041 609;
belgische Patentschrift Nr. 555 025;
»Nucleonics März« 1956, S. 38; April 1958, S. 106 bis 108.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen